Introduction, classification, normes, utilisations du bitume

Matériaux bitumineux

Le bitume est composé d'hydrocarbures polymères extrêmement complexes et de dérivés non-métalliques (oxygène, soufre, azote) de ces hydrocarbures, formant des mélanges solides, semi-solides ou liquides de couleur noire ou brun-noir. Ce sont des matériaux hydrophobes, à structure dense, presque complètement insolubles dans l'eau et qui n'absorbent pas l'eau. Ils possèdent de bonnes propriétés d'étanchéité, ce qui explique leur utilisation répandue en génie civil pour l'étanchéité, l'isolation contre l'humidité et l'anti-infiltration. Le bitume appartient à la catégorie des matériaux de cimentation organiques et, mélangé au sable, à la pierre et à d'autres agrégats minéraux, il possède une excellente capacité de liaison. Le béton bitumineux qui en résulte est le matériau de revêtement le plus important pour les projets routiers modernes. Ce matériau, mélangé au sable, à la pierre et à d'autres agrégats minéraux, a une très bonne capacité de liaison, et le béton bitumineux fabriqué à partir de celui-ci est le matériau de revêtement le plus important pour les projets routiers modernes.

Composition et structure du bitume de pétrole

1. Composition élémentaire

Le bitume de pétrole est composé d'un mélange de divers hydrocarbures et de dérivés non métalliques (oxygène, soufre, azote). Sa composition élémentaire comprend principalement du carbone (80 % à 87 %) et de l'hydrogène (10 % à 15 %). Le reste est constitué d'éléments non hydrogénés tels que l'oxygène, le soufre, l'azote, etc. (<3 %), ainsi que de traces d'éléments métalliques.

2. Composition des composants

Habituellement, le bitume est séparé en plusieurs groupes de propriétés chimiques similaires, et ces groupes sont appelés « composants », car ils ont un certain lien avec les performances techniques du bitume. Les réglementations chinoises actuelles prévoient deux méthodes d'analyse : l'analyse à trois composants et l'analyse à quatre composants.

L'analyse à trois composants du bitume pétrolier sépare le bitume pétrolier en trois composants : l'huile, la résine et l'asphaltène.

(1) L'huile est un liquide transparent jaune clair qui confère au bitume sa fluidité. La quantité d'huile affecte directement la souplesse, la résistance à la fissuration et la difficulté de mise en œuvre du bitume. Le bitume domestique chinois contient souvent de la cire dans l'huile, qui doit également être séparée lors de l'analyse. La présence de cire rendra le bitume mou à haute température, entraînant un phénomène d'écoulement ; à basse température, elle rendra le bitume cassant et dur, entraînant des fissures. La cire étant un composant nocif, on utilise souvent la méthode de déparaffinage pour améliorer les performances du bitume.

(2) La résine est un semi-solide visqueux brun rougeâtre, très sensible à la température, avec un point de fusion inférieur à 100 °C, comprenant la résine neutre et la résine acide. La résine neutre confère au bitume une certaine plasticité, mobilité et adhérence ; son augmentation améliore l'adhérence et l'allongement du bitume. La résine acide est présente en moindre quantité, mais son activité est importante et peut améliorer l'adhérence du bitume à d'autres matériaux, ainsi que son mouillage, permettant son émulsification.

(3) L'asphaltène est un solide granulaire de couleur brun foncé, qui ne fond pas sous l'effet de la chaleur. Il détermine l'adhérence, la viscosité et la stabilité thermique du bitume, ainsi que sa dureté et son point de ramollissement. L'augmentation de la teneur en asphaltène accroît la viscosité et l'adhérence du bitume, ainsi que sa dureté et sa stabilité thermique.

Normes techniques du bitume de pétrole

Les normes techniques relatives au bitume de pétrole sont divisées en différents types et grades (classes) de bitume, afin de faciliter le choix. Actuellement, le bitume de pétrole est principalement classé en trois catégories : le bitume de pétrole routier, le bitume de pétrole pour la construction et le bitume de pétrole ordinaire.

Dans la classification des grades de bitume, on se base sur des indicateurs tels que la pénétration, la ductilité et le point de ramollissement du bitume. La pénétration à l'aiguille est l'indicateur principal pour la division des grades de bitume. Pour une même variété de bitume de pétrole, plus le grade est élevé, plus la viscosité correspondante est faible (plus la valeur de pénétration est grande), meilleure est la ductilité (plus la plasticité est grande) et plus la sensibilité à la température est élevée (plus le point de ramollissement est bas).

Sélection du bitume de pétrole

La sélection du bitume de pétrole doit prendre en compte la nature du projet (logements, routes, corrosion), les conditions climatiques locales, le site du projet (surface, sous-sol) et d'autres facteurs. Le bitume de qualité supérieure contenant plus d'huile que le bitume de qualité inférieure, sa capacité anti-vieillissement est meilleure. Par conséquent, afin de satisfaire aux exigences, il convient de privilégier un bitume de qualité supérieure pour garantir une durée de vie plus longue.

