Les émulsions de bitume Formulation et Fabrication … · Il est conforme à la norme MTQ 4101 / AASHTO M320 Le choix du grade du bitume dans l’émulsion se fait en fonction des

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

� 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…

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)

COMPOSITION DES ÉMULSIONS DE BITUME

� Phase liant 50 à 70% (typiquement 59 -62%)� Bitume pur� Bitume modifié par ajout de polymère

� Eau 30 à 50%

� Émulsifiants 0,2 à 2,5%

Gouttes de bitume 1 à 10 υυυυm

Émulsifiants 0,2 à 2,5%

� Solvant (parfois) 0 à 30%

� Polymères 0 à 4%

� Autres additifs : CaCl2, épaississant,…

COMMENT OBTENIR UNE ÉMULSION DE BITUME ?

Énergie mécanique Fractionnement du bitume Effort de cisaillement dans le moulin colloïdale

Énergie ‘’chimique’’Créer une telle surface nécessited’apporter une grande énergie mais cetteénergie peut être réduite par ajoutd‘émulsifiant qui 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 :

moulin colloïdale d‘émulsifiant qui vont être adsorbés àl’interface et réduire la tension de surfaceet assurer la stabilité de l’émulsion

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’entreposag e� Création d’un potentiel de répulsion entre les gouttes grâce aux charges électriques apportées par l’émulsifiant.

� Prévient la coalescence et 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 cationique pH < 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 des

granulats� 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’augmentation de pH entraine la

floculation

Coalescence / enrobage


� 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� 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 bitumerésiduel (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 nécessited’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

� 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


Ces bitumes peuvent être additivés pour s’approcher des caractéristiques de montée en cohésion des bitumesparaffiniques.

� 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 encore l’objet de projets de recherche

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• Émulsion à rupture semi-rapide

STABILITÉ DES ÉMULSIONS

• Émulsion à rupture semi-rapide• 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

� 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 3,0pH 2 à 4

2,3 à 3,0pH 2 à 4

1,5 à 2,5pH 2 à 3

Répandage

• RS rompe rapidement au contact des granulats Propre et de faible surface spécifique : Enduit superficiel / CA

STABILITÉ DES ÉMULSIONS SELON L’USAGE

Semi-rapide (MS)

Lente (SS)

Surstabilisée

pH 2 à 3

2,2 à 4pH 2 à 4

2,2 à 2,5pH 2 à 4

8 à 15pH 2 à 5

10 à 20pH 2 à 4

Pénétration

Prétraitement

Enrobage

superficiel / CA

• MS rompe plus lentement que les CRS, peuvent Être malaxés avec des granulats de surface spécifique plus élevée (OGM)

• SS rompe plus lentement au contact des granulats : enrobage

• 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 peut permettre de formuler à priori.

• Il est nécessaire d’adapter la formule de l’émulsio n en fonction des granulats disponibles localement, en fonction des qualités des bitumes disponibles (tout changement de bitume sans adaptation peut amener à des émulsions instabl es

Savoir -faire

FORMULATION VERSUS STABILITÉ

Formulation

UsageViscositéStabilité à l’entreposageVitesse de rupture

Savoir -faire

Savoir

Qualité des matières premières

COMMENT OBTENIR UNE ÉMULSION DE BITUME ?

Énergie mécanique Fractionnement du bitume Effort de cisaillement dans le moulin colloïdale

Énergie ‘’chimique’’Créer une telle surface nécessited’apporter une grande énergie mais cetteénergie peut être réduite par ajoutd‘émulsifiant qui 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 :

moulin colloïdale d‘émulsifiant qui vont être adsorbés àl’interface et réduire la tension de surfaceet assurer la stabilité de l’émulsion

FORCES PHYSIQUES = MOULIN COLLOÏDAL

FABRICATION DES ÉMULSIONS DE BITUME

d) Émulsion

b) Le bitume est pompé vers le moulin

a) Phase aqueuse pompée vers le moulin

c) Rotor et stator cisaillent le bitume en fines gouttes

Stator / rotor

bitume

émulsifiant

Acide base

AdditifCaCl2 épaissisantslatex

Cuve phase aqueuse

Arrivée d’eau


Moulin colloïdal

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 :


La distribution de tailles affecte les propriétés des émulsions :- Distribution étroite et diamètre petit augmente généralement la viscosité des émulsions et

la stabilité au stockage

� Résultats:� Augmentation de la viscosité et

diminution des tailles de particuleslogique avec l’augmentation desvitesses de cisaillement.

� On imagine l’intérêt de pouvoirchoisir la viscosité par le seulbiais de la granulométrie et doncdes conditions de fabrication.


0

10

20

30

40

50

60

70

20 25 30 35 40 45 50

Vis

cosi

té (

sec)

Vitesse périphérique du moulin (m/s)

des conditions de fabrication.

On a la possibilité de garderconstante la composition chimique,donc les approvisionnements enmatières Premières et les recettes defabricationOn ne change que les conditionsmécaniques.

2

3

4

5

6

7

8

20 25 30 35 40 45 50

D50

(um

)

Vitesse périphérique du moulin (m/s)

On distingue trois familles d’émulsion

-- Les émulsions de bitume purLes émulsions de bitume pur

Mise 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 ou EVA

-- 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

Emulsifiant EauAcide

Phase liantPhase dispersée

Phase aqueusePhase dispersante

BaseBitume purFluidifiant

fluxant


ÉMULSION DE BITUME PUR

Turbine

Emulsion

énergie mécanique

~ 130 – 150°C ~ 40 – 50°C

~ 70 – 80°C

Emulsif EauAcide



BaseBitume modifiéEVA - SBS

Fluidifiantfluxant


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

Emulsif Eau Acide

Phase liant Phase aqueuse

Bitume pur fluidifiantfluxant Emulsion

polymère( latex )


ÉMULSION DE BITUME AVEC LATEX



Turbine

Emulsion

énergie mécanique

Source : B. Eckmann, Eurovia

~ 130 – 150°C

~ 45 – 55°C

~ 70 – 80°C

EMULSION MODIFIEE avec ajout de latex

• Latex ajouté de préférence dans la phase dispersée

• ajout dans la cuve savon privilégié (ajustement du pH)

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

- Polychloroprène (anionique)

- SBR (anionique ou cationique)


• ajout dans la cuve savon privilégié (ajustement du pH)

• Stabilité compatibilité des charges

• Particules de bitume + particules de polymère

Emulsion “biphasique”

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

� À travers 100 pays, par les associations professionnelles et les industries� La compilation du volume d’émulsion produite est 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

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

X X X X

Cape-Seal (partie ECF) X(2)

Sand-seal X X(2)

Enrobés coulés à froid X(2)

Recyclage en place Type I, II et Type III

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

Recyclage en centrale X(2) X(2)

Enrobé à froid pour couche de roulement, 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

� 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 pouratteindre 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

Documents

Les émulsions de bitume Formulation et Fabrication … · Il est conforme à la norme MTQ 4101 / AASHTO M320 Le choix du grade du bitume dans l’émulsion se fait en fonction des