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Ballast préstabilisé pour les voies ferrées.
La présente invention est relative au ballast pour les voies ferrées et a pour objet d'améliorer le ballast en éliminant la source de ses défauts.
Chaque structure ou construction soumise aux sollicitations dynamiques et surtout aux chocs-dont la voie ferrée y comprise-devrait reposer sur un élément élastique, dont la déformabilité élevée par raport aux autre éléments de-la structure permet d'atténuer les effets de ces sollicitations ainsi que d'atténuer les sollicitations elles-mêmes.
Un autre objectif de cet élément élastique est de protéger l'environnement contre les effets de sollicitations dynamiques par l'absorption des fréquences.
La caractéristique principale recherchée d'un tel élément élastique est sa grande déformabilité, déterminée par un faible module d'élasticité.
Le faible module d'élasticité caractérisant un élément élastique peut être la propriété intrinsèque du matériau, dont l'élément en question est constitué. Dans certains cas ce module d'élasticité du matériau s'avère encore trop élevé par rapport aux exigences résultant des conditions d'exploitation de la structure. Dans ce cas une augmentation de la déformabilité peut être obtenue par l'application de la structure contenant des vides, donc par la réduction de la section effective de l'élément.
A titre d'exemple on peut citer les semelles élastiques en caoutchouc trouées ou bien le caoutchouc microcellulaire.
Une telle structure, dont l'élasticité et la déformabilité
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accrue sont assurées par les vides, constitue le ballast dans les voies de chemin de fer.
Le rôle du ballast dans la voie ferrée consiste à assurer l'élasticité de la voie, à reprendre les sollicitations dynamiques dues au trafic ainsi qu'à atténuer les pressions exercées sur la plateforme.
La grande déformabilité du ballast est le résultat de sa structure interne contenant un pourcentage considérable des vides. En conséquence la section effectivement chargée des pierrailles est fortement réduite.
Le modèle d'élasticité des roches, dont les cailloux du ballast sont constitués est-suivant la nature des roches-de l'ordre de 50.000 N/mm2 à 80.000 N/mm2. Suite à la forme irrégulière des cailloux et à leur granulométrie le pourcentage des vides est considérable. On peut en tirer une conclusion en comparant la masse spécifique des pierres et leur masse volumique. Comme effet de ces vides et aussi de la surface de contact réduite entre les cailloux, le module d'élasticité de l'ensemble du ballast est-d'après les résultats des essais-de 150 N/mm2 à 200 N/mm2, ce qui prouve que la section des cailloux, qui effectivement reprend les pressions, est fortement réduite.
Un calcul simple permet de constater, que la pression de 0,2 N/mm2 à 0,4 N/mm2, que l'on observe normalement sous les traverses, provoque des contraintes locales beaucoup plus élevées. Ces contraintes élevées et surtout leur concentration due en premier lieu aux irrégularités de la surface des cailloux sont une des raisons du mauvais comportement du ballast sous le trafic. En effet, il en résulte des dégats dans les cailloux du ballast :
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la fissuration des cailloux, les éclatements, etc. Ces dégats provoquent les changements de la structure et de la forme du ballast et conduisent aux tassements importants de celui-ci.
Les surfaces de contact des cailloux du ballast sont rarement perpendiculaires au sens des pressions. En général, les forces entre les cailloux qui se touchent agissent à la surface sous un angle différent à 90 .
Il en résulte que : - outre les contraintes normales à la surface, il y a aussi la composante tangentielle de ces contraintes, ce qui contribue à l'usure de la surface ; - certains agrégats agissent comme un coin, en repoussant les grains du ballast vers les côtés, d'où un tassement du ballast mais aussi la déstabilisation de sa forme et les déplacements latéraux du ballast.
