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Modélisation du comportement rhéologique des bitumes polymères* Le modèle autoc

Modélisation du comportement rhéologique des bitumes polymères* Le modèle autocohérent Frédéric HADRZYNSKI Ingénieur EUDIL Docteur en mécanique de l'université de Paris-Nord Laboratoire central de Cochery Bourdin Chaussé Christian SUCH Docteur ès-Sciences Chef de la section des Liants et matériaux routiers Laboratoire central des Ponts et Chaussées R E S U M E Le formulateur de bitumes polymères aime- rait prévoir les caractéristiques des mélan- ges à partir des constituants purs. Si des tentatives de prévision ont déjà été menées, elles se sont révélées trop peu adaptées pour interpréter les propriétés macroscopi- ques de ces liants. Par ailleurs, des modèles d'homogénéisation développés dans le cadre de la mécanique des matériaux composites permettent de décrire les propriétés des mélanges à partir des caractéristiques et des proportions de chaque constituant. Il a semblé intéressant d'appliquer aux mélanges bitumes polymères une des méthodes d'ho- mogénéisation mécanique : le modèle auto- cohérent. L'étude décrite concerne un bitume 70/100 modifié par l'addition d'un copolymère Styrène-Butadiène-Styrène aux teneurs com- prises entre 2 et 1 0 % . Les modules com- plexes des constituants et de leurs mélanges sont obtenus expérimentalement. Le modèle autocohérent est appliqué aux mélanges à partir des phases pures. Puis par fractionne- ment physique à chaud, on cherchera à isoler d'autres systèmes indépendants. La validité du modèle autocohérent sera testée. Une bonne approximation est obtenue à partir des seules phases centrifugées. Le gel polymère, microscopiquement hétérogène, peut être considéré comme mécaniquement homogène même avec peu d'asphaltènes. On montre également que la distribution des tailles des particules joue un rôle au second ordre sur le comportement mécanique des phases séparées. M O T S CLÉS : 31 - Comportement - Rhéologie - Modèle numérique - Bitume - Polymère - Mélange - Homogène - Méthode - Mécanique. Introduction L'incorporation des polymères aux bitumes n'est plus une idée neuve puisqu'elle a été mise à l'épreuve dès les années 1970. Malgré l'expérience acquise depuis main- tenant plus de vingt ans, la formulation de liants poly- mères bien adaptés aux exigences routières reste une entreprise délicate. Les tâtonnements proviennent entre autres de la difficulté de faire le bon choix des consti- tuants du mélange compte tenu de la diversité des bitumes et de l'éventail des polymères utilisables. De plus, dans un souci d'optimisation de la formulation du liant modifié en vue du meilleur rapport comporte- ment-coût pour l'emploi visé, le pourcentage des consti- tuants (souvent entre 2 % et 10 % en masse de poly- mère) ajoute un autre degré de liberté dont il n'est pas toujours facile de profiter. Face à ces choix, le formulateur de bitumes polymères souhaiterait prévoir les caractéristiques de ses mélanges à partir des caractéristiques et des quantités des consti- tuants bitume et polymère. Des tentatives de prévision [1] et [2] ont bien sûr déjà été menées en essayant d'es- timer le comportement des liants modifiés à partir des caractéristiques chimiques des constituants (composition générique des bitumes, masse moléculaire des poly- mères, compatibilité des mélanges, etc.). Cependant, ces descriptions chimiques et physiques se sont révélées trop peu adaptées pour pouvoir interpréter et modéliser sim- plement les propriétés macroscopiques des bitumes polymères. extrait de la thèse de doctorat de F. H a d r z y n s k i . BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 214 - MARS AVRIL 1998 - REF 4160 - PP 31e Par ailleurs, des modèles d'homogénéisation développés dans le cadre de la mécanique des matériaux composites permettent de décrire les propriétés des mélanges à partir des caractéristi- ques et des proportions de chacun de leurs constituants. Il a semblé intéressant d'appliquer aux mélanges hétérogènes de bitume et de poly- mère une de ces méthodes d'homogénéisation mécanique, le modèle autocohérent [3]. L'étude décrite dans cet article porte sur l'étude d'un bitume 70/100 modifié par un copolymère Styrène-Butadiène-Styrène (SBS) aux teneurs comprises entre 2 et 10%. Les modules com- plexes du bitume, du polymère pur et de leurs mélanges sont obtenus à l'aide du viscoanalyseur Métravib [4] et [5]. Le modèle autocohérent est appliqué aux mélanges bitume-SBS à partir des caractéristiques des constituants purs. D'autres phases indépendantes pourront être obtenues par fractionnement physique à l'aide de la centrifu- gation à chaud. La validité du modèle autocohé- rent sera testée