Bitume

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.

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:

• liant;
• produits pharmaceutiques - servant notamment à la conservation des momies égyptiennes - et cosmétologiques;
• mais surtout, et ce dans tout le bassin méditerranéen, au calfatage des navires.
• C'est également grâce au bitume de Judée que Nicéphore Niépce inventera la photographie à Saint-Loup de Varennes en 1824 .

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.

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. 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...).

Le bitume de Trinidad épuré 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

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

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

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).

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.

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 .

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

• aliphatique ;
• naphténique,
• aromatique,

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 .

• 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 routiers. 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.

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.

C'est ainsi qu'on obtient des bitumes plus ou moins durs selon les besoins du marché. La dureté du bitume est définie par leur pénétrabilité (1) minimale et maximale. Plus les valeurs de pénétrabilité sont petites, plus dur est le bitume.

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 :

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.

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

En 2007, la société Arkema a présenté un additif, qui, mélangé au bitume, permet de diminuer d'environ 50°C la température à laquelle le bitume est coulé, améliorant ainsi les conditions de manipulation du personnel. Son principal avantage réside ainsi dans l'économie d'énergie et la réduction des émissions de gaz nocifs (principalement le monoxyde de carbone, avec des économies pouvant atteindre les 50 % par rapport à une installation utilisant du bitume classique. Selon Arkema, l'utilisation de cet additif 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 millions de tonnes de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Toxicité, santé environnementale

Certains composant du bitume, et notamment du bitume frais et chaud (goudrons, HAP) sont réputés toxiques et pourraient affecter la santé des ouvriers de chantiers ou l'environnement proche. Les «extraits de bitume» sont classés 2B par le Circ (cancérogènes «possibles»). En France, l'Afsset a annoncé une étude des risques liés à l’usage des bitumes sur la santé. 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 . 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». l’INRS recommande aux travailleurs exposés :

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