Auteur: Dany Pinckaers ,BAC2 ,classe f.


Une émulsion est par définition un système hétérogène à deux ou plusieurs phases liquides qui normalement ne se mélangent pas. Elle est donc constituée par une phase liquide continue et, au moins, une deuxième phase liquide, dispersée dans la première sous forme de fines gouttelettes.

Plus concrètement, une émulsion de bitume est une dispersion de bitume dans de l’eau à l’aide de produits émulsifiants. Suivant un procédé contrôlé, ces éléments sont donc mélangés pour former une mixture stable où le bitume est suspendu en petites gouttelettes dans l’eau que l’émulsifiant stabilise. La texture du produit fluide ainsi obtenu se situe entre celle du lait et celle d’une crème épaisse. L’émulsion est utilisée principalement pour réduire fortement la viscosité du bitume à une température d’utilisation comprise entre l’ambiante et 80°C.


1.  Les principaux constituants:

  • Bitume: les émulsions peuvent être à base de bitumes classiques, de pénétrabilités différentes, ou à base de bitumes modifiés. Un additif facilitant la mise en émulsion et améliorant les qualités de stabilité et d'adhésivité est parfois incorporé au bitume en raffinerie avant la livraison.
  • Eau: l’eau choisie doit contenir un minimum d’impuretés organiques et minérales. L’eau utilisée est alors qualifiée de permutée: les ions calcium et magnésium sont remplacés par des ions sodium, étant donné que les ions calcium et magnésium ont tendance à réagir sur les émulsifiants pour former des composés insolubles dans l’eau.
  • Emulsifiant: également appelé tensio-actif. Il faut noter que le système, composé des différentes phases, est thermodynamiquement instable. Par conséquent, pour assurer sa stabilité, il est nécessaire d’ajouter un tensio-actif. Il joue donc un rôle très important car il permet, d’une part, d’abaisser la tension inter-faciale eau-bitume et, d’autre part, de charger électriquement les gouttelettes de bitume, créant ainsi un effet de répulsion électrostatique qui assure la stabilité du système. Il existe trois familles de tensio-actif : les anioniques, les cationiques et les non-ioniques (peu fréquemment utilisés).

Le tensio-actif anionique est généralement un acide gras saponifié par une base forte suivant la réaction :

RCOOH + NaOH --> RCOO- + Na+

Dans cette réaction, le radical « R » est compatible avec le bitume alors que le groupement « COO- » est hydrophile. On comprend donc bien ici qu’un émulsifiant joue le rôle de lien entre le bitume et l’eau.

Le tensio-actif cationique est souvent une amine grasse salifiée par l’acide chlorhydrique, suivant la réaction :

RNH2 + HCl --> RNH3+ + Cl-

A nouveau, le radical « R » est compatible avec le bitume tandis que le groupement « NH3+ » est hydrophile.

  • Acides: les émulsifiants étant insolubles dans l’eau, il est nécessaire de les transformer en sels pour permettre leur dissolution dans la phase dispersante. Ceci se fait grâce à l'action des acides. Les acides les plus utilisés sont : l’acide chlorhydrique, l’acide acétique et l’acide phosphorique.
  • Fluidifiants et fluxants: les fluidifiants ont pour effet de réduire la viscosité du bitume alors que les fluxants vont les ramollir.
  • Autres: certaines substances macromoléculaires peuvent également être ajoutées pour modifier certaines propriétés intrinsèques du liant de base. Chaque ajout a pour but d’adapter l’émulsion de bitume aux exigences de la technique mise en oeuvre, aux contraintes dues au trafic et aux données climatiques locales.

2.  La fabrication:

Pour fabriquer une émulsion, cationique dans le cas présent, l’opérateur doit commencer par préparer une phase aqueuse en faisant réagir amine et acide dans une quantité d’eau nécessaire, de préférence à une température d’au moins 50°C. Une fois cette phase aqueuse prête, il faut alors l’introduire dans une unité de dispersion, en même temps que du bitume porté à fluidité requise, grâce à un chauffage préalable. Ce processus se fait à l’aide de pompes doseuse, destinées à assurer le bonne teneur en liant tout au long de la mise en émulsion.

Dans l’unité de dispersion, constituée le plus souvent d’un stator et d’un rotor de turbine, le bitume, cisaillé par laminage, donne naissance à des gouttelettes se chargeant de tensio-actif. Cette transformation se réalise en une fraction de seconde dans l’entrefer de la machine.

