Brevet FR3005058A1 — publié le 20141031

- 1 - COMPOSITION DE PRE-1VIELANGE POUR BITUMES Domaine de l'invention L'invention appartient au domaine des enrobés bitumineux et plus précisément aux technologies relatives aux additifs fonctionnels ajoutés au mélange de bitume et d'agrégats pour lui conférer des propriétés physico-chimiques et mécaniques particulières. Plus spécifiquement, l'invention concerne une composition de pré-mélange directement utilisable pour être dispersée dans le mélange de bitume et d'agrégats afin de lui conférer les propriétés recherchées. L'invention se rapporte également à un enrobé bitumineux comprenant une proportion déterminée (domaine de concentration dans le mélange bitume et agrégats, en poids relatif) du susdit pré-mélange ainsi que l'utilisation de ce pré-mélange pour l'obtention d'un enrobé bitumineux. Etat de l'art L'utilisation du bitume dans la fabrication de matériaux pour applications routières et industrielles est connue de longue date : le bitume est le principal liant hydrocarboné utilisé dans le domaine de la construction routière ou du génie civil. Le bitume ou asphalte est la portion la plus lourde dans le processus de distillation du pétrole. En raison des différentes origines et procédés de distillation de tels pétroles, le bitume résultant peut avoir une large gamme de propriétés et de caractéristiques. Dans la présente invention, le bitume désigne non seulement le produit du pétrole par distillation directe ou de la distillation de pétrole a des pressions réduites, mais également les produits provenant de l'extraction de goudron et de sables bitumineux, les produits d'oxydation et/ou de fluxage avec des solvants carbones comprenant des paraffines et des cires de tels matériaux bitumineux, ainsi que des bitumes souffles ou semi-souffles, des bitumes synthétiques (tels que ceux décrits par exemple dans FR-A2853647), des goudrons, des résines de pétrole ou des résines indène-coumarone mélangées avec des hydrocarbures aromatiques et/ou paraffiniques et les mélanges de ceux-ci, les mélanges de tels matériaux bitumineux avec des acides, et autres. La principale application pour le bitume est dans les enrobés (enrobés bitumineux), dans lesquels le bitume est mélange avec des agrégats qui peuvent être de - 2 - différentes tailles, formes et natures chimiques. Ces enrobés bitumineux sont utilisés en particulier pour la construction, la réparation et la maintenance des trottoirs, des routes, des autoroutes, des parcs de stationnement ou des pistes d'aéroport et des voies de service et de toute autre surface de roulement. Dans la présente invention, les agrégats comprennent notamment, mais non exclusivement, les agrégats minéraux qui sont le produit de carrières ainsi que d'agrégats récupérés a partir d'enrobes précédents (« Reclaimed Asphalt Pavement », RAP), comme décrit par exemple dans la norme AFNOR XP P98-135, décembre 2001, Asphalt Handbook, MS-4 7èm° édition, publiée par l'Asphalt Institute, Etats-Unis), produits a partir de la démolition de bâtiments et leurs mélanges ainsi que des fibres organiques et inorganiques, telles que les fibres de verre, de métal ou de carbone, ainsi que les fibres de cellulose, de coton, de polypropylène, de polyester, de poly(alcool vinylique) et de polyamide. L'utilisation du bitume dans la fabrication de matériaux pour applications routières et industrielles est connue de longue date : le bitume est le principal liant hydrocarboné (pour lier les agrégats entre eux) utilisé dans le domaine de la construction routière ou du génie civil. Pour pouvoir être utilisé comme liant dans ces différentes applications, le bitume doit présenter certaines propriétés physico-chimiques. Une des propriétés les plus importantes est la dureté du bitume; celle-ci doit être, aux températures d'usage suffisamment élevée pour éviter la formation d'ornières provoquée par le trafic. Une autre caractéristique très importante est la viscosité du bitume; le bitume doit être suffisamment fluide à des