Bitume


Bitume
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Le bitume est une substance composée d'un mélange d'hydrocarbures, très visqueuse (voire solide) à la température ambiante et de couleur noire. Connu depuis la plus haute Antiquité sous forme naturelle, il provient, de nos jours, presque exclusivement de la distillation des pétroles bruts.

Dans le langage courant, on le confond souvent avec le goudron d'origine houillère, ou avec l'asphalte dont il n'est qu'un composant.

Plus généralement, le bitume désigne tout mélange d'hydrocarbures extraits du pétrole par fractionnement qui, sous forme pâteuse ou solide, est liquéfiable à chaud et adhère sur les supports sur lesquels on l'applique.

Morceaux de bitume provenant d'un gisement naturel en bordure de la mer Morte

Sommaire

Histoire

Quelques uns des 14 169 fûts de bitume de Trinidad débarqués à Brisbane (Australie) par le navire Larchbank, en 1938

De l'Antiquité à la révolution industrielle

Il était connu à cette époque, pour cet usage (étanchéité), sous le nom de « bitume de Judée » notamment des Égyptiens, Hébreux et Sumériens car il existait à l'état naturel sur les bords de la mer Morte (mais aussi de la mer Caspienne). Il avait déjà de multiples emplois :

En 1627, une lettre patente autorisa son exploitation commerciale à Pechelbronn, en Alsace, d'une source qui produisait une « huile de pierre » réputée pour ses propriétés thérapeutiques. En 1741 fut constituée la première société pétrolière de l'histoire, pour exploiter à côté de la source une veine de sable bitumineux dont on tirait une graisse apte à remplacer le « vieux oing » et le suif. Le roi Louis XV, conscient de l'intérêt de cette exploitation, la confia par lettre patente du 5 août 1772 à un certain Le Bel. Cette société créera Antar en 1927.

De nos jours

En construction routière, il sert de liant pour la réalisation de matériaux enrobés à chaud, tels que les bétons bitumineux ou les graves bitumes. Il entre également dans la fabrication d'enduits superficiels sous forme d'émulsion ou bien fluidifié par un solvant.

Typologie

Affleurement bitumeux du Puy de la Poix, Clermont-Ferrand, France

Bitume naturel

Bitume naturel d'extraction de carrière

Le bitume existe à l’état naturel sous forme de résidu d’anciens gisements de pétrole dont les éléments les plus légers ont été éliminés au cours du temps par une sorte de distillation naturelle, les éléments légers étant très volatiles à température ambiante. Extraits soit à ciel ouvert, les gisements se présentent alors comme de véritables lacs. Le bitume peut aussi se présenter sous forme de filons en sous-sol. Le plus connu de ces bitumes naturels est le bitume de Trinidad qui relève du premier type de gisement.

La production mondiale est très faible puisqu’elle ne dépasse pas 200 000 t.

Les bitumes naturels ne sont guère utilisés que comme ajouts pour certaines utilisations particulières, compte tenu de leurs caractéristiques spécifiques (aptitude à être colorés, effet stabilisateur pour les asphaltes coulés...).

  • Bitume de Trinidad épuré
Il est extrait par raffinage, il contient une partie minérale, sa masse volumique est voisine de 1,40 g/cm3, la pénétration à 25 °C est comprise entre 1 1/10 mm et 4 1/10 mm, et la température bille-anneau supérieure à 90 °C. (Le bitume « soluble » a une pénétration standard de 3 à 12 1/10 mm et une température bille-anneau comprise entre 68 et 78 °C).
  • Poudre de Trinidad 50/50
C'est un mélange composé de 50 % de bitume de Trinidad épuré et de 50 % de filler calcaire.
  • Gilsonite®
La Gilsonite est un hydrocarbure naturel, qui se présente sous forme de 0/2. La masse volumique est de 1,05 g/cm3, la pénétration standard est voisine de 0 (1/10 mm) et la température bille-anneau supérieure à 150 °C. Le dosage va de quelques pour cent à 10 % des granulats secs.

Bitume brut dérivé du pétrole

Les bruts à bitume sont des bruts lourds venant du Venezuela (Boscan, Bachaquero, Lagunillas et Tia Juana) ou du Moyen Orient (Safaniya (ou Arabe lourd) et Kuwait).

Ces bitumes comprennent les bitumes purs normalisés (norme NF EN 12591) et les bitumes spéciaux divisés en bitumes de grade « dur » (NF EN 13924) et en bitumes à susceptibilité améliorée.

Bitume fluidifié

Article détaillé : Bitume fluidifié.

Un bitume fluidifié, ou cut back, est un bitume dont on a réduit la viscosité en lui ajoutant un diluant assez volatil (du pétrole ou du kérosène par exemple).

Bitume fluxé

Article détaillé : Bitume fluxé.