Ces phénomènes sont surtout observés pendant la première période d'exploitation du ballast ou plutôt de la voie. Malgré l'application du compactage préliminaire du ballast par les vibrations, auquel on procède avant la pose de la voie, et la'stabilisation dynamique après la pose des traverses et des rails, il y a toujours une période de stabilisation du ballast au début de l'exploitation de la voie. Pendant cette période les conditions de l'exploitation de la voie sont limitées, surtout la vitesse maximale autorisée. La stabilisation du ballast pendant l'exploitation de la voie est normalement accompagnée de dégradation de la géométrie de la voie. Il en est de même pendant toute la période d'exploitation de la voie, où s'ajoutent les problèmes de l'usure, d'endommagement des cailloux, des dégats causés par l'action de l'eau, etc.
Chaque réglage de la voie lors de l'exploitation consiste en effet à la déstabilisation
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ponctuelle de la structure du ballast. Une amélioration considérable est apportée par la méthode de'souflage mesuré mais cette méthode ne permet pas non plus d'empêcher la dégradation de la structure et du comportement du ballast à long terme.
La dégradation de la structure et des agrégats du ballast due à la concentration des contraintes locales et à la friction entre les agrégats s'accentue surtout après la première période d'exploitation.
Le ballast traditionnel est une structure ouverte et perméable. Non seulement l'eau peut y pénétrer, mais aussi les particules fines peuvent s'y introduire.
La contamination du ballast par les particules fines venant soit de la plateforme, amenées par l'eau qui monte du sol, soit par des particules de minerais et du charbon transportés et tombés des wagons, soit par des parties fines provenant de l'usure du ballast, modifie non seulement la structure du ballast et surtout sa granulométrie mais aussi influence son comportement.
Les parties fines dans le ballast contribuent à l'absorption d'eau, ce qui augmente le danger des déformations dues au gel. Il s'agit aussi bien de l'eau de pluie que de celle montée de la plateforme. L'humidité du ballast, surtout de celui qui est contaminé de particules fines, fait augmenter considérablement les déformations résiduelles et le tassement non-élastique du ballast. Selon les résultats des essais le tassement du ballast contenant des parties fines et humides peut être deux à trois fois plus grand que le tassement du ballast sec et propre.
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Il est à noter que les déformations résiduelles et le tassement du ballast dépassent les déformations élastiques. Pour une voie normale, équipée de traverses biblocs (en
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béton) et soumis à un trafic de grande ligne-d'après une analyse basée sur les résultats d'essais-on obtient les valeurs des déformations du ballast (couche de 30 cm d'épaisseur) : - déformations élastiques 0, 6 mm - déformations résiduelles après 100.000 cycles - ballast sec et propre 1,8 mm - ballast humide et contaminé 7,0 mm D'après les constatations, faites sur base des recherches, l'irrégularité d'appui des traverses consécutives peut provoquer la différence des pressions de différentes traverses. Cette différence peut atteindre même 35 % de la valeur de la pression normale (sans irrégularité d'appui).
La conséquence en est la différence des déformations élastiques et résiduelles (tassements) du ballast sous les différentes traverses : pression maximale pression moyenne sous traverse sous traverse - déformations élastiques 0,6 mm 0, 39 mm - déformations résiduelles - ballast sec et propre 1, 8 mm 0, 60 mm - ballast humide et contaminé 7, 0 mm 2,20 mm Les déformations résiduelles ou les tassements du ballast ne sont pas une fonction linéaire et augmentent plus vite que les pressions qui les provoquent. La différence des déformations résiduelles-le tassement différentiel du ballast, - est particulièrement importante dans le cas du ballast contaminé et humide. Dans le cas analysé
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elle atteint 4,8 mm, contre 1,2 mm pour un ballast sec et propre.
Cette différence est encore plus accentuée, si on compare le ballast sec et propre soumis aux pressions normales avec celui soumis aux pressions augmentées et en mauvais état (humide et contaminé). Elle atteint dans ce cas la valeur de 6,4 mm.
Il est à noter, que c'est surtout le tassement différentiel qui constitue un des défauts principaux de la voie.
