Introduction, classification, normes, utilisations du bitume

Matériaux bitumineux

L'asphalte est composé d'hydrocarbures polymères extrêmement complexes et de dérivés non métalliques (oxygène, soufre, azote) de ces hydrocarbures. Il se présente sous forme de mélanges solides, semi-solides ou liquides, de couleur noire ou brun-noir. Ce matériau hydrophobe, à structure dense, est presque totalement insoluble dans l'eau et n'absorbe pas l'eau. Il est donc largement utilisé dans le génie civil pour son étanchéité à l'humidité et aux infiltrations. L'asphalte appartient à la famille des liants organiques et possède une excellente adhérence au sable, aux graviers et à d'autres minéraux. Le béton bitumineux ainsi obtenu est le matériau de revêtement le plus important pour les projets routiers modernes.

Composition et structure de l'asphalte de pétrole

1. Composition élémentaire

L'asphalte de pétrole est composé d'un mélange d'hydrocarbures et de dérivés non métalliques (oxygène, soufre, azote), sa composition élémentaire étant principalement constituée de carbone (80 % à 87 %) et d'hydrogène (10 % à 15 %) ; le reste étant composé d'éléments non hydrocarbonés tels que l'oxygène, le soufre, l'azote, etc. (< 3 %) ; il contient également des traces de métaux.

2. Composition des composants

L'asphalte est généralement analysé en fonction de ses propriétés chimiques, notamment ses performances techniques, qui sont liées à sa composition chimique. Ces groupes de composés sont appelés « composants ». La réglementation chinoise actuelle prévoit deux méthodes d'analyse : l'analyse à trois composants et l'analyse à quatre composants.

Analyse en trois composants de l'asphalte de pétrole : huile, résine et asphaltène.

(1) L'huile est un liquide transparent jaune clair qui confère à l'asphalte sa fluidité. Sa teneur influe directement sur sa souplesse, sa résistance à la fissuration et sa facilité de mise en œuvre. En Chine, l'asphalte contient souvent de la cire dans son huile ; il convient donc de la séparer de l'huile lors de l'analyse. La présence de cire ramollit l'asphalte à haute température, provoquant un phénomène de fluidité ; à basse température, elle le rend cassant et dur, entraînant des fissures. La cire étant un composant nocif, on recourt fréquemment au déparaffinage pour améliorer les performances de l'asphalte.

(2) Résine semi-solide visqueuse brun rougeâtre, très sensible aux hautes températures, point de fusion inférieur à 100 °C, comprenant des résines neutres et acides. Les résines neutres confèrent à l'asphalte une certaine plasticité, mobilité et adhérence ; leur concentration augmente l'adhérence et l'allongement de l'asphalte. Les résines acides, présentes en faible quantité mais très actives, améliorent l'adhérence de l'asphalte à d'autres matériaux, notamment le mouillage, et permettent l'émulsification de l'asphalte.

(3) Les asphaltènes, particules solides brun foncé, ne fondent pas à la chaleur et déterminent l'adhérence, la viscosité et la stabilité thermique du bitume, ainsi que sa dureté et son point de ramollissement. Plus la teneur en asphaltènes est élevée, plus la viscosité, l'adhérence, la dureté et la stabilité thermique du bitume augmentent.

normes techniques de l'asphalte de pétrole

Les normes techniques relatives aux enrobés bitumineux de pétrole seront divisées en différents types et normes (qualités), afin de faciliter le choix. Actuellement, on distingue principalement trois catégories d'enrobés bitumineux de pétrole : les enrobés bitumineux routiers, les enrobés bitumineux de construction et les enrobés bitumineux de pétrole ordinaires.

La classification des bitumes repose sur leur pénétration, leur ductilité, leur point de ramollissement et d'autres indicateurs. La pénétration à l'aiguille est un critère de classification principal. Pour un même bitume de pétrole, plus le grade est élevé, plus la viscosité est faible (pénétration plus importante), plus la ductilité est grande (plasticité plus élevée) et plus la sensibilité à la température est forte (point de ramollissement plus bas).

Sélection d'asphalte de pétrole

Le choix du bitume de pétrole doit se fonder sur la nature du projet (logements, routes, protection contre la corrosion), les conditions climatiques locales, la nature du site (plateau, souterrain) et d'autres facteurs pertinents. Un bitume de haute qualité, contenant davantage d'huile, présente une meilleure résistance au vieillissement que les bitumes de qualité inférieure. Par conséquent, pour répondre aux exigences du projet, il convient d'opter pour un bitume de pétrole de haute qualité afin de garantir une durée de vie plus longue.