avec un mélange à 5 % de SBS pour lequel on précisera tout particulièrement la nature des phases centrifugées avant de l'appli- quer aux autres concentrations qui fait l'objet de la partie II présentée dans un prochain article. Caractérisation rhéologique des constituants et des produits Caractérisation des constituants purs Le bitume est un bitume de distillation directe de pénétration de 79 dixièmes de millimètre et de 47 °C de température de ramollissement ; sa teneur en asphaltènes - nC7 est de 9,5 %. Le polymère est un SBS étoile sans additif se pré- sentant sous forme de grains de 0,5 mm. Ces deux matériaux sont d'usage courant en tech- nique routière. Le bitume 70/100 et le polymère SBS purs sont caractérisés en viscoanalyse entre 7,8 et 250 Hz pour des températures comprises entre - 20 et 60 °C. Les éprouvettes cylindriques de polymère ont été thermoformées à 180 °C à l'Institut fran- çais du caoutchouc. La figure 1 représente l'isochrone de l'angle de déphasage du bitume pur et du polymère pur. Pour le bitume pur, on constate qu'il varie rapi- dement avec la température jusqu'à la limite de 90° correspondant au liquide visqueux newto- nien. Dans le même intervalle de température, l'angle de phase du polymère reste toujours très faible, en dessous de 10° même à 60 °C. On vérifie bien que le polymère a un comportement plus élastique que le bitume surtout à haute tem- pérature. De même, l'examen des isochrones des modules G (fig. 2) permet de constater que le module du bitume diminue fortement avec l'élévation de la température, alors que le module du polymère reste pratiquement constant dans tout l'intervalle d'expérimentation. Le polymère est quasi insen- sible à la température alors que le bitume, a une forte susceptibilité thermique. Angle de déphasage (° 90 80 Bitume 8 0 / 1 0 0 40 50 60 Température (°C) Fig. 1 - Isochrone à 7,8 Hz de l'angle de déphasage du bitume 70/100 et du polymère SBS purs. Module G (MPa) 1000 30 40 50 60 Température (°C) Fig. 2 - Isochrone à 7,8 Hz des modules G du bitume 70/100 et du polymère SBS pur. Ainsi, en dessous de 13 °C, le module du poly- mère est inférieur à celui du bitume (à - 20 °C le module du bitume est vingt fois supérieur à celui du polymère). Par contre, au-dessus de 13 °C, le module du polymère devient vite supérieur à celui du bitume (à 60 °C, le rapport des modules est de l'ordre d'un facteur 1 000). A priori, le polymère devrait donc modifier de façon importante la rhéologie du bitume aussi bien à haute qu'à basse température : il devrait augmenter la résistance au fluage (comportement plus élastique et module plus élevé à haute tem- pérature) et diminuer la fragilité du bitume (dimi- nution du module aux basses températures). Confirmons ces modifications par l'étude des mélanges bitumes polymères. BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 214 - MARS-AVRIL 1998 - RÉF. 4160 - PP. 3-18 Caractérisation des mélanges Les mélanges de bitume modifié par 2 à 10 % de SBS sont fabriqués dans les mêmes conditions, en particulier à la même température de 195 °C, pendant le même temps (4 h) et à la même vitesse d'agitation de 900 tours par minute. Les espaces de Black du bitume pur et de ses mélanges sont représentés sur la figure 3. Les domaines délimités des basses, moyennes et hautes températures représentent les domaines de température dans lesquels des comportements particuliers sont observés comme la fissuration de retrait thermique, la rupture par fatigue méca- nique et l'orniérage. On constate que les courbes des liants SBS diffè- rent de la courbe du bitume, sur tout le domaine expérimental de fréquence et de température. Même aux plus faibles pourcentages de poly- mère ajouté, le SBS modifie le comportement du bitume 70/100 dans les trois domaines des bas- ses, moyennes et hautes températures. Aux basses températures (entre -20 et 0 °C) Dans cette zone, on remarque que les liants ont un comportement proche du solide élastique, avec un module élevé voisin de la valeur limite de 1 000 MPa et un angle de déphasage faible (quelques degrés). Toutefois, on note que les courbes dans l'espace de Black associées aux liants modifiés sont toutes en dessous de celle du bitume 70/100, d'autant plus bas que la teneur en polymère augmente. Pour ces basses températures, les angles de déphasage variant peu entre les différents produits, les modules des liants modifiés resteront toujours légère- ment inférieurs à celui du bitume, comme on peut aussi le vérifier à partir de la représenta- tion des isochrones à 7,8 Hz des modules des liants (fig. 4). Ainsi, à - 20 °C, on note une diminution de module de 15 à 73 % selon la uploads/Ingenierie_Lourd/ modelisation-du-comportement-rheologique.pdf