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REPUBLIQUE MINISTER D UNIVERSITE D FACULTE DES SCIEN SOCIET Du Diplôme Thème PMr. AD Mme. Mme. Mr. B Optimisation De La E ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULA DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEURE ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE E DES SCIENCES ET DE TECHNOLOG D’ORAN MOHAMED BOUDIAF NCES - DEPARTEMENT DE CHIMIE INDU TE SONATRACH COMPLEXE RA1.Z Filière: Génie des procédés Mémoire de fin d’étude En vu de l’obtention e de Master en Ingénierie Biomolécula ésenter par Mlle. REIKI ZAHIA Mlle. RABAH AMEL Devant le jury composé de: DEL ALI OUTHMANE President BERKOK NADIA Examinateu BOUKRAA YAMINA Examinateu BELKADI MOHAMED Encadreur 2 eme PROMOTION a Qualité De Bitume Oxydé Sur Le Etanchéités 2013/2014 AIRE A GIE USTRIELLE aire ur ur es Matières

Reiki Zahi A

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Optimisation De La Qualité De Bitume Oxydé Sur Les Matières Etanchéités

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Page 1: Reiki Zahi A

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTER DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEURE ET DE LA

UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE TECHNOLOGIE

D’ORAN

FACULTE DES SCIENCES

SOCIETE SONATRACH

Du Diplôme de Master en Ingénierie Biomoléculaire

Thème

Présenter par Mlle. REIKI ZAHIA

Mr. ADEL ALI OUTHMANE

Mme.

Mme. BOUKRAA YAMINA

Mr. BELKADI MOHAMED Encadreur

Optimisation De La Qualité De Bitume Oxydé Sur Les

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTER DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEURE ET DE LA

RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE TECHNOLOGIE

D’ORAN MOHAMED BOUDIAF

FACULTE DES SCIENCES - DEPARTEMENT DE CHIMIE INDUSTRIELLE

SOCIETE SONATRACH COMPLEXE RA1.Z

Filière: Génie des procédés

Mémoire de fin d’étudeEn vu de l’obtention

Du Diplôme de Master en Ingénierie Biomoléculaire

résenter par Mlle. REIKI ZAHIAMlle. RABAH AMEL

Devant le jury composé de:

Mr. ADEL ALI OUTHMANE President

BERKOK NADIA Examinateur

Mme. BOUKRAA YAMINA Examinateur

Mr. BELKADI MOHAMED Encadreur

2eme PROMOTION

Optimisation De La Qualité De Bitume Oxydé Sur Les

Etanchéités

2013/2014

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTER DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEURE ET DE LA

UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE TECHNOLOGIE

DEPARTEMENT DE CHIMIE INDUSTRIELLE

Du Diplôme de Master en Ingénierie Biomoléculaire

Examinateur

Examinateur

Optimisation De La Qualité De Bitume Oxydé Sur Les Matières

Page 2: Reiki Zahi A

Remerciement 2014

REMERCIEMENTS

Tout d'abord, nous tenons à rendre grâce à Dieu, de nous avoir donné la santé afin que

nous puissions accomplir ce travail.

Tous nos remerciements:

à nos chers parents ;

à notre Chef département de chimie organique et industrielle, Monsieur Belkadi

mohamed ;

à Monsieur Sadouk ahmed chef service d’exploitation de zone 10 de production de

bitume de la Raffinerie d’Arzew.

à Madame Oussadi karima notre enseignante de polymères;

à l'ensemble du personnel de zone 10 de production de bitume;

à l'ensemble du personnel du département chimie organique et industrielle;

à l’ensemble du personnel du Spa Etanchal

à nos chers frères, seurs et amis ;

à mes camarades de promotion...

Page 3: Reiki Zahi A

Avant-propos 2014

AVANT-PROPOS

Le département Chimie organique et industrielle de l’université des Sciences et

Technologies « Mohamed Boudiaf » d’Oran, forme en cinq (5) ans des Masters (ingénieurs) de

conception en Génie des procédés de déférentes options de chimie organique.

Au Cours de la cinquième année, un projet de fin d'études doit obligatoirement être étudié par

chaque élève ingénieur au sein d'une entreprise ou d'un laboratoire de recherche.

Ce projet doit faire l'objet de la rédaction d'un mémoire de fin d'études qui sera soutenu

publiquement devant un jury.

C'est dans ce cadre qu'il nous a été donné l'opportunité d'effectuer ce projet.

Page 4: Reiki Zahi A

Tableau de matière 2014

Tableau de matières

Liste d’abréviation

Introduction

Chapitre I : Etudes bibliographiques

I.1. Généralité et notions sur le bitume……………………………………….1

I.1.1.Introduction………………………………………………………………..1

I.1.2.Fabrication des bitumes…………………………………………………....1

I.1.2.1.Distillation atmosphérique……………………………………………….2

I.1.2.2.Distillation sous-vide…………………………………………………….2

I.1.2.3.Désasphaltage au solvant………………………………………………...2

I.1.3.Le fractionnement SARA………………………………………………….3

I.1.4.Structure colloïdale de bitume……………………………………………..4

I.1.5.Constitution de bitume…………………………………………………….6

I.1.6.Relation entre les compositions chimiques et rhéologie…………………...7

I.1.7.Les types de bitume………………………………………………………...8

I.1.7.1.Les bitumes oxydés………………………………………………………8

I.1.7.2.Les bitumes spéciaux…………………………………………………….9

I.1.7.3.Les bitumes modifiés…………………………………………………….9

I.1.7.3.1.Les bitumes modifiés par des polymères………………………………9

I.1.8.Les produis bitumineux et leurs applications………………………………9

I.1.8.1.Bitume et produits bitumineux…………………………………………...9

I.1.8.1.1.Bitume pur……………………………………………………………...9

I.1.8.1.2.Bitume modifié par des polymères…………………………………..10

I.1.8.1.3.Bitumes spéciaux…………………………………………………….10

Page 5: Reiki Zahi A

Tableau de matière 2014

I.1.8.1.4.Bitume fluidifie……………………………………………………....10

I.1.8.1.5.Bitume fluxés………………………………………………………...10

I.1.8.1.6.Bitume industrielle…………………………………………………...10

I.1.9.Application des produits bitumineuse……………………………………11

I.1.10.Qualité de bitume……………………………………………………….16

I.1.11.Carractéristiques d’essais de bitume……………………………………17

I.1.11.1.Pénétrabillité………………………………………………………….17

I.1.11.2.Point de ramollissement bille et anneaux……………………………..17

I.2.Bitume oxydé……………………………………………………………18

I.2.1.Pratique de l’oxydation…………………………………………………..18

I.2.2.Reaction mise en jeu……………………………………………………..19

I.2.2.1.Mécanisme de soufflage d’asphaltènes avec l’oxygène……………….20

I.2.3.Facteur concernant l’air soufflé………………………………………….22

I.3.les polymère…………………………………………………………….24

I.3.1.Intoduction……………………………………………………………....24

I.3.2.Définition de polymère………………………………………………….24

I.3.3.Utilisation des polymères………………………………………………..25

I.3.4.Polymères naturelles et polymères synthèses……………………………25

I.3.5.Leurs propriétés……………………………………………………….....25

I.3.5.1.Propriétés thermiques, les thermodurcissables et les thermoplastiques.25

I.3.5.2.Proproités mécaniques, transition vitreuses…………………………....26

I.3.5.3.Autres propriétés……………………………………………………….27

I.3.5.3.1.Leures propriétés optiques…………………………………………...27

I.3.5.3.2.Leures propriétés physiques et chimiques…………………………...27

Page 6: Reiki Zahi A

Tableau de matière 2014

I.3.6.Les molécules des polymères……………………………………………28

I.3.7.Les microstructures des polymères seuls (homopolymères)……………29

I.3.7.1.Structure amorphe……………………………………………………..29

I.3.7.1.1. Polymères thermoplastiques………………………………………..29

I.3.7.1.2.Polymères thermodurcissables……………………………………....30

I.3.7.1.3.Elastiomères…………………………………………………………30

I.3.8.Les microstructures des polymères associés…………………………….30

I.3.8.1.Les additifs…………………………………………………………….31

I.3.8.2.Les mousses dz polymères…………………………………………….31

I.3.8.3.Les polymères renforcés……………………………………………….31

I.3.9.Les mélanges de polymères……………………………………………...32

I.3.9.1.Les copolymères……………………………………………………….33

I.3.9.1.1.Les élastomères thermoplastiques…………………………………...34

Chapitre II. Modification des bitumes

II. Le bitume modifié……………………………………………………...35

II.1.Introduction……………………………………………………………….35

II.2.Procédure de la modification des bitumes aux polymères………………..36

II.2.1.Les mélanges physico-chimiques des bitumes-polymères……………...36

II.2.1.1Déffinition……………………………………………………………...36

II.2.1.1.1.Structure colloïdale des bitumes routiers……………………………37

II.2.2.Compatibilité……………………………………………………………37

II.2.2.1.Polymère compatible………………………………………………….38

II.2.2.1.1.Copolymère en butadiène et styrène(SB)…………………………...38

II.2.2.1.2.Copolymère polystyrène-polybutadiène-réticule(SBR)…………….39

Page 7: Reiki Zahi A

Tableau de matière 2014

II.3.Principes de la modification des bitumes…………………………………40

II.3.1.Rhéologie des matériaux multi-phases…………………………………40

II.3.2.Cas de la suspension : Application au mastic bitumineux……………...40

II.3.3.Les bitumes modifiés par des polymères……………………………….42

II.4.Compatibilité bitume-polymère…………………………………………..44

II.5.Comment modifié les bitumes pour obtenir un meilleur feuillet bitumineux

étanchéité colloïdale…………………………………………………………..46

II.5.1.Modifié chimiquement en grossissant les asphaltènes…………………47

II.5.2.Modifié avec des polymères……………………………………………48

II.5.3.Comment polymères sont incorporé en asphaltènes……………………48

II.5.3.1.Polymères-asphaltènes blendes……………………………………….49

II.5.3.2.Mécanisme réactionnelle SBS-Asphaltène…………………………...52

Chapitre III. Etude pratique

III. Etude pratique.......................................................................................55

III.1.Introduction……………………………………………………………...55

III.2.Problématique…………………………………………………………...55

III.3.La structure de bitume…………………………………………………..56

III.4.Le styrène-butadiène-styrène SBS……………………………………...57

III.5.Asphaltènes……………………………………………………………..58

III.5.1.Composition chimique………………………………………………..58

III.5.2.Propriétés des asphaltènes…………………………………………….59

III.5.2.1.Propriétés acido-basiques…………………………………………..59

III.5.2.2.Les propriétés de surface…………………………………………...59

III.5.2.3.Propriétés colloïdales des asphaltènes……………………………...60

Page 8: Reiki Zahi A

Tableau de matière 2014

III.5.3.Microstructure………………………………………………………..61

III.5.3.1.Le feuillet…………………………………………………………..61

III.5.3.2.La particule………………………………………………………...61

III.6.Etudes expérimentales…………………………………………………62

III.6.1.Identification de Styrène-butadiène-Styrène………………………...62

III.6.2.Identification du bitume routier……………………………………...62

III.7.Résultat obtenus……………………………………………………….64

III.7.1.Intèrpritation des graphes……………………………………………67

III.7.2.Discution et résultats…………………………………………………67

III.8.Conclusion……………………………………………………………..68

Conclusion générale

Annexe

Références

Page 9: Reiki Zahi A

Abréviation 2014

Liste d’abréviation

API : américain pétrolier industrielles

PPA : propane-précipite-asphalte

SARA : saturé, aromatique, résines, asphaltes

Q : diamètre des particules (molécules)

K : constant d’augmentation de volume de la fraction solide

XASPH : fraction massique des asphaltes

EAC : enduit application à chaud

TBA : température anneaux et bille

RSV : réduit sous - vide

P2O5 : oxyde de phosphore

Fe Cl3 : chlorure de fer

T2 : trafic

EVA : éthylène d’acétal de vinyle

SBR : styrène –butadiène-réticule

SBS : styrène-butadiène-styrène

SIS : styrène-isoprène-styrène

SB : styrène-butadiène

Ƞ : viscosité

QȠȠ : fraction volumique de phase dispersée

λ : rapport des viscosité

у : pression capillaire

GPA : groupe pétrolier américain

PE : poly éthylène

PP : poly propylène

Page 10: Reiki Zahi A

Abréviation 2014

BMP : bitume modifié polymère

TR1101 : norme européen d’essais de bitume

HLB : hydrophile lipophile balance

BRI : brute réduit importé

T525/T526 : les bacs de bitume pur

14FC1 : vanne automatique d’unité 14

14E : échangeur d’unité 14

14F: four unite 14

HVGO: high vapor gas oil

PEHD : polymère éthylène à haute densité

ASTM : américain société de traitement des matières

14G1A/B : pompe de charge

T520/T521: backs stock de blown-stock

15F1: four unite 15

15C1 : colonne d’oxydation d’unité 15

PC3 : pression contrôle

15C1 : colonne récupération

Page 11: Reiki Zahi A

Introduction 2014

INTRODUCTION

Le bitume est un liant hydrocarboné ou liant noir à base d'hydrocarbure. Sa consistance

pâteuse ou dure à la température ordinaire et sa capacité à devenir liquide lorsqu'on le chauffe

environ entre 120 et 170 0C lui permettent de se mélanger à chaud avec des granulats ou des

polymères pour donner après refroidissement un mélange solide; ce qui fait tout son intérêt en

technique routière.

Cependant, le bitume est un liant qui est très difficile à utiliser correctement vu la grande

complexité d'apprécier ses qualités techniques.

En Algérie, les bitumes qui sont généralement importés, sont souvent de mauvaise qualité ou

inadaptés; ce qui fait qu'ils se comportent mal lorsqu'ils sont utilisés dans les matières étanchéités.

Depuis très longtemps, on utilisait le bitume (85/25) oxydé dans les matières étanchéités.

Ce bitume, bien que résistant aux températures élevées, est supposé avoir un vieillissement rapide

qui est l'une des principales causes de la dégradation des rouleaux étanchéités.

Ainsi, ce bitume à cause de son vieillissement accéléré n'est presque plus utilisé

On utilise maintenant, le bitume (85/25) modifié par polymère qui est supposé vieillir moins vite

que le (85/25) oxydé.

Dans ce projet, il s'agira donc de faire une étude du comportement des différents bitumes

qu'on utilise en matières étanchéités afin d’expliquer, de trouver les déférents entre ces deux

bitumes oxydé et modifié et enfin de connaître le bitume le plus adapté pour nos étanchéités.

Ce projet s'articule autour de trois(03) principales parties :

La première partie est une étude bibliographique portant sur :

• les généralités sur les bitumes;

• les bitumes oxydés

Dans la deuxième partie, est études sur la modification de bitume routier (40/50).

La troisième partie présente l'étude pratique menée en vue de la caractérisation et de la

comparaison des bitumes utilisés en matières étanchéités.

Ensuite, la conclusion va présenter un résumé des résultats obtenus et indiquer les

directions vers lesquelles ce travail pourrait être poursuivi.

Page 12: Reiki Zahi A

Chapitre I: Etude bibliographique 2014

1

I.1.Généralités et notions sur le bitume

I.1.1. Introduction :

Le bitume est un mélange complexe d’hydrocarbures naturels non volatils de poids

moléculaire élevé, appartenant en majorité aux groupes aliphatiques à chaînes linéaires ou

ramifiées, naphténiques ou cycliques et saturés. Il contient en moyenne 80 à 85 % de carbone,

10 à 15 % d’hydrogène, 2 à 3 % d’oxygène et, en moindre quantité, du soufre et de l’azote

ainsi que divers métaux à l’état de traces, mais liés chimiquement aux molécules les plus

lourdes. A la température ambiante, il est très visqueux, presque solide, et présente deux

caractéristiques importantes : c’est un agglomérant à fort pouvoir adhésif, en particulier sur

les minéraux destinés aux ouvrages, et il est totalement imperméable à l’eau. Ces propriétés

sont exploitées dans la construction routière, sa principale utilisation, où il fournit le liant pour

les enrobés, et dans diverses applications pour les travaux publics et l’industrie qui mettent

principalement à profit son étanchéité pour les toitures, les terrasses ou les bassins.

Le bitume, aujourd’hui est un produit industriel à forte valeur ajoutée technologique,

fabriqué à la demande à partir de certains pétroles bruts.

I.1.2. Fabrication des bitumes :

Les modes de fabrication ont évolué. Avant la crise pétrolière des années 1970, on

faisait appel presque exclusivement à des bruts lourds de forte densité, de type vénézuélien

(faible degré API), permettant de fabriquer les différentes classes de bitume par distillation

directe, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser une colonne sous-vide de grande efficacité.

Actuellement les bruts à bitume ont des origines diverses mais la plupart d’entre eux

proviennent du Moyen-Orient, le reste venant du Venezuela et du Mexique. .

Lorsque le choix d’un brut et celui d’une technique sont décidés, le fabricant suit

rigoureusement le processus et s’y maintient. Ces choix font l’objet pour chaque fabricant de

procédures d’homologation très sévères, dans le souci de fournir des produits industriels

d’une qualité constante et conformes aux spécifications.

Page 13: Reiki Zahi A

Chapitre I: Etude bibliographique 2014

2

I.1.2.1. Distillation atmosphérique

Ce mode de raffinage consiste à chauffer en continu par passage dans un four, le brut

préalablement décanté et dessalé. Ce brut, porté à une température voisine de 340 °C, est

envoyé dans une colonne de fractionnement maintenue à la pression atmosphérique. Le

produit récupéré en fond de tour est le brut réduit

I.1.2.2. Distillation sous-vide

A ce stade, le brut réduit provenant de la distillation atmosphérique est, après

réchauffage aux alentours de 400 °C, envoyé dans une colonne où règne une pression réduite

à quelques dizaines. Il est possible, dans ce type d’unité, de fabriquer directement toutes les

classes de bitumes du 20/30 au 160/220.

I.1.2.3. Désasphaltage au solvant

La séparation physique des constituants du pétrole brut peut aussi être effectuée sans

dégradation de leur structure chimique en mettant à profit les différences de solubilité des

fractions lubrifiantes et bitumineuses vis-à-vis de certains solvants. Le désasphaltage au

solvant est employé comme un complément dans le raffinage des “bruts à huile”. Il est le plus

souvent pratiqué sur le fond de distillation sous-vide, dont il est difficile de séparer

complètement les fractions lubrifiantes dans les conditions normales d’utilisation des

colonnes sous-vide opérant sur des bruts peu denses. Selon le solvant employé, butane ou

propane, on obtient différentes classes de bitume en faisant varier la nature du fond de

distillation sous-vide (degré d’épuisement) et les conditions de fonctionnement de l’unité de

désasphaltage, notamment la température et la pression. Le bitume ainsi obtenu est appelé

bitume PPA (Propan- Precipited-Asphalt). Selon la façon dont est conduite la fabrication du

bitume, par distillation ou désaphaltage au solvant, il est possible d’obtenir des bitumes de

pénétrabilité plus ou moins élevée. Cette propriété fait partie des deux caractéristiques

fondamentales de chaque bitume, avec la température de ramollissement. S’ajoute à cela la

susceptibilité à la température et au vieillissement, la cohésivité et l’élasticité qui sont

mesurées par des tests spécifiques.

Bitumes dits “soufflés” ou “oxydés” dans lesquels des phénomènes de

déshydrogénation, de polymérisation des asphaltènes et des résines leur donnent quelquefois

le comportement des composés thixotropes. Suivant le caractère sol ou gel, les propriétés

Page 14: Reiki Zahi A

Chapitre I: Etude bibliographique 2014

3

diffèrent. C’est ainsi que les bitumes sols présentent une excellente résistance aux

sollicitations rapides, en contrepartie ils seront plus sensibles que les bitumes gels aux

sollicitations lentes ainsi qu’aux variations de température, mais entre ces deux types de

comportements extrêmes, il existe toutes les variantes intermédiaires possibles

I.1.3. Le fractionnement SARA :

Le bitume possède une structure colloïdale avec des particules d’asphaltènes dispersées

dans une matrice huileuse appelée Maltène. Cette dernière est formée de trois familles

d’hydrocarbures, les saturés, les aromatiques et les résines. Le fractionnement SARA consiste

à séparer ces quatre fractions.

Dans un premier temps, le bitume est dissout dans le n-pentane (1 g dans 40 ml) sous

agitation magnétique pendant 4 heures. Une filtration sur Buchner avec un filtre borosilicate

de porosité de 3 μm a lieu afin de séparer la partie soluble qui contient les maltènes de la

partie insoluble (asphaltènes).

Les maltènes sont fractionnés en fonction de leurs affinités pour divers supports

polaires, en diluant avec des solvants de polarités différentes. Avant chaque séparation

SARA, l’alumine est remplacée et activée à une température 180-200°C pendant 24 h

Saturés

Figure I.1 : Exemple de composition chimique d'un bitume

Page 15: Reiki Zahi A

Chapitre I: Etude bibliographique 2014

4

I.1.4. Structure Colloïdale du Bitume :

Devant tant d´évidences expérimentales, il est difficile de nier la nature colloïdale du

bitume. Décrire sa structure revient donc à expliquer comment s´organisent les particules

d´asphaltènes et comment cette organisation évolue avec la température. Il faut préciser que le

modèle ci-dessous n´inclut pas les paraffines cristallisables, dont les cristallisations-

précipitations différées modifient largement la structure des bitumes en ajoutant des phases

supplémentaires à l´échelle du micron. Toutefois, ces effets sont faibles pour la plupart des

bitumes routiers, qui sont choisis généralement non-paraffiniques.

