Brevet FR3133202A1 — publié le 20230908

La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une couche de revêtement routier à basé d’enrobé hydrocarboné à froid, comprenant les étapes suivantes : a) enrober à température ambiante dans un malaxeur d’une machine automotrice une fraction solide minérale avec une émulsion cationique de liant hydrocarboné, de l’eau est introduite dans le malaxeur en une teneur telle que l’eau totale soit comprise entre 8 ppc et 14 ppc par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche pour former un enrobé hydrocarboné à froid dans lequel la teneur en liant anhydre résiduel conventionnelle telle que décrite dans la norme NF P 98-139 :2016-12 varie de 3,5 à 6 % , par rapport au poids de l’enrobé après séchage, b) mise en œuvre de l’enrobé hydrocarboné à froid directement en sortie du malaxeur de la machine automotrice pour former une couche ayant une épaisseur d’au moins 2 cm, c) puis compactage de la couche mise en œuvre lors de l’étape b) pour former la couche de revêtement routier. PROCEDE DE FABRICATION D’ENROBES HYDROCARBONES A FROID ET ENROBES HYDROCARBONES A FROID A MONTEE EN COHESION RAPIDE La présente invention concerne le domaine des enrobés hydrocarbonés pour la construction routière. Plus particulièrement, la présente invention porte sur le malaxage à froid de fractions solides minérales et d’une émulsion cationique de liants hydrocarboné directement sur chantier à l'aide de machines d'application équipées d'un malaxeur embarqué afin de fabriquer des enrobés hydrocarbonés à froid à montée en cohésion rapide. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE : Enrobés hydrocarbonés Parmi les enrobés hydrocarbonés, on distingue deux grandes familles : les enrobés hydrocarbonés à chaud et les enrobés hydrocarbonés à froid. Les enrobés hydrocarbonés à chaud sont obtenus par mélange à chaud des granulats et d’un liant hydrocarboné. Les granulats sont chauffés, en règle générale à une température supérieure à 100°C. Ces enrobés présentent un bon enrobage, une bonne maniabilité et des propriétés mécaniques après mise en œuvre et refroidissement conformes aux attentes de l’homme de l’art. La montée en cohésion de ces enrobés est franche et rapide et se fait par refroidissement du revêtement en quelques heures. Les enrobés hydrocarbonés à froid sont obtenus par malaxage à froid de particules solides minérales, éventuellement humidifiées, avec un liant hydrocarboné mis en émulsion. L’usage d’émulsion cationique de liant hydrocarboné permet un enrobage sans séchage et sans chauffage des particules solides minérales du fait de la basse viscosité de l’émulsion de liant hydrocarboné à une température proche de la température ambiante. La fabrication à froid de ces enrobés permet une nette diminution de la consommation d’énergie nécessaire aux enrobés à chaud pour sécher et chauffer les particules solides minérales. Les enrobés à froid sont donc reconnus pour diminuer l’empreinte environnementale des enrobés hydrocarbonés lors des étapes de fabrication. Enrobés hydrocarbonés à froid et matériaux bitumineux coulés à froi d Les enrobés hydrocarbonés à froid selon l’invention ont les propriétés des enrobés à l’émulsion décrits dans le guide Enrobés à l’émulsion fabriqués à l’usine, Cerema, 2020 ou dans les anciennes normes NF P 98-139 :2016-12 et NF P 98-121 :2014-10. Les performances mécaniques caractéristiques des enrobés hydrocarbonés à froid sont notamment : - la résistance à la compression, la tenue à l’eau, vues au travers d’un essai Duriez (NF P 98-251-4 : Août 2004) ; - l’aptitude au compactage vue à travers l’essai de compactage à la presse de cisaillement giratoire (NF P 98-252 : Juin 1999) ; - le module de rigidité (NF EN 12697-26 annexe C, juin 2018). Les enrobés hydrocarbonés à froid selon l’invention sont distincts des matériaux bitumineux coulés à froid. Les enrobés hydrocarbonés à froid répondent à des règles de formulations différentes de celles des matériaux coulés à froid et leur mise en œuvre est différente. Enfin, leurs performances mécaniques sont évaluées via des essais en laboratoires différents. Les matériaux bitumineux coulés à froid sont décrits dans le guide Matériaux bitumineux coulés à froid, Cerema ou dans la norme NF