Émulsions de bitume description formulation fabrication – S. LeBec

FORMATION TECHNIQUE 2012
UTILISATION DES LIANTS BITUMINEUX EN
CENTRALE ET CHANTIER
Les émulsions de bitume
Formulation et Fabrication selon leur usage
Sabine Le Bec
Eurovia Canada
4 et 5 décembre 2012
ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
CONTENU DE LA PRÉSENTATION
Composition des émulsions de bitume
Comment obtenir une émulsion de bitume ?
Les composants principaux
Les émulsifiants :
Structure / Rôle
Les bitumes
Sélection des bitumes : sur quels critères ?
Stabilité des émulsions selon l’usage
Formulation versus stabilité
Fabrication des émulsions de bitume
Volume et usage des émulsions
En développements…
COMPOSITION DES ÉMULSIONS DE BITUME
Les émulsions sont formées par deux liquides non miscibles : un des liquides se trouve sous forme
de gouttes dispersées dans le deuxième liquide
Les émulsions de bitume sont formées de gouttes de bitume dispersées dans une phase continue
aqueuse.
aqueuse
Par définition, les émulsions sont des systèmes instables à plus ou moins long terme.
Le bitume et l’eau peuvent former une émulsion sous action mécanique mais se sépare rapidement
quand le cisaillement s’arrête.
Energie mécanique + stabilisation chimique
Émulsion
Evacuation de l’eau + déstabilisation chimique
Rupture
(évaporation)
(contact des granulats)
COMPOSITION DES ÉMULSIONS DE BITUME
Phase liant
50 à 70% (typiquement 59 -62%)
Bitume pur
Bitume modifié par ajout de polymère
Eau
30 à 50%
Émulsifiants
0,2 à 2,5%
Solvant (parfois)
0 à 30%
Polymères
0 à 4%
Autres additifs : CaCl2, épaississant,…
Gouttes de bitume
1 à 10 υm
COMMENT OBTENIR UNE ÉMULSION DE BITUME ?
La surface de contact (à l’interface) est importante dans une émulsion de
bitume
Diamètre moyen : 2 à 7 µm
Sous effet mécanique, 1 gr de bitume peut former 10 milliards de gouttes
La surface totale à l’interface de 1gr de bitume est de 1 – 2m²
Deux ‘’énergies ’’ sont nécessaires pour stabiliser le bitume sous forme de
gouttes dans l’eau :
Énergie ‘’chimique’’
Créer une telle surface nécessite
Énergie mécanique
d’apporter une grande énergie mais cette
Fractionnement du bitume
énergie peut être réduite par ajout
Effort de cisaillement dans le
d‘émulsifiant qui vont être adsorbés à
moulin colloïdale
l’interface et réduire la tension de surface
et assurer la stabilité de l’émulsion
LES ACTEURS PRINCIPAUX
Les émulsifiants
Abaissement de la tension de surface (stabilité au stockage)
Diminution de la tension interfaciale entre les deux liquides : L’émulsifiant se place à l’interface entre la phase liant et la phase aqueuse
Stabilisation de l’émulsion de bitume lors de l’entreposage
Création d’un potentiel de répulsion entre les gouttes grâce aux charges électriques apportées par l’émulsifiant.
Prévient la coalescence et la fusion des gouttes de bitume
Le choix et la concentration de l’émulsifiant détermine le pouvoir répulsif et donc la stabilité de l’émulsion
Les émulsifiants recouvre la surface des gouttes
de bitume – les gouttes de bitume chargées
positivement se repoussent
équilibre
Emulsion cationique
pH < 4
R-NH2 + HCl
R-NH3+ + Cl -
-
Les émulsifiants recouvre la surface des gouttes
de bitume – les gouttes de bitume chargées
négativement se repoussent
-
Emulsion anionique :
pH > 10
-
-
-
-
R-COO- + Na+ + H2O
-
-
R-COOH + NaOH
équilibre
-
LES ACTEURS PRINCIPAUX
Les émulsifiants participent à la rupture et l’adhésivité bitume / granulats
Le granulat est le facteur principal d’instabilité de l’émulsion
Il détermine en grande partie le processus de rupture, d’enrobage et de montée en cohésion
Dans le cas des procédés d’enrobage, il est nécessaire de tenir compte de la nature chimique des
granulats
Adsorption des émulsifiants sur les surfaces minérales
Changement de pH du milieu (le granulat ‘’consomme des ions de la phase aqueuse et modifie
le pH)
Absorption de l’eau par le granulat
Contact émulsion –
granulats
Adsorption des TA
Le pH augmente
L’augmentation
de pH entraine la
floculation
Coalescence /
enrobage
LES ACTEURS PRINCIPAUX
Les bitumes : Quels sont les critères de sélection des bitumes pour émulsions ?
