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CA1103837A - Composition de bitumes aux proprietes rheologiques ameliorees - Google Patents
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CA1103837A - Composition de bitumes aux proprietes rheologiques ameliorees - Google Patents

Composition de bitumes aux proprietes rheologiques ameliorees

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CA1103837A
CA1103837A CA286,898A CA286898A CA1103837A CA 1103837 A CA1103837 A CA 1103837A CA 286898 A CA286898 A CA 286898A CA 1103837 A CA1103837 A CA 1103837A
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CA
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bitumen
radical
organic compound
mass
compositions
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CA286,898A
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English (en)
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Paul Maldonado
Gilbert Chapelet
Jean Bouvier
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Elf France SA
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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L95/00Compositions of bituminous materials, e.g. asphalt, tar, pitch
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10CWORKING-UP PITCH, ASPHALT, BITUMEN, TAR; PYROLIGNEOUS ACID
    • C10C3/00Working-up pitch, asphalt, bitumen
    • C10C3/02Working-up pitch, asphalt, bitumen by chemical means reaction

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Abstract

L'invention concerne de nouvelles compositions de bitumes ayant des propriétés rhéologiques - mécaniques et viscoélastiques, notamment améliorées. Les compositions sont caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par le mélange à une température comprise entre 140 et 220.degree.C: - d'un bitume ayant une pénétration comprise entre 30 et 220, - de 5 à 30% en poids, par rapport au bitume, d'un composé organique à insaturation oléfinique répondant à la formule générale suivante: dans laquelle les radicaux R1, R2, R3 sont soit l'hydrogène, soit le radical méthyle, deux au moins de ces trois radicaux étant le radical méthyle, et, R est un radical essentiellement hydrocarboné pouvant comporter des cycles et des fonctions telles que la fonction carboxylique, ledit radical ayant une masse telle que la masse moléculaire du composé organique est comprise entre 300 et 3.000 - de 0,2 à 4% en poids de soufre non lié par rapport à la masse des deux autres constituants. Le contact est maintenu une durée suffisante pour assurer la fixation du composé organique sur le bitume. Les compositions de l'invention sont notamment utilisables comme enduits superficiels pour revêtement routier.

Description

La présente invention a pour objet de nouvelles composi-tions de bitumes dans lesquelles on a fixé sur les bitumes un com-posé organique à insaturation oléfinique de masse moléculaire éle-vée.
Les bitumes doivent pour ~tre mis en oeuvre dans leurs diverses applications, notamment comme liants pour enduits super-ficiels ou bitumes routiers, présent:er un certain nombre de qua-lités mécaniques essentielles. Ces qualités sont déterminées par différents tests, parmi lesquels on peut citer:
. le point de ramollissement - Test Bille et Anneau - selon la norme NF T 66-008.
. le point de fragilité ou point de Fraas selon la norme IP 80/53.
. l'adhésivité mesurée par le test de tenue à l'eau d'un bitume selon le mode opératoire établi par le Laboratoire Central des Ponts èt Chaussées ("Essai de tenue d'un film de liant en pré-sence d'eau - bitumes - bitumes fluidifiés - bitumes fluxés -goudrons - goudrons composés ; Juin 1971").
. les caractéristiques rhéologiques par traction,cl'est-à-dire la contrainte au seuil (bars),l'allongement au seuil(%),la contrain-te à la rupture (bars) et l'allongement ~ la rupture (%),mesurées selon la norme française NF T 46002.0n entend par seuil le passa-ge de l'état élastiquè à l'état visqueux.
. la pénétration selon la Tlorme NF T 66-004.
- Les bitumes classiques ne répondent en général pas si-multanément à toutes ces spécifications et l'on a pensé depuis longtemps à y ajouter des produits et notamment des polymères pour améliorer les propriétés mécaniques de ces bitumes. Les polymères ou copolymères ajout~s - appelés souvent élastomères - 90n:~ des produits à haute masse moléculaire, supérieure à 100.000 en poids.
Ces élastomères améliorent effectivement les propriétés mécaniques des bitumes, mais posent la plupart du temps des pro-blèmes de solubilité qui entra~nent des phénomènes de démixion lors du stockage.
~ ..~;

. : . ., ~ . .. . .,. . : ...

