Ciment asphaltique

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Contexte

L'asphalte est une substance minérale lourde, allant du brun foncé au noir, l'un des nombreux mélanges d'hydrocarbures appelés bitumes. L'asphalte est un liant solide et polyvalent résistant aux intempéries et aux produits chimiques qui s'adapte à une variété d'utilisations. L'asphalte lie la pierre concassée et le gravier (communément appelés agrégats) en surfaces fermes et résistantes pour les routes, les rues et les pistes d'aéroport. L'asphalte, également connu sous le nom de brai minéral, est obtenu à partir de gisements naturels tels que l'asphalte natif ou le brea ou en tant que sous-produit de l'industrie pétrolière (asphalte pétrolier). Des squelettes d'animaux préhistoriques ont été préservés complètement intacts dans des gisements naturels d'asphalte, l'un des plus célèbres étant les La Brea Tar Pits à Los Angeles, en Californie.

L'asphalte est l'un des matériaux d'ingénierie les plus anciens au monde, utilisé depuis le début de la civilisation. Vers 6000 av. les Sumériens avaient une industrie de construction navale florissante qui produisait et utilisait de l'asphalte pour le calfeutrage et l'imperméabilisation. Dès 2600 av. les Égyptiens utilisaient l'asphalte comme matériau d'imperméabilisation et aussi pour imprégner les emballages des momies comme agent de conservation. Les civilisations anciennes utilisaient largement l'asphalte comme mortier pour la construction et les pavés utilisés dans les temples, les systèmes d'irrigation, les réservoirs et les autoroutes. Les asphaltes utilisés par les premières civilisations se sont produits naturellement et ont été trouvés dans les strates géologiques sous forme de mortiers mous et utilisables ou de veines noires dures et cassantes de formations rocheuses (également connues sous le nom de charbon asphaltique). Les asphaltes naturels se sont formés lorsque les pétroles bruts ont remonté à travers des fissures et des fissures jusqu'à la surface de la terre. L'action du soleil et du vent a chassé les huiles et les gaz plus légers, laissant un résidu noir. Les asphaltes naturels ont été largement utilisés jusqu'au début des années 1900. La découverte du raffinage de l'asphalte à partir de pétrole brut et la popularité croissante de l'automobile ont permis de développer considérablement l'industrie de l'asphalte. L'asphalte de pétrole moderne a les mêmes qualités durables que l'asphalte naturel, avec l'avantage supplémentaire d'être raffiné à un état uniforme exempt d'impuretés organiques et minérales.

La plupart de l'asphalte de pétrole produit aujourd'hui est utilisé pour le revêtement des autoroutes. Le matériau de pavage d'asphalte est un mélange noir terne de ciment d'asphalte, de sable et de roche concassée. Après avoir été chauffé, il est déversé à la vapeur chaude sur la plate-forme, ratissé au niveau, puis compacté par un rouleau compresseur lourd. L'asphalte est également utilisé pour les joints de dilatation et les correctifs sur les routes en béton. Les pistes d'aéroport, les courts de tennis, les terrains de jeux et les sols des bâtiments utilisent également de l'asphalte. Des formes légères d'asphalte de pétrole appelées huiles routières sont pulvérisées sur les routes pour déposer la poussière et lier le gravier. Une autre utilisation importante de l'asphalte est dans les bardeaux d'asphalte et les toitures en rouleau, qui se composent généralement de feutre saturé d'asphalte. L'asphalte aide à préserver et à imperméabiliser le matériau de la toiture. Parmi les autres applications de l'asphalte, citons :l'imperméabilisation des tunnels, des ponts, des barrages et des réservoirs; tuyaux métalliques antirouille et insonorisants et soubassements automobiles; et l'insonorisation des murs et des plafonds.

