Déstabilisation des émulsions de bitume et évaluation du comportement à l'interface huile/eau

Evaluation of bitumen emulsions destabilization and of the oil/water interface behavior

• Auteur / Autrice : Laure Boucard
• Direction : Véronique Schmitt, Ferhat Hammoum
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 01/12/2016
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux (France ; 2011-2019)
• Jury : Président / Présidente : Jack Legrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Farcas, Vincent Gaudefroy, Laurence Lapalu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Langevin, Philippe Marchal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Floculation

Bitume

Matériaux bitumineux

Mots clés libres

Coalescence

Résumé

La compréhension des phénomènes physico-chimiques intervenant dans le processus de déstabilisation des émulsions est fondamentale pour prédire le comportement au jeune âge des mélanges à l’émulsion de bitume. Ce travail de thèse vise à identifier les différents mécanismes et à déterminer les paramètres influant sur la stabilité d’émulsions directes concentrées dans des conditions de non séchage. Afin d’étudier la rupture des émulsions, des systèmes modèles et réels ont été formulés avec différentes huiles (bitume, huiles de silicone et d’hexadécane) et différents tensioactifs cationiques (sel d’ammonium quaternaire et diamine). Pour simuler les phénomènes (relargage d’espèces ioniques en solution avec ou sans remontée de pH) intervenant lors de la mise en contact des émulsions avec les granulats, différentes solutions électrolytiques (NaOH, NaCl et KBr) ont été utilisées pour les déstabiliser. Le comportement des systèmes a été étudié en cours de déstabilisation. Des méthodologies et des outils ont été mis en place et ont permis de classer les émulsions selon leur processus et cinétiques de déstabilisation en réalisant des observations macroscopiques, microscopiques et en utilisant la rhéologie (plus particulièrement l’évolution de l’angle de phase du liant). Ces travaux ont permis d’identifier les mécanismes (floculation, coalescence et percolation) intervenant dans le processus de déstabilisation et de déterminer les paramètres influant tels que la concentration en électrolyte, la température et la composition du bitume. Enfin l’action des fractions cristallisables et des acides naphténiques du bitume sur la déstabilisation des émulsions a été établie et discutée.

Understanding the physical-chemical phenomena occurring in the emulsion breaking process is fundamental to predict the behavior of bitumen emulsion cold mixtures at fresh state. This work aims to identify the different mechanisms involved, and determine the parameters influencing the stability of concentrated oilin- water emulsions without drying. To study the emulsion breaking, models and real systems have been formulated with different oils (bitumen, silicone and hexadecane oils) and different cationic surfactants (quaternary ammonium salt and diamine). In order to simulate the phenomena (release of ionic species in solution with or without pH rising) occurring when the emulsion is put into contact with the aggregates, different electrolyte solutions (NaOH, NaCl and KBr) were used as destabilizing agent. The emulsions behavior was monitored throughout the destabilization using specifically developed methodologies and tools. Emulsions have been ranked in function of their destabilization kinetics and process by performing macroscopic and microscopic observations and by using rheology (especially by following the phase angle evolution of the binder). This work has permitted mechanisms identification (flocculation, coalescence and percolation) involved in the destabilization process and to determine the main factors influencing it such as electrolyte concentration, temperature and bitumen composition. Finally, the impact on the emulsion destabilization of the crystallized fractions and naphthenic acids of bitumen was demonstrated and discussed.