températures d'application les moins élevées possibles. Un moyen pour durcir un bitume est de le souffler. Les bitumes soufflés sont fabriqués dans une unité de soufflage, en faisant passer un flux d'air et/ou d'oxygène à travers un bitume de départ. Cette opération d'oxydation thermique peut être menée en présence d'un catalyseur d'oxydation, par exemple de l'acide phosphorique. Généralement, le soufflage est réalisé à des températures élevées, de l'ordre de 200 à 300°C, pendant des durées relativement longues typiquement comprises entre 30 minutes et 2 heures, en continu ou en batch. Ce procédé de soufflage présente un certain nombre d'inconvénients qui rendent cette technique très souvent rédhibitoire. Un autre moyen pour durcir un bitume, ou pour modifier ses propriétés mécaniques, consiste à lui ajouter des polymères. Ces polymères permettent notamment d'améliorer la cohésion du liant, d'améliorer les propriétés élastiques du liant, d'augmenter l'intervalle de plasticité du bitume, d'augmenter la résistance à la - 3 - déformation et aussi d'augmenter la dureté du bitume par la diminution de sa pénétrabilité et sa susceptibilité thermique, ainsi que l'amélioration de ses propriétés rhéologiques. Aux températures d'usage, ces caractéristiques sont donc nettement améliorées, ce qui aura pour effet de réduire voire supprimer les risques de fissuration et d'orniérage, d'où il découle des frais d'entretien et de maintenance très significativement réduits. En outre, grâce à cette modification polymère, il est possible de mettre en oeuvre des rubans routiers beaucoup plus fins qu'avec du bitume non-modifié, tout en présentant des performances mécaniques supérieures A l'heure actuelle, la technologie courante pour introduire ces additifs polymères suit les étapes suivantes. Tout d'abord, dans une première étape, les additifs polymères sont ajoutés à l'ensemble du bitume nécessaire, ou quasiment, pour réaliser l'enrobé bitumineux (final), ce qui constitue un mélange identifié en tant que « bitume modifié » ou « liant », puis dans une deuxième étape, les agrégats, avec éventuellement un complément de bitume, sont ajoutés à ce bitume modifié pour former l'enrobé bitumineux. Cette technique n'est pas satisfaisante. Elle nécessite impérativement deux étapes pour parvenir à l'enrobé bitumineux ce qui prend non seulement un temps de préparation relativement long mais nécessite également des installations couteuses. De plus, cette technique présente l'inconvénient majeur de ne pas autoriser la préparation in situ, au plus près des besoins des opérateurs, de l'enrobé bitumineux à appliquer, de sorte que ce dernier ayant déjà été préalablement préparé, Il est susceptible de présenter des performances dégradées (durcissement par vieillissement thermo-oxydatif, séparation et ségrégation des phases polymère et bitume, augmentation de la viscosité). Depuis peu de temps, une technique totalement différente dans son procédé de préparation de l'enrobé bitumineux a fait son apparition. Elle vise à palier les inconvénients de la technique de préparation susvisée en permettant une préparation en une seule étape de l'enrobé bitumineux, qui plus est in situ, c'est-à-dire sur le site d'enrobage des agrégats par le liant bitumineux. Cette technique de préparation de l'enrobé bitumineux consiste à réaliser un pré-mélange associant du bitume à une certaine quantité d'un ou plusieurs polymères. Ce pré-mélange est fourni aux opérateurs qui réalisent eux-mêmes, selon les particularités de leurs besoins sur le terrain, l'enrobé bitumineux en ajoutant ce pré-mélange à du bitume et des agrégats. - 4 - A l'heure actuelle, on connaît l'utilisation des polymères ECB (« Ethylene Copolymer Bitumen », association d'un bitume avec un copolymère type Evatane® ou Lotrylc)), polyéthylène (PE) et polypropylène (PP) pour ces compositions de pré-mélange mais elles ne donnent pas pleinement satisfaction tant du point de vue des propriétés mécaniques du liant bitumineux, en particulier le retour