Publié à l'origine en novembre 1964.

Les matériaux bitumineux ont eu d'importantes applications dans l'industrie du bâtiment pendant des siècles. Probablement à cause de leurs propriétés adhésives et imperméables les bitumes furent employés dès l'année 3800 avant notre ère. Les chefs des empires assyrien, sumérien et chaldéen ont eu recours à des bitumes extraits de dépôts naturels pour imperméabiliser les murs de leurs palais.

En dépit du passage des siècles les matériaux bitumineux sont encore très employés dans la construction. Ils conservent leurs excellentes propriétés adhésives et imperméables s'ils sont appliqués comme il faut. Par exemple, sous l'influence de l'eau, des températures excessives et des radiations solaires les bitumes peuvent être lentement décomposés en anhydride carbonique et en eau. Par contre, leur durabilité peut être accrue si on leur donne une certaine protection. Le présent Digeste a pour but de passer en revue les propriétés des matériaux bitumineux et la façon dont on doit les appliquer pour tirer de leur emploi les meilleurs résultats possibles.

Que sont les bitumes?

Il existe bien des façons de décrire les bitumes. Le mot "bitume" est un nom générique s'appliquant à des mélanges d'hydrocarbures qui peuvent être gazeux, liquides, semi-solides ou solides et qui sont complètement solubles dans le sulphure de carbone. A l'intérieur de cette catégorie de matériau il y a de nombreuses substances les plus employées étant le goudron, la poix et les asphaltes.

Les goudrons sont des produits condensés brun noir provenant de la distillation destructive des matériaux comme le bois, la tourbe, le schiste, les os et le charbon. La distillation fractionnée ou l'évaporation partielle du goudron donne un résidu solide ou semi-solide que l'on appelle poix. La poix au goudron de houille est la substance de ce type la plus employée pour la construction.

La couleur des asphaltes va de brun foncé à noir. Ce sont des solides ou des semi-solides qui se liquéfient graduellement lorsqu'ils sont chauffés. On les trouve à l'état naturel mais on peut également les tirer du pétrole. Essentiellement, l'origine de l'asphalte naturel est la même que celle de l'asphalte produit par le raffinage du pétrole, sauf que le dernier processus est effectué à des températures plus élevées mais qu'il est plus rapide.

La plus grande source d'asphalte naturel exploité commercialement est un lac ayant plus de 300 pieds de profondeur et couvrant une surface totale de 100 arpents sur l'île de Trinidad. D'autres sources d'asphalte naturel se présentent sous la forme de roches asphaltiques dans le Kentucky et d'asphaltes très durs comme le Gilsonite dans l'Utah et le Colorado.

Si on enlève des huiles brutes les essences, les huiles et autres produits volatils on obtient un résidu asphaltique qu'on appelle parfois asphalte de distillation. Les propriétés de ce produit dépendent de la nature de la source brute et des conditions de raffinage. Le résidu est souvent utilisé tel quel mais un raffinage plus poussé est quelquefois nécessaire pour produire un matériau plus dur. On peut réaliser ce raffinage au moyen d'un processus d'oxydation dans lequel de l'air est soufflé au travers d'un résidu asphaltique réchauffé. En réglant le processus on peut obtenir des produits plus ou moins durs. On ne comprend pas encore très bien les phénomènes chimiques et physiques du processus à cause de la nature complexe des matériaux bitumineux. On pense néanmoins que ces matériaux sont de nature colloïdale et qu'ils comportent des substances de poids moléculaire élevé dispersées dans un fluide ayant un poids moléculaire moins élevé. Le bitume est changé physiquement si ce système colloïdal est perturbé comme on peut le voir quand un bitume est surchauffé. Une partie du fluide ayant un poids moléculaire moins élevé est enlevée par distillation de telle sorte que les par distillation de telle sorte que les propriétés de flexibilité et d'adhésion du matériau sont réduites. La consistance peut également être accrue au moyen de matières minérales de remplissage pulvérisées dont la fonction principale est d'augmenter la viscosité. Ceci donne le même résultat que l'oxydation sans sacrifier les propriétés attendues des asphaltes tendres.

Propriétés

L'adhérence d'un bitume à une surface dépend à la fois de la nature de cette surface et de l'état du bitume. Pour qu'un produit adhésif adhère bien il faut qu'il puisse humidifier la surface sur laquelle il doit adhérer. Lorsqu'ils sont à l'état fluide les bitumes peuvent humidifier les surfaces solides sèches et une bonne adhérence peut en résulter mais l'adhésion se fera mal s'il y a de l'eau. La température du solide ainsi que celle du bitume influent sur la qualité du joint. N'importe quelle poussière à la surface du solide et la nature même du solide peuvent également modifier cette qualité. Même lorsqu'un bitume a été appliqué avec succès l'adhérence peut être réduite ou même détruite si de l'eau pénètre entre le solide et le bitume.