Une bitume Émulsionnable est un bitume qui présente naturellement ou artificiellement les caractéristiques pour la
mise en émulsion anionique ou cationique
Le bitume doit être de qualité
La catégorie de l’émulsion doit être précisée, i.e.
Cationique ou anionique
On devrait connaître
La teneur en sel pour contrôler des variations de viscosité et l’instabilité des émulsions
Un indice d’acide connu (utile pour certaines applications)
Sa teneur en asphaltènes
Son mode d’élaboration (PPA, rectifié, etc….)
Grade du bitume selon l’usage
Il est conforme à la norme MTQ 4101 / AASHTO M320
Le choix du grade du bitume dans l’émulsion se fait en fonction des spécifications requises sur le bitume
résiduel (MTQ 4105, ASTM D977, ASTM D2397, AASHTO M316)
40-90 et 150 – 200 dmm ( PG 52-34, PG 58-28 et PG 64-22) sont des grades de bitumes couramment utilisés dans les émulsions
Les bitumes durs sont généralement plus difficiles à mettre en émulsion (problème de stabilité au stockage)
Constance des approvisionnements
La qualité du bitume pour émulsion doit être constante dans le temps. Toute modification du brut nécessite
d’ajuster la formulation de l’émulsion et particulièrement la nature et/ou le dosage des émulsifiants pour éviter :
Instabilité de l’émulsion
Variation des viscosités
Défaut d’adhésivité
LES ACTEURS PRINCIPAUX
Les bitumes
On distingue deux grandes familles :
Les bruts riches en asphaltènes et contenants des acides naphténiques qui leur confèrent une acidité marquée, fort
appréciée lors de l’utilisation d’émulsion pour enrobés coulés à froid.
Montée en cohésion rapide des bitumes dits ‘’naphténiques’’
Indice d’acide de l’ordre de 3 – 4 mg KOH / g
Les bruts plus pauvres en asphaltènes qui ne ne renferment pas ou peu de produits acides ou basiques
Ils sont communément appelés des bitumes ‘’paraffiniques’’
Ces bitumes peuvent être additivés pour s’approcher des caractéristiques de montée en cohésion des bitumes
paraffiniques.
Indice d’acide de l’ordre de 0 à 1 mg KOH / g
Les teneurs en sels dépendent du procédés de raffinage et particulièrement du process de dessalage
L’incidence de paramètres du bitume fait encore
l’objet de projets de recherche
STABILITÉ DES ÉMULSIONS
La fabrication d’émulsion routière de bitume n’est pas un objectif final mais une
technique pour utiliser un liant visqueux sous forme fluide.
L’émulsion routière est un produit transitoire, elle doit :
•
•
•
Avoir une durée de vie supérieure aux délais prévisibles d’emploi
Conserver ses propriétés constantes au cours de sa durée de vie
Rompre de façon homogène au contact des granulats, le bitume doit reprendre son
rôle adhésif et cohésif : Émulsion à rupture rapide
•
Émulsion à rupture semi-rapide
•
Émulsion à rupture lente
•
Émulsion surstabilisée
La stabilité de l’émulsion est le paramètre critique et primordiale à contrôler :
Teneur en TA
Qualité des bitumes
Constance des approvisionnements
STABILITÉ DES ÉMULSIONS SELON L’USAGE
La stabilité de l’émulsion est obtenu grâce au choix de l’émulsifiant
Par la nature de l’émulsifiant : dicté par le fournisseur qui détiennent les formules des TA
Par les dosages préconisés par les fournisseurs et ajustables selon l’usage par le producteur d’émulsion
1,8 à 3,0
pH 2 à 4
Répandage
2,3 à 3,0
pH 2 à 4
•
•
•
RS rompe rapidement au contact
des granulats Propre et de faible
surface spécifique : Enduit
superficiel / CA
1,5 à 2,5
pH 2 à 3
MS rompe plus lentement que les
CRS, peuvent Être malaxés avec
des granulats de surface
spécifique plus élevée (OGM)
2,2 à 4
pH 2 à 4
SS rompe plus lentement au
contact des granulats : enrobage
2,2 à 2,5
pH 2 à 4
Rapide (RS)
Semi-rapide (MS)
Prétraitement
Lente (SS)
8 à 15
pH 2 à 5
10 à 20
pH 2 à 4
Pénétration
Enrobage
Surstabilisée
FORMULATION VERSUS STABILITÉ
•
Mécanismes de rupture de mieux en mieux connus mais reste compliqué car fait intervenir des phénomènes d’interfaces
•
Cinétiques encore peu connus
•
En conséquence, cette connaissance, si elle permet à postériori d’expliquer le choix de telle ou telle formulation, ne peut
permettre de formuler à priori.
