Modification de l'enrobé aux polymères par la méthode « à sec » : la technologie et les résultats des recherches

Introduction

Ces dernières années, la qualité des matériaux et des travaux de structure de chaussée dans les pays d'Europe, d'Asie, de la CEI, d'Amérique et d'Afrique s'est sensiblement améliorée. Cela tient dans une large mesure à l'introduction de nouvelles technologies, de nouvelles normes et à l'emploi de matériaux de construction modernes assurant la durabilité et la fiabilité de la chaussée. Cependant, compte tenu des changements climatiques et de l'intensité croissante du trafic, la question de la stabilité et de la tenue en température des chaussées en enrobé devient de plus en plus actuelle.

Les problèmes liés aux propriétés physiques et chimiques des bitumes utilisés comme liant dans les enrobés bitumineux appellent des recherches approfondies et de nouvelles approches technologiques. La modification du bitume par des polymères et d'autres additifs peut sensiblement accroître la tenue de la chaussée en enrobé aux agressions extérieures telles que les variations de température, l'action de l'humidité et les sollicitations mécaniques. Cette question a été soulevée à plusieurs reprises dans diverses publications scientifiques, telles que « Bitumen and Bitumen Modification: A Review on Latest Advances » (Applied Sciences) et « Исследование особенностей взаимодействия битумов с полимерами » (D. A. Ayupov, L. I. Potapova) et bien d'autres. Cependant, comme le montrent les recherches scientifiques, les particularités des bitumes produits par distillation, soit compliquent considérablement leur modification, soit la rendent pratiquement impossible. De même, l'inconstance des indicateurs des bitumes et leur écart par rapport aux caractéristiques déclarées exigent la recherche de solutions alternatives pour obtenir une chaussée en enrobé de qualité.

Objet du travail

L'objet de ce travail est d'attirer l'attention des experts et des spécialistes du secteur de la construction routière sur une technologie alternative de modification des enrobés bitumineux, qui permet d'atteindre des caractéristiques en service stables de la chaussée indépendamment de l'instabilité des propriétés du bitume d'origine. Une attention particulière est portée à l'emploi d'additifs polymères capables de compenser les défauts des bitumes actuels, en particulier ceux obtenus par la méthode de distillation, et notamment leur faible aptitude à la modification par des polymères. Cette technologie est destinée à assurer la stabilité et la durée d'exploitation des chaussées dans des conditions de fortes variations de température et de sollicitations accrues du trafic.

Les recherches visent à trouver un procédé optimal de modification aux polymères, qui assurera les caractéristiques physiques et mécaniques nécessaires de l'enrobé bitumineux, la résistance à l'usure et une longue durée d'exploitation de la structure de chaussée. Au-delà de cela, un objectif de principe est la simplification du procédé de modification et la réduction des coûts de production de chaussées de qualité.

Le développement actif du secteur de la construction routière dans les pays en développement comme dans les pays développés, et l'augmentation des volumes de construction routière, exigent une amélioration significative de la qualité des matériaux employés lors de la mise en œuvre des chaussées en enrobé. Parmi les principaux composants qui déterminent la durabilité de la chaussée, l'enrobé bitumineux joue un rôle non négligeable. Il doit non seulement supporter les sollicitations dynamiques du trafic, mais aussi faire preuve de tenue aux changements brusques de température, à l'action des précipitations et aux autres facteurs agressifs du milieu extérieur.

L'élément clé qui détermine les propriétés des enrobés bitumineux est le bitume, qui remplit la fonction de liant en assurant l'adhérence entre les particules des composants minéraux. Cependant, à mesure que les recherches scientifiques se sont approfondies dans ce domaine, il a été constaté que la qualité du bitume d'origine ne répond pas toujours aux normes nécessaires. Cela tient non seulement aux caractéristiques de la matière première elle-même, mais aux particularités de sa production, en particulier lors de l'emploi de bitumes obtenus par distillation en raffinerie.

En tant que système colloïdal, le bitume est constitué de composés chimiques variés qui possèdent des propriétés déterminées et forment sa structure. Selon le rapport quantitatif de ces composants, le bitume peut présenter une structure physique différente. Le modèle du bitume le plus communément admis le décrit comme une solution colloïdale dans laquelle de grandes structures moléculaires (micelles) sont liées entre elles par de faibles liaisons hydrogène. Les micelles se forment à partir des molécules d'asphaltènes, qui constituent la partie la plus dure du bitume, tandis que leur surface extérieure est stabilisée par les résines. Cela assure la tenue structurale du bitume en phase colloïdale.