élastique ainsi que la susceptibilité thermique (intervalle de plasticité). On connait également l'utilisation de terpolymère du type éthylène(méth)acrylate-méthacrylate de glycidyle permettant d'améliorer les propriétés de retour élastique et de susceptibilité thermique mais il est également connu que ce type de polymère, réagissant avec le bitume, est très difficilement utilisable à plus de cinq pour cent (5%) dans le bitume sans voir l'aspect du bitume se détériorer par l'apparition de gels (US 5306750). Brève description de l'invention De façon surprenante, la demanderesse a découvert, en contradiction avec les enseignements de l'art antérieur qu'il est possible de préparer un pré-mélange contenant un polymère fonctionnalisé époxyde en l'associant à un copolymère d'une alpha oléfine et d'un ester d'acide carboxylique insaturé et en utilisant un outil de mélange des thermoplastiques. En effet, il était (re)connu qu'un mélange Lotryr/Lotader() trop concentré dans le bitume entrainait une viscosité trop élevé et des problèmes d'hétérogénéité (formation de gels). De plus, les taux de polymères présent dans ce pré-mélange pouvant être supérieur à 20%, l'utilisation de ce pré-mélange est économiquement viable pour la préparation d'enrobés bitumineux en une seule étape. La présente invention concerne ainsi une composition de pré-mélange pour enrobés bitumineux, comprenant : - de 35% à 80%, en poids de la composition, de bitume, - de 0,1% à 65%, en poids de la composition, d'un premier copolymère (A) d'une alpha oléfine et d'un ester d'acide carboxylique insaturé, - 5 - caractérisée en ce qu'elle comprend en outre de 0,1% à 65% en poids d'un second copolymère (B) d'une alpha oléfine, d'un époxyde insaturé et d'un ester d'acide carboxylique insaturé D'autres caractéristiques ou modes de réalisation de l'invention sont présentées ci-après : - de préférence, le susdit premier copolymère (A) et le susdit second copolymère (B) représentent entre 20% et 65% en poids de ladite composition ; - avantageusement, le ratio massique de (B)/[(A) + (B)] soit compris entre 0,15 et 0,5, de préférence entre 0,25 et 0,35 ; - la composition selon l'invention consiste en le bitume et les premier et second susdit copolymères ; - selon un aspect avantageux de l'invention, l'alpha oléfine du susdit premier et second copolymère (A) et (B) consiste en un groupement éthylène, propylène, 1-butène, isobutène, 1-pentène, 1-hexène, 1-décène, 4-méthyl-1-butène, 4,4-diméthyl-1-pentène, vinylcyclohexane, styrène, méthylstyrène, styrène substitué avec des alkyls, et de préférence en l'éthylène ; - selon un autre aspect avantageux de l'invention, l'ester d'acide carboxylique insaturé du susdit premier et second copolymère (A) et (B) consiste en un (méth)acrylate d'alkyle, le groupement alkyle comportant jusqu'à 24 atomes de carbones ; - selon encore un autre aspect avantageux de l'invention, l'époxyde insaturé du copolymère (B) consiste en un ester / éther de glycidyle aliphatiques ou en un ester / éther de glycidyle alicyclique ; - selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le second copolymère (B) est un copolymère éthylène/(méth)acrylate d' alkyle/(méth)acrylate de glycidyle, ayant de 0,1% à 65% en poids de (méth)acrylate d'alkyle dont l'alkyle comporte de 1 à 10 carbones et jusqu'à 12% en poids de (méth)acrylate de glycidyle ; - selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le premier copolymère (A) est un copolymère éthylène/(méth)acrylate d'alkyle dont l'alkyle comporte de 1 à 10 carbones et jusqu'à 65% en poids de (méth)acrylate. - 6 - L'invention présente notamment les avantages de pouvoir être mise en oeuvre in situ, sans aucune détérioration de l'enrobé bitumineux et pour un gain économique (temps d'application, mains d'oeuvre, quantité d'enrobé bitumineux correspondant au besoin réel). La présente invention se rapporte également à un enrobé bitumineux comprenant des agrégats et du bitume caractérisé en ce qu'il comprend une composition de pré-mélange telle