Etude de choix constructifs pour garantir la mise en œuvre et la durabilité des enrobés recyclés à l'émulsion de bitume

par Yacouba Konate

Projet de thèse en Génie Civil

Sous la direction de Xavier ChÂteau.

Thèses en préparation à Paris Est en cotutelle avec l'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE Félix HOUPHOUËT BOIGNY, YAMOUSSOUKRO , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec ESTP - Ecole Spéciale des Travaux Publics, du Bâtiment et de l'Industrie (laboratoire) depuis le 15-03-2018 .


  • Résumé

    L'émulsion de bitume est un système dans lequel des gouttelettes de bitume sont dispersées dans une phase aqueuse et stabilisées par des molécules tensioactives. Dans la constitution d'une chaussée, elle est majoritairement employée dans la confection des enrobés bitumineux à froid, matériaux constitués d'un squelette granulaire et d'un liant bitumineux (émulsion). Couplée avec la réutilisation de matériaux recyclés, appelés agrégats d'enrobés, cette technique à froid permet, en plus d'une économie d'énergie, la préservation de ressources non renouvelables et donc d'avoir un impact environnemental encore plus réduit. Les enrobés recyclés à froid se développent à travers le monde depuis plusieurs années et peuvent trouver un champ d'application dans les pays africains, tels que la Côte d'Ivoire. Actuellement, malgré la présence d'usines de fabrication d'émulsion, l'utilisation d'enrobés à l'émulsion de bitume n'est pas suffisamment vulgarisée en Côte d'Ivoire. Par ailleurs, le vaste projet de réhabilitation lancé par le gouvernement pourrait engendrer une ressource importante d'agrégats réutilisables. A l'heure actuelle, peu de chantiers routiers ivoiriens se réalisent avec recyclage d'agrégats d'enrobés. La maîtrise de la technique garantit le succès de son développement, mais elle est complexe, à cause de la nature différente des constituants en présence et le caractère évolutif de l'émulsion de bitume. De nombreux questionnements scientifiques demeurent. En effet, le contact de l'émulsion avec la matière minérale implique la mise en jeu de multiples phénomènes physico-chimiques. Ainsi, la réactivité chimique des granulats et des agrégats d'enrobés influence la rupture de l'émulsion de bitume. Le mécanisme d'adsorption des molécules tensioactives à la surface minérale joue un rôle important dans le processus d'adhésion du bitume sur le substrat. De plus, pour un enrobé à froid recyclé, l'émulsion doit être mouillable aussi bien sur les granulats que sur les agrégats d'enrobés, alors que ces matériaux ont des surfaces chimiquement différentes. Par ailleurs, l'obtention des performances mécaniques finales requises pour les enrobés à froid est conditionnée par la cinétique d'évaporation d'eau (mûrissement), difficile à prédire tant les paramètres impactant ce phénomène sont nombreux (trafic routier, conditions climatiques, formulation…). Enfin, les chaussées routières ivoiriennes sont dimensionnées sur une durée de 15 à 20 ans. La méthode de dimensionnement, issue des normes françaises, repose sur des considérations mécaniques valables pour les enrobés classiques à chaud. Dans le cas des enrobés à l'émulsion, les critères de durabilité sont à redéfinir. L'objectif général de la thèse est de déterminer les phénomènes physico-chimiques aux interfaces émulsion de bitume/granulat et émulsion de bitume/agrégat d'enrobé, afin de mieux appréhender la formulation et l'évolution des propriétés mécaniques des enrobés recyclés à l'émulsion. Le travail expérimental pourrait être mené avec des matériaux locaux permettant une bonne adaptation des formulations et identification des phénomènes observés aux conditions réelles de la Côte d'Ivoire. Le soulèvement des verrous évoqués précédemment permettrait aux industriels de promouvoir davantage le couplage recyclage/technique à froid, en France comme en Côte d'Ivoire. En effet, la difficulté de maîtriser simultanément ces deux procédés freine le développement de la technique couplée à plus grande échelle. Enfin, la résolution de ces verrous pourrait répondre à l'enjeu majeur de la durabilité (et par conséquent la constructibilité) des enrobés recyclés à froid. Une importante partie expérimentale permettra d'étudier la compatibilité entre émulsions de bitume et matériaux granulaires de Côte d'Ivoire. Ces matériaux seront caractérisés sur le plan physico-chimique, au moyen d'essais de laboratoire (remontée de pH, DRX…). Le mécanisme d'adsorption de plusieurs émulsifiants tensioactifs à la surface minérale sera évalué via des techniques spectroscopiques et microscopiques. Il est également prévu d'étudier le mouillage et l'adhésion d'une émulsion sur les granulats et les agrégats d'enrobés. Des techniques telles que la tensiométrie à goutte sont envisagées. Le travail scientifique décrit ci-dessus doit apporter des éléments de compréhension vis-à-vis de la formulation d'émulsion de bitume compatible avec les matériaux granulaires ivoiriens sur le plan « industriel ». Ainsi, en parallèle, une étude paramétrique sera menée, en tenant compte de différents facteurs tels que la nature ou la teneur en émulsifiant. Les formules d'enrobés à froid neufs et recyclés seront ensuite validées par des essais empiriques pour qualifier leur comportement au jeune âge. Les performances mécaniques des formules neuves et recyclées, préalablement mûries au laboratoire selon un protocole défini, seront évaluées. Enfin, des planches expérimentales en vraie grandeur sont prévues en Côte d'Ivoire.