Les tendances observées dans le développement récent de la voie ferrée vont surtout dans le sens d'éliminer le ballast. La présente invention tient par contre à améliorer le ballast en éliminant les sources de ses défauts.
Afin de remédier aux inconvénients du ballast traditionnel exposés plus haut, tout en gardant les qualités d'un élément élastique de faible module d'élasticité il convient de : - empêcher le contact direct entre. les grains ou cailloux du ballast, afin d'éviter l'usure du ballast, la concentration des contraintes locales et en effet l'endommagement mécanique des agrégats ; - assurer la stabilité de la structure du ballast : stabilité de la granulométrie, stabilité de la position des granulats entre eux ; - assurer la stabilité des propriétés ou caractéristiques mécaniques du ballast pendant la période d'exploitation ;
- limiter les tassements du ballast dans leurs valeurs absolues et relatives et surtout éliminer, ou au moins
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réduire les influences aléatoires, comme par exemple la contamination par les particules fines ou l'absorption d'eau ; - éliminer la période de stabilisation du ballast et la nécessité du réglage de la géométrie de la voie (surtout en ce qui concerne le nivellement de la voie), qui provoque la déstabilisation de la structure du ballast.
La présente invention consiste à préstabiliser le ballast, en en faisant un corps solide avant sa mise en service, c'est-à-dire en éliminant sa nature meuble.
En particulier, l'invention consiste à entourer les agrégats du ballast-avant sa mise en place-par une matrice déformable, élastique et ductile, se caractérisant par un faible module d'élasticité et assurant la position de tous les agrégats dès que'le ballast est mis en place.
Cette matrice est en quantité suffisante, afin d'entourer tous les agrégats et empêcher le contact direct entre les cailloux, ce qui permet d'éviter l'usure des agrégats ainsi que de mieux répartir les efforts internes entre les agrégats, les déformations élastiques de la matrice étant beaucoup plus élevées que celles des cailloux.
Afin d'augmenter la ductilité de la matrice et d'augmenter sa résistance aux contraintes et déformations tangentielles elle est renforcée d'armature discontinue constituée d'éléments, dont la plus grande dimension ne dépasse pas les deux diamètres de plus gros granulats.
Le ballast préstabilisé selon l'invention est donc composé des agrégats incorporés dans une matrice élastique et
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ductile. Les agrégats sont pratiquement rigides et indéformables par rapport à la matrice.
L'opération d'entourer les agrégats par la matrice ou d'incorporer les agrégats à la matrice se fait avant que le ballast ne soit mis en place, ce qui permet d'éviter la formation préalable d'une carcasse rigide des granulats, dont les espaces libres seraient seulement remplis ou saturés de liant ductile et élastique.
Selon l'invention les agrégats sont de nature pierreuse. La granulométrie et les dimensions des cailloux sont choisis de façon à limiter la surface spécifique des granulats et d'assurer le bon recouvrement par la matrice.
Afin de mieux remplir les espaces vides on utilise des agrégats d'au moins deux fractions. Le remplissage des vides entre les cailloux empêche la pénétration d'eau dans la structure du ballast et la contamination du ballast par les particules fines, quelle que soit leur origine.
Vue l'usure des agrégats éliminée par l'entourage d'une matrice ductile, il est possible d'utiliser les agrégats de dureté moins élevée que dans le ballast traditionnel.
Ainsi, si les conditions d'exploitation le permettent, on utilise même des agrégats légers. Il existe la possibilité d'augmenter la déformabilité du ballast selon l'invention, en remplaçant les agrégats naturels ou pierreux par les agrégats de nature synthétique, par exemple sous forme de morceaux de caoutchouc. Cette solution étant plus coûteuse ne se justifie que dans les cas, où il est nécessaire de réduire autant que possible l'épaisseur du ballast.