Il existe un certain nombre de produits que l'on peut ajouter au bitume pour le rendre plus adhésif. Ces produits ont une puissante action de mouillage et d'adhérence et lorsqu'on les ajoute en petites quantités dans les bitumes ils déplacent l'eau qui se trouve à la surface du solide et permettent une bonne adhérence. Ils empêchent également la détérioration du joint au cas où l'eau viendrait à s'infiltrer. Il faut absolument que le joint entre le bitume et le solide soit bien fait et bien entretenu si l'on veut avoir des résultats satisfaisants pendant longtemps.

La résistance à l'eau des bitumes dépend de leur imperméabilité et de leur pouvoir d'absorption de l'eau. Même une couche très fine (1/64 pce) si elle n'est pas interrompue constitue un excellent coupe-vapeur. Dans la pratique, le degré d'imperméabilité sera affecté par la nature des matériaux de remplissage et par la continuité du revêtement bitumineux. Lorsque l'imperméabilisation est très importante, comme dans le cas des toitures, on renforce la couche de bitume avec des tissus ou des feutres de façon à éviter les fissures.

Dans certaines conditions l'eau peut être absorbée par le bitume lui-même ou par les petites quantités de sels inorganiques ou les éléments de remplissage qu'il contient. La solubilité normale de l'eau dans le bitume est de l'ordre de 0.001 à 0 . 01 du poids, donc négligeable. S'il y a des sels en quantité quelconque dans le bitume qui soient solubles dans l'eau cela donnera au bitume une grande capacité d'absorption de l'eau par osmose. Pour cette raison, les raffineries de pétrole enlèvent les sels qui se trouvent dans le pétrole brut avant de le raffiner. Les agents de remplissage peuvent également absorber certaines quantités d'eau, selon la composition et la granulométrie du matériau. A cause de cela on a constaté que les bitumes en contact permanent avec l'eau absorbent plus ou moins cette dernière et des estimations ont été faites quant aux propriétés qu'ont la poix au goudron de houille et l'asphalte pour ce qui est de l'absorption de l'eau.

Les résultats d'essais récents effectués sur l'asphalte et sur la poix au goudron de houille ont révélé après un an des absorptions d'eau de 0.5 à 2.4 g. par pied carré pour les poix commerciales au goudron de houille et de 2.0 à 3.9 g. par pied carré pour les asphaltes qu'on trouve dans le commerce. Ces taux d'absorption sont très faibles et il y a peu de différence entre les deux. Il est encore plus important de noter que le taux de pénétration de l'eau dans le bitume est lui aussi très faible.

Les propriétés d'écoulement des bitumes sont d'une certaine importance par suite des températures élevées auxquelles ils sont assujétis lors de leur fabrication et de leur mise en place et par suite des basses températures auxquelles ils sont assujétis par la suite. Les propriétés d'écoulement sont complexes particulièrement à cause des modifications qui se produisent dans la nature colloïdale des bitumes chauffés. Lorsque la température est assez élevée pour que le bitume soit liquide le taux de cisaillement est directement proportionnel à la résistance au cisaillement. A mesure que la température baisse, cependant, les propriétés d'écoulement sont affectées par l'élasticité et autres effets. Ceci a nécessité des essais empiriques qui sont utilisés par le fabricant et l'utilisateur pour mesurer la consistance des matériaux bitumineux à des températures comparables à celles auxquelles sera assujéti le bitume mis en place. Parmi les essais les plus connus sont les essais de pénétration et d'amollissement.

L'essai de pénétration permet de mesurer la profondeur de pénétration en dixièmes de millimètre d'une aiguille surmontée d'un poids qui pénètre dans du bitume, après un temps déterminé et à une température donnée. Les conditions d'essai les plus courantes sont un poids de 100 g. appliqué pendant 5 secondes à la température de 77°F. Le coefficient de pénétration donne une idée de la dureté des asphaltes. Les valeurs typiques obtenues sont approximativement 10 pour les asphaltes ordinaires 15 à 40 pour les asphaltes des toitures et jusqu'à 100 et plus pour certains asphaltes d'imperméabilisation.