(1) Le bitume de pétrole routier est divisé en bitume de pétrole pour trafic intense, bitume de pétrole pour trafic léger, bitume de pétrole émulsionné, bitume de pétrole liquide et bitume modifié. Le choix des matériaux bitumineux pour les projets routiers doit tenir compte des caractéristiques du trafic et du climat. Les régions à haute température du Sud devraient choisir un bitume de pétrole à haute viscosité pour garantir que la chaussée bitumineuse ait une stabilité suffisante en été, sans ornières, etc. ; et les régions froides du Nord devraient choisir un bitume de pétrole à faible viscosité pour garantir que la chaussée bitumineuse ait encore un certain degré de déformabilité à basse température, afin d'éviter les fissures.

2) Le bitume de pétrole pour la construction a une pénétration à l'aiguille plus faible (plus visqueux), un point de ramollissement élevé (meilleure résistance à la chaleur), mais un allongement moindre (moins plastique). Il est principalement utilisé pour la fabrication de papiers huilés, de linoléum, de revêtements d'étanchéité et de joints de dilatation en bitume, etc. Il est le plus souvent employé dans les projets de toitures de bâtiments, les projets d'étanchéité souterraine, l'étanchéité des tranchées, les projets anticorrosion et l'anti-corrosion des canalisations. L'utilisation d'un film bitumineux plus épais augmente la sensibilité à la température ; en même temps, la surface bitumineuse noire est un bon corps absorbant la chaleur, généralement, dans la même zone, la température de surface d'une toiture bitumineuse est plus élevée que celle d'autres matériaux ; une toiture bitumineuse peut atteindre une température de surface de 25 ℃ à 30 ℃ supérieure à la température de l'air la plus élevée localement. Afin d'éviter l'écoulement estival, le point de ramollissement des matériaux bitumineux pour toitures générales doit également être supérieur de 20 ℃ à 25 ℃ à la température maximale du toit dans la région ; on peut choisir du bitume pétrolier n° 10 ou n° 30. Par exemple, à Wuhan, Changsha, la température des toitures bitumineuses est d'environ 68 ℃, le point de ramollissement du bitume devrait être choisi autour de 90 ℃, car un point trop bas en été entraînerait un écoulement facile ; mais il ne devrait pas être trop élevé, sinon l'hiver, à basse température, il serait dur et cassant, voire fissuré. Certaines parties moins affectées par la température, ou les zones à basse température, comme les barrières vapeur d'étanchéité souterraine, etc., peuvent choisir un bitume de qualité supérieure, tel que le bitume n° 60 ou n° 100. Par conséquent, le choix du bitume de pétrole doit se faire en fonction de la région, de l'environnement du projet et des exigences.

(3) Le bitume de pétrole ordinaire a une teneur en cire pouvant atteindre 20 à 30 %. Lorsque la température du bitume atteint le point de ramollissement, un phénomène d'écoulement se produit facilement ; la pénétration de paraffine dans le bitume réduit également la résistance à la chaleur et la force de liaison de la couche adhésive du bitume. Par conséquent, il est généralement inapproprié d'utiliser du bitume de pétrole ordinaire dans les projets.

Asphalte de houille

L'asphalte de houille est un produit obtenu par la distillation de la houille (goudron de houille), puis retraitée. Selon les exigences d'application dans le projet, il peut être divisé, en fonction de sa consistance, en deux catégories : l'asphalte de houille mou (liquide, semi-solide) et l'asphalte de houille dur (solide).

L'asphalte de houille est composé d'hydrocarbures aromatiques et de leurs dérivés oxygénés, soufrés, carbonés, formant un mélange dont les principaux éléments sont le C, le H, l'O, le S et le N. La composition élémentaire de l'asphalte de houille est caractérisée par un « rapport hydrocarbure » bien plus élevé que celui du bitume de pétrole. La méthode d'analyse des composants chimiques de l'asphalte de houille est similaire à celle du bitume de pétrole ; elle permet de séparer : l'huile, la résine molle, la résine dure, le carbone libre C1 et le carbone libre C2 en cinq composants ; l'huile contient des substances dangereuses telles que le naphtalène, l'anthracène, le phénol, dont la teneur doit être limitée.

Comparé au bitume de pétrole, l'asphalte de houille présente les différences suivantes en termes de propriétés techniques : une stabilité à basse température inférieure ; une meilleure adhérence avec les granulats minéraux ; une mauvaise stabilité climatique, un vieillissement rapide ; une bonne résistance à la corrosion, il peut être utilisé pour le traitement anticorrosion des surfaces en bois, etc. Les indices techniques de l'asphalte de houille comprennent principalement : la viscosité, l'essai de distillation, la teneur en eau, la teneur en insolubles dans le toluène, la teneur en naphtalène, la teneur en phénol, etc. Parmi eux, la viscosité de l'asphalte de houille est l'indicateur le plus important pour l'évaluation de sa qualité, et elle sert également de base à la division de son grade, sa méthode d'essai étant similaire à celle du bitume de pétrole.

