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L'asphalte amélioré avec l’hydrate de chaux est de plus en plus accepté et largement utilisé en Europe. De nombreux projets de recherche démontrent ses avantages, notamment en ce qui concerne les facteurs suivants:
- Résistance à la fatigue
- Humidité
- Orniérage
- Longévité
- Rigidité
Par comparaison avec les autres pays européens, la France et la Belgique sont les premiers pays à avoir utilisé l’hydrate de chaux à ces fins et la Suisse a construit les premières pistes d'essai en 1999.
Les études montrent son efficacité
En 2001, une piste d'essai a été mise en place au rond-point de Glaris: une voie a été pavée avec 2% de nekapur® 2, l'autre de manière traditionnelle. Après deux, quatre et dix ans, on a prélevé et examiné les carottes respectives. Les recherches menées par l'"Institut für Materialprüfung Dr. Schellenberg" (Institut d'essai des matériaux Dr. Schellenberg) à Rottweil, en Allemagne, et par l'institut interdisciplinaire suisse EMPA à Dübendorf ont constaté, à travers des essais de glissement dynamique avec compression uniaxiale et mesure de modules complexes, une nette amélioration de la stabilité de l'asphalte grâce à l'utilisation de l’hydrate de chaux. L’Office fédéral des routes (OFROU) exige depuis plus de dix ans l'ajout de 1,5% d’hydrate de chaux aux revêtements des autoroutes suisses. L'amélioration des performances de l'asphalte avec l’hydrate de chaux devient de plus en plus populaire aux Pays-Bas, en Autriche et dans plusieurs Etats Fédérés allemands aussi.
Utiliser l’hydrate de chaux au lieu de substances chimiques
La composition du bitume dans l'asphalte peut varier selon l'origine du pétrole brut, ce qui donne lieu à des interactions complexes avec des conséquences sur l'adhérence ou le vieillissement. Outre l’hydrate de chaux, des fillers calcaires ou des promoteurs d'adhérence chimiques peuvent également être ajoutés afin d’optimiser le matériau, en tenant toujours compte de leur toxicité. L’hydrate de chaux, en revanche, ne pose aucun problème: en effet, il uniformise la qualité du mélange en neutralisant les composants acides du bitume qui, d'autre part, accélèrent son vieillissement. De cette façon, il est possible de neutraliser facilement les variations de la qualité du bitume. De plus, l'utilisation de l’hydrate de chaux améliore non seulement l'adhérence, mais aussi la résistance aux facteurs suivants:
- Traces de dérapage
- Dommages causés par le gel
- Craquage
- Décomposition du revêtement routier avec expulsion de structure granuleuse
- Gonflement
- Vieillissement chimique
Effets de l’hydrate de chaux
Dans le mélange d’enrobé bitumineux, les ions calcium libres de l'hydrate de chaux conduisent à une amélioration de l'adhérence par leur accumulation sur l’agrégat. De cette manière, on contraste le détachement du revêtement routier et on augmente l'adhérence et la résistance à la traction de l'asphalte, en particulier avec des roches critiques en termes d'adhérence.
Le matériau alcalin neutralise les acides oléiques présents dans l'asphalte, retardant ainsi son vieillissement oxydatif. Les contraintes causées par le passage des voitures et par des brusques variations de température mènent à la formation de fissures: l'hydrate de chaux ralentit ce processus grâce à sa surface spécifique élevée qui favorise la rigidification du mélange. Cela augmente la résistance à la formation d’ornières et de fissures, c’est-à-dire d’une déformation permanente qui se produit lorsque l'élasticité est surchargée. On obtient cette réaction quelle que soit la roche utilisée: en effet, les minéraux argileux présents dans le mélange contiennent des ions alcalins qui s'échangent avec ceux de calcium, facteur qui réduit la sensibilité au gonflement et à l'eau.
Conseils d'utilisation de l'hydrate de chaux dans les centrales d'enrobage
- L'hydrate de chaux a une masse volumique apparente d'environ 0,4 t/m3 ; un silo de 25t nécessite donc d‘environ 80 m3 (y compris la réserve).
- Afin de mélanger la poudre de manière optimale, on pourrait nécessiter d’un temps d’après-mélange plus long.
