Etude des phénomènes physico-chimiques à l'interface émulsion de bitume/substrat minéral - Application à la formulation de Bétons Bitumineux à l'Emulsion (BBE) - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2013

Study of the physico-chemical phenomena occurring at the bitumen emulsion/mineral substrate interface - Application to the formulation of bitumen emulsion cold mixtures

Etude des phénomènes physico-chimiques à l'interface émulsion de bitume/substrat minéral - Application à la formulation de Bétons Bitumineux à l'Emulsion (BBE)

Layella Ziyani

Résumé

This PhD thesis contributed to better understand the mechanisms involved at the bitumen emulsion/mineral substrate interface with the aim of controlling the manufacture of bitumen emulsion cold mixtures. The first step of this work was to propose and to implement the pavement design of bitumen emulsion cold-mix wearing courses. After a parametric study involving the emulsion, the mineral components (aggregates and/or Reclaimed Asphalt Pavements) and the mix (residual binder content, total water content), cold mixtures were manufactured in laboratory and in worksite in order to stress the impact of scaling on the mixture properties. The mechanical characteristics of the mixtures were quite satisfactory. Meanwhile, the results pointed out the importance of adopting a more rigorous method to identify the bitumen emulsion/mineral substrate interface. The second step of this work was to study this interface at three levels. The first level concerns the analysis of the mineral substrate in contact with the acid from the emulsion using rise in pH tests and Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP-OES). These trials allowed showing discrepancies in chemical reactivity due to the petrographic nature of the mineral substrate and quantifying the ion release in aqueous solution. The second level is focused on the characterisation of the interactions between emulsifier and aggregates using electrophoretic mobility studies. The results showed the emulsifier coverage onto the substrate and differences in substrate coverage as a function of the emulsifier type. The third level is dedicated to the characterisation of the bitumen emulsion wetting and adhesion onto the substrate using sessile drop tests. The experiments performed underlined the influence of the surface state of the substrate on wetting, but do not show clearly the effect of the nature of the emulsion on wetting. Finally, empirical tests used to characterise emulsion breaking, coating and adhesivity have been compared to rise in pH tests, electrophoretic mobility tests, and sessile drop tests.
Cette thèse a contribué à mieux cerner les mécanismes à l'interface émulsion de bitume/substrat en vue de maîtriser la fabrication d'enrobés à l'émulsion. La première étape de ce travail a consisté à proposer et à mettre en oeuvre une méthode de formulation de Bétons Bitumineux à l'Emulsion, utilisés en couche de roulement. Après une étude paramétrique sur l'émulsion, les constituants minéraux (granulats et/ou agrégats d'enrobés) et le mélange (teneurs en liant résiduel et eau totale), des matériaux à l'émulsion ont été fabriqués en laboratoire et sur site réel, notamment afin de rendre compte de l'influence du changement d'échelle. Les propriétés mécaniques des matériaux fabriqués ont été très satisfaisantes. Néanmoins, les résultats ont souligné l'intérêt d'adopter une démarche plus scientifique dans la caractérisation de l'interface émulsion de bitume/substrat. La seconde étape du travail a donc été l'étude de cette interface selon trois axes. Le premier axe concerne l'analyse du contact acide de l'émulsion/substrat via des essais de remontée de pH et de spectroscopie d'émission atomique. Ces tests ont permis de montrer des différences de réactivité chimique selon la nature pétrographique du granulat et de quantifier le relargage d'ions en milieu aqueux. Le second axe est focalisé sur la caractérisation de l'interaction émulsifiant/granulats par mesure de mobilité électrophorétique. Les résultats ont démontré le recouvrement d'émulsifiant sur le substrat minéral et une différence du recouvrement en surface selon la nature de l'émulsifiant. Le troisième axe est concentré sur la caractérisation du mouillage et de l'adhésion de l'émulsion sur le substrat au moyen d'essais d'angles de contact. Les essais réalisés ont mis en évidence l'influence de l'état de surface du substrat sur le mouillage, mais ne montrent pas clairement l'effet de la nature de l'émulsion sur ce mouillage. Enfin des essais empiriques de rupture, d'enrobage et d'adhésivité d'émulsion ont pu être comparés aux essais de remontée de pH, de mobilité électrophorétique et d'angles de contact.
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Citer

Layella Ziyani. Etude des phénomènes physico-chimiques à l'interface émulsion de bitume/substrat minéral - Application à la formulation de Bétons Bitumineux à l'Emulsion (BBE). Matériaux. Université Nantes Angers Le Mans, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01359295⟩
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