Colouring penetration-grade bitumen through emulsification and optical masking with a light mineral phase: laboratory development and process design
Cette étude démontre que l'éclaircissement et la coloration du bitume noir conventionnel sont réalisables grâce à un processus à faible coût et évolutif impliquant l'émulsification et l'ajout de phases minérales claires pour le masquage optique, ce qui transforme le liant du noir au gris et permet une coloration efficace avec une utilisation réduite de pigments.
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Le sol sous nos pieds est souvent une tapisserie sombre et collante d'asphalte, un matériau dérivé du résidu lourd du pétrole brut. Cette substance, connue sous le nom de bitume, agit comme la colle qui maintient ensemble les routes, les pistes cyclables et les parkings que nous utilisons chaque jour. À l'état naturel, le bitume est d'un noir profond qui absorbe la lumière car il est rempli de petites molécules complexes appelées asphaltenes qui absorbent presque toute la lumière visible. Bien que cette couleur noire soit parfaite pour la durabilité, elle présente un inconvénient : elle absorbe la chaleur du soleil, contribissant à l'effet d'« îlot de chaleur urbain » où les villes deviennent nettement plus chaudes que la campagne environnante. Pour combattre cela, les ingénieurs et les urbanistes cherchent depuis longtemps des moyens de colorer ces surfaces, en les transformant en nuances plus claires de rouge, de vert ou de bleu pour réfléchir la chaleur et améliorer la sécurité. Cependant, le chemin vers une route colorée a été bloqué par un simple problème physique. L'ajout de pigments brillants dans la colle noire produit généralement un mélange boueux et sombre, et l'alternative — utiliser des liants synthétiques transparents coûteux qui acceptent n'importe quelle couleur — rend le projet trop onéreux pour une utilisation généralisée.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Karachi s'est donné pour mission de résoudre ce casse-tête en trouvant un moyen de transformer le bitume noir ordinaire en une base colorable et légère sans le prix élevé des alternatives synthétiques. Leur approche n'était pas de lutter contre la noirceur du bitume, mais de la cacher. Ils ont commencé par tester l'idée la plus évidente : mélanger simplement une teinture orange vif directement dans le bitume liquide chaud. Le résultat fut décevant. Même avec une grande quantité de teinture, le mélange restait un brun foncé et boueux. Les molécules noires du bitume étaient simplement trop dominantes, engloutissant la lumière que la teinture tentait de réfléchir. Ils ont également essayé d'ajouter des poudres de couleur claire comme l'argile et la craie directement dans le bitume chaud, espérant que ces particules blanches éclairciraient le mélange. Cela a également échoué. Dans le liquide chaud et continu, le bitume noir recouvrait chaque particule de la poudre, transformant l'ensemble du mélange en noir.
La percée est survenue lorsque les chercheurs ont changé l'état physique du bitume. Au lieu de le maintenir sous forme de liquide continu, ils l'ont décomposé en minuscules gouttelettes et l'ont suspendu dans l'eau, créant une émulsion de bitume dans l'eau. Pensez à la transformation d'un bloc de chocolat solide en un nuage de fines poussières de chocolat flottant dans du lait. Une fois le bitume piégé dans ces minuscules gouttelettes, les chercheurs ont introduit une phase minérale claire, spécifiquement un type d'argile fine et d'hydroxyde de calcium, dans l'eau entourant les gouttelettes. Parce que le bitume n'était plus un film noir continu, les minéraux clairs pouvaient se déposer autour des gouttelettes et diffuser la lumière avant même qu'elle n'atteigne le cœur noir. Ce processus, que les chercheurs appellent masquage optique, a transformé le mélange d'un liquide noir de jais en un gris clair et doux.
Avec cette nouvelle base grise, les chercheurs ont constaté qu'ils pouvaient ajouter de la couleur beaucoup plus efficacement. Comme l'arrière-plan n'était plus un noir absorbant la lumière, une plus petite quantité de pigment était nécessaire pour créer une nuance visible et vibrante. Cependant, ce nouveau mélange faisait face à deux obstacles. Premièrement, transformer le bitume en émulsion et le recouvrir d'argile affaiblissait sa capacité à l'adhérence. Pour y remédier, ils ont ajouté un liant modifié par des polymères, qui agissait comme une colle pour restaurer la force du matériau. Deuxièmement, les teintures textiles brillantes qu'ils avaient initialement utilisées s'éliminaient facilement lorsqu'elles étaient exposées à l'eau. Les chercheurs ont déterminé que pour qu'une route dure, ils devraient remplacer ces teintures hydrosolubles par des pigments inorganiques résistants à la lumière, similaires aux oxydes de fer utilisés dans la construction traditionnelle, qui se lient mieux à la surface.
Ayant prouvé le concept en laboratoire, l'équipe a conçu un processus industriel continu pour produire ce liant coloré. Ils ont calculé que pour chaque kilogramme de liant sec produit, le processus nécessiterait environ 0,22 mégajoule de chaleur et 0,077 kilowatt-heure d'électricité. Le coût des matières premières pour ce liant coloré a été estimé à environ 1,4 fois le prix du bitume pur et non coloré au moment de l'étude. Bien que cela soit plus cher que la colle routière standard, cela reste bien moins coûteux que les liants synthétiques transparents actuellement utilisés pour les routes colorées. Les chercheurs ont conclu que cette méthode de masquage optique offre une voie prometteuse et à faible coût pour la création de chaussées colorées et réfléchissantes de la chaleur. Cependant, ils ont noté qu'avant que ce matériau ne puisse être utilisé sur de vraies rues, il doit subir des tests rigoureux pour garantir qu'il peut résister à l'usure du trafic et des éléments, car l'étude actuelle était limitée à des observations de laboratoire et des vérifications visuelles.
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