Mélange par ultrasons des régénérants pour enrobés bitumineux
Les produits de réhabilitation et de régénération des enrobés bitumineux permettent de recycler les chaussées existantes en appliquant des agents régénérants au matériau de construction. Les disperseurs à ultrasons constituent une technique puissante pour incorporer des nanoparticules et des nanogouttelettes dans les émulsions d’enrobé et de bitume. Les ultrasons de puissance servent à fabriquer des additifs hautement performants pour des chaussées durables à long terme.
Réhabilitation des enrobés bitumineux
Un enrobé bitumineux altéré par les intempéries, desséché, vieilli et fissuré a perdu ses huiles de goudron d’origine et subi des dommages dus à l’oxydation, entraînant l’apparition de fissures, de nids-de-poule et d’ornières dans les traces de roues. Compte tenu des quantités considérables d’enrobé utilisées dans la construction, la réhabilitation et la régénération des chaussées et autres structures en enrobé constituent un secteur important, qui contribue à économiser les ressources et à réduire les dépenses.
Les structures existantes en enrobé, endommagées par les intempéries, le vieillissement et les charges du trafic, peuvent être réhabilitées et régénérées par l’application de traitements de scellement par pulvérisation d’émulsion, de coulis bitumineux, d’enduits superficiels gravillonnés, de traitements de scellement par brossage, de traitements combinés de type cape seal et d’autres régénérants pour enrobés. Ces formulations de scellement consistent en un mélange d’eau, d’émulsion bitumineuse, de granulats (petits graviers, également appelés gravillons), de polymères et de nanoadditifs.
Les chaussées en enrobé modifié contenant certaines nanoparticules de renforcement présentent des propriétés thermiques, électriques et mécaniques recherchées, qui améliorent leurs fonctionnalités. Pour réduire le coût du liant bitumineux et de l’entretien routier tout en améliorant leur compatibilité environnementale, des technologies alternatives, telles que les additifs mélangés et fonctionnalisés par ultrasons et les nouvelles formulations composites d’enrobé capables de s’autoréparer, sont essentielles à la préservation et au renouvellement des chaussées existantes à l’avenir.
Production par ultrasons d’additifs pour émulsions bitumineuses
Une émulsion bitumineuse comprend trois composants principaux : le bitume, l’eau et un tensioactif émulsifiant. Dispersion stable de gouttelettes de liant bitumineux dans l’eau, elle peut être pompée, stockée et mélangée à des granulats. Une émulsion doit « rompre » rapidement au contact des granulats, lors du mélange ou après pulvérisation. La rupture correspond à la séparation de l’eau et du bitume. Lorsque l’eau s’est évaporée, l’émulsion a « pris ». Après la rupture, la maturation et la prise, le résidu bitumineux présente les propriétés d’adhérence, de durabilité et de résistance à l’eau du bitume de base d’origine.
L’émulsification par ultrasons permet de formuler des émulsions bitumineuses de haute qualité.
La technique d’émulsification par ultrasons est compatible avec de multiples formulations d’émulsifiants et de tensioactifs. Le choix de l’émulsifiant influe sur les caractéristiques de prise des émulsions bitumineuses, qui peuvent être à prise lente, moyenne ou rapide. Les additifs, modifiants, charges, fibres, caoutchoucs et autres ingrédients de la formulation peuvent être ajoutés à différentes étapes du processus de sonication – selon la formulation et les exigences de mélange des composés concernés.
UIP4000hdT – Mélangeur à ultrasons en ligne de 4000 watts
Classe d’émulsion
La classe d’une émulsion bitumineuse ou d’un régénérant pour enrobés est un facteur important qui détermine la vitesse de rupture (prise rapide, moyenne ou lente). Le type (ionique / non ionique) et la concentration des agents émulsifiants, ainsi que les caractéristiques de la formulation, telles que le rapport émulsion/solides, la porosité, la taille des particules et la distribution granulométrique, influencent le comportement de prise. Comme les paramètres d’émulsification par ultrasons peuvent être contrôlés avec précision, l’effet de la sonication sur l’émulsion peut être ajusté à la qualité d’enrobé recherchée. Que l’on vise des émulsions micrométriques, submicroniques ou nanométriques, le traitement par ultrasons permet de maîtriser entièrement les paramètres du procédé.