Storm et collaborateurs ont proposé que l´épaisseur de la couche de résine autour des

particules d´asphaltènes évolue avec la température. Ils ont décrit ce phénomène à l´aide d´un

paramètre de solvatation K, qui représente l´augmentation de volume de la fraction solide

(résines + asphaltènes) due à la couche de résines. Ainsi, si xasph est la fraction massique

d´asphaltènes, Kxasph représente la fraction solide effective (bien que rhéologiquement, la

fraction volumique entre plutôt en ligne de compte, il est question ici de fraction massique car

elle est directement mesurable. La densité des asphaltènes étant proche de 1, la distinction

entre les deux est de toute manière purement formelle).

En réalité, la fraction solide effective, paramètre issu de l´analyse rhéologique comme

précisé plus loin, ne tient pas seulement compte de la présence d´une couche adsorbée autour

des particules. Tout d´abord, la teneur en asphaltènes vraie d´un bitume - au sens de teneur en

fraction solide - est vraisemblablement différente de celle obtenue par précipitation an n-

heptane, simplement parce que le n-heptane n´est pas un solvant équivalent aux maltènes. De

plus, la fraction volumique effective ne prend aussi en compte l´augmentation de volume

effectif liée à l´emprisonnement de solvant dans les agrégats de particules d´asphaltènes

(Figure 2).

Page 16: Reiki Zahi A

Chapitre I:

Figure I.2 : La structure colloidale du bitume : les concepts de couches de résines

peptisante (haut) et la notion de fraction volumique effective (bas).

Enfin, l´origine rhéologique de la constante K ne la rend pas mesurable directement,

mais plutôt sous la forme du rapport K/φ

particules d´asphaltènes, comme précisé plus loin.

Etude bibliographique

: La structure colloidale du bitume : les concepts de couches de résines

peptisante (haut) et la notion de fraction volumique effective (bas).

Enfin, l´origine rhéologique de la constante K ne la rend pas mesurable directement,

la forme du rapport K/φm où φmest la fraction d´empilement maximum des

particules d´asphaltènes, comme précisé plus loin.

ude bibliographique 2014

5

: La structure colloidale du bitume : les concepts de couches de résines

peptisante (haut) et la notion de fraction volumique effective (bas).

Enfin, l´origine rhéologique de la constante K ne la rend pas mesurable directement,

est la fraction d´empilement maximum des

Page 17: Reiki Zahi A

Chapitre I:

I.1.5. Constitution de bitume

On peut, à l’aide de solvants sélectifs, séparer le bitume en plusieurs fractions qui

Etude bibliographique

Constitution de bitume :

Figure I.3 : Structure de bitume

On peut, à l’aide de solvants sélectifs, séparer le bitume en plusieurs fractions qui

ude bibliographique 2014

6

On peut, à l’aide de solvants sélectifs, séparer le bitume en plusieurs fractions qui

Page 18: Reiki Zahi A

Chapitre I: Etude bibliographique 2014

7

appartiennent principalement à quatre familles : asphaltènes, résines, huiles napht aromatique

et huiles saturées. Par précipitation à l’heptane normal, on recueille les asphaltènes,

insolubles. A la température ambiante, les asphaltènes se présentent sous l’aspect d’un corps

solide, noir, cassant, à point de ramollissement élevé. Le pourcentage d’asphaltènes sera

d’autant plus élevé que le bitume sera plus dur. La fraction soluble dans l’heptane correspond

aux maltènes, d’aspect huileux, que l’on peut séparer en trois phases par passage sur une

colonne chromatographique. Une première élution à l’heptane normal permet de récupérer les

huiles saturées. Une deuxième élution à l’aide de toluène conduit à récupérer les huiles

aromatiques et naphténo-aromatiques, enfin, une troisième élution au moyen d’un mélange

toluène/méthanol permet d’extraire les résines. Il faut noter que les hydrocarbures dits

“aromatiques” et “naphténo-aromatiques” ne renferment pas de composés aromatiques purs,

mais les noyaux sont toujours substitués par des chaînes aliphatiques ou des cycles saturés.

Le bitume de distillation, se présente comme un système colloïdal dans lequel les asphaltènes

peptisés par les résines constituent les micelles, tandis que les huiles représentent la phase

intermicellaire. Ce système peut être considéré comme un sol présentant les caractéristiques

des liquides newtoniens. Les asphaltènes peuvent être plus ou moins floculés, ce qui explique

que le bitume puisse se comporter comme un gel et présenter les caractéristiques des liquides

non-newtoniens.

I.1.6. Relations entre composition chimique et rhéologie :

Les propriétés rhéologiques d’un bitume dépendent de façon importante de sa teneur en

asphaltènes et de la masse moléculaire de ces molécules. A température constante, la viscosité

du bitume s’accroît lorsque la concentration en asphaltènes augmente dans une même matrice

maltènes. De plus, l’accroissement en viscosité est significativement plus important que ce

qui serait attendu si les asphaltènes étaient sphériques. En fait, les asphaltènes peuvent

interagir entre eux ainsi qu’avec le milieu solvate. Des études conduites à l’aide de la

cryofracture suivie d’une observation au microscope électronique font apparaître la

propension des asphaltènes à se rassembler en feuillets. Lorsque la température augmente, la

viscosité diminue en même temps que les associations formées disparaissent. Inversement,

lorsque la température décroît, les interactions se produisent et le bitume présente un caractère

Page 19: Reiki Zahi A

Chapitre I: Etude bibliographique 2014

8

de plus en plus non-newtonien. Lorsque le bitume est soumis à des efforts de cisaillement, ces

associations se déforment ou se défont d’une façon qui n’est pas décrite convenablement

selon les concepts newtoniens classiques. Ainsi, aux températures ambiantes et

intermédiaires, on conçoit que la rhéologie des bitumes est dominée par le degré d’association

des asphaltènes et par la proportion relative des autres composants dans le système afin de

stabiliser ces associations. En maintenant constante la teneur en asphaltènes dans le bitume et

en faisant varier les autres constituants, on constate que :

l’accroissement de la teneur en aromatiques, pour un rapport maintenu constant de

saturés sur résines, a peu d’effet sur la rhéologie,

l’accroissement de la teneur en saturés, pour un rapport résines sur aromatiques

maintenu constant, ramollit le bitume,

l’addition de résines durcit le bitume, accroît la viscosité mais réduit l’indice de

pénétration et la susceptibilité au cisaillement.

I.1.7. Les types de bitume :

I.1.7.1. Les bitumes oxydés :

Les bitumes oxydés ou bitumes soufflés, réservés à des usages industriels, sont obtenus

par l’injection d’air dans une charge composée habituellement de distillats et de produits

lourds provenant de la distillation sous-vide. Cette réaction se fait à température élevée (280

°C en moyenne).

L’air introduit à la base de la colonne circule à contre-courant de la charge bitumineuse

et l’oxygène, en réagissant, conduit à une déshydrogénation des molécules hydrocarbonées

qui se lient et à la formation des groupes hydroxyles, carboxyles, acides et des esters. L’eau

produite par la réaction, ainsi que les hydrocarbures légers sont évacués avec le courant

gazeux. En liant les molécules entre elles, cette réaction contribue à la création de corps à haut

poids moléculaire (asphaltènes) et à un changement de structure colloïdale (type gel), avec

pour résultante un point de ramollissement très élevé (par exemple, le bitume 100/40 a un

point de ramollissement de l’ordre de 100 °C pour une pénétrabilité de 40 x 0,1 mm).

Pour mémoire, un bitume 35/50 (type sol) présente un point de ramollissement de

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Chapitre I: Etude bibliographique 2014

9

l’ordre de 54 °C pour une pénétrabilité de l’ordre de 40 x 0,1 mm.

I.1.7.2. Les bitumes spéciaux :

Les bitumes spéciaux sont fabriqués au moyen de procédés et à partir de bases choisis

afin de leur conférer des propriétés particulières les rendant aptes à certaines exigences plus

rigoureuses imposées pour des applications routières ou industrielles spécifiques. Parmi ceux-

ci, on trouve les bitumes durs et les bitumes multigrades.

I.1.7.3. Les bitumes modifiés :

Les bitumes modifiés sont des bitumes dont les propriétés rhéologiques ont été

modifiées pendant la fabrication par l’emploi d’un ou de plusieurs agents chimiques.

I.1.7.3.1. Les bitume modifiés par des polymères :

Les bitumes modifiés par des polymères sont des bitumes purs pour lesquels le

modificateur utilisé est un ou plusieurs polymères organiques.

I.1.8. Les produits bitumineux et leurs applications :

I.1.8.1. Bitumes et produits bitumineux :

Les bitumes sont fabriqués industriellement par la distillation des pétroles bruts. Ces

bitumes peuvent être utilisés tels quels ou servir de base à l’élaboration de bitumes de classes

intermédiaires. Certaines qualités sont fabriquées par soufflage ou rectification à l’air,

d’autres par désasphaltage de certaines bases au moyen d’un solvant sélectif. On peut aussi y

ajouter des polymères ou des additifs pour en modifier les propriétés physico-chimiques. La

combinaison de ces procédés permet d’obtenir une gamme très variée de produits pouvant

répondre aux exigences d’utilisations très différentes.

I.1.8.1.1. Bitumes purs :

Les plus communs des bitumes routiers sont obtenus en raffinerie par distillation directe,

sauf les plus durs pour lesquels on peut faire appel à la rectification à l’air ou au

désasphaltage. La plage de pénétrabilité, qui caractérise la dureté, varie de 50/70 à 160/220

pour les bitumes considérés comme mous, et de 10/20 à 35/50 pour les bitumes appelés durs

Sur les chantiers (cette terminologie ne correspond pas exactement au classement retenu par

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Chapitre I: Etude bibliographique 2014

10

les normes).

I.1.8.1.2. Bitumes modifiés par des polymères :

Ce sont des bitumes dans lesquels on a incorporé un ou plusieurs polymères (élastomère

ou plastomère), pour en améliorer les performances. Les élastomères sont les plus utilisés.

Ces liants apportent à l’enrobé bitumineux de hautes performances : faible susceptibilité à la

température et aux temps de charge, bonne résistance au fluage et à la fatigue, bonne

souplesse au froid et comportement élastique. Certains polymères favorisent la résistance au

kérosène (bitumes “anti-K”).

I.1.8.1.3. Bitumes spéciaux :

Les bitumes multigrades sont des bitumes élaborés en raffinerie sans ajout. Ils ont une

susceptibilité à la température plus faible (la viscosité chute plus lentement lorsque la

température augmente). Les bitumes pigment ables sont issus d’un procédé spécial de

fabrication destiné à les rendre capables d’intégrer un pigment (leur base contient moins

d’asphaltènes). Les liants clairs sont des produits synthétiques translucides en film mince,

obtenus par la combinaison d’huiles, de résines et souvent de polymères. Les bitumes purs,

modifiés et spéciaux s’utilisent à chaud, à des températures de l’ordre de 150 °C. Ces trois

types de bitume peuvent être transformés par ajout de fluidifiants ou de fluxant. Ils peuvent

aussi être mis en émulsion.

I.1.8.1.4. Bitumes fluidifié :

Pour faciliter la mise en œuvre, on réduit la viscosité en ajoutant des fluidifiants (par

exemple le kérosène) qui ramollissent le bitume. Certains bitumes fluidifiés peuvent être

appliqués à température ambiante. L’usage routier de ces produits a quasiment disparu.

I.1.8.1.5. Bitumes fluxés :

L’ajout d’un fluxant, souvent une huile, ramollit le bitume et permet sa mise en œuvre à

une température légèrement supérieure à 100 °C. La partie la plus légère du fluxant s’évapore

tandis que la plus lourde a pour rôle de plastifier le liant en place.

I.1.8.1.6. Bitumes industriels :

On distingue les bitumes oxydés et les bitumes industriels durs, obtenus par soufflage à

l’air de bases sélectionnées. Pour des pénétrabilités identiques, le bitume soufflé présente un

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Chapitre I: Etude bibliographique 2014

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point de ramollissement plus élevé que les bitumes conventionnels obtenus par distillation

directe. Ses propriétés viscoélastiques sont également différentes.

I.1.9. Applications des produis bitumineux :

Particulier l’accroissement des contraintes engendrées par les poids lourds, et les

exigences accrues dans le domaine de la sécurité et du confort, auxquelles s’ajoute

aujourd’hui des considérations liées à la préservation des ressources et à la protection de

l’environnement, expliquent cette montée en puissance d’un matériau dont les qualités

d’économie à la production, de facilité de mise en œuvre et de durabilité à l’usage ne sont

plus à démontrer.

Rôle du bitume dans la chaussée

Le pouvoir collant du bitume en fait un matériau de construction essentiel, bien qu’il

n’entre qu’en faible proportion (4 à 7 % en masse) dans la plupart des mélanges bitumineux

routiers. Il contribue par ses propriétés viscoélastiques au comportement mécanique de la

structure de la chaussée. Il en assure également l’étanchéité du fait de son insensibilité à la

plupart des agents chimiques usuels, en particulier l’eau. Une chaussée, rappelons-le, est une

structure constituée d’une superposition de couches : couche de roulement, couche de liaison,

couche de base, couche de fondation. La couche de roulement et la couche de liaison sont

aujourd’hui habituellement réalisées en matériaux bitumineux. La couche de base,

traditionnellement réalisée au liant hydraulique, fait de plus en plus largement appel aux liants

bitumineux. Il faut noter que, conséquence de l’évolution du trafic routier (plus lourd et

canalisé), on utilise des bitumes de plus en plus durs, de classe 35/50 plutôt que le traditionnel

50/70. Pour certaines applications, en particulier les graves-bitume structurantes des couches

inférieures… pour chaussées à trafic lourd, l’emploi de bitumes 15/25 et même 10/20, n’est

plus une exception.

La couche de base

La couche de base en grave-bitume est la première couche liée par un bitume, au-dessus

de la couche de fondation. C’est elle qui donne la rigidité (module) à la structure de la

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Chapitre I: Etude bibliographique 2014

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chaussée. A la différence des couches supérieures, elle ne subit pas des efforts de compression

mais de traction. Cette sollicitation tend à générer des fissures qui se propagent du bas vers le

haut. Pour éviter ce phénomène de dégradation lié à l’endommagement par fatigue, on fait

appel à un bitume conventionnel plutôt dur et à forte adhésivité, et aujourd’hui à une teneur

élevée (4,3 %), afin d’assurer la cohésion de l’enrobé. La durée de vie des couches de bases

est de 30 à 40 ans sur les autoroutes.

La couche de liaison

La couche de liaison fait appel à des bitumes durs (35/50) ou spéciaux (multigrades ou

antiorniérants). Elle renforce la structure de la route, grâce à une bonne résistance à la

déformation provenant de la nature du bitume et de son épaisseur (5 à 15 cm). La couche de

liaison est conçue pour être recouverte par une couche de surface. Elle doit pouvoir évoluer en

fonction du trafic et subir des rechargements en même temps que le renouvellement de la

couche de roulement. Elle est conçue pour durer 15 à 20 ans.

La couche de roulement

La couche de roulement ou de surface, qu’on appelle aussi couche d’usure, est

généralement constituée d’un enrobé bitumineux de faible épaisseur (2 à 5 cm), formulé

spécialement avec une teneur élevée de bitume. Elle répond aux exigences du trafic dans une

optique de sécurité et de confort et elle est conçue pour durer entre 5 et 10 ans. Les principales

qualités requises sont :

- la rugosité : le bitume, grâce à sa force de cohésion, maintient les granulats en place,

conservant ainsi la texture de l’enrobé ;

- la durabilité : malgré son vieillissement dû à l’oxydation et aux variations de

température, le bitume doit résister aux forces d’arrachement l’étanchéité : la compacité de

l’enrobé protège les couches inférieures ;

- la résistance à l’orniérage : le bitume de viscoélasticité suffisante aux températures

élevées de service apporte la résistance à la déformation permanente ;

- l’uni : assuré par la qualité de la mise en œuvre et la stabilité de l’ouvrage, il contribue

à la sécurité et au confort de conduite. Des qualités supplémentaires peuvent être recherchées :

confort sonore (enrobés phoniques à taux de vide plus élevé), réduction des projections d’eau

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Chapitre I: Etude bibliographique 2014

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(Enrobés drainants à formulation spéciale), confort visuel et sécurité (enrobés clairs ou

pigmentables, à base de liant clair synthétique). A chaque fois, le bitume permet d’apporter la

solution adaptée, grâce à la richesse de ses propriétés physico-chimiques. Pour les routes peu

circulées, certaines départementales par exemple, la recherche de solutions à faible coût

conduit à utiliser à la place des enrobés des enduits superficiels, réalisés à partir d’émulsion

de bitume dont le stockage, le transport et la mise en œuvre se font à température modérée.

En réalisant un enduit superficiel, on cherche à obtenir les mêmes qualités pour la couche de

surface :

- adhérence : régénération de la rugosité de surface ;

- étanchéité : le film de bitume empêche l’eau de pénétrer dans les couches inférieures ;

- durabilité : le couple adhésivité/chétivité du bitume empêche le départ des granulats

(plumage).

Les émulsions pour enduits superficiels sont à base de bitumes émulsionnables (acidifiés

ou non). Les enrobés coulés à froid (ECF) sont constitués d’un squelette granulaire, semblable

à celui des enrobés à chaud, lié par une émulsion de bitume. Ils sont réalisés et mis en œuvre

par des camions usines transportant l’émulsion spéciale, les granulats, l’eau d’apport, un

stabilisant et un rupteur approprié. L’ajustement de la formule se fait au fil du chantier, afin

d’obtenir le temps de rupture adapté aux exigences de remise en circulation.

I.1.9.1. Applications hydrauliques :

Les performances du bitume en matière d’étanchéité sont connues depuis la plus haute

Antiquité. On peut voir encore aujourd’hui des ouvrages hydrauliques à base de bitume vieux

de 3 000 ans, telles les digues du Tigre, à Assur, en Mésopotamie, encore en bon état.

Imperméables, insensibles à l’eau, résistant à la plupart des agents chimiques courants et aux

micro-organismes, durables, les bitumes possèdent une grande aptitude à résoudre de

nombreux problèmes d’hydraulique. La souplesse des étanchéités bitumineuses leur permet

de s’adapter aux tassements de leur support sans se fissurer ni perdre leurs propriétés. Pour les

applications hydrauliques, les bitumes peuvent être utilisés purs ou sous forme de membranes

bitumineuses préfabriquées, d’asphalte coulée ou d’enrobés.

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Chapitre I: Etude bibliographique 2014

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Enrobés étanches pour masques amont de barrage

Le masque étanche est composé d’une couche support (binder) de 10 cm d’épaisseur sur

laquelle sont appliquées une ou deux couches de 6 cm d’épaisseur chacune de béton

bitumineux étanche (teneur en bitume : 7 à 9 %, teneur en vide < 3 %). Plus de dix grands

barrages en France possèdent une étanchéité amont en enrobés bitumineux étanches. Ce type

de masque permet aussi de réaliser l’étanchéité de grands réservoirs d’eau (centrales

nucléaires, bassins de loisirs et d’irrigation) ou de réaliser la carapace étanche de digues

maritimes (Dunkerque).

Enrobés étanches pour écran interne de barrage

L’étanchéité d’un barrage peut être assurée à l’intérieur du barrage lui-même, sous la

forme d’un écran étanche en enrobés bitumineux d’épaisseur comprise entre 0,60 et 1 m, noyé

au milieu de la structure du barrage.

Enrobés étanches pour revêtements de canaux

Les enrobés bitumineux permettent aussi de réaliser l’étanchéité des canaux de

navigation, d’irrigation ou d’amenée d’eau aux chutes hydroélectriques. Un des grands

avantages des géomembranes bitumineuses est que, grâce à leur plasticité, elles épousent

étroitement la structure, même en cas de mouvement de celle-ci, par exemple en cas de

glissement de terrain.

I.1.9.2. Applications industrielles :

Les utilisations industrielles du bitume, c’est-à-dire autres que routières et hydrauliques,

sont multiples et variées. Elles font souvent appel à des produits spécifiques

Bâtiments, ouvrages d’art, trottoirs

Après la route, le bâtiment, les ouvrages d’art et les trottoirs constituent le second

domaine d’utilisation du bitume. Son étanchéité à l’eau et à l’air, son pouvoir liant et sa

souplesse en font un excellent matériau d’étanchéité des toitures et des ouvrages d’art. Ses

propriétés isolantes et sa capacité d’absorption des vibrations lui permettent de contribuer à

l’isolation thermique et acoustique des bâtiments. Sa souplesse en fait le matériau idéal pour

le revêtement des trottoirs.