que définie ci-dessus. De préférence, ladite composition de pré-mélange est présente entre 1% et 15% en poids, de préférence entre 3% et 8%, dans l'enrobé bitumineux. Enfin, l'invention se rapporte à l'utilisation de la composition susvisée pour la préparation d'un enrobé bitumineux. La description qui va suivre est donnée uniquement à titre illustratif et non limitatif. Description détaillée de l'invention S'agissant du bitume, cet élément peut consister en tout élément entrant dans la définition ou sous l'appellation de bitume tel que l'homme du métier peut l'appréhender sans effort excessif. s'agit d'un copolymère d'une alpha moins un époxyde insaturé et au moins un ester d'acide S'agissant du second copolymère (B), il oléfine comprenant au carboxylique insaturé. L'époxyde insaturé peut être choisi parmi: - les esters et éthers de glycidyle aliphatiques tels que l'allylglycidyléther, le vinylglycidyléther, le maléate et l'itaconate de glycidyle, l'acrylate et le méthacrylate de glycidyle, et - les esters et éthers de glycidyle alicycliques tels que le 2 cyclohexène-1 -glycidyl éther, le cy clohexène-4, 5 -diglycidylcarb oxylate, le cyclohexène-4-glycidyl carboxylate, le 5-norbornène-2-méthy1-2-glycidyl carboxylate et l'endocis-bicyclo(2,2,1 )-5-heptène-2,3-diglycidyl dicarboxylate. Avantageusement, on utilise le (méth)acrylate de glycidyle. - 7 - L'ester d'acide carboxylique insaturé peut être par exemple un (méth)acrylate d'alkyle, le groupement alkyle pouvant avoir jusqu'à 24 atomes de carbone. Des exemples d'acrylate (ou méthacrylate) d'alkyle utilisables sont notamment le l'acrylate de méthyle, l'acrylate d'éthyle, l'acrylate de n-butyle, l'acrylate d'isobutyle, l'acrylate de 2-éthylhexyle. L'alpha oléfine peut être l'éthylène, le propylène, le 1-butène, l'isobutène, le 1-pentène, le 1-hexène, le 1-décène, le 4-méthy1-1 -butène, le 4,4-diméthyl-1-pentène, le vinylcyclohexane, le styrène, le méthylstyrène, le styrène substitué avec des alkyls. Avantageusement, on utilise l'éthylène. L'époxyde insaturé peut être greffé ou copolymérisé avec l'alpha oléfine et l'ester d'acide carboxylique insaturé. On préfère la copolymérisation. Avantageusement, (B) est un copolymère éthylène / (méth)acrylate d'alkyle dont l'alkyle a de 1 à 10 carbones / (méth)acrylate de glycidyle et contenant jusqu'à 65% en poids de (méth)acrylate et jusqu'à 12% en poids d'époxyde. S'agissant du premier copolymère (A), il s'agit d'un copolymère d'une alpha oléfine comprenant au moins un ester d'acide carboxylique insaturé. L'alpha oléfine et l'ester d'acide carboxylique insaturé peuvent être choisis parmi les mêmes produits déjà cités précédemment pour le copolymère (B). Avantageusement, (A) est un copolymère éthylène / (méth)acrylate d'alkyle dont l'alkyle a de 1 à 10 atomes de carbone et contenant jusqu'à 65% en poids de (méth)acrylate. Le pré-mélange selon l'invention est réalisé selon un procédé en une étape au cours de laquelle on mélange les ingrédients pour donner une composition homogène et réaliser les éventuelles réactions chimiques entre composants. Ce pré-mélange peut être préparé en mélangeant les différents constituants par les moyens classiques de mise en oeuvre des thermoplastiques comme par exemple l'extrusion ou le malaxage. On peut utiliser un mélangeur interne, un co-malaxeur ou une extrudeuse bi-vis co-rotative. Préférentiellement, les compositions sont réalisées à une température comprise entre 100 et 300°C. - 8 - Obtention des formulations des compositions testées : Bien que le pré-mélange selon l'invention soit utilisé au cours de l'étape d'enrobage des granulats, sa caractérisation s'effectue par une dilution dans un bitume non modifié afin de former un liant de composition équivalente a celle obtenue lors de l'étape d'enrobage des granulats. En effet, les propriétés de retour élastique et de viscosité sont classiquement mesurées sur le liant et non sur l'enrobé bitumineux. Les pré-mélanges ont été préparés à l'aide d'un mélangeur interne Plastograph