(1) L'enrobé bitumineux routier se divise en enrobé bitumineux pour trafic intense, enrobé bitumineux pour trafic léger, enrobé bitumineux émulsionné, enrobé bitumineux liquide et en enrobé modifié. Le choix des matériaux d'enrobage pour un projet routier doit tenir compte des caractéristiques du trafic et du climat. Dans les régions chaudes du Sud, il convient d'opter pour un enrobé bitumineux à haute viscosité afin de garantir une bonne stabilité de la chaussée en été et d'éviter l'orniérage. Dans les régions froides du Nord, il est préférable de choisir un enrobé bitumineux à faible viscosité afin de préserver la capacité de déformation de la chaussée même par basses températures et d'éviter les fissures.

2) La construction en asphalte bitumineux se caractérise par une pénétration plus faible (viscosité), un point de ramollissement élevé (meilleure résistance à la chaleur) mais une moindre élongation (moins de plasticité). Il est principalement utilisé pour la fabrication de papier huilé, de linoléum, de revêtements d'étanchéité et de joints d'asphalte, etc. On le retrouve fréquemment dans les projets de toiture, d'étanchéité souterraine, d'étanchéité de tranchées, de protection contre la corrosion et de protection des pipelines. L'utilisation d'un asphalte formant une couche plus épaisse augmente sa sensibilité à la température. Par ailleurs, la surface de l'asphalte noir absorbe bien la chaleur ; à surface égale, la température de surface d'une toiture en asphalte est généralement plus élevée que celle d'autres matériaux. Une toiture en asphalte atteint une température de surface de 25 °C à 30 °C supérieure à la température ambiante maximale. Afin d'éviter les infiltrations estivales, le point de ramollissement des matériaux asphaltiques utilisés pour les toitures doit également être supérieur à la température maximale de la toiture (20 °C à 25 °C). On peut alors choisir un asphalte bitumineux n° 10 ou n° 30. Par exemple, à Wuhan et Changsha, la température des toitures en asphalte avoisine les 68 °C. Le point de ramollissement de l'asphalte doit donc se situer autour de 90 °C, ce qui lui assure une bonne fluidité par temps frais, notamment en été. En revanche, une température trop élevée risque de le rendre dur, cassant et même fissuré par temps froid en hiver. Pour les zones moins sensibles aux variations de température, comme les pare-vapeur d'étanchéité souterrains, on peut opter pour un asphalte de qualité supérieure, tel que le n° 60 ou le n° 100. Le choix de l'asphalte doit donc dépendre de la région, de l'environnement et des exigences du projet.

(3) Bitume de pétrole ordinaire : Le bitume de pétrole ordinaire contient jusqu’à 20 à 30 % de cire. Lorsque sa température atteint son point de ramollissement, il a tendance à couler. La pénétration de paraffine dans le bitume réduit également la résistance à la chaleur et l’adhérence de la couche de liaison. Par conséquent, son utilisation est généralement déconseillée.

Asphalte de charbon

L'asphalte de houille est un produit issu de la distillation du charbon (goudron de houille) et obtenu par retraitement. Selon son application et les exigences du projet, il se divise en deux catégories selon sa consistance : 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 et carbonés. Ses principaux éléments sont le carbone (C), l'hydrogène (H), l'oxygène (O), le soufre (S) et l'azote (N). Sa composition élémentaire se caractérise par un rapport d'hydrocarbures beaucoup plus élevé que celui de l'asphalte de pétrole. L'analyse chimique de l'asphalte de houille est similaire à celle de l'asphalte de pétrole et permet de le séparer en cinq composants : huile, résine molle, résine dure, carbone libre C1 et carbone libre C2. L'huile contient du naphtalène, de l'anthracène, du phénol et d'autres substances dangereuses ; sa teneur doit donc être limitée.

L'asphalte de houille et l'asphalte de pétrole présentent les différences suivantes en termes de propriétés techniques : stabilité thermique moindre ; meilleure adhérence aux granulats minéraux ; faible stabilité climatique et vieillissement rapide ; résistance à la corrosion ; peut être utilisé pour le traitement anticorrosion du bois et d'autres surfaces. Les principaux indices techniques de l'asphalte de houille comprennent : la viscosité, le test de distillation, la teneur en eau, la teneur en insolubles dans le toluène, la teneur en naphtalène et la teneur en phénols. Parmi ceux-ci, la viscosité est l'indicateur le plus important pour évaluer la qualité de l'asphalte de houille et permet de le classer selon une méthode de test similaire à celle de l'asphalte de pétrole.