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Chapitre I: Etude bibliographique 2014

15

Etanchéité par membranes bitumineuses

L’étanchéité des toitures terrasses et des ouvrages d’art (ponts, viaducs…) est souvent

assurée par des membranes d’étanchéité réalisées pour la plupart à base de bitume. Les

membranes ou chapes d’étanchéité sont fabriquées en usine. Elles se composent d’une

armature (voile de verre, feutre polyester) surfacée principalement avec du bitume-polymère

mélangé à une charge minérale très fine (filler). Certaines chapes sont revêtues, sur la face

destinée à être exposée aux intempéries ou circulée, d’une protection mécanique (paillettes

minérales, feuille d’aluminium ou de cuivre…). Les membranes d’étanchéité, conditionnées

en rouleaux, permettent de réaliser une étanchéité monocouche ou multicouche, par collage

ou soudage. Le collage est réalisé à l’aide d’un enduit d’application à chaud (EAC), constitué

par du bitume oxydé, livré en pains et réchauffé sur le chantier. Le soudage est réalisé par

chauffage au chalumeau des faces à assembler. Le bitume entrant dans la composition de ces

produits d’étanchéité doit résister à l’eau, aux chocs thermiques, aux sollicitations mécaniques

et au vieillissement sous l’effet du soleil et de l’oxygène de l’air. Deux types de bitume

répondent à ces exigences : les bitumes soufflés et les bitumes-polymères.

Réalisations à base d’asphalte

A l’origine, le mot “asphalte” désigne une roche sédimentaire naturelle, en général

calcaire, imprégnée de bitume natif dans une proportion d’environ 10 %. Cet asphalte peut

être broyé en poudre et utilisé après chauffage comme un enrobé routier. On en trouve

quelques gisements en France, notamment dans le Gard. Dans la pratique, aujourd’hui,

l’asphalte est un mélange de bitume, de fines calcaires ou siliceuses, de sable et de gravillons.

Dans certaines formulations, on ajoute une faible quantité d’asphalte naturel. Il diffère des

enrobés routiers par sa teneur en bitume (7 à 14 % en masse) et en fines (20 à 70 %).

A la température élevée (< 230 °C) où se fait son application, il ne nécessite aucun

compactage (auto compactant). C’est un matériau dont la teneur en vides, voisine de zéro,

assure une parfaite étanchéité. Il présente une forte résistance au poinçonnement et au

vieillissement et il permet de multiples réalisations.

Etanchéité : toiture-terrasse, parkings, ponts et ouvrages d’art.

Isolation phonique : chapes flottantes coulées à chaud sur support

isolant.

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Chapitre I: Etude bibliographique 2014

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Isolation thermique et phonique des bâtiments

Incorporé dans certains isolants à base de laine de verre (bitume soufflé) ou dans

certains panneaux de fibres de bois (bitume dur), le bitume participe à l’isolation phonique et

thermique des bâtiments.

Peintures, encres et vernis

Le bitume, en solution ou en émulsion, peut entrer dans la composition de peintures, de

primaires d’accrochage et de vernis pour assurer la protection contre l’humidité ou la

corrosion. De nombreuses encres noires renferment du bitume.

I.1.10. Qualité de bitume :

Bien qu’ils soient issus d’un produit naturel d’origine organique, le pétrole brut, dont les

caractéristiques sont diverses, les bitumes et les produits bitumineux mis sur le marché

doivent présenter des qualités définies et constantes. Les spécifications qui définissent ces

qualités portent sur les propriétés physico-chimiques intrinsèques du bitume et sur ses

performances, en tant que liant destiné à être incorporé dans un matériau complexe (enrobé,

asphalte, enduit superficiel, etc.) destiné à diverses applications (route, étanchéité, industrie).

Elles ont pour but de déterminer les valeurs limites de certaines caractéristiques : consistance,

viscosité, adhésivité, solubilité, point de rupture, résistance au vieillissement et d’autres

spécificités propres au fabricant.

La maîtrise de la qualité commence bien avant la fabrication proprement dite, avec

l’analyse des pétroles bruts. Tous les bruts ne sont en effet pas également utilisables pour la

Production de bitume, puisque 10 % environ des 1 300 variétés de pétroles connues sont des

bruts à bitume.

La première tâche des raffineurs est de prédire et vérifier les propriétés des coupes les

plus lourdes des pétroles bruts utilisés, afin d’en doser correctement la combinaison en

fonction du résultat recherché la qualité du bitume obtenu en raffinerie fait l’objet d’une série

de contrôles en laboratoire. Ils portent sur les paramètres de base, pénétrabilité à l’aiguille,

point de ramollissement, etc., et garantissent la conformité du produit, attestée sur le bon de

Page 28: Reiki Zahi A

Chapitre I: Etude bibliographique 2014

17

livraison.

I.1.11. Caractérisation d’essais des bitumes :

Les bitumes sont caractérisés par un certain nombre d’essais normalisés dont les plus

pratiqués sont la pénétrabilité à l’aiguille et le point de ramollissement bille et anneau, qui

permettent d’apprécier leur con

I.1.11.1. Pénétrabilité :

La caractéristique présentée sous le nom de pénétrabilité représente, exprimée en

dixièmes de millimètre (0,1 mm), la mesure de la pénétration dans un échantillon de bitume,

au bout d’un temps de 5 secondes, d’une aiguille dont le poids avec son support est de 100 g.

La pénétrabilité la plus couramment utilisée est celle qui est mesurée à 25 °C. A une

température donnée, plus le bitume est dur, plus la valeur de sa pénétrabilité est faible. Un

bitume 20/30 est plus dur qu’un 35/50 , le plus mou est le 160/220 et le bitume pour le plus

largement utilisé dans les revêtements routiers est le 35/50. Bitume 20/30 est plus dur qu’un

35/50, le plus mou est le 160/220 et le bitume pour le plus largement utilisé dans les

revêtements routiers est le 35/50.

I.1.11.2. Point de ramollissement bille et anneau :

Les bitumes n’ont pas de point de fusion franc ; leur consistance décroît

progressivement lorsque la température s’élève. Pour cette raison, la détermination du point

de ramollissement doit être faite en suivant une méthode bien définie, pour obtenir des

résultats comparables. Une bille d’acier de 3,5 g et de 9,5 mm de diamètre est placée sur un

petit disque de bitume posé sur un anneau de métal de 19 mm de diamètre. L’ensemble est

chauffé à vitesse constante (5 °C/min). Le point de ramollissement bille et anneau (TBA) est

la température à laquelle le poids de la bille imprime à l’échantillon une déformation verticale

de 25 mm

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Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

18

I.2. Bitume oxydé

I.2.1. Pratique de l’oxydation :

L'oxydation des bitumes s'effectuent avec l'air et consiste essentiellement à éliminer un

certain pourcentage d'hydrogène (transformé en eau par l'oxygène), des chaînes

d'hydrocarbures ayant pour effet d'obtenir leur condensation en chaînes plus

Les asphaltènes qui existent dans les bruts dans un état dispersé, sont tenus en cette

condition par des résines. Elles ont deux (2) caractéristiques qui les rendent problématiques à

un système de raffinerie:

1- elles constituent la plus grande fraction aromatique en pétrole aussi bien qu'être le

composant le plus élevé de poids moléculaire,

2- qu'ils n'ont aucun point de fusion défini et restent donc en forme pleine contribuant de

ce fait au résidu de carbone.

Les variables déterminantes sont la température entrée de la colonne et le vide que l'on

peut obtenir. Plus grande est la température à égalité de vide, plus faible sera la pénétration du

bitume obtenu à cause de la plus grande concentration d'asphaltênes.

Les bitumes obtenus directement par distillation sous vide constituent les bitumes

routiers, utilisés comme élément de cohésion des agrégats minéraux dans la construction de

l'asphalte routier.

On peut améliorer les caractéristiques de pénétration et de ramollissement du bitume en

leur donnant de meilleures propriétés mécaniques pour les différentes applications

industrielles grâce au procédé d'oxydation.

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Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

19

I.2.2. Réaction mise en jeu :

L’oxygène de l’air réagit avec les composants du bitume pour donner naissance à des

molécules du asphaltènes par :

Formation des asters R-COOR

Déshydrogénation et création des liaisons carbone-carbone par polymérisation des

molécules entre elles.

. L’importance relative de ses réactions dépend surtout de la Température

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Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

20

I.2.2.1. Mécanisme de soufflage d’asphaltènes avec l’oxygène(02)

Figure I.4 : Mécanisme radicalaire de formation des carbonyles

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Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

21

Le schéma I.1 Le schémaI.2

Les anneaux aromatiques condensés existent sous forme de feuille plate non homogène

(voir le schéma 2 ci-dessus). Dans le brut, les feuilles d'asphaltène restent dispersées.

Cependant, elles ont la tendance à attirer ainsi vers l'un l'autre ayant pour résultat la formation

d'une agglomération. La structure de l'agglomération est semblable à celle d'un livre: une pile

compacte de feuilles minces (voir le schéma 3 ci-dessous).

SchémaI.3

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Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

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RSV

SOUFFLAGE Bitume oxydé 85/25

Bitume oxydé 90/40

Bitume oxydé 100/40

Bitume oxydé 115/15

Figure I.5 : Les déférents produits de soufflage de RSV

I.2.3. Facteur concernant l’air soufflé :

L’évolution des caractéristiques par soufflage d’air à un débit contant en maitre cube par

heure suit approximativement la loi :

R=R0eαt

Log p= log p0 e-βt

R0 et P0 : Ramollissement et pénétration de la base

R et P : Ramollissement et pénétration après heur de soufflage

β et α : Constants dépendant de la nature de la charge et des conditions opératoire

Une relation unit donc pénétrabilité et ramollissement au cours du soufflage

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Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

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Température.

Le soufflage n’est efficace qu’au-dessus du seul température de l’ordre de 220 0C .Au de

le temps de soufflage et la quantité d’air nécessaire sont réduit de maitre pour une

augmentation de température d’en ou 25 0C

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Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

24

I.3. Les Polymères

I.3.1.Introduction :

Le plus souvent synthétiques, quelquefois naturelles, les matières plastiques doivent leur

essor à leur large gamme de caractéristiques, dures, molles ou élastiques, transparentes ou

opaques, isolantes et quelquefois conductrices, plus ou moins résistantes aux conditions

agressives de leur usage, toujours légères. C'est la nature particulière de leurs molécules en

forme de chaine, ainsi que la variété des modes d'assemblage qu'elles adoptent, qui est à

l'origine de cette diversité.

I.3.2.Définition de polymère :

Les polymères, appelés communément "matières plastiques", sont indissociables de

notre environnement et de notre vie pratique. Ils sont des grandes molécules (macro-

molécule), constitués d’unité fondamentale appelés « motif » ou « monomère », reliés par des

liaisons covalences.

EX :

Polymerization

CH2=CH2 (-CH2-CH2-) n

Monomère Polymère

Ils se sont imposés dans tous les domaines de nos activités, des plus visibles aux plus

cachés, des objets les plus banals jusqu'à des applications techniques sophistiquées, en passant

par leur utilisation dans les produits d'hygiène ou alimentaires.

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Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

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I.3.3.Utilisation des polymères :

On rencontre les polymères dans les petits objets usuels de la maison, les appareils

électroménagers, et aussi en tant que matériaux de construction, en revêtements et peintures,

dans les emballages, les pneus, les fibres textiles, les produits médicaux, chirurgicaux,

prothèses, produits d'hygiène, articles de loisirs, pièces de structures dans les véhicules de

transport, les équipements électriques, les circuits électroniques, les matelas-mousses, les

colles. Ils s'infiltrent aussi dans l'alimentation, les produits cosmétiques, le ciment, etc.

I.3.4.Polymères naturels et polymères de synthèse :

Les polymères qui servent à la fabrication de ces produits et articles sont synthétisés

chimiquement à partir du pétrole, mais également du charbon, du gaz naturel et du bois ou

d'autres substances végétales. La nature elle aussi produit des polymères depuis toujours

puisqu'on les trouve dans le bois et les végétaux sous forme de cellulose et d'amidon, dans les

cheveux, les ongles, etc. L’ADN, les protéines, le collagène, la soie sont des exemples de

polymères constitutifs du monde vivant.

I.3.5.Leurs propriétés :

Lorsqu'on parle de propriété d'un matériau, on se réfère à la façon dont il réagit à une

sollicitation. On pourrait aussi la nommer une sensibilité à cette stimulation, ou bien son

inverse, la stabilité et la résistance. Ainsi, les propriétés thermiques décrivent le

comportement du matériau vis-à-vis de la chaleur.

I.3.5.1.Propriétés thermiques, les thermodurcissables et les thermoplastiques :

On peut classer les polymères en deux types, en fonction de leur réaction à la chaleur:

les thermodurcissables et les thermoplastiques.

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Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

26

Les thermoplastiques fondent lorsqu'on les chauffe, tout comme la glace ou le beurre.

C'est le cas du polyéthylène, du polypropylène, des polyamides, de certains polyesters. C'est

pourquoi il n'est pas recommandé d'oublier le panier à salade en plastique sur la plaque

chaude de la cuisinière. En revanche, l'avantage est que dans l'état fondu, on peut

les mouler dans la forme que l'on veut. C'est un procédé industriel employé pour fabriquer des

objets à la pièce, en discontinu. Ce procédé est bien connu également pour les métaux, mais

les températures de fusion des polymères sont bien plus basses, de l'ordre de 80°C à 300°C.

Un autre procédé répandu de mise en forme est l'extrusion qui consiste à faire passer la

matière chaude dans une vis qui l'entraîne dans une filière dont le profil permet de produire

des fils, des films, des plaques, des tubes, des enrobages de câbles.

Les thermodurcissables durcissent quand on les chauffe. Un exemple connu est celui

des colles ou des peintures. Ils sont également très employés comme pièces de structure

thermostables, par exemple les résines polyépoxydes, certains polyuréthanes, certains

polyesters. On les met en forme lorsqu'ils sont encore dans leur état mou, de la même manière

que les thermoplastiques, avant qu'ils ne durcissent sous l'effet de la chaleur et d'additifs

chimiques qui induisent la réaction de polymérisation.

I.3.5.2.Propriétés mécaniques, transition vitreuse :

Le succès des polymères provient en partie de la facilité avec laquelle on peut leur

donner des formes voulues (d'autant plus à l'état fondu). Ils sont très malléables,

très plastiques, d'où leur nom. En fait, cette plasticité varie dans une large gamme, des plus

rigides, durs et cassants, aux plus mous (pâtes) ou élastiques (élastomères).

Les propriétés mécaniques décrivent leur comportement vis à vis à des sollicitations

mécaniques telles que pressions, étirements, torsions, frottements, chocs et sous l'effet de la

pesanteur. Autrement dit est-ce que la structure et la forme du polymère sont stables dans le

temps, même s'il est un peu bousculé? Certains polymères seront appréciés pour leur bonne

stabilité dimensionnelle (par exemple les polyesters aromatiques). D'autres, les élastomères,

seront recherchés pour leur élasticité qui leur confère une excellente capacité d'absorption des

chocs. On les emplois dans les pneus, les semelles de chaussures, les matelas, les fibres

textiles élasthanne (polyuréthane) ...

Page 38: Reiki Zahi A

Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

27

Thermoplastiques et thermodurcissables sont soumis au phénomène de vitrification. Au-

dessous de leur température de vitrification, ou transition vitreuse, ils deviennent durs et

cassants comme du verre. Au-dessus, ils sont plus souples, plus plastiques. A l'extrême, ils

deviennent élastiques.

I.3.5.3.Autres propriétés :

D'autres caractéristiques des polymères sont largement exploitées dans leurs

applications:

I.3.5.3.1.Leurs propriétés optiques :

Transparence (étuis de CD, bouteilles d'eau), translucidité, opacité, coloration.

Les polymères sont largement utilisés comme isolants électriques, en particulier dans les

circuits électroniques et les gaines de câbles Leurs propriétés électriques et électro-optiques

électriques. Il existe aussi des polymères conducteurs, soit à l'état intrinsèque, soit parce qu'ils

sont chargés de particules de carbone conductrices.

Certaines molécules de polymères, rigides et allongées, sont susceptibles de s'orienter

sous l'effet d'un champ électrique. Cet effet est utilisé dans des dispositifs d'affichage

comportant des polymères de structure cristal-liquide. Lorsque le champ n'est pas appliqué,

les molécules sont en désordre local, le matériau est opaque et d'apparence laiteuse. Lorsque

le champ est appliqué, les molécules s'orientent dans la même direction et laissent passer la

lumière. Le matériau devient transparent.

I.3.5.3.2.Leurs propriétés de protection physique et chimique :

Ces propriétés englobent des caractéristiques diverses:

Imperméabilité aux liquides et aux gaz, résistance chimique aux solvants,

résistance aux rayons ultraviolets.

Les polymères sont employés pour la fabrication d'imperméables, d'emballages, de

boîtes de conservation, de flacons pour les laboratoires, de citernes, de gaines de câbles, pour

Page 39: Reiki Zahi A

Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

28

l'enduction de tissus, etc.

Toutes les propriétés décrites sont directement reliées à la nature chimique des

molécules et à la microstructure du matériau.

I.3.6.Les molécules des polymères :

Même quand on ne sait pas très bien ce que sont les polymères, leurs noms nous sont

assez familiers par les fibres textiles (polyamide, polyester) ou les matériaux de

construction (polychlorure de vinyle ou PVC). En somme un polymère, c'est un poly-quelque

chose. Les molécules des polymères sont constituées de la répétition d'un motif générique, le -

mère (cela signifie qui engendre), appelé monomère.

Par exemple, la molécule de polyéthylène est formée de l'association en chaînes du

motif -CH2- provenant de l'éthylène. Le nombre de motifs peut être extrêmement élevé,

jusqu'à 100 000. Ce sont donc des molécules géantes, d'où leur nom de macromolécules. Si

elles sont géantes à l'échelle atomique, il n'en reste pas moins que nous sommes dans le

domaine de l'infiniment petit: les plus longues mesurent quelques micromètres.

Dans une molécule linéaire, les monomères sont enchainés en ligne. En réalité, la

molécule est rarement parfaitement linéaire. Elle peut être branchue ou ramifiée (figureIII.1).

Enfin, les chaînes moléculaires peuvent être interconnectées en réseau (réticulées) et

constituent alors un seul super molécule (figureIII.2).

FigI.6- Schéma d'une macromolécule

ramifiée

FigI.7- Schéma d'une macromolécule en

réseau ou réticulée

Page 40: Reiki Zahi A

Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

29

Les molécules des thermoplastiques sont linéaires (plus ou moins branchues ou ramifiées).

Les molécules des thermodurcissables sont réticulées.

En-dessous de la transition vitreuse, les molécules sont figées dans le matériau. Au-

dessus de cette température, des segments de molécules sont mobiles. Par exemple, ils vibrent

entre deux points d'attache de façon analogue à une corde de guitare.

La nature chimique des macromolécules détermine en partie les propriétés des

polymères. Le téflon (polytétrafluoroéthylène, PTFE) doit ses propriétés d'anti adhérence et

de résistance à la chaleur à la présence d'atomes de fluor dans sa molécule: d'où son utilisation

dans les ustensiles de cuisine. Il est aussi retenu comme constituant du goretex, une

membrane parsemée de trous, sur laquelle les gouttelettes d'eau roulent sans mouiller.

Les propriétés dépendent aussi largement de la façon dont s'assemblent les

macromolécules. Dans la suite de cette présentation, nous verrons qu'elles sont parfois en

désordre, parfois plus ou moins ordonnées: empilées, alignées, étirées, repliées, mélangées,

nouées, etc., ce qui donne lieu à différentes microstructures.

I.3.7.Les microstructures des polymères seuls (homopolymères) :

I.3.7.1.Structures amorphes :

I.3.7.1.1.Polymères thermoplastiques :

Beaucoup de polymères thermoplastiques ont une structure amorphe, polyéthylène basse

densité (PEBD), polystyrène (PS), polyméthacrylate de méthyle (PMMA).

Les macromolécules linéaires y sont entremêlées en pelote comme des nouilles (cuites!)

dans un plat. On dit qu'elles sont en désordre, mais c'est là un point de vue qui dépend de la

définition de l'ordre. On prendra comme définition générale de l'ordre, le fait de pouvoir

attribuer une règle d'arrangement, ou une organisation. Dans la structure amorphe, les

macromolécules sont flexibles et disposées sans aucune règle, de façon aléatoire. Mais cela

donne quelque chose d'assez homogène.

Page 41: Reiki Zahi A

Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

30

En général, les polymères amorphes employés sans adjonction d'autres substances

sont transparents. C'est le cas, par exemple des films de polyéthylène bas densité, des boitiers

en polyméthacrylate de méthyle, des bouteilles d'eau en polytéréphtalate d'éthylène (PET).

Mais le caractère de transparence n'est pas systématique, et inversement, il n'est pas

systématiquement relié au caractère amorphe dans la matière.

I.3.7.1.2.Polymères thermodurcissables :

Les thermodurcissables sont généralement amorphes, par exemple les résines

polyépoxydes. En effet, les réticulations et pontages ont lieu dans toutes les directions

empêchant tout ordre d'orientation, provoquant l'isotropie du matériau. Cela ressemble à un

enchevêtrement de lianes s'accrochant les unes aux autres par des tentacules en de multiples

points.

I.3.7.1.3.Élastomères :

Une autre catégorie d'amorphes est constituée par les élastomères. Ce sont

des caoutchoucs tels que le polyisoprène (caoutchouc naturel et synthétique) et le

polybutadiène. Leur température de vitrification est en-dessous de la température ambiante de

sorte qu'ils restent souples.