Sur la base de ce modèle, on distingue trois types structuraux principaux de bitume : « sol », « sol-gel » et « gel ». Chacun de ces types possède ses caractéristiques physico-chimiques particulières. Par exemple, les bitumes de type « sol » se caractérisent par une teneur élevée en asphaltènes, qui rend la structure du bitume plus rigide et plus cassante. En revanche, les bitumes de structure « gel » présentent une consistance plus fluide, car ils ont une teneur élevée en huiles et en résines. Les plus adaptés à la production de bitume modifié aux polymères (BMP) sont les bitumes de type « sol-gel », car ils réunissent les meilleures propriétés des deux types et possèdent des caractéristiques physiques et mécaniques équilibrées.

Malgré cela, le procédé de modification des bitumes par des polymères se heurte souvent à une série de difficultés. L'un des principaux problèmes est la concurrence entre les asphaltènes et les polymères pour la fraction maltène du bitume, qui constitue le milieu de dispersion principal de la modification. Au cours de ce procédé, les polymères introduits dans le bitume doivent acquérir une phase dispersée stable dans un milieu déjà occupé par les molécules d'asphaltènes. Cela complique sensiblement le gonflement du polymère et réduit l'efficacité de la modification. Cela se manifeste particulièrement dans le cas des bitumes obtenus par la méthode de distillation, dont la teneur en asphaltènes est plus faible, ce qui les rend moins aptes à la modification.

Pour que les bitumes soient modifiés avec succès par des polymères, il faut que le bitume d'origine possède des propriétés optimales. Il importe en particulier, à titre d'exemple, que la profondeur de pénétration de l'aiguille à une température de 25 °C soit comprise entre 60 et 90 mm⁻¹ pour le climat de l'Europe de l'Est. Cependant, les réalités de l'industrie du raffinage conduisent les producteurs à extraire au maximum les fractions légères du pétrole, laissant le bitume comme produit résiduel, ce qui entraîne souvent une dégradation de sa qualité.

Les technologies de raffinage du pétrole se perfectionnent constamment, permettant d'extraire au maximum de la matière première les produits pétroliers légers de valeur — essence, gazole, kérosène aviation — bien plus coûteux que le bitume. Les méthodes modernes, telles que le raffinage profond, l'hydrocraquage et le craquage thermique, augmentent considérablement le rendement en carburants. Cependant, un effet secondaire de ce procédé est la dégradation de la qualité du bitume, puisqu'il reste un produit résiduel aux caractéristiques structurales modifiées.

Autrefois, le bitume était obtenu principalement par distillation directe, ce qui lui assurait une composition équilibrée et des propriétés en service stables. Aujourd'hui, ce sont les procédés destructifs qui prédominent dans la production, au cours desquels les composants les plus précieux sont retirés du pétrole, et le bitume restant se caractérise par une faible teneur en composés de haut poids moléculaire, une structure instable et une propension accrue au vieillissement. En outre, les raffineries emploient de plus en plus une matière première à forte teneur en paraffine, ce qui réduit encore l'élasticité du bitume et dégrade ses propriétés d'adhésivité. Les bitumes obtenus par la méthode de distillation sans oxydation ultérieure sont particulièrement problématiques. Ils interagissent mal avec les polymères tels que le SBS, car ils contiennent une quantité insuffisante d'asphaltènes, nécessaires à la formation d'une structure en réseau stable. Il en résulte que la modification aux polymères exige des plastifiants et des stabilisants supplémentaires, une consommation accrue de polymères ou des solutions combinées et coûteuses pour atteindre les caractéristiques en service requises. En substance, cela rend la modification du bitume extrêmement complexe et économiquement injustifiée, car les dépenses financières et les risques techniques ne sont pas couverts par le résultat possible.

Dans ces conditions, les services routiers et les producteurs d'enrobés bitumineux sont contraints de chercher des additifs et des technologies efficaces compensant les défauts du bitume actuel et assurant la durabilité de la chaussée.

Le marché et les résultats des recherches

Ces dernières années, la demande de bitume routier dans les pays d'Europe, de la CEI et d'Asie centrale a fortement augmenté, en particulier du fait de la réalisation de projets d'infrastructure de grande ampleur, tels que la construction de routes nouvelles et la reconstruction d'artères de transport existantes. Si en 2017 le besoin total du secteur routier en bitumes dans un seul pays – l'Ukraine – s'établissait autour de 350-400 mille tonnes par an, en 2021 cet indicateur était déjà monté à 1,2-1,4 million de tonnes. La croissance de la demande de bitume a entraîné des importations actives de bitumes de distillation en provenance des pays d'Europe du Sud et d'Asie. Ces bitumes possèdent cependant souvent des propriétés qui s'écartent sensiblement des exigences des normes, en particulier lors de la modification aux polymères.