Rhéologie
Les émulsions bitumineuses présentent des viscosités d’environ 50–1000 cP à 60°C, nettement inférieures à celle du bitume lui-même (10 000–400 000 cP). Grâce à leur viscosité plus faible, elles peuvent être appliquées au moyen de techniques à plus basse température, qui réduisent les émissions et la consommation d’énergie, évitent l’oxydation du bitume et présentent beaucoup moins de risques que les techniques utilisant des enrobés à chaud. En outre, l’application d’émulsions bitumineuses est plus économique et plus respectueuse de l’environnement que les techniques à froid utilisant des bitumes fluidifiés. La viscosité et la rhéologie d’une émulsion bitumineuse peuvent être influencées et ajustées par la concentration en émulsifiant et l’apport d’énergie lors de l’émulsification par ultrasons.
Capacité de pénétration
La capacité de pénétration des régénérants pour enrobés est cruciale, car un agent régénérant hautement performant pénètre dans la structure de la chaussée et en scelle la surface. Un régénérant hautement performant, capable de pénétrer profondément dans le liant bitumineux (bitume), augmente la souplesse et restaure la chaussée de l’intérieur, permettant ainsi son autoréparation. Préparez des émulsions bitumineuses hautement fonctionnalisées en formulant des gouttelettes submicroniques et nanométriques grâce aux ultrasons de puissance !
Additifs
Des polymères, du caoutchouc, des charges, des huiles et des agents régénérants sont ajoutés aux émulsions bitumineuses afin d’améliorer les principales propriétés du bitume d’origine, telles que la classe de performance à haute et basse température (PG), la viscosité, la fissuration à basse température, la ductilité et la relaxation des contraintes, le point de ramollissement et la pénétrabilité, l’affinité et la stabilité avec les polymères, ainsi que la régénération du bitume vieilli dans les mélanges RAP/RAS (agrégats d’enrobés récupérés (RAP) et bardeaux bitumineux recyclés (RAS)). Les disperseurs à ultrasons incorporent les solides et les gouttelettes dans l’émulsion bitumineuse sous forme de particules monodisperses. La technologie de mélange par ultrasons produit des mélanges bitumineux hautement performants !
Mélange maître
L’émulsification et la dispersion par ultrasons sont idéales pour préparer des mélanges maîtres d’émulsions bitumineuses fortement concentrées. Les émulsions préparées par ultrasons à forte teneur en bitume (jusqu’à 90%) sont ensuite diluées pour atteindre une concentration de 70% ou 60%, afin d’obtenir le rapport souhaité entre les phases eau/huile en fonction de l’application finale.
UIP16000 – Puissance ultrasonore de 16kW par unité de mélange à ultrasons
Avantages des émulsions bitumineuses préparées par ultrasons
La technologie de mélange par ultrasons permet de développer et de produire des formulations régénérantes pour enrobés qui sont faciles à manipuler, économiques et respectueuses de l’environnement. La puissante cavitation ultrasonore crée des dispersions et des émulsions submicroniques et nanométriques présentant une excellente capacité de pénétration, des performances élevées et une durabilité à long terme.
Mélangez vos émulsions et dispersions pour mélanges bitumineux destinés aux chaussées grâce à la sonication de haute puissance !
Disperseur à ultrasons de haute puissance pour émulsions bitumineuses
Hielscher Ultrasonics fabrique et fournit des mélangeurs à ultrasons de haute puissance pour les émulsions d’enrobé et de bitume. Les disperseurs à ultrasons industriels pour l’émulsification en ligne permettent de traiter une large gamme d’émulsions d’enrobé et de bitume. La sonication facilite les essais de nouvelles formulations, qui sont émulsifiées uniformément pour obtenir une excellente stabilité et des performances élevées. Diverses géométries de réacteurs à ultrasons et des inserts tels que le MultiPhaseCavitator permettent d’adapter facilement le processeur à ultrasons à votre formulation particulière d’enrobé ou de bitume.