Les macromolécules sont emmêlées en pelote, et de plus elles sont reliées de façon assez

lâche par des nœuds dont la nature varie selon les types d'élastomères. Lorsqu'on tire sur un

élastomère, les molécules se déplient et s'allongent. Le rôle des nœuds est de les empêcher de

glisser et de les ramener dans leur position initiale lorsqu'on relâche la tension.

I.3.8.Les microstructures des polymères associés :

Afin d'améliorer ou d'adapter les caractéristiques des polymères, on leur ajoute ou on

leur associe d'autres substances: additifs chimiques, minéraux, gaz, fibres de renforts, autres

polymères.

I.3.8.1.Les additifs :

Page 42: Reiki Zahi A

Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

31

Dans les polymères, on ajoute systématiquement des substances chimiques appelées

additifs destinées à modifier leurs caractéristiques: dureté, aspect (agents gonflants), couleur

(pigments), résistance chimique (agents antioxydants).

Les plastifiants favorisent leur mise en forme en les rendant plus souples, ou plus

coulants lorsqu'ils sont chauffés.

Le polychlorure de vinyle (PVC) est un produit rigide et dur employé par exemple pour

la fabrication de tuyaux. Si on lui ajoute un plastifiant, il devient souple et sert à la fabrication

de toiles cirées.

I.3.8.2.Les mousses de polymères :

Les mousses sont obtenues en incorporant des microbulles de gaz à l'intérieur du

polymère. Deux exemples connus de mousses de polymères sont les matelas-mousses en

polyuréthane et le polystyrène expansé. Le premier est intéressant pour sa souplesse

(ameublement) et le second pour ses propriétés d'isolation (bâtiment) ou sa capacité à amortir

les chocs (emballages).

I.3.8.3.Les polymères renforcés ou composites :

Afin de renforcer un polymère, on peut le parsemer de diverses substances soit sous

forme de particules, soit sous forme de fibres. On dit que le polymère constitue la matrice et

qu'il est chargé ou renforcé de particules ou de fibres.

Le polypropylène dont sont faites les tables et chaises de jardin contient des particules

de talc qui augmentent sa rigidité, sa résistance à la chaleur, sa tenue à la lumière, et

diminuent le coût des matières premières. Dans les composites dentaires, les charges sont

des particules de silice, dont l'intérêt est de diminuer le retrait lors de la polymérisation et

d'augmenter la compatibilité du matériau avec les tissus vivants. Les élastomères des pneus

sont chargés de noir de carbone.

Pour obtenir de hautes performances mécaniques, il vaut mieux renforcer les matrices

par des fibres longues disposées de façon régulière et ordonnée. Ce sont des fibres minérales

telles que fibres de verre ou de carbone, fibres polymères (polyaramides, polyesters

Page 43: Reiki Zahi A

Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

32

aromatiques, polyéthylène) ou fibres végétales (lin, chanvre). Elles sont disposées

en tissus orientés à une ou deux dimensions, ou tressées en trois dimensions.

Les matrices sont choisies en fonction de leur tenue à la chaleur. Les plus résistantes

sont les thermodurcissables comme les polyesters insaturés et les polyépoxydes, mais les

thermoplastiques ont l'avantage d'être stockés et mis en œuvre plus facilement, d'être

recyclables, et certains peuvent résister à de hautes températures de l'ordre de 250°C

(polytéréphtalate d'éthylène, polyparaphénylène). La qualité d'un composite dépend de la

qualité de l'imprégnation des fibres par la matrice.

I.3.9.Les mélanges de polymères :

Le polystyrène est un polymère très employé, transparent et rigide, mais cassant. Un bon

moyen de remédier à cette faiblesse vis-à-vis des chocs est de lui incorporer un autre

polymère absorbant les chocs, un élastomère appelé polybutadiène. On aboutit à un matériau

différent, opaque, macroscopiquement homogène, le polystyrène-choc. Le polybutadiène, en

proportion de quelques pour cent, est dispersé sous forme de gouttelettes de quelques

micromètres de diamètre.

On fait souvent appel aux mélanges pour associer diverses sortes de polymères,

quoiqu'il ne soit pas facile de mélanger deux polymères différents. Ils ont tendance à vouloir

se séparer. Il faut leur appliquer un brassage énergique et leur ajouter des émulsifiants pour

obtenir un mélange homogène. Cependant au niveau microscopique, les deux polymères

restent distincts, ainsi qu'on peut le constater en microscopie électronique (figure III. 3).

Page 44: Reiki Zahi A

Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

33

FigI.8 : Mélange d'un thermoplastique et

d'une résine polyépoxyde

(microscopie électronique)

FigI.9 : Molécule de copolymère en

peigne à trois composants.

I.3.9.1.Les copolymères :

Pour éviter que deux polymères différents ne se séparent trop fortement comme dans un

mélange, on peut associer chimiquement leurs monomères au sein d'une même molécule. Le

procédé est plus élaboré qu'un mélange et les produits obtenus sont employés dans des

applications plus techniques.

Par exemple, la molécule peut comporter à la fois de l'éthylène et du propylène. On a un

copolymère éthylène - propylène. Il y a plusieurs types d'assemblages possibles dans une

molécule:

Si les monomères sont disposés en blocs, chaque bloc étant composé d'un seul type de

monomères (copolymère à blocs), le copolymère présente les qualités de ses deux

composants: l'éthylène apporte au polypropylène une meilleure tenue au froid. En général, le

nombre de blocs est limité à deux ou trois. Les blocs sont associés en ligne, en étoile ou en

peigne (figure III.4)

Si les monomères sont disposés au hasard (copolymère statistique), la molécule perd sa

régularité et sa capacité à cristalliser. Le copolymère statistique d'éthylène - propylène est

amorphe et plus souple que le polypropylène.

Page 45: Reiki Zahi A

Chapitre I : Etudes bibliographies 2014

34

I.3.9.1.1.Les élastomères thermoplastiques :

Les élastomères thermoplastiques sont à la fois une classe particulière d'élastomères et

une classe particulière de copolymères à blocs. Dans un copolymère à blocs linéaire, si l'un

des monomères est rigide (exemple le styrène), et l'autre souple (exemple isoprène ou

butadiène), les blocs rigides des différentes chaînes moléculaires ont tendance à s'assembler

en nœuds d'ancrage. Si l'on tire sur cette molécule, les nœuds agissent comme points de

rappel. On a un élastomère. Mais comme les molécules sont linéaires, elles ont la faculté de se

séparer sous l'effet de la chaleur. Le copolymère est donc thermoplastique, avec les avantages

que cela représente.

Page 46: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

35

II. Le bitume modifié

II.1. Introduction :

Les polymères sont des composés macromoléculaires issus de la chimie organique. Ils

sont incorporés aux bitumes murs, fluidifiés, fluxés, bitume-goudron ou bitume brai pour

obtenir des bitumes modifiés.

Les bitumes modifiés aux polymères ont acquis un regain d’intérêt, il y a une quinzaine

d’années dans les pays développés. En effet, leur introduction dans la technique routière a

engendré des économies dans les budgets entretien car ces liants modifiés résistent mieux aux

conditions sévères pour lesquelles les liants traditionnels semblent inadaptés.

En l’occurrence, ils sont conseillés pour les forts trafics, en enduits superficiels et dans les

enrobés minces et les enrobés de renforcement et d’entretien.

L’utilisation des liants modifiés aux polymères est conseillée pour des liants modifiés aux

polymères st conseillée pour des trafics supérieurs.

Les recherches sur ces liants sont toujours poursuivies dans les pays développés pour

cerner au mieux l’ensemble des propriétés. Par conséquent, ils ne font pas encore objet de

classification, ni de spécifications sauf les goudrons-styrènes.

L’utilisation des produits se fait alors suivant les recommandations du fabricant et de

concertation avec le laboratoire de contrôle.

Page 47: Reiki Zahi A

Chapitre II :

II.2. Processus de la modification des bitumes aux polymères

Le type de processus de modification des bitumes avec des polymères

physico-chimique à caractère physique. Dans ce cas la modification du bitume est basée

principalement sur l’action physique, l’action chimique a alors un effet secondaire.

II.2.1. Les mélanges physico

Les processus de mélange des polymères au bitume

chimiques en fonction de la comptabilité entre le bitume et

caractéristiques visées. Les

dépendent de leur composition chimique, de l’équilibre de la structure colloïdale du liant et de

la nature du polymère.

II.2.1.1. Définitions :

II.2.1.1.1. Structure colloïdale

Un système colloïdal est un milieu quasi

d’entités chimiques à priori incompatibles (non miscibles). Dans l

asphaltènes ne sont pas solubles au sens thermodynamique du ter

les résines qui en entourant les asphaltène

dans la phase huileuse (voir figure ci

Figure II.1

Modification de bitume

2. Processus de la modification des bitumes aux polymères

de processus de modification des bitumes avec des polymères

chimique à caractère physique. Dans ce cas la modification du bitume est basée

principalement sur l’action physique, l’action chimique a alors un effet secondaire.

es mélanges physico-chimiques des bitumes-polymères :

Les processus de mélange des polymères au bitume peuvent être physiques ou physico

chimiques en fonction de la comptabilité entre le bitume et le polymère et en fonction des

comptabilités entre le bitume et le polymère du mélange

dépendent de leur composition chimique, de l’équilibre de la structure colloïdale du liant et de

tructure colloïdale des bitumes :

Un système colloïdal est un milieu quasi-homogène caractérisé par la coexistence

d’entités chimiques à priori incompatibles (non miscibles). Dans le cas des bitumes, les

ne sont pas solubles au sens thermodynamique du terme dans les huiles. Ce sont

s qui en entourant les asphaltènes d’une couche protectrice les laissent en suspension

figure ci-après).

Figure II.1 : Représentation de la structure

Modification de bitume 2014

36

2. Processus de la modification des bitumes aux polymères :

de processus de modification des bitumes avec des polymères est un mélange

chimique à caractère physique. Dans ce cas la modification du bitume est basée

principalement sur l’action physique, l’action chimique a alors un effet secondaire.

être physiques ou physico-

polymère et en fonction des

polymère du mélange

dépendent de leur composition chimique, de l’équilibre de la structure colloïdale du liant et de

homogène caractérisé par la coexistence

e cas des bitumes, les

me dans les huiles. Ce sont

s d’une couche protectrice les laissent en suspension

Page 48: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

37

II.2.1.1.2. Colloïdale d’un bitume routier :

Asphaltes

Lorsque les asphaltes sont séparés du bitume, ils se présentent sous la forme d’un solide

dur et friable dont le point de ramollissement est assez élevé (entre 150 et 200°C).

Dans un bitume, il est admis que les asphaltènes sont dispersés dans les maltènes et que

suivant le type de dispersion, le bitume présente un comportement sol (newtonien) ou gel. On

dit également que le bitume est un système colloïdal dans lequel les micelles d’asphaltènes

éventuellement gonflées par des composés aromatiques lourds, des maltènes (résines),

peuvent être soit complètement péptisées (bitume sol à caractère plus visqueux), soit plus au

moins floculées (bitume gel). Autrement dit, le bitume peut être considéré comme un véritable

matériau constitué d’une Matrice visqueuse, les maltènes, renforcée par une charpente plus au

moins organisée, les asphaltènes.

La définition des asphaltènes repose sur le critère de solubilité dans le benzène et

s’insolubilité dans les n-paraffines.

Maltènes

Ils sont constitués d’huiles et de résines. Les huiles sont constitués d’huiles paraffiniques

et d’huiles aromatiques (avec odeur), les résines ont un caractère plus aromatique et ne

contiennent pas de fractions paraffiniques.

Un bitume 85/25 est obtenu par exemple par :

- 55% d’huile

- 34% de résines

- 11% d’asphaltènes.

II.2.2. Compatibilité :

Dans le cas des bitumes modifiés aux polymères, on dit que le polymère est compatible

avec le bitume lorsque l’hétérogénéité du mélange ne peut être mise en évidence par un

simple examen visuel (mélange monophasique). Si on augmente le degré d’observation en

utilisant des microscopes ou des lumières fluorescentes ont aperçoit que le bitume-polymère

Page 49: Reiki Zahi A

Chapitre II :

est hétérogène.

La compatibilité est assurée par un processus de dissolution, gonflement du polymère par

les fractions huileuses du liant. Des phénomènes chimiques peuvent dans certains cas avoir

lieu.

II.2.2.1. Polymères compatibles

Trois grandes familles de polymères sont utilisables

élastomères thermoplastiques. La famille qui

modification du bitume est celle des élastomères thermoplastiques.

Les deux catégories d’élastomères thermoplastiques les plus utilisés pour la modification

des caractéristiques des bitumes sont les copo

et les copolymères de Butadiène et de styrène (S.B.R s’il s’agit de copolymères

réticules et S.B.S s’il s’agit de copolymères tri séquencés) ou d’isoprène et de styrène (SIS).

Cette dernière n’étant pas développée dans ce rapport (SIS).

II.2.2.1.1. Copolymères en butadiènes et styrènes(SB)

Ils sont les plus compatibles avec les bitumes et les plus répandus. Ce sont des

caoutchoucs thermoplastiques ayant un caractère

SBR, styrene-butadiene rubber en anglais) est un

au détriment du caractèrethermoplastique

50 à +80 °C diène et du styrène

Plus la teneur en motifs buta diéniques du copolymère sera élevée, plus le caractère Il

peut être mélangé à des huiles minérales

chlorés.

Il est très utilisé dans la fabrication des

l’abrasion (grâce à la partie styrénique), au vieillissement et à l’

double liaison carbone-carbone

Figure II.2 : Squelette de Styrène

Modification de bitume

La compatibilité est assurée par un processus de dissolution, gonflement du polymère par

ses du liant. Des phénomènes chimiques peuvent dans certains cas avoir

Polymères compatibles :

Trois grandes familles de polymères sont utilisables : thermoplastiques, élastomères et

élastomères thermoplastiques. La famille qui semble présenter beaucoup d’intérêt pour la

modification du bitume est celle des élastomères thermoplastiques.

Les deux catégories d’élastomères thermoplastiques les plus utilisés pour la modification

des caractéristiques des bitumes sont les copolymères d’éthylène et d’acétal de vinyle (E.V.A)

et les copolymères de Butadiène et de styrène (S.B.R s’il s’agit de copolymères

réticules et S.B.S s’il s’agit de copolymères tri séquencés) ou d’isoprène et de styrène (SIS).

’étant pas développée dans ce rapport (SIS).

s en butadiènes et styrènes(SB) :

les plus compatibles avec les bitumes et les plus répandus. Ce sont des

caoutchoucs thermoplastiques ayant un caractère élastomère. Le styrène-butadiène (sigle

butadiene rubber en anglais) est un copolymère du butaélastomère

thermoplastique. Cet élastomère à usages généraux est stable de

styrène.

buta diéniques du copolymère sera élevée, plus le caractère Il

huiles minérales, des hydrocarbures aliphatiques, aromatiques ou

Il est très utilisé dans la fabrication des pneumatiques : il possède une grande résistance à

l’abrasion (grâce à la partie styrénique), au vieillissement et à l’ozone (il con

carbone que le caoutchouc.

Styrène-butadiène

Modification de bitume 2014

38

La compatibilité est assurée par un processus de dissolution, gonflement du polymère par

ses du liant. Des phénomènes chimiques peuvent dans certains cas avoir

: thermoplastiques, élastomères et

semble présenter beaucoup d’intérêt pour la

Les deux catégories d’élastomères thermoplastiques les plus utilisés pour la modification

lymères d’éthylène et d’acétal de vinyle (E.V.A)

et les copolymères de Butadiène et de styrène (S.B.R s’il s’agit de copolymères statistiques

réticules et S.B.S s’il s’agit de copolymères tri séquencés) ou d’isoprène et de styrène (SIS).

les plus compatibles avec les bitumes et les plus répandus. Ce sont des

butadiène (sigle

élastomère sera marqué,

aux est stable de -

buta diéniques du copolymère sera élevée, plus le caractère Il

aliphatiques, aromatiques ou

: il possède une grande résistance à

(il contient moins de

Page 50: Reiki Zahi A

Chapitre II :

Structure chimique montrant deux

copolymère, ainsi que la poly

long des chaînes. Identification

physiques Paramètre de solubilité

Propriétés optiques Indice de réfraction

II.2.2.1.2. Copolymères polystyrène

Le polymère polystyrène polybutadiène S.B.R est une macromolécule di séquencée

(copolymère) à caractère élastomérique prononcé. Ce polymère est obtenu par association des

polymères mono séquencés polystyrène et polybutadiène.

L’intérêt du copolymère est qu’il permet d’associer les propriétés de consistance (pôle

polystyrène) et d’élasticité (pôle polybutadiène).

pontage entre les chaînes moléculaires donne lieu à une structure tridimensi

moléculaire. Ce type de structure permet de maintenir une mémoire élastique au cours d’un

étirement aux basses températures. Ce caractère est maintenu indépendamment de temps de

charge. La réticulation se fait par adjonction d’un agent

polymère.

Vous savez tous que les bitumes modifiés aux polymères ont acquis un regain d’intér

il y’a déjà quelques temps (une

En effet, leur introduction dans la technique routière à

économies dans les budgets d’entretien, car ces liants modifiés résistent mieux aux conditions

sévères pour lesquelles les bitumes traditionnels paraissent inadaptés, et d’autre part ils ont

permis aux entreprises d’élargir leu

En l’occurrence, ces bitumes modifiés sont conseillés pour

EB à cause principalement de leur coût élevé par rapport aux bitumes

d’ajout de polymères aux bitumes r

températures extrêmes atteintes dans la chaussée, augmentation et conservation d’une

consistance suffisante aux hautes températures d’un part, et diminution de la fragilité à basse

température d’autre part. En plus, les bitumes modifiés résistent mieux aux variations de

températures. Ils ne s’oxydent ni ne vieillissent trop rapidement.

Modification de bitume

Structure chimique montrant deux motifs (butadiénique, B, et styrénique), donc type

copolymère, ainsi que la polyinsaturation. Des diades -BB- (m=2) peuvent être présentes le

long des chaînes. Identification Synonymes copolymère butadiène-

Paramètre de solubilité δ 17,39 MPa1/2 (85/15).Masse volumique

Indice de réfraction 1,52-1,55

Copolymères polystyrène-polybutadiène-réticulés (SBR)

Le polymère polystyrène polybutadiène S.B.R est une macromolécule di séquencée

caractère élastomérique prononcé. Ce polymère est obtenu par association des

polymères mono séquencés polystyrène et polybutadiène. D’où la partie SB du symbole.

L’intérêt du copolymère est qu’il permet d’associer les propriétés de consistance (pôle

(pôle polybutadiène).Réticulation du polymère c’est

pontage entre les chaînes moléculaires donne lieu à une structure tridimensi

moléculaire. Ce type de structure permet de maintenir une mémoire élastique au cours d’un

étirement aux basses températures. Ce caractère est maintenu indépendamment de temps de

charge. La réticulation se fait par adjonction d’un agent chimique dans le mélange bitume

Vous savez tous que les bitumes modifiés aux polymères ont acquis un regain d’intér

une vingtaine d’années).

En effet, leur introduction dans la technique routière à d’une

économies dans les budgets d’entretien, car ces liants modifiés résistent mieux aux conditions

sévères pour lesquelles les bitumes traditionnels paraissent inadaptés, et d’autre part ils ont

permis aux entreprises d’élargir leurs gammes de techniques innovantes.

En l’occurrence, ces bitumes modifiés sont conseillés pour le fort trafic,

EB à cause principalement de leur coût élevé par rapport aux bitumes

d’ajout de polymères aux bitumes réside dans la modification de leur comportement aux

températures extrêmes atteintes dans la chaussée, augmentation et conservation d’une

consistance suffisante aux hautes températures d’un part, et diminution de la fragilité à basse

art. En plus, les bitumes modifiés résistent mieux aux variations de

températures. Ils ne s’oxydent ni ne vieillissent trop rapidement.

Modification de bitume 2014

39

(butadiénique, B, et styrénique), donc type

(m=2) peuvent être présentes le

-styrène Propriétés

Masse volumique 0,94 g·cm-3

:

Le polymère polystyrène polybutadiène S.B.R est une macromolécule di séquencée

caractère élastomérique prononcé. Ce polymère est obtenu par association des

la partie SB du symbole.

L’intérêt du copolymère est qu’il permet d’associer les propriétés de consistance (pôle

Réticulation du polymère c’est-à-dire le

pontage entre les chaînes moléculaires donne lieu à une structure tridimensionnelle du réseau

moléculaire. Ce type de structure permet de maintenir une mémoire élastique au cours d’un

étirement aux basses températures. Ce caractère est maintenu indépendamment de temps de

chimique dans le mélange bitume

Vous savez tous que les bitumes modifiés aux polymères ont acquis un regain d’intérêt,

part engendré des

économies dans les budgets d’entretien, car ces liants modifiés résistent mieux aux conditions

sévères pour lesquelles les bitumes traditionnels paraissent inadaptés, et d’autre part ils ont

le fort trafic, en ES ou en

EB à cause principalement de leur coût élevé par rapport aux bitumes classiques. L’effet

éside dans la modification de leur comportement aux

températures extrêmes atteintes dans la chaussée, augmentation et conservation d’une

consistance suffisante aux hautes températures d’un part, et diminution de la fragilité à basse

art. En plus, les bitumes modifiés résistent mieux aux variations de

Page 51: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

40

L’ajout de polymères aux bitumes améliore leur comportement visco-élastique par

augmentation de la réversibilité des déformations. C’est la diminution de leur susceptibilité

thermique qui leur a conféré leur intérêt très particulier. Mais il est exigé de ces liants que leur

susceptibilité thermique doit être forte aux températures de mise en œuvre.

