G. Leclerc - Bitume Québec

Les liants hydrocarbonés:
des bitumes purs aux liants modifiés et
bitumes spéciaux
Notions et outils pour la
sélection des bitumes PG
École de technologie supérieure - novembre 2003
(Bitume Québec – ENPC)
Gaétan Leclerc, M.Sc., chimiste
Sommaire
Introduction
Notions préliminaires Facteurs de sélection des bitumes
Outils de sélection
Conclusion
Schéma simplifié de la distillation
essence
kérosène
gas-oil
fuel
résidu de
première distillation
Colonne de
distillation
sous vide
Brut
Colonne de distillation
atmosphérique
propane, butane
huiles
lubrifiants
divers
Bitume
Analyse élémentaire
de quatre bitumes
Carbone, %
Hydrogène, %
Azote, %
Soufre, %
Oxygène, %
Vanadium, ppm
Nickel, ppm
A
83,77
9,91
0,28
5,25
0,77
180
22
B
85,78
10,19
0,26
3,41
0,36
7
0,4
C
82,90
10,45
0,78
5,43
0,29
1380
109
D
86,77
10,93
1,10
0,99
0,20
4
6
Producteurs québécois
2 entreprises qui raffinent le brut pour en
faire du bitume:
- Petro-Canada
- 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
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
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
grandement l’adhésivité des bitumes).
Production et modification des
bitumes
Idéalement …
Sélection des meilleurs
bruts asphaltiques
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
Dans la pratique …
Optimisation pour la
production d’hydrocarbures
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
de correcteur à base
Tb : -34,1 ˚C
d’huile usée
Teneur en cendres : 1,1 %
Zinc : 364 mg/kg, Phosphore : 413 mg/kg,
Aluminium : 268 mg/kg, Pb : 16 mg/kg
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
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 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 chaussée
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 climatiques
30
PG 58-34 (confiance de 98 % min.)
PG 52-28 (confiance de 50 % min.)
50
34
54
-30 -24
LTPPBIND v2.1
Été
Hiver
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
Température maximale vs profondeur
(St-Hyacinthe) selon LTPP bind 2.1
76
Température (˚C)
70
66,2
64
ECAS >30 M + lent
∆T≈
≈ 1 PG
61,3
ECAS >30 M
58
54,2
3M <ECAS <30 M
52
ECAS <3 M
46
51,8˚C à 20 mm
40
0
25
50
75
100
Profondeur (mm)
125
150
175
Température minimale vs profondeur
(St-Hyacinthe) selon LTPP bind 2.1
-22
0
25
50
75
100
125
150
175
Température (˚C)
-24
∆T≈
≈ 1 PG
-26
- Calculées à partir de 42 années de
données météo se terminant en 1979
-28
-30
-32
-34
- La Tb des bitumes modifiés par élastomères
est conservatrice (Tb BBR vs Tcr BBR+DTT)
- La température de transition vitreuse et les
coefficients de contraction thermique des bitumes
modifiés par l’ajout de composants oxydés sont faibles
(Kamel et Bahia)
-29,8
Profondeur (mm)
DT Est-de-la-Montérégie (PG H-28)
Station météo
% conf. Station météo
% conf.
St-Hubert
96
Sorel
83
St-Bruno
94 moyen
Fleurydes stations météo
78
Niveau de confiance
Verchères
95 ≥ 90%.
St-Nazaire d’Acton
67
d’une zone doit être
Ste-Madeleine
86
Warden
65
Niveaux de confiance
des
stations météo d’une
St-Hyacinthe
93
Brome
72
zone doivent être ≥ 80 % tout en permettant
St-Hyacinthe 2
85
Abercorn
48
d’éviter l’effet « trou de beigne » dans la mesure
Philipsburg
93
Le niveau de confiance
du
possible.
pour un PG H-34 est de
Granby
96
Utiliser
des frontières
facilement
identifiables.
97% à Abercorn
Sutton
Jonction
95
Sutton
92
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 ? V
Les enrobés fabriqués avec des bitumes plus rigides
auraient une meilleure tenue à l’eau ? V
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
Suite du Quiz…
Les enrobés de base s’oxydent moins rapidement que
les enrobés de surface? V
Les enrobés de base restent en place beaucoup plus
longtemps que les couches d’usure? 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 ? V
Les caractéristiques des granulats comptent
beaucoup plus que celles du bitume en ce qui
concerne la résistance d’un enrobé aux déformations
permanentes ? 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)
0 km/h
+ 12 ˚C
90 km/h
30
+ 6 ˚C
PG H des couches selon LTPPBIND
(accroissement de 3%)
Rte
Ville
DJMA
Z1
A 20
ÉCAS
Couche de surface
Couche de base
annuel PGh slow PGh fast PGh slow PGh fast
70
64
70
64
A 440 Laval
42000 2270000
89667 530500
64
58
64
58
A 13
Montréal
97500
930000
64
58
64
58
A 40
Pte-Claire 100000 929500
Anjou
100000 950000
64
58
64
58
70
64
64
58
A 40
St-Hya
A 15
Mtl-Laval 162000 880000
58
58
64
64
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 circulation
zone départ-arrêt
carrefour giratoire
sortie d’un parc industriel
Les enrobés grenus requièrent l’usage de PG
70-28 ou 64-34
450
400
58-28
350
58-34
300
64-28
250
64-34
70-28
200
Se
pt
.
O
ct
.
No
v.
t
Ao
û
il.
Ju
in
Ju
ai
58-40
M
$ / tonne métrique
Prix des PG H-L en 2005
Différentiel de coûts (Autoroute 73 DTCA)
Enrobé
PG
Tonnage
enrobé
Bitume
%
Tonnage
bitume
Prix du
bitume
ESG-10 8540
5,20
444,1
314
64-34
EB-20
19330
4,20
811,9
273
58-34
Coût du bitume selon les tableaux actuels
EB-20
19330
4,20
811,9
314
64-34
Coût du bitume selon les anciens tableaux
Économie de 33 288 $ CAN
Coût du
bitume
139447
221649
361096
254937
394384
Sommaire
Introduction
Notions préliminaires
Facteurs de sélection des bitumes
Outils de sélection Conclusion
Frontières des zones climatiques
Constructions
Resurfaçage neuves
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
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.
?
?
?