•
Il est nécessaire d’adapter la formule de l’émulsion en fonction des granulats disponibles localement, en fonction des qualités
des bitumes disponibles (tout changement de bitume sans adaptation peut amener à des émulsions instables
Savoir-faire
Qualité des matières premières
Savoir
Formulation
Usage
Viscosité
Stabilité à l’entreposage
Vitesse de rupture
COMMENT OBTENIR UNE ÉMULSION DE BITUME ?
La surface de contact (à l’interface) est importante dans une émulsion de
bitume
Diamètre moyen : 2 à 7 µm
Sous effet mécanique, 1 gr de bitume peut former 10 milliards de gouttes
La surface totale à l’interface de 1gr de bitume est de 1 – 2m²
Deux ‘’énergies ’’ sont nécessaires pour stabiliser le bitume sous forme de
gouttes dans l’eau :
Énergie ‘’chimique’’
Créer une telle surface nécessite
Énergie mécanique
d’apporter une grande énergie mais cette
Fractionnement du bitume
énergie peut être réduite par ajout
Effort de cisaillement dans le
d‘émulsifiant qui vont être adsorbés à
moulin colloïdale
l’interface et réduire la tension de surface
et assurer la stabilité de l’émulsion
FABRICATION DES ÉMULSIONS DE BITUME
FORCES PHYSIQUES
= MOULIN COLLOÏDAL
d) Émulsion
b) Le bitume est
pompé vers le
moulin
c) Rotor et stator
cisaillent le bitume
en fines gouttes
a) Phase aqueuse
pompée vers le moulin
Stator / rotor
FABRICATION DES ÉMULSIONS DE BITUME
émulsifiant
Acide
base
Additif
CaCl2
épaissisants
latex
bitume
Cuve
phase
aqueuse
Moulin
colloïdal
Arrivée
d’eau
FABRICATION DES ÉMULSIONS DE BITUME
La taille des gouttes est influencée par les conditions de fabrication et la
chimie
-
Type de moulin, entrefer, débit, taux de cisaillement, températures
Chimie des bitumes, chimie et dosages des émulsifiants
Diamètres varie de 0,1 à 20 microns
La distribution de tailles affecte les propriétés des émulsions :
-
Distribution étroite et diamètre petit augmente généralement la viscosité des émulsions et
la stabilité au stockage
FABRICATION DES ÉMULSIONS DE BITUME
70
Viscosité (sec)
60
50
Résultats:
Augmentation de la viscosité et
diminution des tailles de particules
logique avec l’augmentation des
vitesses de cisaillement.
On imagine l’intérêt de pouvoir
choisir la viscosité par le seul
biais de la granulométrie et donc
des conditions de fabrication.
40
30
20
10
0
20
25
30
35
40
45
50
Vitesse périphérique du moulin (m/s)
On a la possibilité de garder
constante la composition chimique,
donc les approvisionnements en
matières Premières et les recettes de
fabrication
On ne change que les conditions
mécaniques.