L'invention a pour but de pallier ces inconvénients en proposant, au lieu de melanger simplement des polymeres, de fixer par reaction chimique sur les sites reactiEs du bitume des composes organiques a insaturation oléfinique de masse moléculaire relativement élevée mais nettemen~ inférieure à celle des élastomères indiqués ci-dessus.
La presente invention a pour objet des nouvelles compo-sitidns de bitumes caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par le mélange a une temperature comprise entre 140 et 220C:
- d'un bitume ayant une pénétration comprise entre 30 et 220, - de 5 à 30% en poids, par rapport au bitume, d'un composé
organique à insaturation oléfinique repondant ~ la formule générale suivante:

Il / 2 R - C C

dans laquelle les radicaux Rl, R2, R3 sont soit l'hydrogene, soit la radical méthyle, deux au moins de ces trois radicaux etant le radical methyle, et, R est un radical essentiellement hydrocarboné pouvant comporter des cycles et des fonctions telles que la fonction carboxylique, ledit radical ayant une masse telle que la masse moleculaixe du composé organique est comprise entre 300 et 3.000 - de 0,2 à 4~ en poids de soufre non lie par rapport a la masse des deux autres constituants.
Tous les bitumes et asphaltes naturels et synthétiques éventuellement souffles a l'air ou à la vapeur conviennent aux compositions de l'invention. Le choix du degre de penétration .~

.. , r 33~
dépendra essentiellement de l'application particulière prévue pour la composition. La pénétration est mesurée selon la norme ASTM D 5 52 équivalente à NF T 66 004.
Le composé organique qui répond à la formule donnée ci-dessus présente deux caractéristiques essenti~lles :
- une double liaison placée en bout de chaîne soit en position ~
soit en position ~ un des deux atomes de carbone doublement liés étant porteur d'au moins un radical méthyle; le composé
organique peut également comporter une deuxième double liaison placée à l'autre extrémité de la chaîne.
- une masse moléculaire comprise entre 300 et 3O000 et de préférence entre 400 et 2.000.
Ce composé organique peut être constitué par un polymère ou un copolymère de faible masse moléculaire (oligomère).
Le radical R de la formule générale est alors un radical linéaire éventuellement ramifié si le polymère est un polyisobutène ou un polybutadiène. Il peut également comporter des cycles si le polymère est constitué d'isoprène de piperylène et de cyclopentadiène, comme les résines de pétrole en C5, de méthylstyrène et de vinyltoluène comme les résines de pétrole en Cg.
Le composé organique ~ insaturation oléfinique peut également consister en une molécule lourde non polymérique dans laquelle le radical R de la formule est constitué par des structures linéaires et cycliques pouvant comporter des fonctions, notamment la fonction carboxylique. On peut citer à titre d'exemple de structures de ce genre les esters d'acides gras -acide oléique, acide palmitique, acide stéarique etc. et d'alcools supérieurs tels que lanostérol, cholestérol, isocholestérol etc.
De telles structures se retrouvent notamment dans la lanoline.
On peut schématiser ces structures par la formule générale suivante :

3~37 CH3 ~CH2) - C - 0 - ~ 3 dans laquelle n est compris entre 12 et 16.
Bien entendu, le composé organique à insaturation oléfinique utilisé dans la composition de l'invention est souvent constitué par un mélange de plusieurs composés VOiSillS.
La masse moléculaire à considérer est donc alors la masse moléculaire moyenne du mélange.
Lors du mélange du bitume et du composé organique à
insaturation oléfinique le soufre ajouté joue un rôle de "catalyseur" dans la fixation du composé organique sur le bitume.
Le soufre ne reste pas dans le milieu réactionnel et s'échappe en cours de réaction sous la forme d'hydrogène sulfuré. Le mécanisme d'action du soufre est proba'~lement de nature radicalai-re, il est donc essentiel que le soufre soit ajouté sous une forme active dans ce genre de réaction notamment sous forme de fleur de soufre, de soufre en poudre, de soufre fondu etc, c'est-à-dire d'une manière générale sous une forme non liée chimiquement.
La réaction est de préférence réalisée ~ une tempéra-ture à laquelle les différents constituants du mélange sont liquides c'est-à-dire entre 140 et 220C et de préférence entre 160 et 210C.
La durëe de la réaction, c'est-à-dire du contact entre les différents constituants du mélange est essentielle à la réalisation conv~enable de la fixation du composé organique sur le bitume.
Cette durée sera au minimum égale à lO heures, il n'y a pas de limite supérieure théorique on peut cependant estimer " ... .

