Emulsion de Bitume

8/18/2019 Emulsion de Bitume

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FORMATION TECHNIQUE 2012UTILISATION DES LIANTS BITUMINEUX EN

CENTRALE ET CHANTIER

Les émulsions de bitume

Sabine Le Bec

Eurovia Canada

4 et 5 décembre 2012

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

Formulation et Fabrication selon leur usage


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Composition des émulsions de bitume

Comment obtenir une émulsion de bitume ?

Les composants principaux

Les émulsifiants : Structure / Rôle

Les bitumes Sélection des bitumes : sur quels critères ?

CONTENU DE LA PRÉSENTATION

Stabilité des émulsions selon l’usage Formulation versus stabilité

Fabrication des émulsions de bitume

Volume et usage des émulsions

En développements…


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COMPOSITION DES ÉMULSIONS DE BITUME

Les émulsions sont formées par deux liquides nonnon misciblesmiscibles : un des liquides se trouve sous formede gouttes dispersées dans le deuxième liquide

Les émulsions de bitume sont formées de gouttes de bitumebitume disperséesdispersées dans une phasephase continuecontinueaqueuseaqueuse.

Par définition, les émulsions sont des systèmes instables à plus ou moins long terme.

Le bitume et l’eau peuvent former une émulsion sous action mécanique mais se sépare rapidementquand le cisaillement s’arrête.

Energie mécanique + stabilisation chimique Émulsion

Evacuation de l’eau + déstabilisation chimique Rupture

(évaporation) (contact des granulats)


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COMMENT OBTENIR UNE ÉMULSION DE BITUME ?

Énergie mécaniqueFractionnement du bitumeEffort de cisaillement dans le

Énergie ‘’chimique’’Créer une telle surface nécessited’apporter une grande énergie mais cetteénergie peut être réduite par ajoutd‘émulsifiant ui vont être adsorbés à

La surface de contact (à l’interface) est importante dans une émulsion debitume Diamètre moyen : 2 à 7 µm Sous effet mécanique, 1 gr de bitume peut former 10 milliards de gouttes La surface totale à l’interface de 1gr de bitume est de 1 – 2m²

Deux ‘’énergies ’’ sont nécessaires pour stabiliser le bitume sous forme degouttes dans l’eau :

l’interface et réduire la tension de surfaceet assurer la stabilité de l’émulsion


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LES ACTEURS PRINCIPAUX Les émulsifiants Abaissement de la tension de surface (stabilité au stockage)

Diminution de la tension interfaciale entre les deux liquides : L’émulsifiant se place à l’interface entre la phase liant et la phase aqueuse

Stabilisation de l’émulsion de bitume lors de l’entreposage Création d’un potentiel de répulsion entre les gouttes grâce aux charges électriques apportées par l’émulsifiant.

Prévient la coalescenceet la fusion des gouttes de bitume Le choix et la concentration de l’émulsifiant détermine le pouvoir répulsif et donc la stabilité de l’émulsion

Les émulsifiants recouvre la surface des gouttesde bitume – les gouttes de bitume chargéespositivement se repoussent

équilibre

Emulsion cationiquepH < 4

R-NH2 + HCl R-NH3+ + Cl -

R-COOH + NaOH R-COO- + Na+ + H2O

Les émulsifiants recouvre la surface des gouttesde bitume – les gouttes de bitume chargéesnégativement se repoussent

équilibre

Emulsion anionique :pH > 10

--

-

-

--

-

--

--

-

--

-


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LES ACTEURS PRINCIPAUX Les émulsifiants participent à la rupture et l’adhésivité bitume / granulats

Le granulat est le facteur principal d’instabilité de l’émulsion Il détermine en grande partie le processus de rupture, d’enrobage et de montée en cohésion

Dans le cas des procédés d’enrobage, il est nécessaire de tenir compte de la nature chimique desgranulats Adsorption des émulsifiants sur les surfaces minérales Changement de pH du milieu (le granulat ‘’consomme des ions de la phase aqueuse et modifie

le pH)

Absorption de l’eau par le granulat

Contact émulsion –granulats

Adsorption des TALe pH augmente

L’augmentationde pH entraine la

floculation

Coalescence /enrobage


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LES ACTEURS PRINCIPAUX Les bitumes : Quels sont les critères de sélection des bitumes pour émulsions ?