Les principales propriétés techniques de l'asphalte de houille sont inférieures à celles du bitume de pétrole, et il est moins utilisé dans les projets de construction ; mais ses propriétés anticorrosion sont bonnes, il convient donc pour les couches d'étanchéité souterraines ou comme matériau anticorrosion.

Bitume modifié

L'ingénierie civile moderne exige non seulement des bitumes aux performances améliorées, mais aussi une durée de vie plus longue. Cependant, le bitume est un matériau qui vieillit facilement sous l'effet de l'environnement. Le bitume modifié est obtenu en ajoutant d'autres matériaux aux bitumes traditionnels par diverses mesures techniques, afin d'améliorer davantage leurs performances. L'objectif de cette modification est d'améliorer les propriétés rhéologiques du bitume, de prolonger sa durabilité, etc., et d'améliorer l'adhérence du bitume aux agrégats. Pour les applications d'étanchéité, les deux points les plus importants de la modification sont principalement les deux premiers.

Moyens d'améliorer les propriétés rhéologiques du bitume

Il existe de nombreuses façons d'améliorer les propriétés rhéologiques du bitume, l'effet de modification étant meilleur avec les types de modificateurs suivants :

(1) Modificateurs de résine

Les résines principalement utilisées comme modificateurs de bitume sont les résines thermoplastiques, couramment le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polypropylène atactique (APP), les résines phénoliques, la colophane naturelle, etc. Elles peuvent améliorer la viscosité du bitume, sa stabilité à haute température, tout en augmentant sa ténacité ; cependant, l'amélioration des performances à basse température n'est pas significative.

(2) Modificateur de caoutchouc

Le caoutchouc est un modificateur important du bitume ; le bitume et le caoutchouc présentent une bonne miscibilité, et le caoutchouc peut conférer au bitume de nombreux avantages, tels qu'une faible déformation à haute température, une flexibilité à basse température, etc. Les bitumes modifiés au caoutchouc couramment utilisés comprennent principalement : le bitume modifié au caoutchouc chloroprène, le bitume modifié au caoutchouc butyle, le bitume modifié au caoutchouc recyclé, le bitume modifié au caoutchouc styrène-butadiène. Parmi eux, le bitume modifié au caoutchouc styrène-butadiène a de très bonnes performances et peut améliorer significativement l'élasticité, l'allongement, la stabilité à haute température et la flexibilité à basse température, la résistance à la fatigue et au vieillissement, ainsi que d'autres propriétés du bitume. Il est principalement utilisé pour la production de membranes d'étanchéité en rouleaux ou de revêtements d'étanchéité.

(3) Modificateurs de mélange caoutchouc et résine

L'amélioration simultanée des propriétés du bitume de pétrole par l'ajout de caoutchouc et de résine permet au bitume d'acquérir à la fois les propriétés du caoutchouc et de la résine, à moindre coût. La préparation, l'utilisation de variétés de matières premières, les ratios, et le processus de production étant différents, on peut obtenir une multitude de produits aux performances variées, principalement des rouleaux, des feuilles, et des matériaux d'étanchéité.

(4) Modificateurs micro-charge

Afin d'améliorer les propriétés adhésives et la résistance thermique du bitume, et de réduire sa sensibilité à la température, on ajoute généralement une certaine quantité de micro-charges minérales. Les plus couramment utilisées sont les cendres volantes, les cendres volcaniques, la poudre de schiste, la poudre de talc, la chaux en poudre, la poudre de mica, la terre de diatomées, etc.

(5) Modificateurs de fibres

L'incorporation de diverses substances fibreuses dans le bitume peut améliorer significativement sa stabilité à haute température, tout en augmentant sa résistance à la traction à basse température. Les substances fibreuses couramment utilisées sont diverses fibres synthétiques (telles que les fibres de polyéthylène, les fibres de polyester) et les fibres d'amiante minérales.

Moyens de prolonger la durabilité du bitume

Actuellement, les méthodes pour améliorer la durabilité du bitume consistent principalement à y mélanger des additifs chimiques plus coûteux, tels que des antioxydants, etc. ; cependant, l'efficacité technique de l'utilisation d'antioxydants doit être confirmée par des essais. Actuellement, les additifs les plus efficaces pour améliorer la durabilité du bitume sont les noirs de carbone spéciaux, des additifs de pré-traitement du noir de carbone, qui peuvent être formulés en « bitume modifié au noir de carbone ».