3~37 que sur le plan pratique elle ne dépassera pa~ vingt heures.
La réaction sera avantageusement réalis~e en présence d'un gaz inerte tel que l'azote ou l'argon. Le gaz sera par exemple bull~ au sein de la masse fondue et agitée.
L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples ci-après donnés à titre non limitatif.
Exemple 1 A 100 parties dlun bitume Safanyah 80 - 100*on ajoute 13,4 parties de polyisobutène liquide de masse moléculaire moyenne 1015 et 3,7 parties de fleur de soufre. Le mélange est chauffé à 166C
en atmosphère inerte et sous agitation pendant 13 heures. Une réaction chimique se produit au sein du mélange et on détecte un départ d'hydrogène sulfuré. Les caractéristiques de bitume modifié (B) ainsi obtenu, ainsi que celles du bitume initial A, sont données dans le tableau I ci-dessous.
Exemple 2 On réalise le meme traitement que celui décrit dans l'exemple 1 en substituant au polyisobutène 13,4 parties d'une "graisse normale" constituée par un extrait naturel de suint de mouton, possèdant les caractéristiques suivantes :
- masse moléculaire moyenne 680, - humidité H20 < 1 %, dessication ~ l'étuve ~ 105C durant 4 heures~
- indice d'acide : 4 à 6 /OO;cette mesure est exprimée par rapport au nombre de mg de KOH nécessaire pour neutraliser l'acidité
libre de lg de graisse, - indice de saponification 90 à 100 %O
- cendres : 0,1 - 0,3 %O
- cholestérol 10 à 13 %; d~termination chromatographique des stérols contenus dans l'insaponifiable.

Cette graisse normale est un mélange d'esters d'acides gras et d'alcools supérieurs comme indique dans la description.

maK~e de o~rce 5 ' ' '. ' ' . . ~ ':::'' ' :' -.'. . " .,, '.:. . '.. . .

~93~337 Les propriétés mécaniques du bi-tume modifié ainsi obtenu (C) sont indiquées dans le tableau I.
Exemple 3 Dans cet exemple comparatif, on reprend l'exemple 1 mais sans introduire le polyisobutène dans le milieu réactionnel. Les caractéristiques du bitume obtenu D sont données dans le tableau I.
Exemple ~
Dans cet exemple comparatif, on reprend l'exemple 1 en chauffant le milieu réactionnel 15 minutes à 166C au lieu de 13 heures.
Les caractéristiques du produit obtenu (E) sont données dans le tableau I.
Exemple 5 Dans cet exemple comparatif, on reprend l'exemple 1 en omettant d'ajouter le soufre. Les caractéristiques du produit obtenu (F) sont données dans le tableau I.
Les caractéristiques indiquées dans le tableau I ont été mesurées selon les normes indiquées dans la description.
L'analyse des resultats fournis dans ce tableau montre que :
La fixation au bitume du composé organique à insaturation oléfinique améliore considérablement l'ensemble des propriétés mécaniques du bitume de base (comparaison des bitumes B et C
au bitume A), l'absence du composé organique - bitume D -entraîne une perte très sensible de la tenue au froid (point de fragilité).
. Une durée de réaction insuffisante - bitume E - entraîne une baisse sensible du point de ramollissement et du seuil maximum d~ contrainte.
. L'absence de soufre dans le milieu réactionnel montre que le composé organique seul n'a qu'une influence de solvant sur le bitume, sans améliorer ses qualités.
Exemples 6 à 11 Dans ces exemples on a fait varier différents paramètres du procédé de préparation des compositions de bitume selon l'inven-tion : teneur en soufre du mélange, teneur en composé organique à
insaturation oléfinique (oligomètres), masse moléculaire du polymère, température et durée de la réaction.
Les conditions opératoires des expériences et les principales caractéristiques des bitumes obtenus sont données dans les tableaux II et.III (cf.page 8), le bitume traité étant celui qui est décrit dans l'exemple 1).
TABLEAU I