L'essai d'amollissement indique la température en degrés Farenheit à laquelle une bille d'acier pénètre à une certaine profondeur dans le bitume lorsque le dispositif d'essai est progressivement chauffé. Les conditions d'essai sont généralement une bille d'acier de 3/8^e pce de diamètre pesant 3.5 g. qui pénètre d'un pouce dans un disque de bitume de 5/8^e pce de diamètre et de ¼ pce d'épaisseur, tenu dans un anneau de laiton, l'ensemble étant chauffé à raison de 9°F par minute. La température mesurée n'est pas le point de fonte. Elle n'est qu'une indication d'écoulement dans des conditions données. La valeur du point d'amollissement est employée pour classifier les bitumes. Valeurs typiques: jusqu'à 240°F pour les asphaltes de recouvrement; de 140 à 220°F pour les asphaltes de toitures et 115°F pour certains matériaux très étanches.

Lorsqu'ils sont refroidis suffisamment tous les bitumes perdent leurs propriétés visqueuses et se comportent comme des solides cassants. L'intervalle entre la température du point d'amollissement et la température à laquelle des cassures sont possibles indique dans quelle mesure les bitumes sont sensibles à la température. Cette sensibilité varie selon la source brute et selon la méthode de traitement du bitume. Le bitume donne généralement satisfaction lorsqu'il est assujéti en service à des températures ne dépassant pas les limites fixées pour la cassure due au froid et pour l'amollissement dû à la chaleur.

L'absence de compatibilité entre différents bitumes a également son importance. Il y a incompatibilité lorsqu'on aperçoit des taches ou de larges fissures. Si une poix de goudron de houille et de l'asphalte sont incompatibles l'un sera amolli et l'autre durci. La nature et la gravité de l'incompatibilité dépendra de la composition chimique et de la structure physique interne des bitumes. La réaction de l'asphalte envers la poix peut se manifester de deux façons:

1. Si de l'asphalte est appliqué sur de la poix il peut s'amollir et disparaître par écoulement tandis que la poix restera exposée aux intempéries et vieillira vite.
   
   
2. Si de la poix est appliquée sur de l'asphalte elle peut durcir et craquer.

Ces réactions ne se produisent pas toujours et quelquefois l'asphalte peut être appliqué sur de la poix et vice versa sans que de mauvais effets en résultent. Il est souhaitable, cependant, d'éviter les contacts entre deux bitumes différents et pour cette raison l'asphalte ne devrait pas être utilisé avec des feutres imprégnés de goudron et on ne devrait pas non plus employer le goudron avec un feutre imprégné d'asphalte. Si des doutes existent quant à la compatibilité des matériaux bitumineux un essai a été mis au point pour l'établir (ASTM D1370-58).

Pour permettre aux bitumes d'humidifier les surfaces qu'ils doivent recouvrir on les applique souvent à chaud à l'état liquide. La température à laquelle il faut chauffer le bitume dépend à la fois de la consistance de ce dernier et de la température de la surface sur laquelle il doit être appliqué. Comme il existe une température maximum, cependant, au-dessus de laquelle une dégradation chimique se produit il n'est pas recommandé d'appliquer les asphaltes à plus de 450°F et les poix au goudron de houille à plus de 400°F. Les poix au goudron de houille et l'asphalte destiné aux toits plats ont un point d'amollissement d'environ 140°F. Il est donc possible en chauffant ces matériaux jusqu'à 350°F d'obtenir un liquide pouvant humidifier une surface solide sèche et permettant au bitume d'être appliqué comme il faut.

On ne peut pas toujours appliquer les bitumes à chaud. On a alors recours à des applications à froid, le bitume étant liquéfié avec un solvant ou émulsionné. Une fois que la solution bitumineuse est appliquée à la surface du solide le solvant s'évapore en laissant une couche bitumineuse. Nombreux sont les solvants suffisamment volatils qui sont de bons solvants pour les bitumes mais nombreux sont ceux qui sont soit trop chers soit trop dangereux. Pour que les solvants s'évaporent assez rapidement il faut les choisir en fonction des bitumes.

Les bitumes peuvent être émulsionnés à l'eau. Une émulsion satisfaisante est d'apparence lisse, de couleur généralement brune, qui peut être faite à partir de bitumes de consistance très variée. Les émulsions comprennent généralement une substance minérale et on les appelle souvent des émulsions argileuses quoique le minéral puisse également être du charbon, du schiste, des oxydes métalliques, du ciment portland ou de l'amiante. La substance minérale qu'on emploie le plus souvent est une argile spéciale que l'on appelle bentonite. L'avantage évident des émulsions est qu'elles sont faciles à manier et qu'il suffit de leur ajouter de l'eau pour réduire leur viscosité. Les émulsions perdent leur eau par simple évaporation; leur stabilité cependant dépend de nombreux facteurs comme la concentration du matériau, la dimension et la répartition des gouttelettes d'asphalte, le gel de l'eau et la nature de l'agent de stabilisation.