Un bitume fluxé est un bitume dont la viscosité a été réduite par l'ajout d'une huile de fluxage.

Fabrication du bitume pur

Les bitumes purs sont fabriqués industriellement à partir de pétroles bruts d'où l'on extrait, au préalable, les fractions les plus légères. De la partie restante, constituée par des huiles visqueuses, on sépare un bitume de la dureté désirée. Certaines variétés sont préparées à partir d'une matière de charge craquée, d'autres sont obtenues par oxydation (soufflage).

Consommation de bitume

Environ 90 % du bitume produit dans le monde est utilisé pour la construction routière. Les consommations de bitume sont donc largement proportionnelles à l’importance des réseaux routiers, à leur développement et à la qualité de leur entretien. L’Amérique du Nord, avec son immense réseau, vient largement en tête, suivie de l’Europe, où la croissance des échanges commerciaux entraîne une forte demande de développement des infrastructures routières. En Asie, le bond en avant de l’économie chinoise dope la demande depuis plusieurs années.

Consommation de bitume dans le monde en 2006 (d’après European Asphalt Pavement Association (EAPA))

En Europe, les pays les plus gros consommateurs sont la France, l'Allemagne, l'Italie et l'Espagne. L'Allemagne est le pays qui consomme le plus de liants modifiés. Le tableau ci-dessous présente la consommation de bitume à usage routier en 2006[2].

Consommation de bitume à usage routier en Europe en 2006 (d’après European Asphalt Pavement Association (EAPA))
Pays Tonnage
2006 (Mt)
 % de bitume
modifié
Tonnage
d'émulsion
France 3 <10 1
Allemagne 2,41 23
Italie 1,9 11 0,081
Espagne 1,6 12,9 0,345
Turquie 1,56 2,2 0,015
Royaume-Uni 1,5 7 0,5
Pologne 1,45 15 0,078
Autriche 0,55 50 0,1
Suède 0,5 2 0,05
Portugal 0,46 4
République tchèque 0,45 19 0,02
Grèce 0,4 5 0,015
Pays-Bas 0,37 7 0,02
Finlande 0,29 1 0,01
Norvège 0,29 0,003
Irlande 0,27 10,2 0,02
Suisse 0,27 10
Hongrie 0,23 32,3 0,004
Belgique 0,22 20
Croatie 0,2 0 0,012
Danemark 0,17 5 0,02
Slovaquie 0,12 12
Estonie 0,08 0,002
Luxembourg 0,04
Islande 0,03

Structure physico-chimique

Représentation schématique des deux types de structures de bitumes.

Les bitumes sont des mélanges d'hydrocarbures à poids moléculaire élevé pouvant appartenir aux trois groupes suivants :

Le groupe oléfinique est rencontré dans certains bitumes craqués.

L’utilisation, comme solvant sélectif, d'un hydrocarbure léger en grand excès, permet de fractionner un bitume en deux parties[3] :

  • la partie dissoute — les maltènes — a l'aspect d'une huile visqueuse de couleur foncée ;
  • la fraction précipitée — les asphaltènes — est constituée par des corps de poids moléculaire très élevé se présentant sous la forme d'une substance solide et noirâtre.

Il n'y a pas de discontinuité entre maltènes et asphaltènes, le fractionnement obtenu dépendant du solvant employé. On a longtemps utilisé l'éther de pétrole, maintenant remplace par l’heptane normal.

On constate que les maltènes se comportent comme un fluide parfaitement visqueux (fluide newtonien). La présence des asphaltènes confère aux bitumes des propriétés caractéristiques de l'état colloïdal.

Les asphaltènes ont tendance à absorber la fraction aromatique la plus lourde des maltènes et forment ainsi des corpuscules complexes — les micelles — qui sont en suspension dans une phase continue formée par les maltènes de bas poids moléculaire.

Si les maltènes contiennent suffisamment d'aromatiques pour que les forces d'absorption des asphaltènes soient saturées, les micelles sont complètement mobiles au milieu de la phase dispersante : elles sont peptisées. La solution colloïdale est alors à l'état de "sol".

S'il n'y a pas suffisamment d'aromatiques, les micelles s'attirent mutuellement, deviennent moins mobiles et forment un réseau au milieu de la phase intermicellaire. Cette structure, qui confère au bitume des propriétés élastiques, est désignée sous le nom de "gel".

Soufflage des bitumes

Le bitume se présente comme un système colloïdal. Mais s'il y a suffisamment de molécules aromatiques dans la partie maltènes, les asphaltènes peuvent alors être floculés. Ce système peut être considéré comme un "gel" qui confère au bitume ses propriétés élastiques. C'est en particulier le cas des bitumes dits "soufflés" ou "oxydés".