II.3. Principes de la Modification des Bitumes :

II.3.1. Rhéologie des Matériaux Multi phases :

Le rôle de l´essentiel des additifs rhéologiques actuellement disponibles pour la

modification des bitumes peut se comprendre simplement à l´aide du modèle de structure

décrit précédemment, et de résultats connus sur les matériau la viscoélasticité d´une

dispersion de particules viscoélastiques sphériques dans une matrice viscoélastique (émulsion

de matériaux viscoélastiques), constitue une base théorique suffisante pour décrire le

fonctionnement des additifs, minéraux ou organiques, utilisés pour les bitumes. La viscosité

d´une suspension, initié par Einstein, qui a montré que la viscosité apparente η d´une

suspension de sphères dures diluées (c´est-à-dire pour des concentrations volumiques

inférieures à environ 10 %) vaut :

Φηη= 5, 210 où η0 est la viscosité du fluide suspendant et φ la fraction volumique de

phase dispersée. Le facteur 2,5, parfois appelé viscosité intrinsèque [η], apparaît en

conséquence de la concentration de contrainte au voisinage des inclusions.

Des raffinements successifs de la loi d´Einstein ont été proposés pour prendre en compte

les interactions hydrodynamiques entre particules qui apparaissent dans le régime semi-dilué,

et plusieurs équations théoriques ou semi-empiriques sont disponibles, parmi lesquelles la loi

de Roscoe utilisée par Storm et collaborateurs pour les bitumes.

D´autres raffinements de la loi d´Einstein ont conduit Fröhlich et Sachs à considérer le

cas où les particules dispersées sont déformables. Si ces inclusions se déforment de manière

élastique, leur déformation dépend du temps, suite au comportement newtonien du fluide

suspendant, générant ainsi un comportement non-newtonien de la suspension. Ce

comportement original, correspondant à une relaxation de forme des inclusions, appelée

relaxation « dur-mou », se retrouve dans les mélanges bitumes-polymères, comme nous le

verrons plus loin. Pour l´anecdote, Fröhlich et Sacks ont proposé que leur modèle explique les

Page 52: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

41

relaxations de contrainte du bitume, auxquelles une toute autre explication est donnée plus

haut.

Un autre cas particulier intéressant concerne les émulsions au sens strict, c´est-à-dire les

dispersions d´un liquide dans un autre liquide. Dans cette situation, les particules sont

déformables, mais cette fois de manière visqueuse. Le premier traitement théorique de ce

problème est du à Taylor, qui a montré que la rhéologie d´une telle émulsion est fonction du

rapport des viscosités λ des deux liquides. Ainsi, si la viscosité de la phase dispersée devient

très grande devant celle de l´inclusion, la relation d´Einstein est retrouvée dans le cas dilué

avec [η] = 2,5. A l´opposé, si la matrice est beaucoup plus visqueuse, la viscosité intrinsèque

tend vers 1.

Oldroyd a ensuite complété le travail de Taylor pour tenir compte de l´interface, qui

s´oppose à la déformation sous l´effet de la pression capillaire γ/2a, où γ est la tension inter

faciale et a, le rayon des gouttes. Old-royd a ainsi montré que l´interface génère aussi un

comportement non-newtonien, y compris lorsque deux liquides newtoniens sont mélangés.

Ceci induit une nouvelle relaxation de forme, appelée « relaxation de goutte », qui se retrouve

également dans les mélanges bitumes-polymères, comme précisé plus loin.

II.3.2 .Cas des Suspensions : Application aux Mastics Bitumineux :

En effet, les formulaires granulaires utilisées en application routière comportent

généralement des fines (ou fillers), typiquement à hauteur de 7 % de la masse minérale, dont

la définition normalisée correspond aux particules passant par un tamis de 80 μm. Du fait de

leur haut module comparé au bitume (typiquement 100 GPA par rapport à un module vitreux

de 1 GPA), les particules minérales peuvent être considéré comme indéformables. Aussi,

Les mélanges bitume-fillers, encore appelés « Mastics » (bitumineux), représentent des

suspensions au sens classique des rhéologues de dispersion de particules dures dans un

liquide.

Le fait que les mastics sont des suspensions a été établi dès 1947 par Rigden qui a mis en

évidence que le paramètre principal gouverrigidifiant de fines minérales est leur fraction

volumique, plutôt que la fraction massique. Heukelom et Wijga ont étudié de manière

complète de tels systèmes et ont montré que l´augmentation de viscosité d´un mastic suite à

l´ajout d´une fraction volumique de filler φ peut être décrite selon une loi du type. Un grand

Page 53: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

42

nombre de données de la littérature sur les fines minérales peuvent être comparées sur la base

de leur viscosité intrinsèque, obtenue soit directement sous le nom de constante d´Einstein,

soit calculée en utilisant encore en retraitant les points expérimentaux. De ces résultats, il

semble clair que la plupart des fines minérales ont une viscosité intrinsèque essentiellement

indépendante de la nature du bitume, sauf dans le cas de fillers actifs comme la chaux, les

cendres volantes ou l´amiante, pour lesquels une forte viscosité intrinsèque est observée,

quantifiant l´effet très viscosifiant de ces matériaux

II.3.3. Les Bitumes Modifiés par des Polymères :

Les additifs polymères sont maintenant largement utilisés pour modifier les propriétés

des bitumes. Ils sont connus pour être efficaces à des teneurs relativement faibles, de l´ordre

de 3 à 6 % massiques. Les polymères utilisés dans l´industrie routière sont soit des

caoutchoucs synthétiques comme les copolymères séquencés, di- ou tri-blocs, poly (styrène-b-

butadiène) (SB, généralement appelés « élastomères ») ou les copolymères statistiques poly

(éthylène-vinyle-acétate) (EVA – appelés « plastomères »), ou, dans une moindre mesure, les

polyoléfines (polyéthylène PE ou polypropylène PP). Plusieurs grades de ces polymères, et

des chimies proches (copolymères d´isoprène au lieu de butadiène, ou acétyle à la place de

l´acétate de vinyle) sont aussi présents, mais notre propos n´est pas ici de donner une revue

exhaustive des chimies utilisées, mais seulement de montrer le principe général de

fonctionnement de ces additifs, indépendamment de leur chimie.

Avant cela, il est bon de préciser que différents modes de préparation des Bitumes

modifiés par des Polymères (BMP) existent. Ainsi, le polymère peut être ajouté directement

au bitume, pour obtenir un BMP qui peut ensuite être utilisé pratiquement comme le serait un

bitume « pur ». C´est ce type de modification qui est décrit dans ce chapitre. En parallèle,

certains additifs, et notamment nombre de polyoléfines, sont plutôt ajoutés en centrale

d´enrobage, au même moment que les granulats. Dans ce cas, bitume et polymère n´ont pas le

temps d´obtenir les morphologies décrites ci-après, et il n´est pas connu, à l´heure actuelle, si

le comportement de tels additifs relève plus de la modification du squelette granulaire que de

celle du liant, ou des deux.

Il est maintenant acquis que les BMP commerciaux sont hétérogènes à l´échelle du

micron, le polymère étant gonflé par les composés aromatiques du bitume (Photographie de

couverture - Figure 3 – Tableau 1). En conséquence, la phase riche en polymère occupe 4 à 10

Page 54: Reiki Zahi A

Chapitre II :

fois le volume du polymère ajouté, en p

polyoléfines, le gonflement serait nettement

moins précises sur le sujet.

Aussi, la discussion qui suit s´applique essentiellement aux BMP à base de c

SB ou EVA (ou chimies voisines), et leurs mélanges Elle devrait aussi s´appliquer à tout type

d´additif qui modifie la structure du bitume comme schématisé sur la Figure 3. De plus, le cas

où la phase dispersée de la Figure 3 devient la phase co

similaire, même si de tels BMP ne sont obtenus qu´avec des teneurs en polymères

généralement supérieures à 7 % massique, ce qui rend leur coût prohibitif vis

application routière classique, mais permet d´obten

Dans la réalité, la taille du domaine polymère est typiquement de 10 µm.

FigureII.3 : Effet de la modification polymère sur la s

bitume original (haut) et BMP correspondant avec augmentation de la teneur en

Modification de bitume

fois le volume du polymère ajouté, en particulier pour les SB ou les EVA. Pour les

polyoléfines, le gonflement serait nettement faible, mais les données de la littérature restent

Aussi, la discussion qui suit s´applique essentiellement aux BMP à base de c

SB ou EVA (ou chimies voisines), et leurs mélanges Elle devrait aussi s´appliquer à tout type

d´additif qui modifie la structure du bitume comme schématisé sur la Figure 3. De plus, le cas

où la phase dispersée de la Figure 3 devient la phase continue peut être traité de manière

similaire, même si de tels BMP ne sont obtenus qu´avec des teneurs en polymères

généralement supérieures à 7 % massique, ce qui rend leur coût prohibitif vis

application routière classique, mais permet d´obtenir d´excellents produits d´étanchéité.

Dans la réalité, la taille du domaine polymère est typiquement de 10 µm.

: Effet de la modification polymère sur la structure colloïdale du bitume :

bitume original (haut) et BMP correspondant avec augmentation de la teneur en

asphaltènes de la matrice (bas

Modification de bitume 2014

43

articulier pour les SB ou les EVA. Pour les

mais les données de la littérature restent

Aussi, la discussion qui suit s´applique essentiellement aux BMP à base de copolymères

SB ou EVA (ou chimies voisines), et leurs mélanges Elle devrait aussi s´appliquer à tout type

d´additif qui modifie la structure du bitume comme schématisé sur la Figure 3. De plus, le cas

ntinue peut être traité de manière

similaire, même si de tels BMP ne sont obtenus qu´avec des teneurs en polymères

généralement supérieures à 7 % massique, ce qui rend leur coût prohibitif vis-à-vis d´une

ir d´excellents produits d´étanchéité.

Dans la réalité, la taille du domaine polymère est typiquement de 10 µm.

tructure colloïdale du bitume :

bitume original (haut) et BMP correspondant avec augmentation de la teneur en

Page 55: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

44

Types

bitumes

Saturé

(%)

Aromatique

(%)

Résines

(%)

Asphaltènes

(%)

Proportion

(%)

Bitume 1 7 54 23 16

Phase riche en

asphaltènes

6 47 21 26 50

Phase riche en

polymère

9 60 25 6 50

Bitume 2 9 68 17 6

Phase riche en

asphaltènes

8 57 24 10 50

Phase riche en

polymère

9 77 10 2 50

Bitume 3 7 64 16 12

Phase riche en

asphaltènes

5 54 20 21 46

Phase riche en

polymère

9 73 13 5 54

TableauII.1 : Composition générique du bitume de base et de chacunes des phases de

trois bitumes-polymères. BMP 1 et 2 ont été réalisé avec 10 % de copolymère Cariflex

TR1101 (copolymère triblock SBS avec 30 % styrene et M = 120 kg/mol) et BMP 3 avec

10 % d´EVA (33 % acetate de vinyl et M non précisée)

II.4. Compatibilité Bitume-Polymère :

Comme précisé en introduction, le choix de polymères pour modifier les bitumes est

restreint à quelques familles chimiques, essentiellement les plastomères et les élastomères.

Comme chaque bitume possède une composition chimique propre qui dépend de l´origine de

son brut et dans une moindre mesure, du procédé de raffinage, composition qui est

Page 56: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

45

généralement insuffisamment définie pour prédire une compatibilité avec tel ou tel polymère,

Le meilleur moyen de tester la compatibilité d´un couple bitume-polymère demeure

l´essai de laboratoire. Pourtant, certains chercheurs ont formalisé la notion de compatibilité

bitume-polymère selon des principes généraux qui permettent d´anticiper grossièrement

l´aptitude d´un bitume à former de bons BMP :

• une forte teneur en asphaltènes diminue la compatibilité bitume-polymère

• l´aromaticité des maltènes doit se situer dans une gamme optimale pour garantir une

bonne compatibilité.

Des approches théoriques permettent de préciser ces concepts. En particulier, Laval et

Quivoron ont montré comment le concept de balance hydrophile-lipophile (Hydrophilic

Lipophilic Balance HLB) utilisé pour classifier les tensioactifs, peut permettre de prédire la

compatibilité de monomères époxy avec le bitume. Cette approche a été raffinée par Laval et

Brûlé qui ont montré que la valeur HLB d´une époxy doit être :

• inférieure à 6,3 ou 8 (suivant la nature du bitume) pour obtenir une miscibilité totale

(solubilité),

• entre 6,3 et 9,3 ou entre 8 et 11,8 (suivant la nature du bitume) pour obtenir une bonne

compatibilité au sens défini ci-dessus,

• supérieure à 9,3 ou 11,8 (suivant la nature du bitume) pour une insolubilité complète.

Ces résultats sont très intéressants, du fait du caractère prédictif de la notion d´HLB. En

effet, Davies a montré que l´HLB d´une molécule peut être prédit d´après sa formule

chimique. Ainsi, il devient possible de proposer des molécules à structure chimique optimisée

vis-à-vis de leur compatibilité pour un bitume donné, comme vérifié par Laval et Brûlé.

Page 57: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

46

II.5.Comment modifier les bitumes pour obtenir un meilleur feuille

bitumineuse étanchéités colloïdale :

II.5.1.Modifie chimiquement en grossissant les asphaltènes :

Figure II.4 :L’ajoute de soufre et l’acide(PPA) à l’asphaltènes

Page 58: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

47

II.5.2.Modifier avec des polymères :

Ex : polymère de SBS

Le SBS créait un réseau de 03 dimensions avec les molécules d’asphaltènes.

Figure II.5 : Création de réseau 3D par polymère SBS

Page 59: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

48

Bitume + SBS

Le bitume devient à la fois dur (aspect Gel), et mou (aspect sol)

Figure II. 6 : Type sol et gel de bitume après l’ajoute de polymères SBS

II.5.3.Comment polymères sont incorporés en asphalte :

Deux méthodes sont couramment utilisés pour incorporer des polymères dans l'asphalte:

• Ajout de latex polymère à l'asphalte. Cette méthode est relativement facile et sans problème.

• Ajout de polymères solides à asphalte. Cette méthode nécessite normalement mélange

substantielle et cisaillement afin d'uniformément dispersé les polymères, particulièrement

lorsqu'on utilise des copolymères à blocs SBS ou SIS. À température ambiante, matériaux

SBS montrent un comportement similaire à celui d'un réseau réticulé, c ar le polystyrène (PS)

se terminent ensemble de blocs en domaines rigides, alors que le polybutadiène (PB) ou

polyisoprène (PI) bloque la Loi comme des syndicats a morphes élastiques entre eux

FigII.7. Régime des molécules SBS mélangé à l’asphalte.

Page 60: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

49

Leur réseau « tridimensionnelle » n'étant physique, contrairement aux autres matériaux

réticulé, ils deviennent fluides à haute température, donc faciliter leur mélange et le

traitement. Lors de l'ajout d'un polymère fonctionnalisé pour asphalte, les interactions

spécifiques entre l'asphalte et les polymères, tels que l'hydrogène, liaison peut avoir lieu. En

outre, certaines réactions chimiques pourraient avoir lieu entre les groupes fonctionnels des

composants des mélanges.

Quand les polymères fonctionnalisés sont mélangés, comptabilisation réactive ou

chimique peut se produire, donnant lieu à la formation de copolymères situ en raison de la

réaction chimique au cours du traitement. Un bon exemple, d'un polymère qui réagit avec

l'asphalte, est le produit commercialisé par Dupont, Elvaloy, qui est un copolymère aléatoire

comprenant l'éthylène, butylacrylate normal et méthacrylate de glycidyle, c’est la molécule

GMA qui semble être responsable de la réaction observée lorsque le polymère est mélangé à

l'asphalte chaud.

Ce type de copolymère réagit Pour comptabilisation réactive dans les mélanges de

polymères, il y a quatre conditions qui doivent être respectées :

• mélange suffisamment forte pour assurer une dispersion d'un composant dans autres,

• la présence de groupements fonctionnels réactifs capables de réagir dans l'interface des

polymères,

• la réaction devrait se produire dans le délai de résidence de polymères de l'extrudeuse,

• les liens formés devraient être stables à tout traitement ultérieur. Lorsqu'on examine le

processus comptabilisation entre bitume et de polymères, tiennent également dès Le polymère

modificatives devrait être suffisamment compatible avec l'asphalte comme ne pas de causer

mentionnés.

II.5.3.1.Polymère-Asphalte Blendes

Polymères caractéristiques

Pour être efficace, un polymère doit être mélangé avec du bitume et augmenter sa

résistance à l'orniérage à des températures élevées sans rendant trop visqueux pour la

procédure de mélange ou trop fragile à basse température. Il devrait également être capable

d'en cours de traitement dans l'asphalte conventionnel Equipment.

Le polymère de modification devrait être suffisamment compatible avec l'asphalte

comme ne pas à provoquer la séparation des phases pendant le stockage, le transport, le

Page 61: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

50

demande et le service. De plus, le polymère modifié doit être rentable, c'est-à-dire le polymère

devrait améliorer la rhéologie et la force de l'asphalte avec lequel il est mélangé de telle sorte

que les frais de route accrue imposées par son utilisation sont recouvrés au moyen de la

performance et réduit les coûts de réfection. Contenu varie de polymère entre 2 et 10 % en

poids ; Toutefois, les proportions plus communes étaient environ 5 ou 6 % il y a quelques

années. Maintenant, la teneur en polymère a été réduite à 2 ou 3 %. Parfois de déchets (en

raison de leur faible coût qu'ils peuvent être ajoutés dans des proportions plus élevées), ou de

mélanges de deux polymères différents sont actuellement utilisée.

Polymère paramètres qui affectent le processus de modification comprennent en

polymère, composition chimique, structure, poids moléculaire moyen, distribution de poids

moléculaire, le degré de ramification, cristallinité, etc...avec des polymères aromatiques

polaires, afin de garantir l'AGP mélange endurance. Pour un cartable à modifier efficacement,

deux cas sont à considérer :

• Dans le premier cas, si le ciment d'asphalte présente une haute aromaticité, le polymère peut

être solubilisé.

• Dans le second cas, lorsque le polymère n'est pas soluble dans le sens moléculaire de

l'expression (l'élimination de toutes les interactions polymère-polymère pour les remplacer par

des interactions de polymersolvent), il peut être gonflé par la fraction grasse de l'asphalte.

Pour la teneur en polymère faible, la phase continue d'asphalte est enrichie en résines et

asphaltènes, entraînant ainsi une augmentation de la cohérence et les propriétés élastiques du

liant. En général, un bitume modifié par des polymères thermoplastiques (issu du mélange

physique des constituants sans interactions chimiques entre eux) peut par conséquent être

considérée comme un système diphase constitué d'un polymère gonflé et une phase de

regroupement les constituants de l'asphalte n'intervenant ne pas dans la solvatation...

Influence par la dureté du bitume base. La viscosité des mélanges à 180° C est l'influence

prédominante de la masse moléculaire moyenne de base bitume.

La teneur en asphaltènes du mélange bitume-thermoplastique caoutchouc doit également

être soigneusement équilibrée car, à de faibles concentrations, les asphaltènes interagissent

avec les molécules de caoutchouc thermoplastique formant des associations profitables,

entraînant une plus grande résistance d'écoulement et de ramollissement plus haut points. À

Page 62: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

51

l'inverse, une teneur en asphaltènes trop élevé se traduira par séparation des phases conduisant

à une plus faible proportion du caoutchouc thermoplastique étant disponible dans la continue

phase.

Le niveau admissible de la concentration d'asphaltènes dépend:

• polymère contenu • polymère poids moléculaire,

• asphaltènes poids moléculaire,

• aromaticité. Juste équilibre entre la teneur en composés aromatiques et l'aromaticité en ce

qui concerne la teneur en polymère est nécessaire afin de produire un mélange de bitume-

thermoplastique caoutchouc qui est stable, et dans lequel le caoutchouc thermoplastique est

présent en phase continue de la mesure du possible, afin d'obtenir le maximum d'avantages

possible de polymère. Ces mélanges sont désigné comme des mélanges « compatibles ».

Page 63: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

52

II.5.3.2.Mécanisme réactionnelle de SBS-Asphaltène

Styrène O O

H3C C + Aspha C C H

H3C C

Styrène

Styrène O O

H3C C + Aspha C C H

H3C C

Styrène

Styrène O O

H3C C + Aspha C C H

H3C C

Styrène

Page 64: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

53

Styrène OH O

H2C C C C H

H2C C H Aspha

Styrène

FigureII.8.Structure de molécule de bitume modifié par SBS.

