notions et outils pour la sélection des bitumes pg · enrobé résistant aux déformations...
TRANSCRIPT
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.
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
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.