Au cours des années 2021-2024, un groupe d'experts compétents a réalisé plus de 90 essais de différents échantillons de bitume produits en Italie, en Espagne, en Grèce, en Pologne, en Azerbaïdjan, en Iran et dans d'autres pays. Les résultats généralisés de ces recherches ont mis en évidence de sérieux problèmes de conformité entre les caractéristiques déclarées du bitume et les indicateurs réels, en particulier pour la température de ramollissement et la pénétration. De plus, aucune dépendance claire n'a été établie entre les caractéristiques initiales du bitume et les résultats de la modification. Fait important, certains échantillons n'ont pas du tout subi de modification, même en augmentant la quantité de polymère et la durée du procédé de modification. En outre, l'enrobé bitumineux fini présentait parfois des propriétés physiques et mécaniques imprévisibles, ce qui exigeait une correction constante du procédé de modification.

Un autre problème apparaissant lors de la production de bitume modifié aux polymères est la séparation du bitume au stockage et au transport. Il en résulte que, lors de l'emploi du bitume pour la mise en œuvre de la chaussée, ses propriétés peuvent s'écarter sensiblement des propriétés initiales, ce qui se répercute négativement sur la qualité de l'enrobé bitumineux. Le pire est que le personnel des centrales d'enrobage et des laboratoires doit très souvent prendre des décisions difficiles rapidement, sans disposer d'assez de temps pour les tests et les essais de laboratoire.

Une alternative à la modification du bitume est la technologie de modification de l'enrobé bitumineux, en tant que produit fini, par la méthode « à sec », avec l'ajout d'un additif polymère, par exemple « MPC » VELETON™, directement dans le malaxeur, conforme aux exigences des normes ДСТУ 8959-2019, ГОСТ Р 58406.2-2020, СТ РК 2373-2019 et d'autres.

Cette technologie est répandue de longue date et activement employée par le secteur de la construction routière des pays avancés d'Europe et d'Asie, ainsi que des États-Unis, et présente certains avantages par rapport à la modification classique du bitume, à savoir :

1. La qualité et les propriétés physiques et mécaniques du produit fini – l'enrobé bitumineux – ne dépendent pas de manière significative de la qualité du bitume ni de son aptitude à être modifié par des polymères. La raison en est qu'un additif polymère « à sec » agit sur les composants de l'enrobé, en particulier sur les gravillons, de sorte que l'enrobé acquiert entre ses composants de solides liaisons polymères, que l'on peut représenter comme un réseau polymère en 3D.
2. Le procédé de fabrication de l'enrobé bitumineux s'en trouve nettement simplifié, car aucun équipement complexe et coûteux de modification du bitume par des polymères n'est nécessaire, tel qu'un moulin colloïdal et des malaxeurs à grande vitesse. Le producteur gagne également un temps considérable, car le bitume peut être utilisé immédiatement, sans les 8-12 heures de modification habituelles (comme avec des additifs de type SBS).
3. Il n'est pas nécessaire de chauffer fortement le bitume (au-delà de températures de 165-170 °C), ce qui n'entraîne pas son oxydation et son vieillissement rapides.
4. Les résultats de l'utilisation de l'additif MPC « à sec » sont toujours prévisibles et calculés mathématiquement, en fonction du type d'enrobé et de la quantité de polymère qu'il contient.

Tableau 1 — l'analyse de l'utilisation de l'additif « à sec » sur l'exemple de l'Ukraine sur la période 2020-2024 donne les résultats suivants :

Tableau 2 — résultats de la comparaison des données expérimentales et théoriques, détermination du nombre de cycles de charge jusqu'à la rupture des éprouvettes d'enrobés étudiés avec l'additif. Température : T = +20 °C.

Les données obtenues (tableau 2) indiquent que les calculs théoriques concordent avec les données expérimentales. Cela montre que ces dépendances peuvent être utilisées dans des calculs pratiques pour assurer ou prévoir la durabilité de la chaussée en enrobé sur les routes et les ouvrages d'art sous l'effet de la température et des sollicitations des véhicules, ainsi que pour prévoir ses évolutions en service sur une période donnée.

L'expérience des grandes entreprises de construction routière des pays d'Europe, de la CEI et d'Asie centrale a montré des résultats élevés et, surtout, reproductibles, une grande résistance aux sollicitations, une résistance au gel et une résistance au cisaillement des chaussées en enrobé. Les résultats des essais montrent que l'enrobé bitumineux répond sur tous les indicateurs aux exigences des normes ДСТУ 8959-2019, ГОСТ Р 58406.2-2020, СТ РК 2373-2019 et d'autres.