Brabender® à une température de 160°C et une vitesse de rotation des rotors de 60 rpm (« round per minute », ou tour par minute). Les polymères sont tout d'abord introduits afin d'être fondus et intimement mélangés. Le bitume est ensuite introduit dans le mélangeur interne après avoir été préchauffé à 150°C. L'addition du bitume doit être assez lente (quelques minutes) afin de permettre une bonne incorporation dans le mélange de polymères. Le temps de mélange après introduction de tous les composants est de dix (10) minutes. Les liants ont été préparés dans un réacteur maintenu à 160°C et équipé d'un système d'agitation mécanique par mélange de 25g de pré-mélange et 475g de bitume non additivé. La quantité de pré-mélange utilisée représente donc 5% du liant ainsi obtenu. La vitesse d'agitation est de 400 rpm et la durée du mélange est de 2 heures. Le liant subit ensuite un traitement thermique de 24h (une journée complète) à 190°C avant évaluation de ces propriétés de retour élastique et de viscosité. Tests réalisés : Test de viscosité Les mesures de viscosité sont réalisées à l'aide d'un viscosimètre de type « Viscosimètre Brookfield ». Le dispositif de mesure utilisé est un viscosimètre Brookfield® DVIII. Le principe de la mesure repose sur la mesure du couple (proportionnel à la contrainte de cisaillement) nécessaire pour maintenir constante la vitesse angulaire de rotation (proportionnelle à la vitesse de cisaillement) d'un mobile immergé dans le bitume modifié, et d'en déduire proportionnellement la viscosité de ce dernier. La mesure s'effectue à l'aide d'un mobile SC4-21 (Norme ISO 2555). Entre 5 à 10 mL (millilitre) de bitume modifié sont introduits dans la chambre de mesure maintenue à 135 °C. Les valeurs données dans les exemples ci-dessous correspondent à - 9 - une vitesse de rotation du mobile de 20 rpm et sont exprimées en mPa.s (milli Pascal seconde). La précision de la mesure est de ±10 % de la valeur indiquée. Test de retour élastique Le retour élastique d'un bitume modifié est un indicateur qui permet de caractériser la capacité du liant à retrouver ses caractéristiques géométriques d'origine à la suite d'une déformation. Il est déterminé à l'aide d'un essai de laboratoire utilisant un appareillage similaire à celui de l'essai de ductilité et celui de force-ductilité, appareil communément dénommé « ductilimètre ». Le dispositif de mesure utilisé est un ductilimètre Frôwag® type 1.723. La mesure se déroule comme décrit ci-après selon la Norme NF EN 13398. Après équilibre thermique des éprouvettes disposées dans l'appareil (30 minutes dans un bain d'eau thermostaté à 25°C), celles-ci sont étirées à 50 mm/min (millimètre par minute) pour subir un allongement de 200 mm. Dans les 10 secondes suivant la fin de l'étirage, les éprouvettes sont alors sectionnées dans leur milieu et la longueur de rétrécissement de l'éprouvette est mesurée après 30 minutes. La valeur du retour élastique est le pourcentage de longueur de rétrécissement de l'éprouvette ramené à sa longueur totale. Un taux de retour élastique de 100 % correspondrait à un liant qui recouvrirait entièrement ses dimensions originelles (avant étirage). Matières premières des compositions testées : Le bitume utilisé est un bitume ayant une pénétrabilité, déterminée selon les modalités de la norme NF EN1426, dans l'intervalle de 50/70. Lotader® AX8900 : terpolymère d'éthylène, d'acrylate de méthyle (24% poids) et de méthacrylate de glycidyle (8% poids) produit par ARKEMA possédant un MFI (190°C, 2.16 kg mesuré selon ISO 1133) de 6 g/lOmn. Lotryl® 17BA07 : copolymère d'éthylène et d'acrylate de butyle (17% poids) produit par ARKEMA possédant un MFI (190°C, 2.16 kg mesuré selon ISO 1133) de 7 g/10mn. Résultats des tests : L'enrobé bitumineux doit présenter certaines caractéristiques avantageuses. - 10 - Ici sont reportés de façon non exhaustive les résultats relatif à un enrobé bitumineux obtenus à partir du pré-mélange selon la présente invention. Dans ce cadre, trois caractéristiques ont