Matières premières

La matière première utilisée dans la fabrication moderne d'asphalte est le pétrole, qui est naturellement produit du bitume liquide. L'asphalte est un constituant naturel du pétrole, et il existe des pétroles bruts qui sont presque entièrement constitués d'asphalte. Les puits de pétrole fournissent le pétrole brut aux raffineries de pétrole, où il est séparé en ses divers composants ou fractions.

Le processus de fabrication

Le pétrole brut est séparé en ses diverses fractions par un processus de distillation à la raffinerie de pétrole. Après séparation, ces fractions sont encore raffinées en d'autres produits qui comprennent l'asphalte, la paraffine, l'essence, le naphta, l'huile lubrifiante, le kérosène et le diesel. Étant donné que l'asphalte est la base ou le constituant lourd du pétrole brut, il ne s'évapore pas et ne s'évapore pas pendant le processus de distillation. L'asphalte est essentiellement le résidu lourd du processus de raffinage du pétrole.

Distiller le brut

• 1 Le processus de raffinage commence par acheminer le pétrole brut d'un réservoir de stockage vers un échangeur de chaleur ou un tube chauffant où sa température est rapidement élevée pour la distillation initiale. Il pénètre ensuite dans une tour de distillation atmosphérique où les composants ou fractions les plus légers et les plus volatils se vaporisent et sont aspirés à travers une série de condenseurs et de refroidisseurs. Il est ensuite séparé pour un raffinage supplémentaire en essence (considéré comme un distillat « léger »), en kérosène (considéré comme un distillat « moyen »), en gasoil (considéré comme un distillat « lourd ») et de nombreux autres produits pétroliers utiles.

  Le résidu lourd de ce procédé de distillation atmosphérique est communément appelé brut étêté. Ce brut étêté peut être utilisé pour le fioul ou transformé en d'autres produits tels que l'asphalte. La distillation sous vide peut éliminer suffisamment de fractions à point d'ébullition élevé pour donner ce que l'on appelle un asphalte « de série ». Cependant, si le brut étêté contient suffisamment de composants peu volatils qui ne peuvent pas être éliminés de manière économique par distillation, une extraction au solvant - également appelée désasphaltage au solvant - peut être nécessaire pour produire du ciment bitumineux de la consistance souhaitée.

Réduire

• 2 L'asphalte peut ensuite être mélangé ou « réduit » avec une substance volatile, ce qui donne un produit mou et maniable à une température inférieure à celle du ciment bitumineux pur. Lorsque l'asphalte réduit est utilisé pour le pavage ou la construction, l'élément volatil s'évapore lorsqu'il est exposé à l'air ou à la chaleur, laissant le ciment asphaltique dur. La vitesse relative d'évaporation ou la volatilité de l'agent de coupe détermine si un asphalte fluidifié est classé comme à durcissement lent, moyen ou rapide. Le ciment bitumineux chauffé est mélangé avec de l'huile asphaltique résiduelle du processus de distillation antérieur pour un asphalte à durcissement lent, avec du kérosène pour un durcissement moyen et avec de l'essence ou du naphta pour l'asphalte à durcissement rapide.

Émulsifiant

• 3 Le ciment bitumineux peut également être émulsifié pour produire un liquide qui peut être facilement pompé par des tuyaux, mélangé avec des granulats ou pulvérisé par des buses. Pour émulsionner, le ciment bitumineux est broyé en globules de 5 à 10 microns et plus petits (un micron équivaut à un millionième de mètre). Ceci est mélangé avec de l'eau. Un agent émulsifiant est ajouté, ce qui réduit la tendance de l'asphalte et de l'eau à se séparer. L'agent émulsionnant peut être de l'argile colloïdale, des silicates solubles ou insolubles, du savon ou des huiles végétales sulfonées.

Pulvérisation

• 4 L'asphalte peut également être pulvérisé pour produire un asphalte en poudre. L'asphalte est broyé et passé à travers une série de tamis à mailles fines pour assurer une taille uniforme des granulés. L'asphalte motorisé peut être mélangé avec de l'huile de route et des agrégats pour la construction de chaussées. La chaleur et la pression dans la route amalgament lentement la poudre avec l'agrégat et l'huile de liaison, et le La substance durcit à une consistance similaire à celle du ciment asphaltique ordinaire.