EN 12273 « MBCF : spécifications » ou de l’ancienne norme NF P 98 150. Les matériaux bitumineux coulés à froid ont une teneur en liant résiduel supérieure à 5,5 ppc (partie pour cent en poids), par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche. Les performances mécaniques caractéristiques des matériaux bitumineux coulés à froid sont : - le temps de prise ou de fluidité : temps déterminé comme la durée entre le début de mélange des constituants et la prise du MBCF ; - le temps de rupture : temps pour lequel l’émulsion dans le MBCF est totalement rompue ; - le temps de cohésion : temps pour lequel la cohésion du MBCF est suffisante pour l’ouverture au trafic ; - la résistance à l’usure (ou à l’abrasion) : essai effectué après un mûrissement plus ou moins long pour s’assurer de la durabilité du MBCF sous trafic. La demande FR 2 927 328 décrit un procédé de fabrication d’un enrobé coulé à froid capable d’être mis en œuvre sur une forte épaisseur d’au moins 1,5cm, ledit enrobé comprenant les constituants suivants : - un liant hydrocarboné sous forme d’émulsion cationique, - des granulats, - de l’eau d’apport et, - au moins un additif. Selon l’invention, au moins un des additifs comprend une gomme synthétique, naturelle ou naturelle modifiée et, on procède à l’ajout de cet additif comprenant un gomme synthétique naturelle ou naturelle modifiée dans le flux d’émulsion ou dans l’eau d’apport préalablement au mélange de l’ensemble desdits constituants. Cependant la demande FR 2 927 328 fait référence au domaine des enrobés coulés à froid selon la définition de la norme NF P 98 150. La demande FR 2 927 328 ne décrit à aucun moment un procédé de préparation d’un enrobé hydrocarboné à froid tel que défini dans les normes NF P 98-139 :2016-12 et NF P 98-121 :2014-10. Enrobés hydrocarbonés à froid Le liant utilisé pour la fabrication des émulsions de liant hydrocarboné est un bitume, un bitume modifié par des polymères, un liant de synthèse pétrolier et/ou un liant végétal. Le liant peut être fluxé ou fluidifié par des produits d’origine pétrolière ou végétale. Lorsqu’une émulsion cationique de bitume est employée comme liant, les enrobés hydrocarbonés à froid qui en découlent se divisent en deux catégories de produits : - les graves-émulsion (GE) pour les couches d’assise, de liaison et le reprofilage ; - les Bétons bitumineux à l’émulsion (BBE) pour les couches de roulement. La température de fabrication des enrobés à froid, qui est proche de la température ambiante (la température minimale conseillée est d’environ 10°C, la gamme s’étend donc avantageusement de 10°C à 40°C), donne au liant, après rupture de l’émulsion, un rôle très important sur la maniabilité et la compactibilité de l’enrobé. Dans cette gamme de température, la viscosité importante du liant réduit la compactibilité de l’enrobé et ainsi diminue les propriétés mécaniques de l’enrobé obtenu. Les enrobés à froid s’affranchissent de beaucoup de contraintes liées aux enrobés à chaud. Cependant, les enrobés à froid présentent des défauts et des limites techniques. Tout d’abord, la réactivité de l’émulsion de liant hydrocarboné avec les particules solides minérales amène parfois à un défaut de qualité d’enrobage, notamment lorsque les particules solides minérales contiennent une teneur importante en fines. En effet, plus la fraction granulaire contient de fines, plus mauvaise sera la répartition du liant sur la fraction granulaire (principalement sur les gros éléments). De plus, ce défaut d’enrobage peut être accentué par les nombreuses manipulations de l’enrobé (transport, passage dans les vis du finisseur, compactage) qui amènent à des problèmes de désenrobage par abrasion du film de liant sur les surfaces granulaires. Ces problèmes d’enrobage ne peuvent pas être améliorés par augmentation de la teneur en eau du mélange car les enrobés à froid sont très sensibles à la teneur en eau totale du mélange qui génère des problèmes de maniabilité lorsque la teneur en eau est trop importante. La maniabilité constitue également une limite technique inhérente aux enrobés à froid. Dans le délai de transport de l’enrobé entre la centrale d’enrobage et le chantier, la montée en cohésion s’opère suite à la rupture de l’émulsion au contact des