- La disponibilité et la qualité de l'hydrate de chaux doivent être proportionnées et vérifiables comme le garantit le Contrôle de Production en Usine (CPU) du fournisseur.
- L’évaluation du taux de récupération de l‘hydrate de chaux doit être intégrée aux tests d'aptitude et de contrôle.
Depuis quelque temps, on utilise le bitume modifié aux polymères pour améliorer ses prestations, notamment en augmentant sa stabilité, sa résistance à la fatigue et son affinité. Cependant, les procédures de mélange sont complexes et parfois imparfaites, auxquelles il faut ajouter le risque de ségrégation et de vieillissement. La durée et la température de stockage peuvent entraîner une perte de qualité. Bien qu'il soit possible de détecter la présence de bitume modifié aux polymères, cela ne donne aucune indication sur quel bitume modifié a été spécifiquement utilisé et ne permet pas d’en déterminer la quantité.
Détectabilité de l‘hydrate de chaux
Contrairement au bitume modifié aux polymères et aux promoteurs d'adhérence organiques qui sont pour la plupart toxiques, il est toujours possible de détecter l'hydrate de chaux dans le mélange après utilisation. Même après plusieurs utilisations, les avantages de l'hydrate de chaux sont partiellement préservés et cela entraîne une amélioration de sa qualité. L'hydrate de chaux peut être analysé en mélange avec des méthodes de titrage et la valeur cible de la quantité à utiliser peut être établie sur la base des appels publics. Dans l'État fédéral de Rhénanie-Palatinat, par exemple, le pourcentage d'hydroxyde de calcium dans le mélange total doit être d'au moins 1% en masse; en Autriche, cette proportion doit être d'au moins 18% en masse dans le filler récupéré; en Suisse, au moins 1,5% en masse du mélange total est mis aux enchères pour le revêtements des autoroutes.
Durabilité / Empreinte carbone
Les deux tiers des émissions de CO2 résultant de la production de chaux proviennent du calcaire: pour cette raison, l'industrie européenne de la chaux s'est fixé pour objectif d'utiliser des systèmes de production climatiquement neutres d'ici 2050 au plus tard. La conséquence de cette recarbonisation partielle et permanente marquerait le passage vers une industrie respectueuse de l'environnement. Aujourd'hui, en Europe, on émet en moyenne 1,2 tonnes de CO2 pour chaque tonne de chaux. En comparaison, KFN a pu réduire de plus de 20% l'empreinte carbone par tonne de chaux en passant au gaz naturel en 2013. La construction de routes contribue à plus de 90% de l'infrastructure routière en termes d’émissions équivalentes de CO2, dont 66% est strictement lié à l'utilisation de l'asphalte en tant que liant. Lors d’une étude sur l'analyse du cycle de vie publiée en 2016, Schlegel et al. ont examiné les corrélations possibles en formulant les hypothèses suivantes:
- Durée de vie de la route: 50 ans
- L‘asphalte mélangé à chaud (Hot Mix Asphalt), qu’on utilise pour la construction de routes, doit être entretenu tous les dix ans
- L’asphalte mélangé à chaud contenant de l’hydrate de chaux, quant à lui, doit être entretenu tous les 12,5 ans, ce qui représente une augmentation de 25% (à ce jour, il existe plus de 100 publications scientifiques à l’appui)
Sur la base de ces hypothèses, les auteurs ont calculé des économies de la consommation d'énergie de 43% et du potentiel de réchauffement global de 23% tout au long du cycle de vie. En conclusion, on peut déduire que:
- L'hydrate de chaux ajouté à l’enrobé bitumineux réduit la consommation d'énergie totale et le potentiel de réchauffement climatique grâce à une meilleure durabilité de la route.
- Etant donné que les opérations d’entretien sont moins nécessaires dans l’espace de 50 ans, on réduit les coûts de 30%.
«Une amélioration significative pour tous les types d’enrobés»
Une étude autrichienne menée en 2019 a révélé une augmentation de la durabilité de 15% dans trois revêtements routiers différents.