Explication du mécanisme :

La molécule d’Asphaltène est très grande, pour cela elle jouer le rôle d’attracteur de

molécule de SBS au niveau de double liaison du butadiène qui est une liaison π-π très fragile

au force d’attraction d’Asphaltène, pour résulta finale ,on obtient création d’une liaison

carbone-carbone

: Liaison carbone-carbone.

Page 65: Reiki Zahi A

Chapitre II : Modification de bitume 2014

54

Enfin, des polymères totalement miscibles ont aussi été testés à l´échelle du laboratoire,

avec des morphologies homogènes à l´échelle du micron, mais des propriétés qui diffèrent

peu de celles du bitume de base, pour des teneurs de l´ordre de 6 % massique. Aussi, une

miscibilité totale entre bitume et polymère n´est pas recherchée, et la morphologie visée. Cette

miscibilité partielle rend difficile la définition de la notion de compatibilité bitume-polymère.

Ainsi, un bon couple bitume-polymère est un mélange qui possède une hétérogénéité difficile

à discerner à l´œil nu, mais observable sous le microscope, comme présenté en couverture.

Cette définition assez vague exclut ainsi les BMP pour lesquels le polymère s´incorpore

difficilement ou génère une séparation de phase très rapide. Par contre, cela n´empêche pas la

majorité des BMP commerciaux, en l´absence de moyens de stabilisation chimique comme la

vulcanisation dynamique ou l´utilisation quelques jours dans des chute température sans

agitation.

Page 66: Reiki Zahi A

Chapitre III : Etude pratique 2014

55

III. Etude pratique

III.1. Introduction :

Afin d’atteindre une étanchéité durable, le bitume doit être maniable résistant à la

température élevées. Il doit être mou à basse température pour faire face aux fissurations.

Ces propriétés sont généralement antinomiques et sont essentiellement basées sur les

propriétés rhéologiques. La modification du bitume par ajout de polymère nous permet

d’atteindre les propriétés désirées

III.2.Problématique :

L´utilisation de bitume en technique étanchéité a imposé à ce matériau issu du pétrole un

strict contrôle de ses propriétés. Pour se faire des recherches scientifiques ont été faites et se

font toujours, afin de trouver une meilleur formule pour avoir un bitume qui soit performant

dans toutes les conditions de trafic et de climat( toitures et terrasse ) , en faisant appel à la

modification du bitume ou dans le cas d’ étanchéités bitumineux par ajout de polymères, une

technique qui peut apporter beaucoup par la récupération de ces derniers des déchets

plastiques. Ce travail consiste à modifier un bitume de classe 85/25 en utilisant le styrène

butadiène styrène, à teneurs de 2% du poids du bitume routier, et malaxer le mélange dans

des conditions bien précises de température et du temps de malaxage variant de 1 heure à 2

heures. Le mélange obtenu sera soumis aux essais de pénétrabilité, la détermination du point

de ramollissement.

Le PAX ALU 30 VV PEHD est une feuille d’étanchéité réalisée en Spa Etanchal

(société de fabrication des matériaux d’étanchéité) par enrobage d’une armature en voile de

verre d’un grammage minimal de 50 g/m2 à l’aide d’un liant bitumineux dont les dimensions

sont:

Dimensions Longueur Largeur Poids Façades

PAX ALU 30 PEHD 10 m 1 m 30 Kg Face enPEHD etface en

Aluminium

Page 67: Reiki Zahi A

Chapitre III :

La mise en œuvre du PAX 30 VV PEHD

techniques unifiés DTU N° :

inclinées »

La feuille d’aluminium ne colle p

oxydé (85/25) de Raffinerie d’Arzew

bitumineuse fait à partir de bitume oxydé (85/25) de Spa Etanchal

polymère élastomère ou plastomère)

La question posée est la suivante

Quel est le facteur qui différencie le bitume soufflé et

III.3. La structure du bitume :

Le bitume est composé de particules solides dites asphaltées baignant dans une matrice

maltènes (résines et huiles aromatiques). La structure du bitume lui permet d’agir avec

d’autres composants qu’on lui ajoute afin d’obtenir plus de performance et permettre la

revalorisation des déchets, parmi les ajouts qu’on utilise avec le bitume, les polymères

prouvés leurs efficacité.

Etude pratique

PAX 30 VV PEHD fait l’objet de précisions dans les documents

: « travaux d’étanchéité des toitures terrasses et toitures

La feuille d’aluminium ne colle pas sur la feuille bitumineuse faite

de Raffinerie d’Arzew (soufflage d’air). Par contre lorsqu’on

bitumineuse fait à partir de bitume oxydé (85/25) de Spa Etanchal (modifié par additive

polymère élastomère ou plastomère) la feuille colle.

la suivante :

Quel est le facteur qui différencie le bitume soufflé et modifié.

. La structure du bitume :

Le bitume est composé de particules solides dites asphaltées baignant dans une matrice

(résines et huiles aromatiques). La structure du bitume lui permet d’agir avec

d’autres composants qu’on lui ajoute afin d’obtenir plus de performance et permettre la

revalorisation des déchets, parmi les ajouts qu’on utilise avec le bitume, les polymères

FigureIII.1 : structure de bitume

Etude pratique 2014

56

fait l’objet de précisions dans les documents

terrasses et toitures

e à partir de bitume

contre lorsqu’on utilise une feuille

(modifié par additive

Le bitume est composé de particules solides dites asphaltées baignant dans une matrice

(résines et huiles aromatiques). La structure du bitume lui permet d’agir avec

d’autres composants qu’on lui ajoute afin d’obtenir plus de performance et permettre la

revalorisation des déchets, parmi les ajouts qu’on utilise avec le bitume, les polymères ont

Page 68: Reiki Zahi A

Chapitre III :

III.4. Le Styrène-butadiène

Le copolymère tribloc styrène

famille des élastomères développé.

Le SBS est obtenu par copolymérisation de séquences rigides de polystyrène reliées par

des séquences souples de polybutadiène ou plus rarement de polyisoprène. Les doubles

liaisons des segments polybutadiène ou polyisoprène sont chimiquement fragiles, c’es

pourquoi le SBS est sensible aux oxydants (ozone, chaleur et UV).

phase polybutadiène avec la phase polystyrène dont la température de transition vitreuse est

peu élevée rend les SBS particulièrement sensibles à l’élévation de la t

présente de nombreux avantages comme son coût, une large plage de dureté, une haute

flexibilité et élasticité, de bonnes propriétés électriques et quelques grades répondent à la

norme FDA. Cependant, ce matériau possède une résistance li

ozone ainsi qu'à la chaleur. Ses applications sont nombreuses comme l'industrie, sport et

loisirs, automobile, bâtiment.

Etude pratique

butadiène-styrène SBS :

styrène-butadiène-styrène (SBS) est un thermoplastique de la

famille des élastomères développé.

Schéma III.1 : Squelette de SBS

Le SBS est obtenu par copolymérisation de séquences rigides de polystyrène reliées par

des séquences souples de polybutadiène ou plus rarement de polyisoprène. Les doubles

liaisons des segments polybutadiène ou polyisoprène sont chimiquement fragiles, c’es

pourquoi le SBS est sensible aux oxydants (ozone, chaleur et UV). La compatibilité de la

phase polybutadiène avec la phase polystyrène dont la température de transition vitreuse est

peu élevée rend les SBS particulièrement sensibles à l’élévation de la température. Le SBS

présente de nombreux avantages comme son coût, une large plage de dureté, une haute

flexibilité et élasticité, de bonnes propriétés électriques et quelques grades répondent à la

norme FDA. Cependant, ce matériau possède une résistance limitée au vieillissement UV et

ozone ainsi qu'à la chaleur. Ses applications sont nombreuses comme l'industrie, sport et

Etude pratique 2014

57

n thermoplastique de la

Le SBS est obtenu par copolymérisation de séquences rigides de polystyrène reliées par

des séquences souples de polybutadiène ou plus rarement de polyisoprène. Les doubles

liaisons des segments polybutadiène ou polyisoprène sont chimiquement fragiles, c’est

La compatibilité de la

phase polybutadiène avec la phase polystyrène dont la température de transition vitreuse est

empérature. Le SBS

présente de nombreux avantages comme son coût, une large plage de dureté, une haute

flexibilité et élasticité, de bonnes propriétés électriques et quelques grades répondent à la

mitée au vieillissement UV et

ozone ainsi qu'à la chaleur. Ses applications sont nombreuses comme l'industrie, sport et

Page 69: Reiki Zahi A

Chapitre III : Etude pratique 2014

58

III.5.Asphaltènes :

III.5.1.Composition chimique :

La composition élémentaire des asphaltènes, montre que les quantités de carbone et

d’hydrogène sont : 80% de carbone et 8% d’hydrogène. Les asphaltènes contiennent

également des hétéroéléments. La quantité d’oxygène est 4% ; la quantité de soufre est 6%.

Par contre, la quantité d’azote dans les asphaltènes semble rester relativement, constante est

2% . Plusieurs travaux ont indiqué que l’oxygène dans les asphaltènes peut exister sous

formes des groupements phénoliques ou hydroxyles de carbonyles, d’éthers et d’esters.

D’autres informations sur la présence et la nature de l’oxygène dans les asphaltènes ont été

dérivées à partir de spectroscopie Infra-Rouge.

Le soufre se trouve dans la structure d’asphaltène sous forme des composés

théophénique. Quant à l’azote, il se trouve dans les structures cycliques, pyridiques ou

pyroliques. Ces dernières prennent souvent la forme de complexes porphyriques du vanadium

et du nickel (Voir tableau 2).

Fraction C H S N O H/C

Asphaltèns 83,82 7,4 0,49 0,44 7,85 1,05

Tableau III.1: Analyse élémentaire du brut Algérien de Hassi Messaoud.

Page 70: Reiki Zahi A

Chapitre III : Etude pratique 2014

59

III.5.2.Propriétés des asphaltènes

III.5.2.1. Propriétés acido-basiques :

Les asphaltènes sont des composés qui comportant des hétéroatomes en périphérie, ils

ont des fonctions acido-basiques ; dues à la présence d'hétéroatomes tels que le soufre, l'azote,

et l'oxygène. Les atomes d'oxygène se présentent sous forme de groupes hydroxyles, et se

comportent comme des sites donneurs d'électrons favorisant les liaisons hydrogène.

La chromatographie par échange d'ions permet de séparer les groupements fonctionnels

en trois fractions:

• La fraction acide formée par les fonctions carboxyliques et phénoliques qui représentent

environ 30% de l'ensemble des fractions.

• La fraction neutre, près de 45%.

• La fraction basique, en particulier les fonctions azotées et soufrées 20%.

Le caractère acide peut être plus prononcé suivant l'origine des asphaltènes. La plupart

des acides sont faibles (phénols, carbazols, indols), et les bases sont principalement les

amides. La présence de ces diverses fonctions polaires et réactives explique la tendance des

asphaltènes à l'association par liaison hydrogène.

Speighta démontré que les fractions basiques comportent 2 à 6 noyaux aromatiques, alors

que les fractions acides et neutres n'en contiennent pas plus de 3. Ainsi, la solubilisation

d'asphaltènes dépend de nombre de sites donneurs et accepteurs d'électrons présents.

La molécule ayant beaucoup de groupes hydroxyle se comporte généralement comme

donneurs d'électrons et interagit facilement par liaisons hydrogène avec la molécule de résine.

En effet, les résines contiennent beaucoup de groupes carbonyle et se comporte plutôt comme

des sites accepteurs d'électrons.

III.5.2.2.Les propriétés de surface :

Les asphaltènes ont une valeur d’énergie de surface élevée car ce sont les composés les

plus polaires du pétrole brut. E. Papirera établi une corrélation entre l’énergie de surface et la

composition de la molécule d’asphaltène. Il suppose que la stabilité d'un brut asphaltènique

est due aux charges électriques à la surface d'agrégats d'asphaltènes qui induisent des

transferts des charges entre les particules organiques et le solvant.

Page 71: Reiki Zahi A

Chapitre III : Etude pratique 2014

60

L’association des résines et des asphaltènes forme des micelles ; les groupes polaires

s’orientent de façon à minimiser l’énergie libre de surface. Les têtes polaires s’orientent vers

l’intérieur des agrégats et laissent en surface une couche à caractère paraffinique (résines).

A cet effet plusieurs travaux ont été menés pour expliquer le comportement de surface

des asphaltènes.

III.5.2.3. Propriétés colloïdales des asphaltènes :

Les asphaltènes dans le pétrole brut forment un système colloïdal considéré comme un

ensemble résultant de l’agrégation de monomères; il n’existe pas un monomère unique mais

plusieurs oligomères de composition atomique différente.

Les oligomères les plus aromatiques et les plus riches en hétéroatomes forment les

agrégats les plus volumineux. Ils possèdent plus d’atomes sur leur périphérie. Les monomères

les plus aliphatiques et les moins riches en hétéroatomes restent dans la fraction soluble, et

présentent une faible capacité à s’agréger.

Les mesures de la tension superficielle des solutions d'asphaltènes indiquent l'existence

d'un seuil d'agrégation analogue à la concentration micellaire critique observée dans le cas des

solutions micellaires.

L'auto-association des asphaltènes a conduit certains auteurs à utiliser dans le cas de

fluides pétroliers, les concepts de micelles et de la concentration micellaire critique définie

pour les solutions aqueuses dans le pétrole.

La polarité des asphaltènes joue un rôle dans la formation des micelles. D'une manière

générale, la micellisation conduit aux agrégats d'un nombre défini de molécules dont les

propriétés thermodynamiques ressemblent à celles d'un système à deux phases. Dans la

majorité de solvants, le seuil d'agrégation est très bas (moins de 1%) ce qui signifie que les

asphaltènes existent à l'état agrégé même en solutions très diluées. Différentes techniques ont

été utilisées pour évaluer l'état colloïdal des solutions d’asphaltènes et des huiles brutes. Les

résultats obtenus ont montré que le comportement des asphaltènes peut varier fortement selon

le solvant la température la pression, l'origine de l’échantillon d’asphaltènes et la

concentration de l’asphaltènes. Andersen et al ont montré que les mesures calorimétriques

confirment l'existence d'une concentration caractéristique, CMC d'asphaltènes.

Page 72: Reiki Zahi A

Chapitre III :

III.5.3.Microstructure :

La microstructure des asphaltènes se compose des éléments suivants :

Le feuillet :

Il est constitué de cycles aromatiques condensés portant des chaines aliphatiques, des cycles

naphténiques ou encore des hétéroatomes.

a : Feuillet de particule d’asphaltènes.

Figure III.2 : Structure macroscopique des feuillets d’asphaltène

Les méthodes d’absorption en fluorescence optique ont monté que le feuillet comportait

un nombre moyen de cycles variant de 4

cycles dans les systèmes les plus complexes.

La dimension moléculaire du feuillet d’asphaltènes (horizontale) est estimée dans la

gamme de 11-17Å. Les chaines asphaltiques

sont constituées en moyenne de 4 à 6 atomes de carbone (la masse molaire du feuillet est de

l’ordre de 500 à 1000 g/mol). La taille d’un feuillet est de l’ordre d’un

III.5.3.2.La particule :

Elle est constituée de l’empilement de quelques feuillets par des liaisons

L’analyse par diffraction des rayons X a permis de déterminer la distance inter

0.37nm, ainsi que la hauteur totale de la particule et d’en d

contient 3 à 5 feuillet (Voir Schéma III.2

Etude pratique

La microstructure des asphaltènes se compose des éléments suivants :

Il est constitué de cycles aromatiques condensés portant des chaines aliphatiques, des cycles

naphténiques ou encore des hétéroatomes.

Feuillet de particule d’asphaltènes. b : Feuillet

: Structure macroscopique des feuillets d’asphaltène

Les méthodes d’absorption en fluorescence optique ont monté que le feuillet comportait

un nombre moyen de cycles variant de 4-10 cycles dans les systèmes les plus simples et 20

dans les systèmes les plus complexes.

La dimension moléculaire du feuillet d’asphaltènes (horizontale) est estimée dans la

17Å. Les chaines asphaltiques reliant les différents groupements aromatiques

sont constituées en moyenne de 4 à 6 atomes de carbone (la masse molaire du feuillet est de

l’ordre de 500 à 1000 g/mol). La taille d’un feuillet est de l’ordre d’un nanomètre.

Elle est constituée de l’empilement de quelques feuillets par des liaisons

L’analyse par diffraction des rayons X a permis de déterminer la distance inter

0.37nm, ainsi que la hauteur totale de la particule et d’en déduire que chaque particule

contient 3 à 5 feuillet (Voir Schéma III.2).

Etude pratique 2014

61

Il est constitué de cycles aromatiques condensés portant des chaines aliphatiques, des cycles

Feuillet aromatique.

: Structure macroscopique des feuillets d’asphaltène

Les méthodes d’absorption en fluorescence optique ont monté que le feuillet comportait

10 cycles dans les systèmes les plus simples et 20

La dimension moléculaire du feuillet d’asphaltènes (horizontale) est estimée dans la

reliant les différents groupements aromatiques

sont constituées en moyenne de 4 à 6 atomes de carbone (la masse molaire du feuillet est de

nanomètre.

Elle est constituée de l’empilement de quelques feuillets par des liaisons π – π.

L’analyse par diffraction des rayons X a permis de déterminer la distance inter – feuillet,

éduire que chaque particule

Page 73: Reiki Zahi A

Chapitre III : Etude pratique 2014

62

Schéma III.2:Feuille aromatique d’asphaltènes

III.6.Etudes expérimentales :

Notre étude consiste à réaliser un mélange de bitume/SBS et de constater les

changements obtenus sur les caractéristiques initiales du bitume Oxyde, en faisant appel aux

essais de caractérisation des bitumes.

Le bitume sera mélangé avec 2% de polymère(SBS) et malaxé pendant 2 heures à une

vitesse d’agitation de 600 tr/min et une température de 185°C±5°C.

III.6.1.Identification du Styrène –Butadiène-Styrène :

- Provenance : POLYMED SKIKDA

- C’est une poudre de Dmax=2mm

- Blanche et sans odeur

- Densité = 0,95gr/cm3

III.6.2.Identification du bitume routier :

- C’est un bitume de classe 40/50

- Provenance: Raffinerie d’Arzew

- Densité =1,05 gr/cm3

Il a été soumis aux essais suivants:

Page 74: Reiki Zahi A

Chapitre III : Etude pratique 2014

63

- Détermination de la pénétrabilité à l’aiguille à 25°C.

- Détermination du point de ramollissement.

D’après les résultats obtenus le bitume utilisé représente bien les caractéristiques d’un

bitume routier (40/50).

Le mélange de bitume /SBS est réalisé comme suit :

- Le bitume est chauffé dans le récipient sur une plaque chauffante jusqu’à la

température de l’essai 185°C± 5°C.

- A ce moment-là on introduit le SBS à la teneur choisie, après l’agitateur est mis en

marche à la vitesse de 600tr/min pour le période 2 heures.

- Durant le malaxage la température doit être maintenue à 185°C± 5°C, sa vérification

est régulièrement effectuée à l’aide d’un thermomètre digital.

- A la fin de la période du malaxage, l’agitateur est mis à l’arrêt.

- Le remplissage des différents moules est alors effectué immédiatement.

Le bitume routier (40/50) Le SBS

FigurIII.3 : les composants du mélange

Les résultats obtenus sont réunis dans les tableaux 2,3 et 4 :

Page 75: Reiki Zahi A

Chapitre III : Etude pratique 2014

64

85

86

87

88

89

90

91

1 2 3 4 5

Po

int

de

Ram

olis

sem

en

t

Temps (jours)

Point de Ramolissement

Bitume modifie(85/25):

Bitume soufflé(85/25):

III.7.Résultats obtenus :

Pour le point de ramollissement :

Temps Bitume soufflé (85/25) Bitume modifié (85/25)

1 88 88

2 89 90

3 87 88

4 88 88

5 90 89

Tableau III.2 : Résultats de points de ramollissement

Présentation graphique :

FigureIII.4 : variation de le point de ramollissent en fonction de temps

Page 76: Reiki Zahi A

Chapitre III : Etude pratique 2014

65

Pour le point de pénétrabilité :

Temps Bitume Oxydé (85/25) Bitume modifié (85/25)

1 30 20

2 26 22

3 28 24

4 30 28

5 30 25

Tableau 5.Résulyat de point de pénétration

Présentation graphique :

FigureIII.5: variation de point de pénétration en fonction de temps.

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5

Po

int

de

pe

ne

trat

ion

Temps (Jour)

Point de Penetration

Bitume modifie(85/25):

Bitume Oxsidy (85/25):

Page 77: Reiki Zahi A

Chapitre III : Etude pratique 2014

66

Pour le point de ductilité :

Tableau III.4 : Résultats de points de ductilité

Présentation graphique :

FigureIII.6: variation de point de ductilité en fonction de temps.

III.7.1.Interprétation des graphes :

Temps Bitume Oxydé (85/25): Bitume modifié (85/25)

1 13 4

2 12 3.5

3 12 3.5

4 14 4

5 12 4.1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1 2 3 4 5

Po

int

de

du

ctili

te

Temps (jours)

Point de Ductilite

Bitume modifie(85/25)

Bitume oxydee(85/25)

Page 78: Reiki Zahi A

Chapitre III : Etude pratique 2014

67

Graphe N0 1:

Ce graphe présente les variations de point de pénétration en fonction de temps de deux

types de bitume (85/25) modifié et oxydé.