Un prémélange grossier de liquide et de solides est introduit dans le disperseur à ultrasons, où les deux phases (eau + enrobé ou bitume + additifs facultatifs) sont broyées uniformément en voie humide pour former une suspension colloïdale très stable. Le broyage et la dispersion par ultrasons permettent de traiter rapidement de grands volumes.
Le tableau ci-dessous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| s.o. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| s.o. | supérieur | ensemble de UIP16000 |
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Processeurs à ultrasons de haute puissance, du laboratoire aux échelles pilote et industrielle.
Bibliographie et références
- Ezio Santagata, Orazio Baglieri, Lucia Tsantilis, Giuseppe Chiappinelli, Ilaria Brignone Aimonetto (2015):
Effet de la sonication sur les propriétés à haute température des liants bitumineux renforcés par des nanoadditifs. Construction and Building Materials,Volume 75, 2015. 395–403. - Zhambolova, A.; Vocaturo, A.L.; Tileuberdi, Y.; Ongarbayev, Y.; Caputo, P.; Aiello, I.; Oliviero Rossi, C.; Godbert, N. (2020): Fonctionnalisation et modification du bitume par des nanoparticules de silice. Applied Sciences 2020, 10, 6065.
- K. Daoust, A. Begriche, J.P. Claverie, A. Tagnit-Hamou (2023): Nanoparticules autodispersantes de fumée de silice : un adjuvant précieux pour le béton à ultra-hautes performances. Construction and Building Materials,
Volume 383, 2023. - Wang, H.; Yang, J.; Gong, M. (2016): Caractérisation rhéologique des liants et mélanges bitumineux modifiés par des nanotubes de carbone. RILEM Conference Papers 2016.
- Ronald, M.; Pumarejo Luis, F. (2016): Formulation des émulsions bitumineuses : état de l’art et dépendance de la formulation aux propriétés des émulsions. Construction and Building Materials 123, 2016. 162–173.
Informations utiles
Qu’est-ce qu’une émulsion bitumineuse ?
Une émulsion bitumineuse est un mélange d’eau et de bitume. Le bitume étant un composé huileux et hydrophobe, il ne peut pas être mélangé à l’eau. L’ajout à l’eau d’un agent de surface, également appelé émulsifiant, tensioactif, agent émulsifiant ou stabilisant, avant ou pendant l’ajout du bitume, permet de mélanger le bitume et l’eau. L’ajout de tensioactif facilite la dispersion des particules de bitume dans la phase aqueuse (eau) et les maintient dispersées en suspension. Pour incorporer le bitume sous forme de petites particules dans la suspension, on utilise des équipements de mélange mécanique par cisaillement (par exemple, un appareil à ultrasons, un mélangeur à fort cisaillement, un broyeur colloïdal, etc.). Une émulsion bitumineuse de haute qualité confère à la chaussée une résistance à l’orniérage, une sensibilité à l’humidité, une résistance à la fissuration et des performances en fatigue.
Définition d’une émulsion
« Une émulsion est un système hétérogène thermodynamiquement instable formé d’au moins deux phases liquides non miscibles, dont l’une est dispersée dans l’autre sous forme de petites gouttelettes (billes) dont le diamètre est généralement supérieur à 0,1µm. Un tel système présente une stabilité minimale qui peut être améliorée par l’ajout d’agents appropriés, tels que des tensioactifs ou des solides finement divisés ». (Becher, P. Emulsion. Theory and Practice. 1961.)
Qu’est-ce que le bitume ?
Le bitume est un matériau liant utilisé dans la construction comme liant des enrobés, dont il assure la cohésion. Son point de fusion est de 180ºC. Les émulsions de bitume sont des liquides brun foncé qui peuvent être cationiques, avec des gouttelettes portant une charge positive, ou anioniques, avec des gouttelettes portant une charge négative.
Que sont les coulis bitumineux ?
Les coulis bitumineux sont des formulations d’eau, d’émulsion bitumineuse, de granulats et d’additifs appliquées à la surface d’une chaussée existante en enrobé. Un coulis bitumineux est similaire à un traitement de scellement par pulvérisation d’émulsion, mais il contient des granulats dans son mélange. Le polymère est un additif courant qui améliore les propriétés de l’émulsion bitumineuse. Ce mélange d’émulsion et de granulats constitue le coulis, destiné à protéger la structure de chaussée sous-jacente et à créer une nouvelle surface de roulement.