Une bitume Émulsionnable est un bitume qui présente naturellement ou artificiellement les caractéristiques pour lamise en émulsion anionique ou cationique

Le bitume doit être de qualité La catégorie de l’émulsion doit être précisée, i.e.

Cationique ou anionique

On devrait connaître La teneur en sel pour contrôler des variations de viscosité et l’instabilité des émulsions Un indice d’acide connu (utile pour certaines applications) Sa teneur en asphaltènes Son mode d’élaboration (PPA, rectifié, etc….)

Grade du bitume selon l’usage Il est conforme à la norme MTQ 4101 / AASHTO M320 Le choix du grade du bitume dans l’émulsion se fait en fonction des spécifications requises sur le bitume

résiduel (MTQ 4105, ASTM D977, ASTM D2397, AASHTO M316) 40-90 et 150 – 200 dmm ( PG 52-34, PG 58-28 et PG 64-22) sont des grades de bitumes couramment utilisés dans les émulsions Les bitumes durs sont généralement plus difficiles à mettre en émulsion (problème de stabilité au stockage)

Constance des approvisionnements La qualité du bitume pour émulsion doit être constante dans le temps. Toute modification du brut nécessite

d’ajuster la formulation de l’émulsion et particulièrement la nature et/ou le dosage des émulsifiants pour éviter :

Instabilité de l’émulsion Variation des viscosités Défaut d’adhésivité


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Les bitumes On distingue deux grandes familles :

Les bruts riches en asphaltènes et contenants des acides naphténiques qui leur confèrent une acidité marquée, fortappréciée lors de l’utilisation d’émulsion pour enrobés coulés à froid.

Montée en cohésion rapide des bitumes dits ‘’naphténiques’’ Indice d’acide de l’ordre de 3 – 4 mg KOH / g

Les bruts plus pauvres en asphaltènes qui ne ne renferment pas ou peu de produits acides ou basiques Ils sont communément appelés des bitumes ‘’paraffiniques’’ Ces bitumes peuvent être additivés pour s’approcher des caractéristiques de montée en cohésion des bitumes

LES ACTEURS PRINCIPAUX

paraffiniques. Indice d’acide de l’ordre de 0 à 1 mg KOH / g

Les teneurs en sels dépendent du procédés de raffinage et particulièrement du process de dessalage

L’incidence de paramètres du bitume fait encorel’objet de projets de recherche


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La fabrication d’émulsion routière de bitume n’est pas un objectif final mais unetechnique pour utiliser un liant visqueux sous forme fluide.

L’émulsion routière est un produit transitoire, elle doit :

• Avoir une durée de vie supérieure aux délais prévisibles d’emploi• Conserver ses propriétés constantes au cours de sa durée de vie• Rompre de façon homogène au contact des granulats, le bitume doit reprendre son

rôle adhésif et cohésif : Émulsion à rupture rapide

STABILITÉ DES ÉMULSIONS

• mu s on rup ure sem -rap e

• Émulsion à rupture lente• Émulsion surstabilisée

La stabilité de l’émulsion est le paramètre critique et primordiale à contrôler :- Teneur en TA- Qualité des bitumes

Constance des approvisionnements


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La stabilité de l’émulsion est obtenu grâce au choix de l’émulsifiant Par la nature de l’émulsifiant : dicté par le fournisseur qui détiennent les formules des TA Par les dosages préconisés par les fournisseurs et ajustables selon l’usage par le producteur d’émulsion

Rapide (RS)

1,8 à 3,0

pH 2 à 4

2,3 à 3,0pH 2 à 4

1,5 à 2,5

Répandage

• RS rompe rapidement au contactdes granulats Propre et de faiblesurface spécifique : Enduit

STABILITÉ DES ÉMULSIONS SELON L’USAGE

Semi-rapide (MS)

Lente (SS)

Surstabilisée

p

2,2 à 4pH 2 à 4

2,2 à 2,5pH 2 à 4

8 à 15pH 2 à 5

10 à 20

pH 2 à 4

Pénétration

Prétraitement

Enrobage

super c e

• MS rompe plus lentement que lesCRS, peuvent Être malaxés avecdes granulats de surfacespécifique plus élevée (OGM)

• SS rompe plus lentement aucontact des granulats : enrobage


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• Mécanismes de rupture de mieux en mieux connus mais reste compliqué car fait intervenir des phénomènes d’interfaces

• Cinétiques encore peu connus

• En conséquence, cette connaissance, si elle permet à postériori d’expliquer le choix de telle ou telle formulation, ne peutpermettre de formuler à priori.