On remarque que le point de pénétration entre le bitume modifié et le bitume oxydé n’est

pas assez défirent, donc le point de pénétration à l’échelle des normes d’ASTM (± 25)

Graphe N0 2 :

Ce graphe présente les variations de points de ramollissent an fonction de temps de deux

types de bitume (85/25) modifié et oxydé.

On remarque que le point de ramollissent n’est pas assez défirent entre les deux bitumes

et elle est à l’échelle des normes d’ASTM (± 85)

Graphe N0 3

Ce graphe présent les variations de points de ductilité an fonction de temps de deux types

de bitume (85/25) modifié et oxydé

On remarque que le point de ductilité de bitume oxydé plus élevé celle de bitume

modifié, mais ils sont à la norme d’ASTM (≤ 4 dmm).

III.7.2.Discussion et résultats:

D’après les résultats obtenu ont conclu que le bitume modifié par polymère et le bitume

oxydé par soufflage d’air ont les mêmes caractéristiques physiques de point de ramollissent,

le point de pénétration et le point de ductilité (Norme ASTM).

D’apprêt l’interprétation des graphes et leurs discutions, on a assuré que le problème

n’est pas au niveau de caractéristiques physiques. Mais le problème est au niveau de

compositions chimiques

Page 79: Reiki Zahi A

Chapitre III : Etude pratique 2014

68

III.8. Conclusions :

L’ajout de polymère au bitume nous a fait constater ce qui suit :

1-La température de ramollissement est proportionnelle à l’ajoute de polymère et au temps , à cause de

l’augmentation de la viscosité du bitume, donc avec un BMP on pourra éviter le phénomène

d’orniérage qui se manifeste à une température dépassant 50°C à laquelle le bitume devient mou et

donc déstabiliser le squelette de feuille bitumineuse, en l’occurrence on voit que la pénétrabilité

diminue avec l’ajoute de SBS .

2- Pour la ductilité on a observé dans la figure que le bitume oxydé reste toujours le plus ductile est ça

s’explique par le fait que c’est un matériau homogène, par contre le BMP est hétérogène du fait de la

non solubilité du polymère dans le bitume, seulement le polymère absorbe les huiles du bitume et

gonfle, et à un certain moment de l’essai on remarque une séparation entre les grains du polymère et le

bitume, ce qui nous conduit à tenter d’utiliser un polymère de granulométrie plus fine.

3- Le mélange se fait à une température très élevée à laquelle le bitume peut subir une oxydation et

devient de plus en plus dur, l’ajout de polymère n’est pas le seul facteur influant sur la dureté du

bitume.

Page 80: Reiki Zahi A

Conclusion générale 2014

CONCLUSION GENERALE

La variation et la mauvaise qualité des bitumes sur le marché constituent un handicap de

taille pour la recherche de la qualité des revêtements bitumineux où les moyens de contrôle de

la qualité sont insuffisants.

Aujourd'hui, pour avoir des revêtements de bonne qualité, il est indispensable d'étudier toutes

les caractéristiques des bitumes et celles d’étanchéités.

Ainsi, l'étude qui a été faite sur le comportement des bitumes utilisés en étanchéités denses

nous a permis d'apporter des éclaircissements sur les points suivants:

- Les résultats d'études de la caractérisation des bitumes à l'aide des essais classiques ont

montré que les deux bitumes sont conformes aux spécifications. Cependant, il reste à étudier

le vieillissement surtout à long terme et la rhéologie des bitumes, afin de prédire le

comportement dans le temps des feuilles étanchéités même après plusieurs années de

circulation et sous climat chaud; l'étude de ces caractéristiques permettra de maîtriser les

problèmes de fluage et de déformation au cours du temps.

- Le type de bitume et le dosage en bitume sont des paramètres qui influent directement sur

les caractéristiques physiques et chimies.

Les résultats nous permettent enfin de dire que tous les deux bitumes peuvent être utilisés

pour la fabrication des matières étanchéités.

Cependant, pour éviter le vieillissement précoce, faciliter la mise en œuvre et réduire le coût

d’étanchéités, il serait préférable d'utiliser le bitume modifié (85/25).

Nous ne saurions terminer de rédiger ce mémoire, sans souhaiter la poursuite de ce travail

après un renfort du niveau d'équipement de nos laboratoires.

Page 81: Reiki Zahi A

Annexe

Raffinerie d’Arzew production de bitume

Raffinerie d’Arzew

Production bitumes

Raffinerie d’Arzew production de bitume

d’Arzew

Production bitumes

2014

Raffinerie d’Arzew production de bitume

Page 82: Reiki Zahi A

Annexe 2014

I.1. Fabrication des bitumes

Il existe plusieurs procédés de fabrication des bitumes à partir des pétroles bruts :

La distillation de bruts choisis pour leur rendement en coupes lourdes est le

moyen le plus utilisé. Les bitumes sont extraits des résidus des distillations sous

pression réduite, elle-même alimentée par résidus de distillation atmosphérique.

Les dés asphaltage au solvant : il s’agit d’extraire d’un résidu sous vide ou d’un

distillat lourd les fractions les plus lourdes, qui serviront à fabriquer les bitumes. La

séparation est basée sur la précipitation des asphaltes est la solubilisation de l’huile

dans un solvant du type alcane. Les solvants employés sont le butane ou le propane ou

un mélange butane –propane.

En choisissant la nature du produit de charge et en réglant les paramètres de

désasphaltage, notamment la température et la pression, il est possible d’obtenir par ce

procédé différents grades de bitumes.

Le soufflage consiste à faire circuler de l’air à contre-courant dans une charge

bitumineuse afin d’oxyder. Il résulte de cette opération la formation de molécules à haut

poids moléculaires et de structures différentes de celles du produit initial .Il est ainsi

possible d’obtenir des « grades » durs à points de ramollissement très élevés.

I.2. Procèdes des bitumes

Les bitumes proviennent de gisements naturels et de certains pétroles bruts. Sur

les 1300 petroles bruts references dans le monde, 10% seulement peuvent donner des

bitumes de meilleures qualités. Les bitumes tirent leurs origines de celui du pétrole brut

duquel ils sont extraits.

Types de pétroles à bitumes à savoir:

Les pétroles du VENEZUELA et du Mexique Bitumes acides

Page 83: Reiki Zahi A

Annexe 2014

Les pétroles du KUWAIT et de l’IRAK Bitumes à faible acidité

D’autre part, les bitumes tiennent leurs caractéristiques spécifiques, de leur

procédé de fabrication.

Trois classes de bitumes :

Bitumes issus de la distillation directe

Bitumes soufflés obtenus par les réactions principales tel que: Déshydrogénation

partielle et une polymérisation de l’asphalte avec l’oxygène de l’air

Bitumes issus du désasphaltage des huiles.

La zone 10 est composee de deux principales unites :

Unité 14: Production bitume routier.

Unité 15: Production bitume oxyde

Unité 45:

Stockage

Conditionnement

Expédition

I.2.1. Caractéristiques du B. R. I (brut réduit importé)

I.2.2. Distillation sous vide

Vu la faible teneur en asphalte dans le brut algérien les bitumes sont fabriqués à partir d’un

brut réduit importé

Densité 15/4 0.9700 mini

Viscosité A 50°C 800 – 1800 Cst

Teneur en asphaltenes % 8 mini

B.S.W % 0.2 maxi

Teneur en eau % 0.2 maxi

Page 84: Reiki Zahi A

Annexe 2014

C’est à dire un brut qui a déjà subi une distillation atmosphérique, c’est le résidu à

cette première opération qui va servir à cette production.

Dans la chaîne du processus de fabrication, les unités de bitume sont

indépendantes de toute autre unité de production. Vu sa matière première, il n’a recours

qu’à la zone des utilités pour une alimentation en vapeur, eau etc... Nécessaire à la

fabrication

Dans cette section le BRI est aspire des bacs T525/T526 a 80-90°C par la pompe

de charge 14G1A/B est refoule a 18Kg/cm2 passe a travers la vanne automatique 14FIC-

4, le produit peut etre chauffé jusqu’au 245°C par echange de chaleur par

l’intermédiaire d’une batterie d’échangeurs :

Dans l’echangeur du gaz oıl moyen (14E1)

Dans l’echangeur du gaz oıl lourd (14E2)

Dans l’echangeur fond 14C2 (14E11)

Dans les echangeurs de fond 14C1 (14E3A/B/C)

Puis passe a travers le four 14F1, le four est compose d’une seule passe. Le BRI

penetre dans le four a une temperature de 220-24O°C pour etre rechauffe a une

température variable suivant le brut réduit importé, à la sortie du four le produit

subit une injection de vapeur Diminuer le point d’ ébullition du BRI

D’éviter le craquage de dilution qui a pour rôle d’activer la vitesse du BRI et sort

du four entre 330-360°C cette temperature est controlee par 14TIC-1 (sortie

14F1).

Les bruleurs du 14F1 sont de type mixte (fuel gaz, fuel oıl et gaz de tete)

La charge provenant du four pénètre en zone de flash de la colonne sous-vide en

deux phases, les gaz s’acheminent vers le haut et le liquide se dirige vers le fond de la

colonne 14C1.

La colonne sous-vide est composée de plateaux et d’une injection de vapeur de

stripping (3kg/cm2) surchauffee a travers le four a 320°C

Page 85: Reiki Zahi A

Annexe 2014

I.2.3. Système de vide

Le système comprend :

Quatre éjecteurs places en série

Trois condenseurs pour refroidissement des vapeurs (HC+EAU) appelées

condensas

Trois jambes barométriques pour récupération des condensas

Un puis barométrique appelé HOT WELL

L’unité de mesure du vide est le mmHg;

Le fond C1 est un melange bitume + gaz oıl tres lourd aspire par la pompe 14G2A/B

traverse les echangeurs 14E3A/B/C cote calandre/ BRI cote faisceaux et passe a travers

la vanne de charge 14FiC103, puis entre dans le ballon 14D1 (amortisseur) et s’écoule

dans la colonne d’oxydation 14C2, cette charge provenant du fond de la sous vide servira

pour l’obtention des bitumes routiers.

Les coupes latérales sont soutirées des plateaux suivants :

Gaz oıl leger plateau N°6

Gaz oïl moyen plateau N°12

Gaz oıl lourd plateau N°18

La coupe du gaz oıl leger est reprise par la pompe 14G5 une partie est renvoyee

��������ϐ���������Ƹ���ͳͶ�ͳ��������ư����������������-refrigerant 14E6 dont la temperature

est contrôlée par la TIC-4 et le debit par la 14FIC-10, l’excedent du niveau est controle

par LICV-1 et se dirige vers le fuel ou la ligne GOMI (marche interieur). Une partie du gaz

oïl léger est stockée manuellement à partir de la FIC-ͳͲ�ȋ�����������ϐ���Ȍ�������������

49T524, ce bac est prévu lors du rinçage des installations de bitume routier et oxydé.

La coupe du gaz oıl moyen est soutiree par les pompes 14G4A/B et traverse

�ǯ�ƴ���������ͳͶ�ͳ�����������������Ȁ������Ƹ��ƴ���������ǡ������������������������������ϐ����

après refroidissement dans l’aero-refrigerant 14E7 et dont le debit est controle par la

Page 86: Reiki Zahi A

Annexe 2014

FRC-8 et la temperature par la TIC-3, l’excedent de la coupe est transfere vers fuel

composant par la vanne de niveau 14LICV-2.

La coupe de gaz oïl lourd est aspirée par la pompe 14G3A/B et passera par

l’echangeur 14E2 cote faisceau /BRI cote calandre et dont une partie sera prelevee

comme reflux après refroidissement dans l’aero-refrigerant 14E5 dont le debit est

controle par la 14FIC-12 et la temperature par la TIC-5, l’excedent de la coupe est

envoye vers fuel par la vanne de niveau ligne 14LICV-3.����������������ϐ��������ͳͶ�ͳ�����

���͵Ͳ����������Ƹ���������ͷͲ����������������ϐ�����les gaz passant à travers la ligne de

tete 14C1 est aspire par une batterie d’ejecteurs 14K1A/B/C/D à une pression de

vapeur de 17kg/cm2 puis refroidis successivement dans les condenseurs 14E4A/B/C le

gaz condensat est recueille par les jambes barométriques puis acheminés vers le HOT-

WELL et se dirige vers le PPI-API , les incondensables seront recueillies par un reniflard

et se dirigent vers atmosphère .

I.3.Production de Bitume oxyde :CHARGE : BLOWN –STOCK

La viscosité est une grandeur physique qui mesure la résistance interne à l’

écoulement d’ un fluide d’ ou résistance due au frottement des molécules qui glissent

l’une contre l’ autre .Elle est mesurée en Cst ou Cp.

On prepare la charge en melangeant le residu sous vide (fond14C1) avec le gas-oil lourd

Produit à obtenir Viscosité Blown-stock

���ƴ��ϐ��������ͷȀʹ ͷ�

���ƴ��ϐ��������ͻͲȀͶͲ

���ƴ��ϐ��������ͳͳͷȀͳͷ�

450+- 20 cST

200+- 20 cST

350+- 20 cST

Page 87: Reiki Zahi A

Annexe 2014

(HVGO) provenant de l’unité de flashing sous vide.

I.3.1.Production de Bitume oxyde

Le produit ( BLOWING-STOCK ) provenant du T520/T521 a 160°C est aspire par la

15G1A/B (pompe volumetrique) Il est refoule vers la ligne de charge, une partie revient

vers le bac de charge pour recyclage contrôlé par FIC-1 et une partie controlee par HC-1

se dirige vers le 15F1( four en forme de poire ) et sort a 225°C et ensuite le produit

alimente le 15F2 et sort a 235°C et s’achemine vers le ballon amortisseur 15D1 puis

alimente la colonne d’oxydation 15C3.

������ǯ����������������ϐ������ǯ������������������������������ͳͷ�͵ ǡ�������������ư��������

courant de la charge ce qui accélère la réaction d’oxydation.

Comme ces réactions sont exothermiques on peut regler la temperature de surface 15C3

en controlant la quantite d’air introduite ( regulation en cascade 15TIC-3

commande15FIC4)

De plus, pour maintenir cette température stable et ainsi que pour rendre les

réactions homogènes, du bitume est soutiré par une sortie latérale de l’appareil de

soufflage, alors que l’oxydation n’est pas complète, pour être introduit en recyclage à

l’entree du four 15F1.

La quantite peut etre mesuree a l’aide d’un indicateur de debit 15FI2, la raison

pour la quel on recycle ainsi une partie de l’huile par la pompe 15G2A/B et qu’il faut

accelere la vitesse d’ecoulement de l’huile de la charge dans le four requise (1.2 m/s ).

Une vitesse trop lente pouvait entraîner la décomposition de l’huile et formera un dépôt

sur les serpentins des fours 15F1/F2. La pression est controlee par le PC-3 et retour a

l’aspiration de la pompe.

�����������������ƴ��ϐ�����������������������������ͳͷ�͵ �est aspiré par la pompe

15G3A/B et refoule sous controle dedebit15FI3A vers les bacs

DestockageT508/T503/T504/T506/ T507/T509/T510 à travers les vannes de

controle de niveau 15HIC1A/B

I.3.2. Réservoir tampon

Page 88: Reiki Zahi A

Annexe 2014

La raison pour laquelle on a installé le réservoir tampon est que la surface de l’huile

dans l’appareil à air soufflé est constamment agitée par le soufflage et ne peut être

mesurée et ajustée facilement, le tuyau sortant du sommet du réservoir sert de tuyau

d’échappement pour le gaz de décomposition et se relie avec la conduite de tête de la

15C3 et ensuite les gaz s’acheminent vers la colonne d’epuration 15C1

I.3.3.���������ǯ�����������ϐ�����ͳͷ�͵

�ǯ�����������ϐ�����������ǯ������������������������������������ͳͶ�Ȁ�Ȁ�ǡ������ƴ����

est regule par la 15 FIC-4 le controle s’effectue suivant une chaıne en cascade 15TIC-3,

15FIC4.

Au sommet de la colonne, il y a deux injections de vapeur qui introduisent de la

vapeur pour éviter la combustion spontanée des huiles de décomposition ou l’explosion

des gaz émanant de la charge et mélangés à l’air.

Les deux injections de vapeur sont controlees par la 15FIC-͵ ǡ��������ϐ���������

injections à vapeur sont dirigés vers le bas fond face au bain de la colonne, le débit est

indiqué par le FI-2 et une injection en tete, pour éliminer les gouttelettes montantes vers

la tête.

Les gaz du 15D1 et 15C3 se dirigent vers 15C1 ( la pression est indiquee par le

15PI-4 ) La 15G5 aspire du fond de la 15C1 et refoule vers l’aero-refrig2rant 14E2, la

température de reflux est controlee par la 15TIC-5 et le debit par la 15FIC-7 vers la tete

de la 15C1 ensuite le surplus est controle par la vanne du niveau 15C3 et se dirige vers

Fuel .

I.3.4. Épurateur- séparateur 15C2

Cette colonne sert a epurer, refroidir le gaz de rejet sortant de la tete 15C1

L’épurateur et le déshumidificateur sont installés à l’intérieur d’une même tour ;

l’epurateur comprend 05 etages de plateaux perfores.

Pour avoir un niveau l’eau de refroidissement est introduit par la partie supérieure

et descend les 5 etages, tandis que les gaz de rejet entrent par le bas et s’echappent a

travers les plateaux perforés.

Page 89: Reiki Zahi A

Annexe 2014

La 15G6 aspire du fond 15C2 et refoule vers l’aero-réfrigérant 15E3 et le debit de

��ϐ��������������Ƹ��ƴ���������ͳͷ ��-5 le niveau de la colonne est controle par la 15C2 et se

dirige vers le oïl séparateur.

Les gaz de tete s’acheminent vers le ballon 14D2 et ensuite vers l’incinerateur des

gaz 14K4.

I.4.Spécifications bitumes oxydés

Spec Pénét. A

25°C en

1/10mm

Pt ramolt.

(°C)

Pt de

flash

(°C)

Ductilité à

25°C (Cm)

Dens

ité

85/25 20-30 80-90 >=230 3 minis 1.01

90/40 35-45 85-95 >=230 3 minis 1.01

115/15 10-20 110-120 >=230 3 minis 1.06

Page 90: Reiki Zahi A

Annexe 2014

Page 91: Reiki Zahi A

Annexe 2014

Page 92: Reiki Zahi A

Annexe

Production des matières étanchéités

Chapitre II : Spa Etanchal

Production des matières étanchéités

2014

Page 93: Reiki Zahi A

Annexe 2014

I.1. La chaîne de fabrication :

La chaîne de fabrication telle que schématisée sur la figure 3(voir annex) se compose de

plusieurs sections :

I.1.1. L'accumulateur d'entrée :

L'armature de renforcement (qui peut-être du voile de verre, du carton feutre, de la toile de

jute, du tissu de verre, ou du non tissé de polyester) est déroulée sur un banc d'alimentation

pourvu d'un dispositif de jonction d'une bobine à l'autre. Le vecteur d'armature passe par un

accumulateur de matière, appelé aussi compensateur, qui permet de continuer à alimenter la

chaîne de production pendant les moments de soudure des bobines. L'armature est entraînée par

un moteur à courant continu synchrone.

I.1.2. La douche de pré-imprégnation :

Seul, le carton feutre doit être pré imprégné au bitume distillé soutiré directement d'une des

cuves de stockage avant d'être imprégné au bitume oxydé. Il faut noter que le carton feutre doit

être déshumidifié et séché au préalable sur deux cylindres chauffés à l'huile.

I.1.3. Le bain d'imprégnation :

L'armature est imprégnée puis chargée dans un bain d'imprégnation d'un compound (liant)

bitumineux soutiré directement d'un des mélangeurs horizontaux. Ce bain est constitué d'une

cuve à double chemise chauffée à l'huile, et dotée de cylindres de plongées motorisés ainsi que

de deux cylindres presseurs permettant le contrôle de l'épaisseur du matériau sortant. La vitesse

de production et l'épaisseur de la membrane sont reportées sur des afficheurs digitaux sur le

pupitre de contrôle de la chaîne de fabrication.

I.1.4. Le surfaçage :

Le sable ou les granulés sont alimentés dans deux silos surélevés par deux élévateurs à

godets à partir de deux trémies de chargement. La membrane est sablée ou saupoudrée de

granulés par le biais de cylindres striés entraînés par des moteurs à courant continu synchrone

qui répartissent uniformément les matériaux sur la membrane. Les surplus de sable et de granulés

sont récupérés et retournés dans les trémies de chargement par des vis sans-fil horizontales. La

Page 94: Reiki Zahi A

Annexe 2014

machine est dotée d'un dispositif de déroulement d'un film de polyéthylène, ainsi que d'un

dispositif de gaufrage et de déroulement d'un feuillard d'aluminium. Les deux dispositifs

sont équipés glissière transversale de réglage motorisé dans le sens de la largeur.