Le bitume sorti tel quel des unités de raffinage est trop mou pour être utilisé pour les revêtements de toiture. Aussi pour le rendre plus dur, on procède à son soufflage. Le procédé est ni plus ni moins une déshydrogénation partielle et une polymérisation du bitume avec l'oxygène de l'air. L'alternative est de les additiver avec un polymère spécifique (cf. Bitume modifié)

En effet, en faisant passer l'air à travers le bitume sous haute température (240 à 260 °C), il y a déshydrogénation partielle et l'oxygène contenu dans l'air soufflé forme des ponts oxygène avec les chaînes hydrocarbonées et il se forme des réseaux tridimensionnels par polymérisation. La réaction est plus ou moins exothermique et la température dans la tour de soufflage ne dépasse jamais 300 °C sous peine d'apparition du phénomène de "craquage". La dureté du bitume obtenue peut être contrôlée par le temps de passage de l'air, car plus il y a de ponts oxygène plus dur est le bitume.

Classification des bitumes

Les bitumes sont classifiés selon un essai de qualification. Les bitumes purs et les bitumes routiers durs sont classés à l'aide de l'essai de pénétrabilité à l'aiguille, les bitumes industriels durs et les bitumes oxydés avec l'essai de Point de ramollissement bille et anneau, les bitumes fluidifiés et les bitumes fluxés selon leur pseudoviscosité mesurée au viscosimètre.

Les domaines d'utilisation sont variables selon les pays. En Europe, la classification est la suivante[4] :

Type de bitume Norme Nature de l'essai de qualification nb Classes
Bitumes purs NF EN 12591[5] Pénétrabilité à l'aiguille à 25 °C 9 20-30 ; 30-45 ; 35-50 ; 40-60 ; 50-70 ; 70-100 ; 100-150 ; 160-220 ; 250-330
Pénétrabilité à l'aiguille à 15 °C[6] 4 250/330 ; 330/430 ; 500/650 ; 650/900
Viscosité cinématique à 60 °C[7] 4 V1500 ; V3000 ; V6000 ; V12000
Bitumes routiers durs NF EN 13924[8] Pénétrabilité à l'aiguille à 25 °C 2 10/20 ; 15/25.
Bitumes industriels durs NF EN 13305[8] Point de ramollissement bille et anneau 5 H80/90 ; H85/95 ; H90/100 ; H100/110 ; H155/165.
Bitumes oxydés NF EN 13304[8] Point de ramollissement bille et anneau 8 85/25 ; 85/40 ; 95/25 ; 95/35 ; 100/40 ; 105/35 ; 110/30 ; 115/15.
Bitumes fluidifiés XP T 65-002[8] Pseudo-viscosité à 25 °C 5 0–1 ; 10–15 ; 150–250 ; 400–600 ; 800–1 400.
Bitumes fluxés XP T 65-003[8] Pseudo-viscosité à 25 °C 6 0–1 ; 10–15 ; 150–250 ; 400–800 ; 800–1 600 ; 1 600–3 200.
Bitumes modifiés NF EN 14023[9] Pénétrabilité à l'aiguille à 25 °C 10 10-40 ; 25-55 ; 45-80 ; 40-100 ; 65-105 ; 75-130 ; 90-150 ; 120-200 ; 200-300.

Propriétés

Les qualités physiques et chimiques du bitume en ont fait un matériau de toute première importance.

Il possède un grand pouvoir agglomérant car il adhère à la majorité des matériaux usuels : pierre, béton, bois, métal, verre.

C'est un excellent isolant thermique et diélectrique.

Il est léger, ductile et souple. Du point de vue mécanique, il se comporte comme un matériau plastique ou élastique.

Il est insoluble dans l'eau, mais l'on peut en obtenir des solutions dans de nombreux solvants organiques. Il est pratiquement inerte vis-à-vis de la plupart des agents chimiques usuels.

Ses propriétés peu courantes et la complexité de sa composition ont d'abord conduit à introduire des essais empiriques destinés à repérer les différentes variétés obtenues, mais l'importance et la multiplicité des applications qui en sont faites ont ensuite amené producteurs et utilisateurs à l'étudier plus complètement.

Les moyens modernes d'investigation ont permis d'analyser l'influence de la composition sur les propriétés physiques et de s'orienter ainsi vers des qualités répondant mieux aux besoins des utilisateurs. L'étude des propriétés viscoélastiques a permis de comprendre la signification d'essais empiriques utilisés jusqu'alors et de les relier à des notions fondamentales. Elle a également permis le calcul du comportement mécanique des bitumes au même titre que celui des autres matériaux de construction, tels que le béton ou les métaux.

Utilisation

Stockage du bitume

On utilise pratiquement les bitumes ainsi préparés sous trois formes différentes :

  • telles quelles ;
  • sous forme de cut-backs : bitumes fluidifiés par addition de solvants volatiles ;
  • sous forme d'émulsion aqueuse ou émulsion de bitume.