• Il est nécessaire d’adapter la formule de l’émulsion en fonction des granulats disponibles localement, en fonction des qualitésdes bitumes disponibles (tout changement de bitume sans adaptation peut amener à des émulsions instables

FORMULATION VERSUS STABILITÉ

Formulation

UsageViscositéStabilité à l’entreposage

Vitesse de rupture

avo r- a re

Savoir

Qualité des matières premières


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COMMENT OBTENIR UNE ÉMULSION DE BITUME ?

Énergie mécaniqueFractionnement du bitumeEffort de cisaillement dans le

Énergie ‘’chimique’’Créer une telle surface nécessited’apporter une grande énergie mais cetteénergie peut être réduite par ajoutd‘émulsifiant ui vont être adsorbés à

La surface de contact (à l’interface) est importante dans une émulsion debitume Diamètre moyen : 2 à 7 µm Sous effet mécanique, 1 gr de bitume peut former 10 milliards de gouttes La surface totale à l’interface de 1gr de bitume est de 1 – 2m²

Deux ‘’énergies ’’ sont nécessaires pour stabiliser le bitume sous forme de

gouttes dans l’eau :

l’interface et réduire la tension de surfaceet assurer la stabilité de l’émulsion


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FORCES PHYSIQUES = MOULIN COLLOÏDAL

FABRICATION DES ÉMULSIONS DE BITUME

d) Émulsion

b) Le bitume estpompé vers lemoulin

a) Phase aqueusepompée vers le moulin

c) Rotor et statorcisaillent le bitumeen fines gouttes

Stator / rotor


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bitume

émulsifiant

Acidebase

AdditifCaCl2épaissisantslatex

Cuvephaseaqueuse

Arrivéed’eau


Moulincolloïdal


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La taille des gouttes est influencée par les conditions de fabrication et lachimie

- Type de moulin, entrefer, débit, taux de cisaillement, températures

- Chimie des bitumes, chimie et dosages des émulsifiants- Diamètres varie de 0,1 à 20 microns

La distribution de tailles affecte les propriétés des émulsions :


- Distribution étroite et diamètre petit augmente généralement la viscosité des émulsions etla stabilité au stockage


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Résultats: Augmentation de la viscosité et

diminution des tailles de particuleslogique avec l’augmentation des

vitesses de cisaillement.

On imagine l’intérêt de pouvoirchoisir la viscosité par le seulbiais de la granulométrie et donc


0

10

20

30

40

50

60

70

20 25 30 35 40 45 50

V

i s c o s i t é ( s e c )

Vitesse périphérique du moulin (m/s)

.

On a la possibilité de garderconstante la composition chimique,donc les approvisionnements enmatières Premières et les recettes defabrication

On ne change que les conditionsmécaniques.

2

3

4

5

6

7

8

20 25 30 35 40 45 50

D 5 0

( u m )

Vitesse périphérique du moulin (m/s)


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On distingue trois familles d’émulsion

-- Les émulsions de bitume purLes émulsions de bitume purMise en émulsion d’un bitume de grade PG 58-28, PG 52-34 ou PG 64-22


-- Les émulsions de bitume modifiéLes émulsions de bitume modifié

Mise en émulsion d’un bitume modifié, par ajout de polymère SB, SBS ouEVA

-- Les émulsions de bitume avec ajout de latexLes émulsions de bitume avec ajout de latex

