Les liants hydrocarbonés:des bitumes purs aux liants modifiés et

bitumes spéciaux

Notions et outils pour la

École de technologie supérieure - novembre 2003

(Bitume Québec – ENPC)

Gaétan Leclerc, M.Sc., chimiste

Notions et outils pour la sélection des bitumes PG

Sommaire

� Introduction� Notions préliminaires ����

� Facteurs de sélection des bitumes� Facteurs de sélection des bitumes� Outils de sélection� Conclusion

Schéma simplifié de la distillation

Col

onne

de

dist

illat

ion

atm

osph

ériq

ue

propane, butane

essence

kérosène

Brut

Col

onne

de

dist

illat

ion

atm

osph

ériq

ue

fuel

gas-oil

résidu de première distillation C

olon

ne d

e di

still

atio

n so

us v

ide huiles

lubrifiants

divers

Bitume

Analyse élémentairede quatre bitumes

A B C DCarbone, % 83,77 85,78 82,90 86,77Hydrogène, % 9,91 10,19 10,45 10,93Hydrogène, % 9,91 10,19 10,45 10,93Azote, % 0,28 0,26 0,78 1,10Soufre, % 5,25 3,41 5,43 0,99Oxygène, % 0,77 0,36 0,29 0,20Vanadium, ppm 180 7 1380 4Nickel, ppm 22 0,4 109 6

Producteurs québécois� 2 entreprises qui raffinent le brut pour en

faire du bitume:- Petro-Canada- Shell- Shell

� 5 entreprises spécialisées dans la modification du bitume:- Bitumar, Kildair, McAsphalt - STEB, Construction DJL

Définition PG H-L

� PG : Classe de performance� H : Température limite (˚C) au-dessus de

laquelle le bitume est susceptible de présenter des phénomènes de présenter des phénomènes de déformation irréversibles

� L : Température limite (˚C) au-dessous de laquelle le bitume est susceptible de se fissurer par retrait thermique

Bonds de 6˚C

Classification Superpave PG H-L� Exigences basées sur des essais de

performance aux températures de services à différentes étapes de vieillissement visant à prévoir l’aptitude d’un bitume à rendre un enrobé résistant aux déformations enrobé résistant aux déformations permanentes et aux fissurations.

� Nous assure que les bitumes de même PG de fournisseurs différents auront des propriétés rhéologiques semblables peu importe le procédé de fabrication.

Classification Superpave PG H-L (suite)

� Pas d’essais visant à évaluer l’aptitude d’un bitume à adhérer de façon durable à la surface d’un granulat. (Le brut utilisé et le procédé de fabrication employé influencent procédé de fabrication employé influencent grandement l’adhésivité des bitumes).

Production et modification des bitumes

� Idéalement …� Sélection des meilleurs

bruts asphaltiques� Vocation de produire des

� Dans la pratique …� Optimisation pour la

production d’hydrocarbures légers avec de faibles � Vocation de produire des

bitumes de base pour le marché du Québec

� Utiliser des procédés ou des adjuvants qui améliorent les propriétés rhéologiques sans réduire les propriétés adhésives

légers avec de faibles teneurs en soufre

� L’ajout de composants oxydés, de correcteurs à base d’huile usée, ou d’acide polyphosphorique, est d’usage courant.La modération a bien meilleur goût.

Exemple d’un cas d’abus (été 2005)

� PG 58-34 : bitume modifié par l’ajout de polymères (SBS + soufre) et d’un correcteur à base d’huile usée

Ajout de 8 à 10 % � Te : 58,1 ˚C� Tb : -34,1 ˚C� Teneur en cendres : 1,1 %� Zinc : 364 mg/kg, Phosphore : 413 mg/kg,

Aluminium : 268 mg/kg, Pb : 16 mg/kg

Ajout de 8 à 10 % de correcteur à based’huile usée

Effet d’un correcteur à base d’huile usée sur un bitume Styrelf 13 (1995)