Durabilité

On a mentionné les changements que les bitumes subissent lorsqu'ils sont surchauffés mais ce n'est là qu'une des particularités que l'on rencontre lorsqu'on les met en place ou lorsqu'ils sont en place. Parmi les autres facteurs à considérer sont l'absorption de l'eau et la photo-oxydation. Les bitumes sont facilement oxydés lorsqu'ils sont assujétis à un rayonnement ultra-violet, un processus qui crée des produits solubles dans l'eau et qui rend le matériau plus dur et moins flexible qu'il n'était originalement. Si le rayonnement continue jusqu'à ce que le bitume ne puisse plus résister aux efforts imposés par le mouvement thermique le matériau se fissurera. La perte des substances volatiles produit des contractions qui souvent causent des rétrécissements et des fissures. En l'absence de lumière et de chaleur, cependant, le taux d'oxydation est faible et la vie utile des matériaux peut être prolongée. Le gravier de couleur claire que l'on répand sur les toitures plates fournit la protection nécessaire pour obtenir une durabilité satisfaisante.

A quoi servent les bitumes

Les bitumes sont employés à différentes fins selon leurs caractéristiques. Ceux qui ont de bonnes propriétés d'adhérence et d'imperméabilisation et qui ne coûtent pas trop cher peuvent être employés comme matériaux protecteurs pour les toits plats et les revêtements préfabriqués. Ils servent également pour sceller ou faire adhérer d'autres matériaux. Combinés à d'autres matériaux les bitumes peuvent être employés comme coupe-vapeur ou comme panneaux étanches.

Le bitume est employé sous de nombreuses formes selon les caractéristiques et les propriétés que l'on désire. Les feutres saturés qu'on emploie sur les toits plats, sous les planchers ou dans les murs doivent contenir un bitume ayant une faible viscosité à la température de saturation. Le point éclair doit être supérieur à la température de saturation cependant et la sensibilité aux basses températures doit être raisonnable. Dans la préparation des feutres imprégnés d'asphalte on emploie un asphalte ayant un point d'amollissement d'environ 140°F un coefficient de pénétration de 50.

Les produits préfabriqués pour couvrir les toits comme les bardeaux et les revêtements en rouleaux comprennent des feutres saturés recouverts d'asphalte. Les asphaltes de revêtement qu'on emploie pour les toitures ont un point d'amollissement élevé (200 à 240°F). Ce sont des produits soufflés à l'air ayant de forts coefficients de pénétration (de 18 à 30 à 77°F). Ils sont peu sensibles aux températures. On veille, durant la fabrication, à ce que l'asphalte de revêtement soit compatible avec le produit de saturation.

Les bitumes sont beaucoup employés pour rendre les murs étanches et pour fabriquer des feuilles et des panneaux d'imperméabilisation. Les bitumes qu'on applique à chaud dans les sous-sols et qui ne sont pas assujétis à de hautes températures sont d'un type ayant un point d'amollissement assez bas (115 à 145°F) et un coefficient de pénétration élevé (jusqu'à 85). Lorsque le bitume est employé au-dessus du niveau du sol ou qu'il est appliqué à des surfaces verticales exposées aux radiations solaires directes il faut avoir recours à un type ayant un point d'amollissement moins bas (200 à 220°F) et un coefficient de pénétration moins élevé (15 à 25). Les émulsions et les solutions qui sont appliquées à froid sont employées de plus en plus pour protéger contre l'humidité et pour imperméabiliser. Elles peuvent être employées seules ou avec des feutres.

Les solutions et les émulsions à base d'asphalte sont très employées pour la construction et l'entretien des routes. Environ 95% de l'asphalte produit en Amérique du Nord est employé pour les toitures. On emploie cependant de grandes quantités d'asphalte modifié par l'addition d'une matière minérale dans l'industrie du bâtiment sous forme de substances de liaison, de revêtements acoustiques et de peintures.

Sommaire

On a examiné dans ce Digeste quelques-unes des propriétés les plus importantes des bitumes. On a mentionné particulièrement l'adhérence, l'imperméabilité et la viscosité et en a montré comment ces propriétés décident de l'emploi que l'on peut faire des bitumes dans la construction. On a également donné un aperçu des divers bitumes et de la façon dont ils sont employés. Des études récentes ont donné des résultats qui justifient l'intensification des recherches que l'on fait actuellement à l'égard des propriétés des matériaux bitumineux. A mesure qu'on aura des données plus précises au sujet de leur composition, de leur structure interne, de leurs mécanismes d'écoulement, de leur dégradation et de leur adhérence, on pourra songer à les utiliser davantage dans la construction et on peut même espérer qu'ils seront encore plus efficaces.