Les principales propriétés techniques de l'asphalte de charbon sont inférieures à celles de l'asphalte de pétrole, ce qui explique sa moindre utilisation dans les projets de construction ; cependant, ses propriétés anticorrosion sont bonnes, ce qui le rend adapté aux couches d'étanchéité souterraines ou comme matériau anticorrosion.

Asphalte modifié

Le génie civil moderne exige non seulement des asphaltes plus performants, mais aussi une durée de vie plus longue. Or, les asphaltes vieillissent facilement sous l'effet de l'environnement. Diverses techniques permettent d'améliorer leurs performances en ajoutant d'autres matériaux aux asphaltes traditionnels : on parle alors d'asphalte modifié. La modification vise à améliorer les propriétés rhéologiques des asphaltes, à prolonger leur durée de vie et à optimiser l'adhérence entre l'asphalte et les granulats. Pour les applications telles que l'étanchéité, les deux premiers objectifs principaux de la modification concernent l'amélioration des propriétés rhéologiques et l'augmentation de la durabilité.

Méthode pour améliorer les propriétés rhéologiques de l'asphalte

Il existe de nombreuses façons d'améliorer les propriétés rhéologiques de l'asphalte ; l'effet de modification est meilleur avec les types de modificateurs suivants :

(1) modificateurs de résine

Les résines utilisées pour modifier l'asphalte sont principalement des résines thermoplastiques, notamment le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polypropylène atactique (APP), les résines phénoliques et la colophane naturelle. Elles permettent d'améliorer la viscosité et la stabilité à haute température de l'asphalte, ainsi que sa ténacité ; toutefois, l'amélioration de ses performances à basse température est peu significative.

(2) modificateur de caoutchouc

Le caoutchouc est un modificateur important de l'asphalte. L'asphalte et le caoutchouc présentent une bonne miscibilité, et l'asphalte modifié par le caoutchouc possède de nombreux avantages, tels qu'une faible déformation à haute température et une bonne flexibilité à basse température. Les asphaltes modifiés par le caoutchouc les plus couramment utilisés comprennent : l'asphalte modifié par le caoutchouc chloroprène, l'asphalte modifié par le caoutchouc butyle, l'asphalte modifié par le caoutchouc recyclé et l'asphalte modifié par le caoutchouc styrène-butadiène. Parmi ceux-ci, l'asphalte modifié par le caoutchouc styrène-butadiène offre d'excellentes performances, améliorant significativement l'élasticité, l'allongement, la stabilité à haute température, la flexibilité à basse température, la résistance à la fatigue et au vieillissement, ainsi que d'autres propriétés. Il est principalement utilisé pour la fabrication de rouleaux d'étanchéité pour toitures ou de revêtements d'étanchéité.

(3) modificateurs de mélange de caoutchouc et de résine

L'ajout de caoutchouc et de résine permet d'améliorer les propriétés du bitume de pétrole, qui peut ainsi combiner les propriétés du caoutchouc et de la résine, tout en réduisant les coûts. La préparation, l'utilisation de matières premières variées, leurs proportions et le procédé de production diffèrent, ce qui permet d'obtenir une large gamme de produits aux performances diverses, principalement des bobines, des feuilles et des matériaux d'étanchéité.

(4) modificateurs de micro-charges

Afin d'améliorer l'adhérence et la résistance à la chaleur de l'asphalte, et de réduire sa sensibilité aux variations de température, on ajoute généralement une certaine quantité de micro-charges minérales. Parmi les plus couramment utilisées figurent les cendres volantes, les cendres volcaniques, la poudre de schiste, le talc, la chaux, le mica et la terre de diatomées.

(5) modificateurs de fibres

L'asphalte mélangé à diverses fibres présente une excellente stabilité à haute température, tout en augmentant sa résistance à la traction à basse température. Parmi les fibres couramment utilisées, on trouve diverses fibres synthétiques (comme les fibres de polyéthylène et de polyester) et des fibres minérales d'amiante.

Moyens d'améliorer la durabilité de l'asphalte

Actuellement, pour améliorer la durabilité de l'asphalte, on utilise principalement des additifs chimiques plus coûteux, tels que des antioxydants. Cependant, l'efficacité de ces antioxydants doit être validée par des tests. À l'heure actuelle, les additifs les plus efficaces pour améliorer la durabilité de l'asphalte sont les additifs spéciaux, notamment le noir de carbone. Un prétraitement au noir de carbone permet de formuler un « asphalte modifié au noir de carbone ».