Soufflage d'air

• 5 Si l'asphalte doit être utilisé à des fins autres que le pavage, comme la toiture, le revêtement de tuyaux ou comme matériau d'étanchéité ou d'imperméabilisation, l'asphalte peut être oxydé ou soufflé à l'air. Ce processus produit un matériau qui se ramollit à une température plus élevée que les asphaltes de pavage. Il peut s'agir d'air soufflé à la raffinerie, dans une usine de traitement d'asphalte ou dans une usine de matériaux de toiture. L'asphalte est chauffé à 500°F (260°C). Ensuite, de l'air y est barboté pendant une à 4,5 heures. Une fois refroidi, l'asphalte reste liquide.

Mélanges de pavage d'asphalte

Étant donné que le ciment bitumineux est un constituant majeur utilisé dans le pavage des routes, ce qui suit est un bref Il existe deux types d'enrobés :l'enrobé à chaud et l'enrobé à froid. L'asphalte mélangé à chaud (HMA) est couramment utilisé pour les zones à trafic plus dense, tandis que l'asphalte mélangé à froid est utilisé pour les routes secondaires. description de la façon dont les mélanges d'asphalte sont produits. Les mélanges de pavage d'asphalte à base de ciment d'asphalte sont généralement préparés dans une installation de mélange d'asphalte. Il existe deux types d'enrobés :l'enrobé à chaud et l'enrobé à froid. L'asphalte à chaud (HMA) est plus couramment utilisé tandis que l'asphalte à froid (généralement des mélanges à base d'asphalte émulsifié ou fluidifié) est généralement utilisé pour les routes secondaires à trafic léger à moyen, ou pour les endroits éloignés ou pour l'entretien. Les enrobés bitumineux à chaud sont un mélange d'agrégats appropriés enrobés de ciment d'asphalte. Le terme "mélange à chaud" vient du processus de chauffage de l'agrégat et de l'asphalte avant le mélange pour éliminer l'humidité de l'agrégat et pour obtenir une fluidité suffisante du ciment asphaltique pour un mélange et une maniabilité appropriés.

• 6 Le ciment bitumineux et les granulats sont combinés dans une installation de mélange où ils sont chauffés, dosés et mélangés pour produire le mélange de pavage souhaité. Les installations de mélange à chaud peuvent être situées en permanence (également appelées installations « fixes »), ou elles peuvent être portables et déplacées d'un travail à l'autre. Les installations de mélange à chaud peuvent être classées en tant qu'installation de traitement par lots ou installation de mélange à tambour, les deux pouvant être fixes ou portables. Les installations de mélange à chaud par lots utilisent des fractions de tailles différentes d'agrégats chauds qui sont extraites en quantités proportionnelles des bacs de stockage pour constituer un lot à mélanger. La combinaison d'agrégats est déversée dans une chambre de mélange appelée pugmill. L'asphalte, qui a également été pesé, est ensuite soigneusement mélangé avec l'agrégat dans le pugmill. Après le mélange, le matériau est ensuite vidé du pugmill dans des camions, des silos de stockage ou des bacs anti-bélier. Le processus de mélange à tambour chauffe et mélange le granulat avec l'asphalte en même temps dans le mélangeur à tambour.
• 7 Une fois le mélange terminé, le mélange à chaud est ensuite transporté sur le site de pavage et étalé en une couche partiellement compactée sur une surface uniforme et plane avec une machine à paver. Alors qu'il est encore chaud, le mélange de pavage est encore compacté par des laminoirs lourds pour produire une surface de chaussée lisse.