Bl;tumes . . _ Proprié ~ _ A B C D E F
.. _ I ~ _ Point de C
ramollissement 48 57 51,5 56 44 48 . . . _ Point de C
fragilité -18 -28 -28,5 -12 -28 -28 __ Adhésivité %
passive ~ 50 25 75 25 25 25 _ Seuil maximum de contrainte à 20 .
500 mm/mn (bars) 0,6 2 1,42 2,3 0,37 0,4 .
Contrainte à la rupture à 20 500 mm/mn (bars) 0 0 0,06 0 0 0 . , Allongement à la non rupture à 20 trac-S00 mm/mn (%) table250 700 350 600 490 . _ Pénétration à 25C .
. ~ ~n l/lOmm 88 2 2.2 .

TABLEAU II
.

¦ Paramètres _ MasseTempéra- Durée de I ~ . Soufre Polymère Molé- ture de réaction Exemples duréactio~ (heures) L ` polymère l . 6 2 10 - 168 150 16 _ _ _ 7 4,25 11 455 155 18 _ .
8 2,5 11 1.250 155 18 . _.
. 3,7 13,4 1.060 166 22h 50mn io 4,2 14,3 1.250 147 17h 55mn _ _ .
11 4,15 9,4 L l.Z5D L70 17h O9mn -TABLEAU III
' Caractéristiques Point de Point ~Intervalle Péné-fragilité ramolis- de tra-~ C sement plasticité tion Exemples C
_ . .
6 -18 44,5 62,5 .

7 -24 ~9 83 . 51 .~
. _ _ _ .
. 9 -25 64 89 36 _ . _ ' :' . 10 -29 55,5 84,5 _ _ .
11 -17,5 70 87,5 .
_, . _ _ . .
* L'intervalle de plasticité est la différence de température existant entre le point de ramollissement et le point de fragilité.

Les résultats des tableaux II et II:I montrent que lorsque l'on fait varier les conditions opératoires de prépara-tion des compositions de l'invention dans les limites définies dans la présente demande, les produits obtenus sont assez voisins les uns des autres notamment en ce qui concerne l'inter-valle de plasticité. Il est à noter, exemple 6, que si le polymère est de masse moléculaire trop faible, le produit final est de mauvaise qualité, et même moins bon que le bitume d'origine.

- .. - . . .. .. . ..

Claims (5)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendique, sont définies comme suit:
1. Nouvelles compositions de bitumes caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par le mélange à une température comprise entre 140 et 220 C:
- d'un bitume ayant une pénétration comprise entre 30 et 220, - de 5 à 30% en poids, par rapport au bitume, d'un compose organique à insaturation oléfinique répondant à la formule géné-rale suivante:

dans laquelle les radicaux R1, R2, R3 sont soit l'hydrogène, soit le radical méthyle, deux au moins de ces trois radicaux étant le radical méthyle, et, R est un radical essentiellement hydrocarboné pouvant comporter des cycles et des fonctions telles que la fonction carboxylique, ledit radical ayant une masse telle que la masse moléculaire du composé organique est comprise entre 300 et 3.000 - de 0,2 à 4% en poids de soufre non lié par rapport à la masse des deux autres constituants.
2. Compositions selon la revendication 1, caractérisées en ce que le compose organique à insaturation oléfinique est un polymère oléfinique ayant une masse moléculaire moyenne comprise entre 400 et 2.000.
3. Compositions selon la revendication 1, caractérisées en ce que le composé organique oléfinique est un mélange d'esters d'acides gras ayant-de 14 à 18 atomes de carbone et d'alcools supérieurs.
4. Compositions selon la revendication 1, 2, ou 3, carac-térisées en ce que le contact entre les trois constituants du mélange est maintenu au moins 10 heures.
5. Compositions selon la revendication 1, 2 ou 3, carac-térisées en ce que le mélange est réalisé en présence d'un gaz inerte.
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