Dès la sortie de la turbine, l’émulsion est directement envoyée dans un bac de stockage correspondant à sa classe. En fonction de l’usage de l’émulsion et de sa classe, la température de stockage est maintenue entre la température ambiante, pour les émulsions d’enrobage, et la température de 80°C, pour les émulsions d'enduisage. En cas de stockage prolongé et si, de plus, un réchauffage important s’avère nécessaire, il est fortement recommandé de brasser doucement l’émulsion en l’aspirant au fond du bac et en la refoulant à la partie haute de ce dernier, tout en évitant de la laisser tomber en pluie.

3.  Les réactions lors de la pose:

Une fois la mise en place sur la chaussée de l’émulsion de bitume effectué, l’émulsion doit obligatoirement se rompre au contact des granulats et du support et ainsi permettre au bitume d'agir librement sur les granulats. Plusieurs phénomènes d’inégales importances, suivant la nature de l’émulsion et l’usage qui en est fait, sont à l’origine de cette rupture:

  1. Tout d'abord, dès le contact émulsion-granulats, les charges électrostatiques des gouttelettes de bitume sont neutralisées par des charges opposées présentes à la surface des granulats. Cette réaction est prépondérante et très rapide, comme par exemple, lors du contact d’une émulsion cationique et d’un granulats siliceux ou silico-calcaire.
  2. Ensuite, deux autres phénomènes viennent accélérer la rupture de l’émulsion par diminution de la phase aqueuse. Le premier correspond à l’absorption d’une fraction de l’eau par les granulats et le second, à l’évaporation de l’eau dans l’atmosphère dont la cinétique dépend des conditions météorologiques au moment du chantier.

La qualité de l’ouvrage réalisé dépend principalement de la rupture de l’émulsion et de la façon dont le film liant se reconstitue, à la fois sur les surfaces minérales des granulats et du support, mais également dans sa masse. Au final, le liant doit bien adhérer aux surfaces et retrouver la cohésion qui était le sienne avant la mise en émulsion.

4.  Les propriétés:

Le choix de l’émulsion de bitume est déterminé en fonction du type de structure de l’enduit à réaliser, du profil de la chaussée, de la nature du support, de la période d’exécution des travaux et du délai de remise en circulation. Il y a donc différents types d’émulsions de bitume qui sont utilisés dans les travaux routiers et ceux-ci doivent répondre à un certain nombre de critères en regard de : leur stabilité au stockage, leur viscosité et leur vitesse de rupture. Afin de rencontrer ces conditions, des analyses et essais en laboratoire sont nécessaires en vue de produire et doser les formules finales.

  • Stabilité: la stabilité au stockage dépend de l’émulsifiant employé et de la grosseur moyenne des particules en suspension. Si les particules sont suffisamment fines, la sédimentation est très lente et provoque seulement un accroissement progressif de la concentration en bitume au fond des bacs de stockage. Le simple fait d’agiter redonne immédiatement son homogénéité à l’émulsion. Par contre, lorsque les particules sont grosses, la sédimentation est rapide et en s’accumulant au fond du récipient de stockage, les unes sur les autres, les particules finissent par s’agglomérer et l’émulsion ainsi rompue ne peut plus être dispersée par simple agitation.
  • Viscosité: pour être utilisée de façon satisfaisante dans les travaux routiers, une émulsion de bitume doit avoir une viscosité suffisamment basse pour pouvoir être pulvérisée sans difficultés et suffisamment élevée pour ne pas ruisseler sur les côtés de la route. La viscosité d’une émulsion dépend d’un grand nombre de facteurs parmi lesquels on peut citer, indépendamment du bitume lui-même, la teneur en bitume, la nature et la concentration des savons, la viscosité de la phase aqueuse, etc.
  • Vitesse de rupture: cette propriété caractérise l’aptitude de l’émulsion à faire prise, plus ou moins rapidement, après mise en oeuvre. La vitesse de rupture varie principalement avec la teneur et la nature de l’émulsifiant. Les émulsions de bitume se divisent en trois classes d’émulsions : prise rapide, prise semi-rapide et prise lente. Bien évidemment, ces termes font référence au temps de cure nécessaire mais aussi au temps de malaxage possible avant la rupture de l’émulsion.

5.  Les avantages:

Les émulsions de bitume qui servent à une mise en oeuvre à froid, comportent naturellement bien des avantages par rapport au bitume à chaud:

  • Pas de fumée ni de poussière.
  • Beaucoup moins de consommation d'énergie.
  • Réduction notable des émissions de gaz à effet de serre.