Que sont les traitements de scellement par pulvérisation d’émulsion ?
Le scellement par pulvérisation d’émulsion consiste à appliquer une émulsion bitumineuse spécialement formulée à la surface d’une chaussée existante en enrobé. Cette émulsion de scellement est constituée d’un mélange eau-huile qui peut facilement être pulvérisé sur une chaussée existante, une opération également appelée « fogging ».
Que sont les enduits superficiels gravillonnés ?
L’application d’un enduit superficiel gravillonné fait intervenir une émulsion bitumineuse contenant des globules de bitume routier, de l’eau, un agent émulsifiant ou un tensioactif, du polymère et souvent un additif régénérant. Les enduits superficiels gravillonnés sont appliqués en deux étapes : d’abord la répartition de l’émulsion bitumineuse, puis celle d’une couche de petits granulats concassés à la surface d’une chaussée existante en enrobé. Ces petits granulats concassés sont également appelés « chips » en anglais, d’où le nom anglais de cette méthode, « chip sealing ».
Que sont les traitements de scellement par brossage ?
Un traitement de scellement par brossage est très similaire à un enduit superficiel gravillonné : une émulsion bitumineuse et des graviers concassés sont utilisés pour réhabiliter une chaussée endommagée en enrobé. La seule différence réside dans la méthode d’application : l’émulsion bitumineuse est appliquée à l’aide de balais de brossage, qui assurent sa pénétration dans les fissures de la chaussée.
Que sont les traitements combinés de type cape seal ?
Un traitement de type cape seal consiste à appliquer un enduit superficiel gravillonné ou un traitement de scellement par brossage, suivi ultérieurement de l’application d’un coulis bitumineux ou d’un microrevêtement. Tandis que l’enduit gravillonné ou le traitement par brossage scelle et lie les fissures de la chaussée existante, le coulis bitumineux ou le microrevêtement appliqué ensuite améliore la rétention des gravillons et la régularité de la surface de roulement. Les traitements de type cape seal servent principalement de solution provisoire pour les structures en enrobé présentant une dégradation modérée, peu ou pas d’ornières et des fissures de largeur modérée. Ils sont surtout utilisés pour prolonger la durée de vie de la chaussée jusqu’à sa réhabilitation ou sa reconstruction.
Qu’est-ce qu’un microrevêtement ?
Le microrevêtement est un traitement comparable à un coulis bitumineux. Une formulation composée d’eau, d’émulsion bitumineuse, de granulats et d’additifs chimiques est appliquée à la surface d’une chaussée en béton bitumineux. Des additifs polymères sont utilisés pour améliorer les propriétés du mélange de l’émulsion bitumineuse. La principale différence entre le coulis bitumineux et le microrevêtement réside dans leur mode de « rupture » ou de durcissement. Alors que le coulis bitumineux nécessite l’évaporation de l’eau de l’émulsion après son épandage, l’émulsion bitumineuse d’un microrevêtement contient des additifs chimiques qui lui permettent de rompre sans dépendre du soleil ou de la chaleur pour provoquer l’évaporation. Le microrevêtement est ainsi le traitement privilégié pour les routes très fréquentées (temps de rupture court) ou les climats plus froids.
Quelles sont les causes de la dégradation des chaussées ?
En vieillissant, une chaussée commence à se dégrader. La vitesse de cette dégradation dépend de nombreux facteurs, principalement de l’environnement et des charges du trafic. Avec le temps, le rayonnement solaire oxyde la couche superficielle et la rend cassante. Si la chaussée est trop cassante, des fissures commencent à se former sous l’effet des sollicitations répétées dues au trafic. Si la chaussée n’est pas correctement scellée, l’eau de pluie ou d’irrigation peut s’infiltrer par les fissures jusqu’à la couche de base et endommager son intégrité structurelle. L’eau peut éroder ou emporter les couches de base sous-jacentes et entraîner une défaillance de la chaussée par manque de soutien.