particules solides minérales. Cette montée en cohésion est généralement temporisée par plusieurs biais incluant la diminution de la teneur en liant de l’enrobé, l’usage de fluxants ou l’usage de tensioactifs à rupture très lente. Ces actions agissent positivement sur la maniabilité de l’enrobé lors du transport mais ont également une action néfaste sur la remontée en cohésion de l’enrobé lorsqu’il a été appliqué sur la chaussée. Pour remédier à ou limiter les problèmes de mauvaise répartition du film de bitume sur la totalité de la fraction granulaire, l’étape de mélange des fractions granulaires et du liant en émulsion peut être séquencée. En effet, alors que les graves-émulsion et enrobés hydrocarbonés à froid pour assise ou reprofilage sont normalement fabriquées par simple enrobage, les bétons bitumineux à l’émulsion (BBE) et enrobés hydrocarbonés à froid pour couches de roulement font généralement appel à une enrobage séquencé du fait de la nécessité d’obtenir un très bon enrobage pour ces revêtements de surface. Des méthodes de séquençage sont décrites dans les brevets EP 0 384 094, EP 0 524 031, EP 0 781 887 et FR 2 960 890. Afin d’améliorer le comportement des enrobés à froid, notamment sur les aspects de l’enrobage, de la maniabilité et de la montée en cohésion, différents procédés comprenant une étape de chauffage ont été proposés, notamment dans les brevets EP 0 552 574, FR 2 732 239 et EP 1 668 184. L’arrière-plan technologique témoigne du bénéfice de certains procédés dans le but d’améliorer le comportement des enrobés hydrocarbonés à froid. Les propriétés telles que l’enrobage, la maniabilité et la remontée en cohésion peuvent ainsi être optimisées par le biais d’un séquençage de l’ajout des particules solides minérales et du liant ou bien par le biais d’une étape de chauffage. Un besoin demeure pour la mise à disposition de nouvelles solutions permettant d’augmenter significativement la montée en cohésion des enrobés hydrocarbonés à froid, notamment pour les couches de roulement, tout en assurant un bon enrobage de l’enrobé. Ceci, afin d’améliorer la résistance au cisaillement au jeune âge des enrobés hydrocarbonés à froid et ainsi permettre un usage plus large de ces revêtements, notamment pour les plus forts trafics. Le but de la présente invention est donc de répondre aux limites techniques mentionnées précédemment, et de proposer un procédé de fabrication d’un enrobé hydrocarboné à froid qui permet : - de s’affranchir de la nécessité du séquençage pour obtenir un bon enrobage de l’enrobé et cela qu’importe la nature pétrographique des particules solides minérales ; - de s’affranchir des nombreux problèmes de maniabilité associés à la fabrication en centrale des enrobés hydrocarbonés à froid ; - de s’affranchir de l’utilisation de fluxants qui améliorent la maniabilité et la compactibilité mais inhibent la montée en cohésion rapide des enrobés hydrocarbonés à froid ; - de maîtriser la coalescence de l’émulsion du liant hydrocarboné ; - d’améliorer la montée en cohésion des enrobés hydrocarbonés à froid sans procédé de chauffage ; - d’augmenter les résistances mécaniques à court, moyen et long terme des enrobés hydrocarbonés à froid. A cet effet, le demandeur a découvert que la fabrication d’un enrobé hydrocarboné à froid in-situ sur chantier à l’aide d’une machine autoportée munie d’un malaxeur permettrait d’atteindre les objectifs précédents et de résoudre les problèmes de l’art antérieur. Le demandeur a également découvert que malgré la taille réduite du malaxeur d’une machine autoportée, il est possible de satisfaire les exigences d’enrobage des enrobés hydrocarbonés à froid en adaptant une teneur en eau anormalement élevée pour un enrobé hydrocarboné à froid. Une machine autoportée permet de répondre aux attentes d’enrobage sans séquençage spécifique de matériaux et avec des géométries de malaxeurs très différentes. Le demandeur a découvert que les formulations selon l’invention permettent de préparer des enrobés hydrocarbonés à froid qui peuvent être fabriqués in-situ et permettent ainsi de contourner les problématiques liées au transport. BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION : L’invention a pour objet un procédé de fabrication d’une couche de