Mais aussi:

  • Permet de contôler d'autres caractéristiques, telles que le temps de durcissement, le temps de mélange et la résistance.
  • Elimine la nécessité d'assécher ou de chauffer l'agrégat.
  • Les émulsions de bitume sont plus sécurisantes que les bitumes.
  • Possibilité de mélanger sur place ou de mélanger en usine pour entreposage.
  • Méthode économique permettant de maximiser la durée de vie d'une route.
  • Réduit les dépenses de bitume et le prix de construction et réparation des routes.

6.  Les applications:

Les émulsions sont utilisées depuis fort longtemps dans de nombreux types de matériaux et de procédés, aux différentes étapes de la construction et de l’entretien des chaussées. Les produits et procédés à émulsion apportent des solutions quelle que soit la nature de la voie concernée (voirie urbaine, route de campagne, chaussée aéroportuaire ou chaussée industrielle, etc.) et quelle que soit l’intensité du trafic. Suivant la technique retenue et les conditions d’utilisation, l’entrepreneur retiendra une émulsion d’une certaine concentration présentant la viscosité la mieux adaptée.

La technologie de modification aux polymères est utilisée pour les émulsions de bitume afin d’en améliorer les propriétés physiques, la performance et la durabilité. Les émulsions de bitume modifiées aux polymères procurent une durée de vie supérieure et une économie d’argent tout en permettant des applications à des endroits où les émulsions traditionnelles ne peuvent être utilisées. A l’aide de cette technologie, les chercheurs ont développé de nouveaux procédés comme l’enrobé coulé à froid et l’enduit superficiel.

Voici quelques exemples d'application des émulsions de bitume:

  • Revêtements à enrobés coulés à froid: revêtement d’une épaisseur de 30 à 50 mm, constitué d’un matériau à forte teneur en vides, enrobé à froid et mis en place en couche de base. Ces revêtements sont fabriqués et mis en oeuvre sur place, à une température ambiante supérieure à 10°C et à une température des granulats supérieure à 5°C. Le compactage ( c’est-à-dire, le fait d’ôter toutes traces d’eau) est assuré par un cylindre ou un rouleau à pneus et/ou à cylindres d’acier. Des granulats fins de 2 à 3 mm sont alors répandus sur l’enrobé en cours de compactage afin de réduire l’effet collant de la surface. Les applications sont surtout réservées aux routes supportant une charge de trafic moyenne. Cette technique est généralement destinée à rectifier le profil de la chaussée et à améliorer le confort au roulement. Utilisée comme couche de roulement, elle offre également d’excellentes performances en terme d’adhérence, de drainage, de réduction de bruit de roulement et de résistance à la fissuration. Utilisée comme couche de base, elle permet de renforcer les chaussées ayant une structure faible et déformable.
  • Liant d'accrochage: un liant d’accrochage est disponible sous forme d’émulsion de bitume anionique ou cationique à prise lente, semi-rapide ou rapide. Ces liants sont appliqués mécaniquement de façon continue et uniforme afin de créer une adhérence entre les couches d’asphalte avant le resurfaçage de surfaces de base, le rapiéçage ou l’utilisation des bases de béton. Ils sont donc employés afin de permettre une résistance accrue au décollement des couches grâce à ses propriétés supérieures d’adhérence et de cohésion. Ces liants d’accrochage sont également employés lors de la mise en oeuvre d’une couche de matériaux enrobés d’entretien ou de renforcement sur un support ancien.
  • Scellant: le scellant est un enduit bitumeux, à multiples composantes, conçu pour sceller les aires de stationnement, les routes ou les surfaces de radier. Il existe également des scellants pouvant servir à l’imperméabilisation des surfaces ou à la protection des surfaces exposées aux produits chimiques (poste d’essence pour les aéronefs ou les automobiles). Ce produit peut être appliqué à chaud ou à température ambiante à l’aide d’un système à haute ou à basse pression. Peu de temps après l’application, une surface satinée et ductile protège également la surface asphaltique sous-jacente des effets nocifs du soleil et de l’humidité. Le point de ramollissement supérieur de ce produit offre de plus une protection contre l’orniérage et le déplacement causé par la circulation.
  • Autres: enfin, les émulsions de bitume peuvent être employées pour les jointoiements d’enrobés, le pontage de fissures et de crevasses ou l’obturation de saignées. Elles peuvent également être utilisées en tant qu’adhésif pour tuiles ou en tant que recouvrement sous les véhicules. L’étanchéité sous chapes et ouvrages de l’assainissement, l’étanchéité des toitures et terrasses, sous chape ou sous carrelage, font aussi partie de ses nombreuses applications.

7.  Bibliographie:

http://www.technique-ingenieur.fr

http://fr.wikipedia.org

http://www.mcasphalt.com

http://www.emulsions.ca

http://www.emulbitume.com

http://www.techno-science.com