  • Titre traduit

    Study of constructive choices to guarantee implementation and durability of recycled mixtures using bitumen emulsion


  • Résumé

    Asphalt emulsion is a system in which asphalt droplets are scattered in acqueous phase and stabilized by surface-acting molecules. In the pavement preparation, it is mainly used to make cold asphalt mixtures, materials made with aggregate and asphalt. Combined with the re-use of recycled materials, called asphalt aggregate, this technical at cold permits energy saving and protection of non-renewable resources, therefore limits negatives impacts on environment. Cold in-place recycled mixtures are developed through the word and can be applied in African countries such as Côte d'Ivoire. Nowadays, in spite of emulsion factories, the use of bitumen emulsion to make asphalt mixtures is infrequent in Côte d'Ivoire. Across, Ivorian government has implemented a wide program of roads infrastructures rehabilitation which may produce an important resource of re-available aggregates. At the present time few Ivorian road yards are implemented with recycled asphalt aggregates. The control of the technic guarantee the success of its expansion, but it is complex because of the nature different of components and the evolutionary character of bitumen emulsion. Many scientific questionings remained. Indeed, the contact between emulsion and mineral matter imply the coming unexpectedly of several physical chemistries phenomenon. Thus, new aggregates and asphalt aggregates chemical reactivity effect bitumen emulsion breaking. Wetting molecules adsorption mechanism on mineral face is very important in the bitumen adherence process on substratum. Also, in a cold recycled asphalt aggregate, emulsion must be able to wet both new aggregates and asphalt aggregates. But these two materials get different chemically faces. Moreover, obtainment of final mechanic performance necessary for cold asphalt aggregate is conditioned by kinetic evaporation of water. This is difficult to predict because many parameters condition the process (road traffic, climate, formulation…). At last, Ivorian roadways dimensions are calculate for 15 or 20 duration. The dimension calculation method coming from French standard one is based on mechanic considerations for hot asphalt aggregates. In the case of asphalt aggregates with bitumen emulsion the criteria of durability must be determined. The general objective of this thesis is to determine physical chemistry phenomenon at bitumen emulsion/new aggregates and bitumen emulsion/asphalt aggregates interfaces, in order to apprehend correctly emulsion recycled asphalt aggregate formulation and mechanic properties evolution. The experiment work could be led with local materials permitting a well adjustment of formulations and identification of phenomenon in actual conditions of Côte d'Ivoire. The result of research presented above would permit to manufacturers to promote enough recycle method and cold technology, in France like in Côte d'Ivoire. Indeed, the difficulty to master simultaneously both two process slows down development of the technology at great scale. At last, the result of this research would give response to an important stake about durability and therefore conditions of implementation of cold recycled asphalt aggregates. An important experimental work will permit to study compatibility between asphalt emulsion and granular materials of Côte d'Ivoire. These materials will be characterized at physical chemistry plan, using laboratory tests. The adsorption process of many emulsifying surface-acting at mineral face will be valued via spectroscopic and microscopic technical. It is also projected to study the anchorage and the adherence of emulsion on granular materials and aggregate asphalted. Some Technics such as tensiometric by drop are envisaged. This scientific work described above must give understanding elements towards asphalt emulsion composition with Ivorian aggregates in industrial plan. Thus, in parallel, a parametric study will be led regard to different elements such as the kind or emulsifying content. New and recycled cold asphalt mixtures formula will then be validated with empirical tests to qualify their behaviour at young age. The mechanic performance of new and recycled formula, first matured at laboratory according to a protocol fixed, will be valued. Finaly, some experiment planks in life-size are projected in Côte d'Ivoire.