Le ballast préstabilisé selon l'invention contient la matrice ductile, qui est constituée d'un liant
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hydrocarboné, modifié surtout par un élastomère ou un autre produit synthétique. Ce liant peut être aussi chargé d'un filler. La modification du liant hydrocarboné assure le retour élastique des déformations (plus de 50 % de retour instantané), et assure la bonne adhésion du liant aux pierrailles et au béton.
La température de ramolissement de la matrice en liant hydrocarboné modifié est supérieure à. 75 C et atteint pratiquement 1000C. La température de ramolissement de la matrice non'modifiée est comprise entre 50 C et 75 C.
L'incorporation des agrégats à la matrice se fait dans une température de 1600C à 180 C.
Selon l'invention la matrice ductile est renforcée d'armature discontinue. Le rôle de ce renforcement est de : - augmenter la ductilité de la matrice, surtout dans les basses températures ; - augmenter la résistance de la matrice aux déformations tangentielles et par conséquent de mieux stabiliser la structure interne du ballast ; - constituer dans le ballast un élément supplémentaire contribuant à l'élasticité de la matrice et s'opposant au fluage et aux déformations plastiques de la matrice.
Afin de rendre le ballast étanche et afin de s'opposer à la pénétration d'eau et à la contamination du ballast par les particules fines, la matrice ductile selon l'invention constitue 10 % à 20 % du volume du ballast, en fonction entre autre de la granulométrie des agrégats.
Dans les cas limites le pourcentage en volume de la matrice atteint 25 %.
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L'armature discontinue renforçant la matrice est réalisée d'éléments minces et allongés de nature métallique ou organique, en polypropylène par exemple. L'armature discontinue est introduite dans la matrice en même temps que les agrégats ou bien avant. Au moment de la mise en forme du ballast préstabilisé selon l'invention, elle est dispersée de façon quasi uniforme dans toute la masse du ballast. Suivant la nature de l'armature discontinue, elle constitue 0,4 % à 2,5 % du volume du ballast. Dans tous les cas elle constitue au moins 2,5 % du volume de la matrice. L'armature discontinue a la forme de fibres, de plaquettes ou de copeaux.
Le ballast préstabilisé selon l'invention est mis en place sous forme d'une couche coulée directement sur la plateforme, la sous-couche ou une autre couche de fondation. L'épaisseur maximale de la couche coulée dépend du matériel utilisé. Si cette épaisseur est inférieure à l'épaisseur prévue du ballast, on effectue l'opération en deux phases.
Le ballast préstabilisé selon l'invention est aussi préfabriqué et mis en place sous forme des dalles placées ensuite dans la voie. Le jointoiement des dalles se fait ensuite avec du liant modifié, comme celui dont la matrice a été confectionnée, mais sans le renforcement d'armature.
Le ballast préstabilisé selon l'invention est destiné principalement pour les voies ferrées : voies de chemins de fer, métro, transport urbain guidé, voies industrielles, etc. Il trouve aussi une application dans la construction des routes et dans toutes sortes de fondations pour les constructions soumises à des charges dynamiques.
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Exemple Le ballast préstabilisé est réalisé sur base des agrégats pierreux (granit). La matrice ductile est constituée de liant bitumeux, dont la température de ramolissement (TBA) est de 1000 C. L'armature discontinue métallique a été incorporée à la matrice en même temps que les agrégats. La température de mélange était de 1800 C. La matrice ductile constituait 20 % du volume du ballast.
Le ballast préstabilisé a été soumis à la compression dans la température ambiante de 23 C. Sous les charges dépassant les valeurs des pressions observées dans la voie normale, les déformations de la couche étaient : - les déformations élastiques 0,8 mm - les déformation résiduelles instantanées 0,25 mm permanentes 0,05 mm Les déformations résiduelles représentaient donc un faible pourcentage des déformations élastiques.
La déformabilité du ballast préstabilisé en comparaison avec le ballast traditionnel est représentée sur le graphique annexé.