revêtement routier à basé d’enrobé hydrocarboné à froid, comprenant les étapes suivantes : a- enrober à température ambiante dans un malaxeur d’une machine automotrice une fraction solide minérale avec une émulsion cationique de liant hydrocarboné, de l’eau est introduite dans le malaxeur en une teneur telle que l’eau totale soit comprise entre 8 ppc et 14 ppc par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche pour former un enrobé hydrocarboné à froid dans lequel la teneur en liant anhydre résiduel conventionnelle telle que décrite dans la norme NF P 98-139 :2016-12 varie de 3,5 à 6 % , par rapport au poids de l’enrobé après séchage b- mise en œuvre de l’enrobé hydrocarboné à froid directement en sortie du malaxeur de la machine automotrice pour former une couche ayant une épaisseur d’au moins 2 cm ; c- puis compactage de la couche mise en œuvre lors de l’étape b) pour former la couche de revêtement routier. Avantageusement, l’émulsion cationique de liant hydrocarboné comprend en tant qu’émulsifiant au moins une amine, l’amine représentant au moins 50% en poids du poids total des émulsifiants. En particulier, l’amine est choisie parmi : - les alkylpolyamines, dont les alkyles diamines ; - les amines grasses ; - les amidopolyamines ; - les ammoniums quaternaires à chaîne grasse ; - et leurs combinaisons. Dans un mode de réalisation préféré, l’émulsion cationique de liant hydrocarboné comprend à titre d’émulsifiants : (1) au moins une alkylpolyamine, comprenant un ou deux radicaux choisis parmi un reste hydrocarboné, saturé ou insaturé, comprenant de 8 à 24 atomes de carbone et/ou ses dérivés immédiats de cyclisation ainsi que ses dérivés oxyéthylés ou oxypropylés ; et (2) au moins un amidopolyamine de formule (IV) R 1 ’CO-(NH-R 1 ’’) a -NH 2 , R 1 ’ étant un reste hydrocarboné, saturé ou insaturé, comprenant de 12 à 24 atomes de carbone, R 1 ’’ un radical éthylène, a un entier allant de 2 à 5 et/ou ses dérivés immédiat de cyclisation ; l’émulsion cationique comprend un acide minéral choisi parmi l’acide phosphorique ou un acide polyphosphorique ; et le liant comprend un dope d’acide gras ou dérivé d’acide gras. L’enrobé hydrocarboné à froid est avantageusement choisi parmi les graves-émulsion ou les bétons bitumineux à l’émulsion. La fraction solide minérale répond avantageusement à une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le passant à 0,063 mm de la fraction solide minérale varie de 4% à 10% en poids, par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche ; - le passant à 16 mm de la fraction solide minérale est de 100% en poids, par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche ; - le passant à 2 mm de la fraction solide minérale varie de 30% à 50% en poids, par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche ; - le passant à 2 mm de la fraction solide minérale varie de 20% à 40% en poids, par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche. La fraction solide minérale constitue avantageusement 94% à 96,5% en poids, avantageusement 94% à 95,5% en poids, du poids de l’enrobé. Avantageusement, l’enrobé ne comprend pas de gomme. Dans le procédé, lors de l’étape a), de l’eau est introduite dans le malaxeur en une teneur telle que l’eau totale soit avantageusement comprise entre 10 ppc et 12 ppc par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche. Le procédé peut comprendre une étape préalable à l’étape a) d’humidification de la fraction solide minérale. La couche de revêtement routier est avantageusement choisie parmi une couche de roulement ayant une épaisseur variant de 1,5 cm à 3 cm, une couche de roulement ayant une épaisseur variant de 3 cm à 5 cm, une couche de roulement ayant une épaisseur variant de 5 cm à 8 cm, une couche d’assise, un rechargement ou un reprofilage. La machine automotrice comprend avantageusement outre le malaxeur : - une trémie d’alimentation de particules solides minérales ; - une cuve à émulsion ; - un traineau lisseur ou un finisseur ; - une cuve à eau ; - optionnellement une trémie à pulvérulent, tels que la chaux ou le ciment, et/ou une cuve de lait de chaux ; - optionnellement un système de dosage de fibres. Procédé de fabrication d’une couche de revêtement routier à basé d’enrobé hydrocarboné à