� Te : 68,5 à 64,2 ˚C� Tb : -31,8 à -35,2 ˚C� PG : 64-28 à 64-34

Styrelf 13� TBA : 53,2 à 49,6 ˚C� PEN : 74 à 108 dmm� Cendres : 0,17 à 0,54 %� Enr. Rés. : >80 à <50 %

(LC 25-009)

Styrelf 13

Styrelf 13 + 5%

Sommaire

� Introduction� Notions préliminaires� Facteurs de sélection des bitumes ����� Facteurs de sélection des bitumes ����

� Outils de sélection� Conclusion

Facteurs à considérer pour la sélection d’un bitume PG H-L

� Conditions environnementales� T maximale et T minimale

� Sollicitations de la chausséeDJMA, ÉCAS, vitesse, % véhicules lourds� DJMA, ÉCAS, vitesse, % véhicules lourds

� Catégories de travaux� Construction et reconstruction vs resurfaçage

� Types d’enrobés� Base vs surface; texture de surface ouverte vs fermée

� Prix des PG

Conditions climatiques50

54

30

34PG 58-34 (confiance de 98 % min.)PG 52-28 (confiance de 50 % min.)

0 10 20 30 40 50 60-10-20-30-40 70

-24-30

ÉtéHiver

LTPPBIND v2.1

Température maximale vs profondeur(St-Hyacinthe) selon LTPP bind 2.1

66,2

61,3

58

64

70

76

Tem

péra

ture

(˚C

)

ECAS >30 M

ECAS >30 M + lent

∆∆∆∆T≈≈≈≈ 1 PG

54,2

40

46

52

58

0 25 50 75 100 125 150 175

Profondeur (mm)

Tem

péra

ture

(˚C

)

ECAS <3 M

3M <ECAS <30 M

ECAS >30 M

51,8˚C à 20 mm

Température minimale vs profondeur(St-Hyacinthe) selon LTPP bind 2.1

-26

-24

-22

0 25 50 75 100 125 150 175

Tem

péra

ture

(˚C

)

- Calculées à partir de 42 années de

∆∆∆∆T≈≈≈≈ 1 PG

-29,8

-34

-32

-30

-28

Profondeur (mm)

Tem

péra

ture

(˚C

)

- Calculées à partir de 42 années dedonnées météo se terminant en 1979

- La Tb des bitumes modifiés par élastomères est conservatrice (Tb BBR vs Tcr BBR+DTT)

- La température de transition vitreuse et lescoefficients de contraction thermique des bitumesmodifiés par l’ajout de composants oxydés sont faibles(Kamel et Bahia)

DT Est-de-la-Montérégie (PG H-28)

Station météo % conf. Station météo % conf.St-Hubert 96 Sorel 83

St-Bruno 94 Fleury 78

Verchères 95 St-Nazaire d’Acton 67

Ste-Madeleine 86 Warden 65

�Niveau de confiance moyen des stations météo d’une zone doit être ≥ 90%.

�Niveaux de confiance des stations météo d’uneSte-Madeleine 86 Warden 65

St-Hyacinthe 93 Brome 72

St-Hyacinthe 2 85 Abercorn 48

Philipsburg 93

Granby 96

Sutton Jonction 95

Sutton 92

Le niveau de confiancepour un PG H-34 est de97% à Abercorn

�Niveaux de confiance des stations météo d’unezone doivent être ≥ 80 % tout en permettant d’éviter l’effet « trou de beigne » dans la mesuredu possible.

�Utiliser des frontières facilement identifiables.

Fissures transversales

Discrimination de la classe de performance du bitume en fonction des couches

(Quiz Vrai ou Faux?)

� La quantité d’eau et les contraintes subies par l’enrobé sont maximales à la surface ?

� Les enrobés fabriqués avec des bitumes plus rigides

V� Les enrobés fabriqués avec des bitumes plus rigides

auraient une meilleure tenue à l’eau ?� Pour une valeur L appropriée au climat, un bitume

de faible G* (H plus petit) a un meilleur ratio bénéfice/coût en ce qui concerne les fissurations de fatigue et de retrait thermique ?