8
7
D50 (um)
6
5
4
3
2
20
25
30
35
40
Vitesse périphérique du moulin (m/s)
45
50
FABRICATION DES ÉMULSIONS DE BITUME
On distingue trois familles d’émulsion
- Les émulsions de bitume pur
Mise en émulsion d’un bitume de grade PG 58-28, PG 52-34 ou PG 64-22
- Les émulsions de bitume modifié
Mise en émulsion d’un bitume modifié, par ajout de polymère SB, SBS ou
EVA
- Les émulsions de bitume avec ajout de latex
Mélange d’une émulsion de bitume et d’un Latex
FABRICATION DES ÉMULSIONS DE BITUME
ÉMULSION DE BITUME PUR
Fluidifiant
fluxant
Bitume pur
Emulsifiant
Phase liant
Phase dispersée
Acide
Eau
Phase aqueuse
Phase dispersante
~ 130 – 150°C
~ 40 – 50°C
énergie mécanique
Turbine
~ 70 – 80°C
Emulsion
Base
FABRICATION DES ÉMULSIONS DE BITUME
ÉMULSION DE BITUME MODIFIÉ
Fluidifiant
fluxant
Bitume modifié
EVA - SBS
Acide
Emulsif
Phase liant
Phase dispersée
Phase aqueuse
Phase dispersante
viscosité élevée du liant
160 – 170°C
Pressurisation
1,5 – 2 bars
énergie mécanique
Eau
~ 45 – 55°C
Turbine
Échangeur de chaleur
Emulsion
Source : B. Eckmann, Eurovia
70 – 85°C
Base
FABRICATION DES ÉMULSIONS DE BITUME
ÉMULSION DE BITUME AVEC LATEX
fluidifiant
fluxant
Bitume pur
Emulsif
Eau
Phase liant
Phase dispersée
Phase aqueuse
Phase dispersante
~ 45 – 55°C
énergie mécanique
~ 130 – 150°C
Turbine
Emulsion
~ 70 – 80°C
Source : B. Eckmann, Eurovia
Acide
Emulsion
polymère
( latex )
FABRICATION DES ÉMULSIONS DE BITUME
EMULSION MODIFIEE avec ajout de latex
•
Latex = émulsion de :
- Caoutchouc naturel (anionique)
- Polychloroprène (anionique)
- SBR (anionique ou cationique)
•
Latex ajouté de préférence dans la phase dispersée
• ajout dans la cuve savon privilégié (ajustement du pH)
•
Particules de bitume + particules de polymère
Emulsion “biphasique”
•
Stabilité
compatibilité des charges
VOLUME ET USAGE DES ÉMULSIONS
Dernière enquête mondiale menée en 2010
(congrès mondial des émulsions)
À travers 100 pays, par les associations
professionnelles et les industries
La compilation du volume d’émulsion produite
est variable selon les pays
Production en 2009 : > 8 million MT
Pas de chiffres pour 2010 - 2011
Source : IBEF présenté ISAET 2012
VOLUME ET USAGE DES ÉMULSIONS
APPLICATION
Rapid setting
CRS-1
RS-1
CSS-1h
SS-1h
CSS-1p
SS-1p
X(1)
X(1)
X(1)
Émulsion d’imprégnation
X(1)
X(1)
Abat-poussière
X(1)
X(1)
Fog-seal
X (1)
X(1)
X
CRS-1p
RS-1p
CRS-2P
RS-2p
X
CRS-1h
RS-1h
CMS-2
MS-2
CMS-2h
MS-2h
Slow setting
CSS-1
SS-1
Émulsion d’accrochage
CRS-2
RS-2
Medium setting
X
Traitement de surface (enduit)
X(2)
X (2)
X(2)
X(2)
Cape – Seal (partie enduit)
X(2)
X(2)
X(2)
X(2)
Cape-Seal (partie ECF)
Sand-seal
X(2)
X
X(2)
Enrobés coulés à froid
Recyclage en place Type I, II et Type
III
CQS-1H
CQS-1HP
CQS-1HLM
X(2)
X(2)
X(2)
Recyclage en centrale
X(2)
X(2)
X(2)
X(2)
X(2)
Enrobé à froid pour couche de
roulement, en centrale
Enrobé à froid, stockabilité limitée
(OGM)
X(2)
X(2)
Enrobé à froid, stockabilité limitée
(DGM,)
X(2)
X(2)
X(2)
X(2)
X(2)
X(2)
X(2)
Enrobé à froid, stockabilité limitée
(cold patch)
(1) Dilué dans l’eau
(2) nécessite une étude de formulation (compatibilité avec les granulats sélectionnés
X(2)
(3) les émulsions HF ne sont pas présentées
EN DÉVELOPPEMENTS……
Les 20 dernières années ont vu des progrès
considérables dans la compréhension de la chimie qui
influence les performances des émulsions.
En conséquence, aujourd’hui, de plus en plus de
formulation d’émulsions peuvent être optimisées pour
atteindre des performances plutôt que simplement
chercher à atteindre les spécifications :
Emulsion d’accrochage propre et à rupture rapide
Nouveaux procédés
Nouvelles spécifications et recommandations
Enrobés pour couche de roulement à froid
Optimisation des paramètres des fabrication pour
optimiser les performances des émulsions en ajustant la
distribution des tailles des particules.
Amélioration de l’empreinte écologique des émulsions
Utilisation de solvants plus écologiques
Émulsion à pH neutre, moins sensibles aux changement
de pH du milieu
Augmentation du nombre de carrières utilisables