Le bitume est un matériau présent naturellement dans l'environnement ou pouvant être fabriqué industriellement après distillation de certains pétroles bruts. Il est composé d'un mélange d'hydrocarbures, peut se trouver à l'état liquide ou solide, et a une couleur brunâtre à noirâtre. Le bitume est liquéfiable à chaud et adhère aux supports sur lesquels on l'applique. Il possède un certain nombre de qualités physico-chimiques dont l'être humain a su faire usage depuis la Préhistoire. Dans le langage courant, on confond souvent le bitume avec la poix, le goudron d'origine houillère, l'asphalte routier ou l’enrobé dont il n'est qu'un composant, ou même encore, par abus de langage, avec le macadam.
Les premiers témoignages de son utilisation remontent à la Préhistoire où il était employé en tant qu'adhésif dans l'industrie lithique (Umm el-Tlel, site localisé en Syrie centrale et daté du Paléolithique moyen). À partir du Néolithique, ses utilisations se sont diversifiées, notamment au Proche et Moyen-Orient, et ses techniques se sont enrichies. Il fut utilisé comme imperméabilisant pour les paniers puis pour les céramiques, calfatant pour les bateaux de rivière ou de mer, mortier de construction, comme peinture et comme remède à diverses maladies en médecine.
Les techniques employées de nos jours relèvent des sciences modernes et ne remontent pas avant le ; les premiers emplois du bitume artificiel sont à dater quant à eux du milieu du .
Les bitumes : des mélanges hydrocarbonés Les bitumes sont des mélanges d'hydrocarbures à poids moléculaire élevé pouvant appartenir aux trois groupes suivants : aliphatique : hydrocarbures à chaîne carbonée ouverte (linéaire ou ramifiée) ; naphténique : hydrocarbures cycliques saturés ; aromatique : hydrocarbures à structure cyclique et plane non saturée particulièrement stable comme le benzène.
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 partiesJ. Pfeiffer, , Elsevier. : 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 remplacé 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.
Propriétés physico-chimiques 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 électrique.
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.
Bitume naturel et bitume artificiel Bitumes naturels : variétés des compositions et des gisements
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, les éléments légers étant très volatils à température ambiante. Extrait à ciel ouvert de gisements qui se présentent comme de véritables lacs appelés fosses à bitume, 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 .
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).
Bitume de Trinidad épuré : il est extrait par raffinage, il contient une partie minérale, sa masse volumique est voisine de , la pénétration à est comprise entre 1 et de millimètre, et la température bille-anneau supérieure à . (Le bitume « soluble » a une pénétration standard de 3 à de millimètres et une température bille-anneau comprise entre 68 et ).
Poudre de Trinidad 50/50 : il s'agit un mélange composé de 50 % de bitume de Trinidad épuré et de 50 % de charge calcaire.
Gilsonite : il s'agit d'un hydrocarbure naturel, qui se présente sous forme de 0/2. La masse volumique est de , la pénétration standard est voisine de de millimètre et la température bille-anneau supérieure à . Le dosage varie de quelques pour cent à 10 % des granulats secs.
Bitumes artificiels : productions industrielles
Classification - 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 ) et les bitumes spéciaux divisés en bitumes de grade « dur » (NF EN 13924) et en bitumes à susceptibilité améliorée.thumb|Quelques-uns des de bitume de Trinidad débarqués à Brisbane (Australie) par le navire Larchbank, en 1938.
- 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).
- Un bitume fluxé est un bitume dont la viscosité a été réduite par l'ajout d'une huile de fluxage.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 dates des normes mentionnées en référence sont celles de l'adoption de la norme européenne par la France) :
Type de bitumeNormeNature de l'essai de qualificationnbClasses Bitumes purs NF EN 12591Norme NF EN 12591 - Bitumes et liants bitumineux - Spécifications des bitumes routiers - Décembre 1999Pénétrabilité à l'aiguille à 920-30 ; 30-45 ; 35-50 ; 40-60 ; 50-70 ; 70-100 ; 100-150 ; 160-220 ; 250-330Pénétrabilité à l'aiguille à Contrairement aux bitumes testés à l’essai de pénétrabilité à l’aiguille à , les bornes de chaque classe des bitumes mous testés à la pénétrabilité à l'aiguille à , ne correspondent pas aux profondeurs mini et maxi d’enfoncement de l’aiguille. Les correspondances sont les suivantes : 250/330 : 70-130, 330/430 : 90-170 , 500/650 : 140-260, 650/900 : 180-360.4250/330 ; 330/430 ; 500/650 ; 650/900Viscosité cinématique à Les classes sont représentées par la viscosité moyenne de chaque intervalle de viscosité. Les bornes de viscosité pour chaque classe sont ainsi les suivantes (exprimées en ) : V1500 : 1000-2000, V3000 : 2000-4000, V6000 : 4000-8000, V12000 : 8000-16000.4V1500 ; V3000 ; V6000 ; V12000Bitumes routiers dursNF EN 13924Norme FD T 65-000 - Liants hydrocarbonés - Classification - Décembre 2003Pénétrabilité à l'aiguille à 210/20 ; 15/25.Bitumes industriels dursNF EN 13305 Point de ramollissement bille et anneau5H80/90 ; H85/95 ; H90/100 ; H100/110 ; H155/165.Bitumes oxydésNF EN 13304Point de ramollissement bille et anneau885/25 ; 85/40 ; 95/25 ; 95/35 ; 100/40 ; 105/35 ; 110/30 ; 115/15.Bitumes fluidifiésXP T 65-002Pseudo-viscosité à 50–1 ; 10–15 ; 150–250 ; 400–600 ; 800–1 400.Bitumes fluxés XP T 65-003Pseudo-viscosité à 60–1 ; 10–15 ; 150–250 ; 400–800 ; 800–1 600 ; 1 600–3 200.Bitumes modifiésNF EN 14023Norme NF EN 14023 - Bitumes et liants bitumineux - Cadre de spécifications des bitumes modifiés par des polymères - mars 2006Pénétrabilité à l'aiguille à 1010-40 ; 25-55 ; 45-80 ; 40-100 ; 65-105 ; 75-130 ; 90-150 ; 120-200 ; 200-300.
Fabrication Les bitumes purs sont fabriqués industriellement à partir de pétrole brut 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).
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 Koweït).
Ces bitumes comprennent les bitumes purs normalisés (norme ) et les bitumes spéciaux divisés en bitumes de grade « dur » (NF EN 13924) et en bitumes à susceptibilité améliorée.
Le soufflage : 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 de toiture. Aussi pour le rendre plus dur, on procède à son soufflage. Le procédé est, ni plus ni moins, qu'une déshydrogénation partielle et une polymérisation du bitume avec l'oxygène de l'air. L'alternative est de les additiver avec un polymère spécifique (cf. Bitume modifié).