Mélange d’une émulsion de bitume et d’un Latex


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Emulsifiant EauAcide

Phase liant

Phase dispersée

Phase aqueuse

Phase dispersante

BaseBitume pur

Fluidifiant

fluxant


ÉMULSION DE BITUME PUR

Turbine

Emulsion

énergie mécanique

~ 130 – 150°C ~ 40 – 50°C

~ 70 – 80°C


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Emulsif EauAcide

Phase liant

Phase dispersée

Phase aqueuse

Phase dispersante

BaseBitume modifié

EVA - SBS

Fluidifiant

fluxant


ÉMULSION DE BITUME MODIFIÉ

Source : B. Eckmann, Eurovia

Turbine

Emulsion

énergie mécanique

viscosité élevée du liant160 – 170°C

Pressurisation1,5 – 2 bars

~ 45 – 55°C

Échangeur de chaleur

70 – 85°C


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Emulsif Eau Acide

Bitume purfluidifiant

fluxant Emulsionpolymère

( latex )


ÉMULSION DE BITUME AVEC LATEX

Phase liant

Phase dispersée

Phase aqueuse

Phase dispersante

Turbine

Emulsion

énergie mécanique

Source : B. Eckmann, Eurovia

~ 130 – 150°C

~ 45 – 55°C

~ 70 – 80°C


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EMULSION MODIFIEE avec ajout de latex

• Latex ajouté de préférence dans la phase dispersée

• a out dans la cuve savon rivilé ié a ustement du H

• Latex = émulsion de : - Caoutchouc naturel (anionique)

- Polychloroprène (anionique)- SBR (anionique ou cationique)


• Stabilité compatibilité des charges

• Particules de bitume + particules de polymère

Emulsion “biphasique”


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Dernière enquête mondiale menée en 2010(congrès mondial des émulsions)

À travers 100 pays, par les associationsprofessionnelles et les industries La compilation du volume d’émulsion produiteest variable selon les pays

VOLUME ET USAGE DES ÉMULSIONS

Production en 2009 : > 8 million MT

Pas de chiffres pour 2010 - 2011

Source : IBEF présenté ISAET 2012


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APPLICATION Rapid setting Medium setting Slow setting

CRS-1RS-1

CRS-2RS-2

CRS-1pRS-1p

CRS-2PRS-2p

CRS-1hRS-1h

CMS-2MS-2

CMS-2hMS-2h

CSS-1SS-1

CSS-1hSS-1h

CSS-1pSS-1p

CQS-1HCQS-1HP

CQS-1HLM

Émulsion d’accrochage X X X X(1) X(1) X(1)

Émulsion d’imprégnation X(1) X(1)

Abat-poussière X(1) X(1)Fog-seal X (1) X(1)

Traitement de surface (enduit) X(2) X (2) X(2) X(2)

Cape – Seal (partie enduit) X(2) X(2) X(2) X(2)

VOLUME ET USAGE DES ÉMULSIONS

Cape-Seal (partie ECF)

X(2)

Sand-seal X X(2)

Enrobés coulés à froid X(2)

Recyclage en place Type I, II et TypeIII

X(2) X(2) X(2) X(2) X(2)

Recyclage en centrale X(2) X(2)

Enrobé à froid pour couche deroulement, en centrale

Enrobé à froid, stockabilité limitée(OGM)

X(2) X(2)

Enrobé à froid, stockabilité limitée(DGM,)

X(2) X(2) X(2) X(2) X(2)

Enrobé à froid, stockabilité limitée(cold patch)

X(2) X(2) X(2)

(1) Dilué dans l’eau (2) nécessite une étude de formulation (compatibilité avec les granulats sélectionnés (3) les émulsions HF ne sont pas présentées


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Les 20 dernières années ont vu des progrèsconsidérables dans la compréhension de la chimie quiinfluence les performances des émulsions.

En conséquence, aujourd’hui, de plus en plus deformulation d’émulsions peuvent être optimisées pour

atteindre des performances plutôt que simplementchercher à atteindre les spécifications :

Emulsion d’accrochage propre et à rupture rapide Nouveaux procédés Nouvelles spécifications et recommandations

EN DÉVELOPPEMENTS……

Enrobés pour couche de roulement à froid

Optimisation des paramètres des fabrication pouroptimiser les performances des émulsions en ajustant ladistribution des tailles des particules.

Amélioration de l’empreinte écologique des émulsions Utilisation de solvants plus écologiques

Émulsion à pH neutre, moins sensibles aux changementde pH du milieu

Augmentation du nombre de carrières utilisables

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