Contrôle qualité

La qualité du ciment asphaltique est affectée par les propriétés inhérentes du pétrole brut à partir duquel il a été produit. Différents gisements et régions pétrolifères produisent des pétroles bruts aux caractéristiques très différentes. La méthode de raffinage affecte également la qualité du ciment bitumineux. À des fins d'ingénierie et de construction, il y a trois facteurs importants à considérer :la consistance, également appelée viscosité ou degré de fluidité de l'asphalte à une température particulière, la pureté et la sécurité.

La consistance ou la viscosité du ciment asphaltique varie avec la température, et l'asphalte est classé en fonction de plages de consistance à une température standard. Un contrôle négligent de la température et du mélange peut causer plus de dommages dus au durcissement du ciment bitumineux que de nombreuses années de service sur une chaussée. Un test de viscosité ou de pénétration normalisé est généralement spécifié pour mesurer la consistance de l'asphalte de pavage. Les asphaltes soufflés à l'air utilisent généralement un test de point de ramollissement.

La pureté du ciment bitumineux peut être facilement testée car il est composé presque entièrement de bitume, qui est soluble dans le sulfure de carbone. Les asphaltes raffinés sont généralement solubles à plus de 99,5 % dans le sulfure de carbone et toutes les impuretés qui restent sont inertes. En raison de la nature inflammable dangereuse du disulfure de carbone, le trichloroéthylène (TCE), qui est également un excellent solvant pour le ciment bitumineux, est utilisé dans les tests de pureté de solubilité.

Le ciment bitumineux doit être exempt d'eau ou d'humidité à sa sortie de la raffinerie. Cependant, les transports chargeant l'asphalte peuvent avoir de l'humidité dans leurs réservoirs. Cela peut faire mousser l'asphalte lorsqu'il est chauffé à plus de 212 °F (100 °C), ce qui constitue un danger pour la sécurité. Les spécifications exigent généralement que les asphaltes ne moussent pas à des températures allant jusqu'à 347 °F (175 °C). Le ciment bitumineux, s'il est chauffé à une température suffisamment élevée, dégagera des fumées qui s'allumeront en présence d'une étincelle ou d'une flamme nue. La température à laquelle cela se produit s'appelle le point d'éclair et est bien au-dessus des températures normalement utilisées dans les opérations de pavage. En raison de la possibilité de formation de mousse de l'asphalte et pour assurer une marge de sécurité adéquate, le point d'éclair de l'asphalte est mesuré et contrôlé.

Une autre propriété technique importante du ciment asphaltique est sa ductilité, qui est une mesure de la capacité d'un matériau à être tiré, étiré ou déformé. Dans les ciments bitumineux, la présence ou l'absence de ductilité est généralement plus importante que le degré réel de ductilité car certains ciments bitumineux avec un degré élevé de ductilité sont également plus sensibles à la température. La ductilité est mesurée par un test "d'extension", par lequel une briquette de ciment asphaltique standard moulée dans des conditions et des dimensions standard est tirée à une température standard (normalement 77°F [25°C]) jusqu'à ce qu'elle se brise sous tension. L'allongement auquel l'échantillon de ciment bitumineux se brise est une mesure de la ductilité de l'échantillon.

Sous-produits/Déchets

Les lois sur la protection de l'environnement ont développé des codes stricts limitant les débits d'eau et les émissions de particules et de fumée des raffineries de pétrole et des usines de traitement d'asphalte. Non seulement la poussière mais les dioxydes de soufre, la fumée et bien d'autres émissions doivent être rigoureusement contrôlés. Les dépoussiéreurs électrostatiques, les dépoussiéreurs primaires utilisant des cyclones à cône unique ou multiple, et les unités de collecte secondaires constituées de collecteurs filtrants en tissu communément appelés « filtres à manches » sont tous des équipements nécessaires pour contrôler les émissions. Les hydrocarbures formés lors de la production d'asphalte, s'ils ne sont pas contrôlés, créent des fumées odoriférantes et des polluants qui tachent et assombrissent l'air. Les polluants émis par la production d'asphalte sont contrôlés par des enceintes qui captent les gaz d'échappement puis les recirculent à travers le processus de chauffage. Cela élimine non seulement la pollution, mais augmente également l'efficacité de chauffage du processus.