été plus particulièrement visées, à savoir : - la viscosité à 135°C de l'enrobé bitumineux qui doit idéalement être inférieure à 3000 mPa.s ; et - le retour élastique (%) qui doit être supérieur à 50% et préférentiellement supérieur à 70% ; et enfin - la présence de gel (observation à l'oeil nu) au niveau de l'enrobé bitumineux. Le tableau ci-dessous reporte une partie des résultats de tests obtenus par la titulaire. Sous toutes réserves d'interprétation, ces résultats ont permis à la titulaire de définir l'invention telle qu'énoncée dans l'ensemble des revendications annexées. Pré- mélange Taux Lotry10 17BA07 Taux Lotader AX08900 (B) (A) + (B) / Aspect de Viscosité Retour élastique (%) (A) (B) [(A) + (B)] surface à 135°C (mPA.$) 1 50% 0% 50% 0 Lisse 1520 41 2 45% 5% 50% 0,1 Lisse 1850 46 3 40% 10% 50% 0,2 Lisse 2230 63 4 35% 15% 50% 0,3 Lisse 2630 75 5 30% 20% 50% 0,4 Lisse 3090 80 6 20 % 30 % 50 % 0,6 Gélifié 3680 82 7 10.5% 4.5% 15% 0,3 Lisse 910 44 8 17.5% 7.5% 25% 0,3 Lisse 1130 55 9 42% 18% 60% 0,3 Lisse 2820 80 10 49 % 21 % 70 % 0,3 Gélifié 3460 69 REVENDICATIONS1. Composition de pré-mélange pour enrobés bitumineux, comprenant : - de 35% à 80%, en poids de la composition, de bitume, - de 0,1% à 65%, en poids de la composition, d'un premier copolymère (A) d'une alpha oléfine et d'un ester d'acide carboxylique insaturé, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre de 0,1% à 65% en poids d'un second copolymère (B) d'une alpha oléfine, d'un époxyde insaturé et d'un ester d'acide carboxylique insaturé. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que le susdit premier copolymère (A) et le susdit second copolymère (B) représentent entre 20% et 65% en poids de ladite composition. 3. Composition selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le ratio massique de (B)/[(A) + (B)] soit compris entre 0,15 et 0,5, de préférence entre 0,25 et 0,35. 4. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite composition consiste en le bitume et les premier et second susdit copolymères. 5. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'alpha oléfine du susdit premier et second copolymère (A) et (B) consiste en un groupement éthylène, propylène, 1-butène, isobutène, 1-pentène, 1- hexène, 1-décène, 4-méthyl-1-butène, 4,4-diméthyl-1-pentène, vinylcyclohexane, styrène, méthylstyrène, styrène substitué avec des alkyls, et de préférence en l'éthylène. 6. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ester d'acide carboxylique insaturé du susdit premier et second copolymère (A) et (B) consiste en un (méth)acrylate d'alkyle, le groupement alkyle comportant jusqu'à 24 atomes de carbones.- 12 - 7. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'époxyde insaturé du copolymère (B) consiste en un ester / éther de glycidyle aliphatiques ou en un ester / éther de glycidyle alicyclique. 8. Composition selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisée en ce que le second copolymère (B) est un copolymère éthylène/(méth)acrylate d' alkyle/(méth)acrylate de glycidyle, ayant de 0,1% à 65% en poids de (méth)acrylate d'alkyle dont l'alkyle comporte de 1 à 10 carbones et jusqu'à 12% en poids de (méth)acrylate de glycidyle. 9. Composition selon l'une quelconques des revendications précédentes, comprenant caractérisée en ce le premier copolymère (A) est un copolymère éthylène/(méth)acrylate d'alkyle dont l'alkyle comporte de 1 à 10 carbones et jusqu'à 65% en poids de (méth)acrylate. 10. Enrobé bitumineux selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des agrégats et du bitume caractérisée en ce qu'il comprend une composition de pré-mélange selon l'une quelconque des revendications précédentes. 11. Enrobé bitumineux selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite composition de pré-mélange est présente entre 1% et 15% en poids, de préférence entre 3% et 8%, dans l'enrobé bitumineux. 12. Utilisation de la composition de pré-mélange selon l'une des revendications 1 à 9 pour la préparation d'un enrobé bitumineux.