V

V

Suite du Quiz…

� Les enrobés de base s’oxydent moins rapidement que les enrobés de surface?

� Les enrobés de base restent en place beaucoup plus longtemps que les couches d’usure?

� En théorie, un enrobé X fabriqué avec un PG 58-34

V

V

� En théorie, un enrobé X fabriqué avec un PG 58-34 résiste autant aux charge à 58˚C que ce même enrobé fabriqué avec un PG 64-34 et testé à 64˚C ?

� Les caractéristiques des granulats comptent beaucoup plus que celles du bitume en ce qui concerne la résistance d’un enrobé aux déformations permanentes ?

V

V

Effet de la charge et de la vitesse du trafic sur la sélection des bitumes

� Problématique� La vitesse d’oscillation du DSR est de 10 rad/s (1,59 Hz)

ce qui représente un trafic roulant à 90 km/h� Qu’arrive-t-il si le trafic circule à plus basse vitesse ?

� Solution : Usage d’un bitume à plus haut module� Lent : augmente la T élevée d’une classe� Stationnaire : augmente la T élevée de deux classes

(la température basse reste la même)

90 km/h0 km/h+ 12 ˚C

30 km/h+ 6 ˚C

PG H des couches selon LTPPBIND(accroissement de 3%)

Rte ÉCAS

Z 1 annuel PGh slow PGh fast PGh slow PGh fast

A 20 St-Hya 42000 2270000 70 64 70 64

A 440 Laval 89667 530500 64 58 64 58

Couche de baseVil le DJMA

Couche de surface

A 13 Montréal 97500 930000 64 58 64 58

A 40 Pte-Claire 100000 929500 64 58 64 58

A 40 Anjou 100000 950000 70 64 64 58

A 15 Mtl-Laval 162000 880000 64 58 64 58

Niveau de confiance de 98% à 20 mm sous la surface ou 70 mm sous la surface (base)

ÉCAS cumulatif de 45,4 millions sur 20 ans(> 3 millions : + 6˚C ; > 30 millions : +12˚C)

Texture de surface de l’enrobé

� Sécurité des usagés et durabilité de l’enrobé� Vitesse des véhicules� Conditions de circulationConditions de circulation

� zone départ-arrêt� carrefour giratoire� sortie d’un parc industriel

Les enrobés grenus requièrent l’usage de PG 70-28 ou 64-34

Prix des PG H-L en 2005

350

400

450

$ /

tonn

e m

étriq

ue 58-28

58-34

200

250

300

MaiJu

inJu

il.Aoû

tSep

t.Oct.Nov

.

$ /

tonn

e m

étriq

ue

64-28

64-34

70-28

58-40

Différentiel de coûts (Autoroute 73 DTCA)

Enrobé PG

Tonnageenrobé

Bitume%

Tonnagebitume

Prix du bitume

Coût du bitume

ESG-1064-34

8540 5,20 444,1 314 139447

EB-20 19330 4,20 811,9 273 221649EB-2058-34

19330 4,20 811,9 273 221649

Coût du bitume selon les tableaux actuels 361096

EB-2064-34

19330 4,20 811,9 314 254937

Coût du bitume selon les anciens tableaux 394384

Économie de 33 288 $ CAN

Sommaire

� Introduction� Notions préliminaires� Facteurs de sélection des bitumes� Facteurs de sélection des bitumes� Outils de sélection ����

� Conclusion

Frontières des zones climatiques

Constructions neuvesResurfaçage

De mes tableaux

www.mtq.gouv.qc.ca/fr/reseau/materiaux/fiches.asp

Conclusions

� Le choix d’un bitume n’est pas toujours simple car plusieurs facteurs doivent être pris en considération.

� Les cartes des zones climatiques et les tableaux de recommandations sur le choix tableaux de recommandations sur le choix des composants intègrent plusieurs facteurs et facilitent le travail des concepteurs.

� La construction ou la réfection de chaussées souples sécuritaires, durables et économiques est possible en s’inspirant de ces tableaux.

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