froid, comprenant les étapes suivantes : a- enrober à température ambiante dans un malaxeur d’une machine automotrice une fraction solide minérale avec une émulsion cationique de liant hydrocarboné, de l’eau est introduite dans le malaxeur en une teneur telle que l’eau totale soit comprise entre 8 ppc et 14 ppc par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche pour former un enrobé hydrocarboné à froid dans lequel la teneur en liant anhydre résiduel conventionnelle telle que décrite dans la norme NF P 98-139 :2016-12 varie de 3,5 à 6 % , par rapport au poids de l’enrobé après séchage b- mise en œuvre de l’enrobé hydrocarboné à froid directement en sortie du malaxeur de la machine automotrice pour former une couche ayant une épaisseur d’au moins 2 cm ; c- puis compactage de la couche mise en œuvre lors de l’étape b) pour former la couche de revêtement routier. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’émulsion cationique de liant hydrocarboné comprend en tant qu’émulsifiant au moins une amine, l’amine représentant au moins 50% en poids du poids total des émulsifiants. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’amine est choisie parmi : - les alkylpolyamines, dont les alkyles diamines ; - les amines grasses ; - les amidopolyamines ; - les ammoniums quaternaires à chaîne grasse ; - et leurs combinaisons. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’émulsion cationique de liant hydrocarboné comprend à titre d’émulsifiants : (1) au moins une alkylpolyamine, comprenant un ou deux radicaux choisis parmi un reste hydrocarboné, saturé ou insaturé, comprenant de 8 à 24 atomes de carbone et/ou ses dérivés immédiats de cyclisation ainsi que ses dérivés oxyéthylés ou oxypropylés ; et (2) au moins un amidopolyamine de formule (IV) R 1 ’CO-(NH-R 1 ’’) a -NH 2 , R 1 ’ étant un reste hydrocarboné, saturé ou insaturé, comprenant de 12 à 24 atomes de carbone, R 1 ’’ un radical éthylène, a un entier allant de 2 à 5 et/ou ses dérivés immédiat de cyclisation ; l’émulsion cationique comprend un acide minéral choisi parmi l’acide phosphorique ou un acide polyphosphorique ; et le liant comprend un dope d’acide gras ou dérivé d’acide gras. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’enrobé hydrocarboné à froid est choisi parmi les graves-émulsion ou les bétons bitumineux à l’émulsion. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le passant à 0,063 mm de la fraction solide minérale varie de 4% à 10% en poids, par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le passant à 16 mm de la fraction solide minérale est de 100% en poids, par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le passant à 2 mm de la fraction solide minérale varie de 30% à 50% en poids, par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le passant à 2 mm de la fraction solide minérale varie de 20% à 40% en poids, par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fraction solide minérale constitue 94% à 96,5% en poids, avantageusement 94% à 95,5% en poids, du poids de l’enrobé. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’enrobé ne comprend pas de gomme. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lors de l’étape a) de l’eau est introduite dans le malaxeur en une teneur telle que l’eau totale soit comprise entre 10 ppc et 12 ppc par rapport au poids de la fraction minérale solide sèche. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape préalable à l’étape a) d’humidification de la fraction solide minérale. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche de revêtement routier est choisie parmi une couche de roulement ayant une épaisseur variant de 1,5 cm à 3 cm, une couche de roulement ayant une épaisseur variant de 3 cm à 5 cm, une couche de roulement ayant une épaisseur variant de 5 cm à 8 cm, une couche d’assise, un rechargement ou un reprofilage. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la machine automotrice comprend outre le malaxeur : - une trémie d’alimentation de particules solides minérales ; - une cuve à émulsion ; - un traineau lisseur ou un finisseur ; - une cuve à eau ; - optionnellement une trémie à pulvérulent, tels que la chaux ou le ciment, et/ou une cuve de lait de chaux ; - optionnellement un système de dosage de fibres.