Les coûts plus élevés du ciment d'asphalte, de la pierre et du sable ont forcé l'industrie à augmenter son efficacité et à recycler les vieux revêtements d'asphalte. Dans le recyclage des chaussées en asphalte, les matériaux récupérés sur les anciennes chaussées sont retraités avec les nouveaux matériaux. Les trois principales catégories de recyclage d'asphalte sont 1) le recyclage à chaud, où les matériaux récupérés sont combinés avec de nouveaux matériaux dans une usine centrale pour produire des mélanges de pavage à chaud, 2) le recyclage à froid, où les matériaux récupérés sont combinés avec de nouveaux matériaux sur place ou dans une usine centrale pour produire des matériaux de base mélangés à froid, et 3) le recyclage de surface, un processus dans lequel l'ancien revêtement de surface en asphalte est chauffé sur place, gratté ou « scarifié », remixé, remis en place et roulé. Des agents organiques de recyclage d'asphalte peuvent également être ajoutés pour aider à restaurer l'asphalte vieilli aux spécifications souhaitées.

En raison de l'évaporation et de la volatilité des solvants, l'utilisation d'asphaltes fluidifiés, en particulier les asphaltes fluidifiés à durcissement rapide qui utilisent de l'essence ou du naphta, devient de plus en plus restreinte ou interdite tandis que les asphaltes émulsifiés (dans lesquels seule l'eau s'évapore) deviennent plus populaires en raison des coûts et des réglementations environnementales.

Le futur

Les besoins économiques et environnementaux croissants apporteront de nombreux nouveaux perfectionnements techniques au recyclage des anciennes chaussées en asphalte, comme l'utilisation de micro-ondes pour décomposer complètement la chaussée. Les micro-ondes chauffent la roche concassée dans la chaussée d'asphalte plus rapidement que le ciment environnant, qui est ensuite réchauffé par la chaleur rayonnante de la roche. Cette méthode empêche le ciment bitumineux de brûler.

Des sources alternatives de matières premières sont à l'étude, comme la production d'asphalte synthétique à partir de la liquéfaction des boues d'épuration. Afin d'assurer une qualité de produit constante, de nouvelles méthodes sont en cours de développement pour la fabrication d'asphaltes et d'émulsions modifiés. De nombreux nouveaux tests sont en cours de développement pour aider à caractériser les asphaltes, comme la chromatographie par perméation de gel haute performance (HP-GPC) qui permet d'étudier de nombreuses propriétés et de compiler les résultats en quelques minutes seulement. De nouveaux procédés, des unités de mélange et de broyage plus efficaces, des débitmètres massiques de liquide en ligne, des systèmes de surveillance en ligne et de nouveaux équipements de sécurité sont d'autres domaines à l'étude pour des améliorations.

Les scellants de fissures d'asphalte modifiés aux polymères gagnent en popularité et de nombreux autres modificateurs d'asphalte sont en cours de développement. Des modificateurs sont ajoutés pour contrôler l'orniérage, la fissuration, l'oxydation de l'asphalte et les dégâts d'eau. Certains modificateurs d'asphalte disponibles dans le commerce sont des polymères, notamment des élastomères, des complexes métalliques, du soufre élémentaire, des fibres, de la chaux hydratée, du ciment Portland, des silicones, diverses charges et des agents anti-adhésifs organiques. Beaucoup de ces modificateurs n'ont pas été largement utilisés et font l'objet de recherches pour un développement ultérieur. Il serait même possible un jour d'avoir des « ciments bitumineux intelligents » en mélangeant certains modificateurs de friction de l'asphalte qui lui permettraient de changer de caractéristiques selon la présence ou non d'humidité. En conjonction avec les freins antiblocage, contrôles de traction automatiques et airbags, cela pourrait servir à sauver de nombreuses vies sur les autoroutes de notre pays.