Le directeur général de GESTRATA (la société autrichienne pour l'entretien des routes pavées avec asphalte), Maximilian Weixlbaum, en novembre 2020 a officiellement déclaré: «Outre une amélioration de la qualité du filler regonflable, on a également observé une meilleure adhérence entre le bitume et les roches, notamment celles de nature acide et difficilement adhérentes, ainsi qu'un retard considérable du vieillissement du bitume et une augmentation de la résistance à la déformation. Dans tous les types d’enrobé, dans toutes les couches et pour tous les besoins, l'hydrate de chaux garantit une amélioration significative tant en termes techniques qu'économiques, apportant une valeur ajoutée considérable à la conservation et à la durabilité de nos routes.»
Atteindre le but avec la technologie
Afin d'atteindre le but de produire la chaux de manière climatiquement neutre et de devenir ainsi une industrie durable, l'industrie européenne de la chaux envisage essentiellement trois scénarios technologiques:
Prévention directe de CO2 / Carbon Direct Avoidance (CDA)
- On peut économiser grâce à l'utilisation de combustibles renouvelables, de brûleurs à hydrogène, de brûleurs à oxygène et de fours électriques.
Séparation et récupération de CO2 / Smart Carbon Separation (SCS)
- La séparation de CO2 a lieu directement dans le four ou dans des réacteurs de séparation avec réutilisation (Carbon Capture and Utilization - CCU) ou stockage (Carbon Capture and Storage - CCS).
Carbonatation / Smart Carbon Capture (SCC)
- La réabsorption de CO2 s’effectue à travers les produits à base de chaux au cours du cycle de vie (NCR) ou par une utilisation ciblée (ACR) -> absorption de CO2.
L'avenir de l'industrie de la chaux
Voici les objectifs qui ont été fixés par l'industrie européenne de la chaux pour une production à zéro émission et vers une industrie climatiquement positive:
- A partir de 2020, l'accent est mis sur la conversion des combustibles (CDA), la séparation de CO2 (SCS) et la carbonatation (SCC).
- D'ici 2030, l'accent sera mis sur la recherche et la combinaison de centrales CCU.
- A partir de 2030, les fours à chaux seront progressivement reconvertis et l'utilisation de CCU ou de CCS se répandra dans les sites de production.
- D'ici 2050, la transition des émetteurs de CO2 à puits d’absorption sera achevée.
En résumé
L'hydrate de chaux peut être facilement détecté et, dans le cadre de la construction des infrastructures routières, est utilisé dans le but de prévenir:
- Orniérage
- Dommages causés par le gel
- Craquage
- Décomposition du revêtement routier avec expulsion de structure granuleuse
- Gonflement
- Vieillissement chimique
L'industrie européenne de la chaux ainsi que les producteurs d’enrobés bitumineux se battent en faveur de l'utilisation de l’hydrate de chaux dans les mélanges. De toute façon, le fait d’assurer des routes sûres et stables signifie lutter contre le nombre de plus en plus croissant d’encombrements routiers. Depuis une vingtaine d'années, KFN a focalisé son attention sur l’hydrate de chaux en tant qu’agent améliorant de l’asphalte et, depuis plus de 10 ans, contribue à l'amélioration des revêtements des autoroutes suisses de manière économique et durable. De plus, depuis longtemps les propriétaires de KFN soutiennent une entreprise qui joue un rôle de pionnière dans les processus de stockage et de réutilisation du CO2.
Dr. Dirk Sewing, Responsable Recherche et Développement
Sources:
Klimafreundlicher Asphalt mit Kalkhydrat
Bundesverband der Deutschen Kalkindustrie e. V. – BVK
24.03.2021 | DAV Seminar Willingen
Institut für Materialprüfung Dr. Schellenberg Rottweil GmbH,
Bericht 11F0024, 06.06.2011, Teststrecke am Kreisel Glarus,
3. Untersuchungskampagne, Auftrag der Kalkfabrik Netstal AG
EMPA Dübendorf, Prüfbericht Nr. 439'762, 18.10.2005,
Untersuchung von bitumenhaltigem Mischgut und Bohrkernen,
Mischgut SMA 11 S, Bindemittel 70/100, Auftrag der Kalkfabrik Netstal AG