La combinaison de ces divers procédés permet d'obtenir une gamme très étendue de produits pouvant répondre aux exigences variées d'utilisations très différentes.

Mélangé avec des éléments fins (comme le sable), il est utilisé comme produit d'étanchéité dans le bâtiment ou le génie civil.

Les caractéristiques physiques des bitumes sont généralement décrites par divers paramètres dont la température de ramollissement (la méthode bille-anneau ou la méthode Kraemer-Sarnow) et la dureté (méthode de la pénétration).

Tous les bitumes sont entièrement dissous par le sulfure de carbone.

Le bitume est transporté en mer sur les bitumiers.

Recherche et Développement

Depuis 2003, les entreprises routières proposent des techniques qui permettent de diminuer d'environ 50 °C la température à laquelle le bitume est utilisé, améliorant ainsi les conditions de manipulation par le personnel. Son principal avantage réside ainsi dans l'économie d'énergie et la réduction des émissions de fumées irritantes (principalement des COV (composés organiques volatils) et des aérosols de molécules hydrocarbonées plus lourdes) avec des économies de l'ordre de 10 à 20 % par rapport à une installation utilisant des techniques classiques. L'utilisation de ces techniques tièdes sur l'ensemble des infrastructures du territoire européen (estimé à 350 millions de tonnes de bitume par an) permettrait une économie de 700 000 tonnes de fioul chaque année, ce qui représente la consommation annuelle en chauffage d'une ville de 2,5 millions d'habitants (exemple de Paris). Sur le plan environnemental, ce serait une abstention d'émissions de 1,8 million de tonnes de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Toxicité, santé environnementale

Les bitumes sont classés par le CIRC en catégorie 3 (non cancérogène pour l'homme). Certains «extraits de bitume» sont classés 2B par le CIRC (cancérogènes «possibles») dans le cas de peintures et vernis bitumeux. En France, l'Afsset a annoncé une étude des risques liés à l’usage des bitumes sur la santé des travailleurs de la route. Cette annonce s'est faite peu après un procès opposant une société de travaux publics et la famille d'un ouvrier mort d'un cancer de la peau[10]. L'étude se basera sur un «recensement complet des données scientifiques existantes», et l'évaluation des risques dans le cadre d’une expertise transdisciplinaire «transparente et indépendante». Les études actuelles[11] menées par des organismes publics reconnus tels que le CIRC n’établissent pas de liens entre exposition au bitume ou à ses fumées et cancer. La médecine du travail française, l’INRS[12] (Institut National de Recherche et de Sécurité) et l’USIRF[13](Union des Syndicats de l'Industrie Routière Française) recommandent notamment aux travailleurs exposés :

  • « Le port de vêtements de protection (combinaisons, gants, et dans certains cas masque et lunettes) »[10];
  • « L’application de mesures d’hygiène élémentaires : disposer de vêtements propres, se laver les mains régulièrement, prendre une douche immédiatement après le travail »[10].

Liens internes

Notes et références

  1. Cf http://maison.niepce.museum
  2. Source : Données de European Asphalt Pavement Association(EAPA)
  3. Cf. The properties of Asphaltic Bitumen, J.Pfeiffer, Elsevier
  4. les dates des références normatives sont celles d'adoption de la norme européenne en la France
  5. Norme NF EN 12591 - Bitumes et liants bitumineux - Spécifications des bitumes routiers - Décembre 1999
  6. Contrairement aux bitumes testé à l’essai de pénétrabilité à l’aiguille à 25 °C, les bornes de chaque classe des bitumes mous testés à la pénétrabilité à l'aiguille à 15 °C, ne correspondent pas aux profondeurs mini et maxi d’enfoncement de l’aiguille. Les correspondances sont les suivantes : 250/330 : 70-130 ; 330/430 : 90-170  ; 500/650 : 140-260 ; 650/900 : 180-360
  7. Les classes sont représentées par la viscosité moyenne de chaque intervalle de viscosité. Les bornes de viscosité pour chaque classe sont ainsi les suivantes (exprimées en mm2/s) : V1500 : 1000-2000 ; : V3000 : 2000-4000 ; V6000 : 4000-8000 ; V12000 : 8000-16000
  8. a, b, c, d et e Norme FD T 65-000 - Liants hydrocarbonés - Classification - Décembre 2003
  9. Norme NF EN 14023 - Bitumes et liants bitumineux - Cadre de spécifications des bitumes modifiés par des polymères - mars 2006
  10. a, b et c Les travailleurs du bitume seront mieux protégés (Futura science)
  11. Asphalt Study [PDF]
  12. www.inrs.fr (INRS - Point des connaissances sur les bitumes) [PDF]
  13. USIRF - Dossier Santé/Bitume



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