Le surfaçage de la membrane imprégnée de bitume peut alors être réalisé de différentes

manières. La membrane peut être :

- surfacée de sable sur les deux faces

- sablée sur une face et accouplée à un film fin de PEHD thérmofusible sur l'autre

- sablée sur une face et saupoudrée de granulés ou paillettes d'ardoise de différents coloris et

grades sur l'autre

- saupoudrée de granulés ou paillettes d'ardoise de différents coloris et grades et accouplée à

un film de PEHD thérmofusible sur l'autre

- auto protégée d'un feuillard d'aluminium ou de cuivre sur une face et sablée sur l'autre

- auto protégée d'un feuillard d'aluminium ou de cuivre sur une face et accouplée à un film fin

de PEHD thérmofusible sur l'autre

Des serpentins d'huile de chauffe logés autour de la virole permettent de contrôler la

température du compound par le biais de vannes de régulation automatique à trois voies. Des

motopompes d'huile permettent d'activer l'augmentation de la température du bitume quand

nécessaire.

I.1.5. Le refroidissement :

La section de refroidissement est composée d'une batterie de cylindres (seize de 0 42" et

quatre de 0 24") entraînés via des arbres et courroies de transmission par un moteur à courant

continu synchrone. Ces cylindres de refroidissement sont conçus de manière à faire circuler de

l'eau de refroidissement dans une double chemise.

Un bain marie de trois niveaux peut également être utilisé pour le refroidissement des

membranes avant même d'être surfacée.

Page 95: Reiki Zahi A

Annexe 2014

I.1.6. Finition :

La machine est équipée d'un dispositif de finition à la sortie du bain marie. Ce dispositif

comprend un silo de sable ou granulés avec son cylindre de répartition strié qui est entraîné par

un moteur à courant continu, une trémie de chargement et deux vis sans fin, l'une oblique

d'alimentation et l'autre horizontale de récupération. Cette section comprend aussi un dispositif

de déroulement et de couplage d'un film fin de PEHD, ainsi qu'une batterie de chalumeaux au

gaz propane servant à réchauffer la face à couvrir de sable ou de granulés facilitant ainsi une

meilleure fixation des grains.

Suivent quatre cylindres de refroidissement superposés de 024" entraînés par un moteur à

courant continu synchrone par le biais de courroie de transmission.

I.1.7. L'accumulateur de sortie :

Un accumulateur de produit fini permet d'absorber les temps morts entre les coupes de

produits sans arrêter la machine. Celui-ci est composé d'un tablier mobile à quatre cylindres

coulissant dans un châssis pourvu de quatre cylindres fixes par le biais de chaînes reliées à un

contre-poids. La descente du tablier vers le bas du châssis peut être effectuée par un moteur.

I.1.8. L'enrouleuse coupeuse :

L'enroulement du produit fini est réalisé par une machine hydrauBqrf dont les différentes

séquences d'opération (amorce, enroulement, coup expulsion) sont commandées par un pupitre

d'opération. Le métrage des rouleaux de produits est commandé par un programmeur

électronique asservi d'un encodeur qui commande toutes les opérations. Des longueurs pratiques

de produit (10, 15 et 20 mètres) peuvent être programmées sur la machine d'enroulement.

Une fois que la longueur programmée est mesurée, le produit est coupé par deux couteaux

portés par une chaîne entraînée par un moteur, et le rouleau de produit est ensuite expulsé de la

machine par un marteau après être enroulé de ruban adhésif d'emballage.

I.1.9. Emballeuse palettiseur :

Une emballeuse enveloppe les rouleaux dans du papier d'emballage avant de les disposer

en position verticale par un basculeur culbuteur sur des palettes en position verticale par rangées

de quatre en quinconce. Les palettes chargées de 16 à 20 rouleaux selon l'épaisseur de ceux-ci

Page 96: Reiki Zahi A

Annexe 2014

sont convoyées par un palettiseur à cylindres puis repris par un chariot élévateur ver le magasin

de stockage.

I.2. Introduction de préparation de liants :

L'unité de production, dite universelle, est conçue et dimensionnée pour la formulation de

tous les types de liants (classique et modifiés) entrant dans la composition des feuilles

d'étanchéité armées de différents types de renforcements (voile de verre, tissu de verre, toile de

jute, carton feutre, non tissé de polyester, et bi-armé).

L'élément principal d'une membrane d'étanchéité est son liant. Il existe principalement

trois types essentiels de liants, nommément le liant au bitume oxydé, le liant au bitume modifié

aux élastomères, et celui modifié aux plastomères.

I.2.1 Morphologie des bitumes :

I.2.1.1. Liant au bitume oxydé:

Le liant au bitume oxydé est le plus simple à réalise

Tableau 1 : principales caractéristiques des bitumes oxydés

Le bitume oxydé, dont les principales caractéristiques sont énumérées dans le tableau ci-

dessous, est dépoté du ravitailleur vers le réservoir de stockage où sa température est maintenue

à 150 °C. Il existe, bien évidemment plusieurs grades de bitume oxydé, mais le plus couramment

fabriqué et utilisé pour cette industrie est celui de grade 85/25 où le premier chiffre indique le

point de ramollissement moyen, et le second le point de pénétration moyen.

A chaque livraison, le laboratoire de contrôle de qualité vérifie la conformité des

spécifications du produit réceptionné.

Caractéristiques 85/25 85/40 90/40 105/15

Point de ramollissement (TBA) en °C 80-90 80-90 85-95 100-110

Point de pénétration Dow à 25 °C (dmm) 20-30 35-45 35-45 10-20

Ductilité à 25 °C > 3 > 3 > 3 > 3

Solubilité dans le CS2 >99 >99 >99 >99

Page 97: Reiki Zahi A

Annexe 2014

Le bitume est expédié vers l'un des mélangeurs horizontaux via des pompes à disque creux

(spécifique au pompage de produits visqueux) par un simple ajustement des vannes à guillotines.

Les corps de pompes sont chauffés par l'huile de traçage de manière à maintenir le bitume à l'état

fluide. Ces pompes délivrant un débit de 40 m3/h sont dotées de minuteries d'arrêt de 4 minutes

permettant d'apprécier le tonnage de bitume transféré. Le filler est soutiré des silos surélevant les

mélangeurs par le biais de vis sans fin et pesé dans des trémies balances avant d'être ajouté au

bitume. Il est nécessaire de démarrer les moteurs entraînant les agitateurs de mélangeage avant

l'ajout de filler. Le temps de mélangeage nécessaire pour

Avoir une bonne dispersion du filler dans le bitume est de l'ordre de 15 minutes. L'effet du

filler sur les caractéristiques du bitume est surtout l'amélioration de la consistance du bitume par

l'augmentation de son point de pénétration.

Le liant préparé est alors soutiré des mélangeurs par une pompe à disque creux, après

passage dans un filtre, vers le bain d'imprégnation de l'armature sur la chaîne de fabrication.

I. 2.1.2. Liant au bitume modifié :

La préparation des liants aux bitumes modifiés aux élastomères est différente de celle

au bitume oxydé.

I.2.1.3. Le bitume liant (bitume distillé) :

Le bitume utilisé pour la préparation de ce liant est un bitume direct dit aussi bitume

distillé. La composition générale d'un bitume est faite d'asphaltènes (micelles) dispersés dans une

solution colloïdale de maltènes composée de résines, de saturés et d'aromatiques.

Le bitume direct est un bitume de distillation renfermant un ratio de maltènes élevé et celui

d'asphaltènes réduit, donc apte à absorber des matières plasto-élastomériques.

Comme pour le bitume oxydé, il existe différents grades de bitume direct dont les

principales

Caractéristiques sont énumérées dans le tableau ci-dessous.

Caractéristiques 180/220 80/100 60/70 40/50

Page 98: Reiki Zahi A

Annexe 2014

Point de ramollissement (TBA) en °C 34-43 41-51 43-56 47-60

Point de pénétration Dow à 25 °C (dmm) 180-220 80-100 60-70 40-50

Densité à 25°C 1.00-1.07 1.00-1.07 1.00-1.10 1.00-1.10

Perte de chaleur à 163°C en 5 heures <2% <2% < 1 % < 1 %

Point d'inflammabilité (open cup) en °C >230 >230 >230 >250

Ductilité à 25 °C > 100 > 100 > 100 >80

Solubilité dans le CS2 (ASTM) > 99.5 > 99.5 >99.5 > 99.5

Teneur en paraffines < 4.5 % < 4.5 % < 4.5 % < 4.5 %

I.2.1.4. Le liant au bitume modifié aux élastomères :

La formulation de liants de bitume modifié aux élastomères est réalisée par l'ajout de SBS

(Styrène Butadiène Styrène) au bitume dans des proportions générales de 90/10.

Les proportions exactes de la formulation sont quotidiennement dictées par le chef de

production suite aux tests effectués au laboratoire. Le mélangeage du bitume élastomères

s'effectue dans les mélangeurs primaires tournant en deuxième allure pendant une durée de 75

minutes à la température de 185 °C.

Avoir une bonne dispersion du filler dans le bitume est de l'ordre de 15 minutes. L'effet du

filler sur les caractéristiques du bitume est surtout l'amélioration de la consistance du bitume par

l'augmentation de son point de pénétration.

Le liant préparé est alors soutiré des mélangeurs par une pompe à disque creux, après

passage dans un filtre, vers le bain d'imprégnation de l'armature sur la chaîne de fabrication.

Des éprouvettes d'échantillons sont prélevées au niveau des mélangeurs et analysées au

laboratoire pour vérifier la qualité du compound. Si la qualité de celui-ci est en deçà de la norme,

des corrections doivent être apportées avant son expédition au bac d'imprégnation.

La qualité de la dispersion de l'élastomère dans le bitume est appréciée par un microscope

à fluorescence. Si, toutefois, la qualité de la dispersion n'est pas bonne, il faut augmenter le

temps de mélangeage jusqu'à l'obtention d'une bonne dispersion.

Les caractéristiques techniques du liant de bitume modifié aux élastomères sont les

Page 99: Reiki Zahi A

Annexe 2014

suivantes :

I.2.1.5. Liant au bitume modifié aux plastomères :

La préparation de liants aux bitumes modifiés aux plastomères est quelque peu similaire à

celle des liants aux bitumes modifiés aux élastomères. Néanmoins, les plastomères utilisés dans

la formulation des liants plastomériques sont des rébus de polypropylene, i.e. le polypropylene

atactique (APP) et l'isotactique (IPP). Par conséquent, des tests de laboratoire doivent être

régulièrement effectués pour déterminer la formulation exacte du liant pour qu'il réponde au

mieux aux exigences normatives. Cependant, les ratios moyens d'une formulation sont de l'ordre

de 75/22/3 en bitume, APP et IPP respectivement.

La durée du mélangeage est de deux heures à deux heures et demie à la deuxième allure et

à la température de 180 °C environ.

Les caractéristiques techniques du liant de bitume modifié aux plastomères sont :

Caractéristiques Norme Standard

Point de ramollissement (TBA) en °C ASTM D36 > 115

Point de pénétration Dow à 25 °C (dmm) ASTM D5 35 ±5

Point de pénétration Dow à 60 °C (dmm) ASTM D5 -

Densité à 25°C DIN 53479 1.05

Elongation maximale en % ASTM D412 > 1300

Point de Fraass °C DIN 1955 -35

Caractéristiques Norme Standard

Point de ramollissement (TBA) en °C ASTM D36 155 ±2

Point de pénétration Dow à 25 °C (dmm) ASTM D5 25

Point de pénétration Dow à 60 °C (dmm) ASTM D5 65

Densité à 25°C DIN 53479 1.05

Elongation maximale en % ASTM D412 > 1300

Point de Fraass °C DIN 1955 -35

Page 100: Reiki Zahi A

Annexe 2014

I.3. Instruction générale pour la fabrication des produits d’étanchéités :

I.3.1 .Le feutre bitumé :

Le bitume oxydé 85/25 stocké dans les réservoirs à une température de ± 140°C est

pompé vers les mélangeurs horizontaux au niveau desquels il est mélangé à du filler dans un

rapport massique de 70/30 pendant une dizaine de minute. Le compound ainsi préparé est

expédié vers le bac d'imprégnation de la chaîne de production après s'être assuré au laboratoire

de sa bonne qualité.

L'armature (voile de verre) d'une densité métrique de 50 g/m2, déroulée dans le

compensateur décrit plus haut, est plongée dans le bac d'imprégnation au niveau duquel elle est

imprégnée du compound bitumineux maintenu à une température de l'ordre de 150 °C.

L'épaisseur du feutre bitumé est assurée par deux cylindres presseurs juste à la sortie du bain

d'imprégnation.

Le feutre bitumé est, tout de suite après, soit tapissé d'un film fin de polyéthylène

thérmofusible (PEHD) par adjonction à chaud, soit saupoudré de sable fin sur sa face

extérieure. La face intérieure est quant à elle, tout juste saupoudrée de sable fin. Le feutre bitumé

est par la suite refroidi sur la batterie de cylindres de refroidissement.

Le métrage et la découpe du feutre bitumé se fait au niveau d'une enrouleuse, découpeuse

entraînée par un moteur hydraulique, commandée par un programmeur digital conçu et

programmé pour ce type d'opérations. La longueur des rouleaux (20 mètres linéaires) et leur

poids (36 kg) sont vérifiés d'une manière périodique. Les rouleaux découpés sont emballés soit :

/ Avec du papier d'emballage si la face externe est saupoudrée de sable

/ Avec deux bandes de ruban adhésif si la face externe est couverte de PEHD

Les rouleaux emballés sont chargés sur des palettes pour être expédiés au magasin de

produits finis.

I.3.2. La chape autoprotégée au feuillard d'aluminium :

La procédure de fabrication de la chape autoprotégée au feuillard d'aluminium (dite aussi

Page 101: Reiki Zahi A

Annexe 2014

Pax Alumin) est très similaire à celle du feutre bitumé.

Les différences essentielles résident dans :

le vecteur (armature) est un voile de verre d'une densité métrique de 90 g/m2

l'épaisseur de la feuille d'étanchéité est plus importante

la face intérieure est autoprotégée par un feuillard d'aluminium gaufré sur machine en

ligne et adhéré par adjonction à chaud

la longueur est de 10 mètres au lieu de 20 et le poids 40 kg au lieu de 36

I.3.3. La chape monocouche modifiée aux SBS :

Le bitume distillé (dit aussi direct) est pompé des réservoirs de stockage vers les

mélangeurs verticaux où sa température est portée jusqu'à 180 à 185 °C par le biais des petites

pompes de recirculation d'huile de chaufferie. Il est fortement conseillé de faire attention au

contrôle de la température de mélangeage puisqu'un échauffement excessif risque facilement

d'entraîner une vulcanisation du SBS, et conséquemment une solidification du compound.

La quantité d'adjuvant élastomérique SBS prescrite par le chef de production est rajoutée

au bitume à l'aide d'un monte-charge tout en mettant en marche le moteur d'agitation en première

vitesse de manière à éviter toute formation de caillot de SBS.

Une fois que tout l'adjuvant ait été chargé dans le mélangeur, la deuxième vitesse de

rotation du moteur est enclenchée. La durée de mélangeage est de 70 à 75 minutes.

Après une analyse de la dispersion au laboratoire par microscopie à la fluorescence, ainsi

que des principales caractéristiques du mélange, le compound est transféré vers les mélangeurs

horizontaux où du filler lui est additionné et mélangé pendant une dizaine de minutes. Le

compound ainsi préparé est alors pompé vers le bac d'imprégnation. L'armature qui peut être du

voile de verre 50 g/m2 ou du non-tissé de polyester de 180 g/m2 (ou d'autres grammages à la

demande du client) selon le produit fabriqué est imprégnée ensuite chargée de bitume modifié

selon l'épaisseur voulue.

Page 102: Reiki Zahi A

Annexe 2014

I.3.4. La chape monocouche modifiée aux APP/IPP :

Le bitume distillé est pompé des réservoirs de stockage vers les mélangeurs verticaux où

sa température est portée jusqu'à 190 °C par le biais des pompes de recirculation d'huile de

chaufferie. La quantité de plastomères APP/IPP prescrite par le chef de production est rajoutée au

bitume à l'aide d'un monte-charge tout en mettant en marche le moteur d'agitation en première

vitesse de manière à éviter toute formation de caillot de polymères. Une fois que tout l'adjuvant

ait été chargé dans le mélangeur, la deuxième vitesse de rotation du moteur est enclenchée. La

durée de mélangeage est de l'ordre de deux heures à deux heures et demie.

Après une analyse de la dispersion au laboratoire par microscopie à la fluorescence, ainsi

que des principales caractéristiques du mélange, le compound est transféré vers les mélangeurs

horizontaux où du filler lui est additionné et mélangé pendant une dizaine de minutes. Le

compound ainsi préparé est alors pompé vers le bac d'imprégnation. L'armature qui peut être du

voile de verre 50 g/m2 ou du non-tissé de polyester de 180 g/m2 (ou d'autres grammages à la

demande du client) Selon le produit fabriqué est imprégnée, ensuite chargée de bitume modifié

selon l'épaisseur voulue.

I. 3.5 .La chape bi armée :

La chape bi armée est une chape similaire à la chape monocouche modifiée aux APP/IPP

décrite précédemment sauf que l'armature est constituée d'un vecteur de voile de verre de densité

50 g/m2 accouplé à un vecteur de non tissé de polyester de densité 180 g/m2.

L'utilisation de deux types de vecteurs permet de conjuguer les qualités des deux types de

vecteurs, nommément, la stabilité dimensionnelle conférée par le voile de verre et la souplesse et

l'élasticité conférée par le non tissé de polyester.

Il est bien évident que des armatures d'autres grammages de non tissé de polyester

peuvent être produites à la demande du client.

Page 103: Reiki Zahi A

Annexe 2014

I.3.6. Spécifications standard du voile de verre :

I. 3.7. Spécifications standard du non tissé de polyester :

Le tableau ci-dessous résume la spécification standard des armatures en non tissé de

polyester requises pour le renforcement des feuilles et membranes d'étanchéité.

CARACTERISTIQUES Unité 120 180 220

Densité métrique g/m2 140 170 200

Epaisseur mils 40 45 55

Rétrécissement maximal à 200°C

• longitudinal % 1 1 1

• transversal % 0 0 0

Force de traction maximale

• longitudinal N/cm 365 450 550

CARACTERISTIQUES Unité 50 60 , 90

Fibre de verre

• Teneur moyenne % 70 70 70

• Type C C C

• Classe hydrolytique 3 3 3

• Diamètre moyen de fibre microns 13 ± 1 13 ± 1 13 ± 1

Liant (résine mélamine)

• Teneur maximale % 30 30 30

• Température maximale ° C 200 200 200

Poids nominal

• Poids moyen g/m2 50 60 90

• Poids minimum g/m2 47 55 85

• Fils de renfort mm < 30 < 30 < 30

Résistance à la traction

• Longitudinale N/5cm > 180 > 200 > 260

• Transversale N/5cm > 120 > 140 > 180

Page 104: Reiki Zahi A

Annexe 2014

• transversal N/cm 250 280 365

Elongation maximale

• longitudinal % 35 35 35

• transversal % 35 35 35

Résistance à la déchirure

• longitudinal N 22 24 28

• transversal N 33 40 41

Elongation relative maximale % 5 4 3

Dimensions de bobines type

Largeur cm 101.6 101.6 101.6

Diamètre cm 123 123 123

Longueur m 1 200 850 800

I.3.9. Spécifications standard du feuillard d'aluminium :

Le tableau ci-dessous résume la spécification standard des feuillards d’aluminiums requis

pour l'autoprotection des feuilles et membranes d'étanchéité.

Caractéristiques Unité Valeur

Nuance 1050 A ou 1200 A

Teneur en Aluminium 99.92 %

Epaisseur du feuillard microns 80

Largeur du feuillard Mm 920 à 950

Diamètre intérieur du mandrin Mm 70

Diamètre extérieur de la bobine Cm < 80

Poids moyen de la bobine Kg 450 à 500

Page 105: Reiki Zahi A

Références 2014

Références

Chapitre I :

I.1. Généralité et notions sur le bitume :

Bitume info : GPB :le groupement professionnel des bitumes

Remie D. Froyer G. Introduction aux matériaux polymères. Tech

&doc/Lavoisier.1997.

I.2. Bitume oxydé :

Rapport d’études/Benchmark stockage en raffinerie/Maitrise du vieillissement des

installations industrielles

I.3.Les polymères :

Sur site internet : http://www.spirit-science.fr - France

Chapitre II :

II. Modification de bitume :

La Rhéologie des Bitumes : Principes et Modification /Didier Lesueur /Eurovia

Management - Polo de Emulsiones Probisa - Pol. Ind. “Las Arenas” - c/ Ronda, 9 -

28320 Pinto (Madrid) /email : [email protected] /Reçu le 20 juin 2002

– Version finale acceptée le 19 septembre 2002

Ababsa M, 2006.Valorisation des mélanges bitume-polymère par le procédé de la

pyrolyse.Thèse de magister, CU Larbi Ben M’hidi Oum Elbaouaghi, p 3-11. Haidar H.

et Akli Y, 2007.Influence de la granularité du polymère dans la modification

desbitumes, projet de fin d’études, USTHB FGC.

Sinan Hinishoglu, Emine Agar, 2003. use of waste high density polyethylene as

bitumen modifier in asphalt concrete mix. Ataturk University & Istanbul Technical

University, turkey.

Annexe: Manuel opératoire de Raffinerie(Zone10), Manuel opératoire de Spa Etanchal