Matériau composite amortisseur et couche-amortisseur constituée d'un tel matériau.
Matériau composite amortisseur et couche amortisseur constituée d'un tel matériau.
La présente invention concerne un matériau composite amortisseur et est relative à la réalisation de couches amortisseurs, en particulier pour voies ferrées.
Depuis l'apparition des chemins de fer il y a cent cinquante ans la conception de l'infrastructure de la voie n'a presque pas changé. Elle comprend les traverses, qui supportent les rails et reposent sur une couche de ballast, qui à son tour est placée sur le sol, amélioré ou non.
Au fur et à mesure d'accroissement des sollicitations dues au poids des véhicules, de l'intensité du trafic et surtout des vitesses, la forme et le poids des rails ainsi que leur fixation évoluaient en vue de s'adapter à des conditions nouvelles d'exploitation.
Les traverses en bois sont de plus en plus fréquemment remplacées par des traverses en béton, ceci étant dû aux problèmes économiques mais aussi à la longévité diminuée des traverses en bois dans les conditions d'un trafic moderne.
L'élément sans doute le moins développé est le ballast. Malgré que son épaisseur se voit de plus en plus adaptée à la charge des véhicules, à leur vitesse et aussi à
la nature et à la qualité du sol, le ballast est resté l'élément le moins évolué et, en même temps, le plus instable de la voie, où il est la source principale des dommages et irrégularités nécessitant des travaux d'entretien et de réglage.
Le ballast, sollicité à l'intermédiaire des traverses, subit des pressions relativement importantes lors du passage des convois. Il en résulte l'usure et le tassement du ballast. Les fines, provenant de l'usure du ballast mais aussi venant de l'extérieur - particules des minerais ou du charbon transportés et tombés des wagons ou encore amenées par l'eau qui monte du sol, contaminent le ballast et atténuent l'évacuation de l'eau pluviale du ballast en augmentant ainsi les dangers des dégâts dûs au gel. Ces fines peuvent aussi, en retenant de l'eau dans le ballast, provoquer la dégradation de l'élasticité du ballast et l'apparition des déformations résiduelles (tassements) locales du ballast.
Les irrégularités de la voie qui en résultent exigent des travaux d'entretien, tels que le réglage de la géométrie de la voie, le bourrage du ballast, son criblage et, au bout d'un certain temps, son remplacement. Outre le coût important de ces travaux ceux-ci provoquent, surtout sur les lignes très chargées à trafic intense, des perturbations dans la régularité du trafic.
Si les éléments constitutifs de la voie, tels que les rails, leurs attaches, les traverses, le ballast, ont évolué, la forme de la voie et sa conception générale n'ont pas changés.
L'incompatibilité certaine de cette conception aux besoins du trafic moderne et en particulier aux grandes vitesses à fait apparaître des tentatives de modification de l'infrastructure. Ces tentatives s'orientent vers une voie se caractérisant par une continuité de
la structure, moins vulnérable à des irrégularités locales, et surtout vers l'élimination du ballast. Leur but est d'améliorer les conditions d'exploitation et de réduire l'entretien de la voie. Une des difficultés rencontrées au cours de ces tentatives consiste en une rigidité accrue de la voie, ce qui nécessite l'utilisation d'éléments supplémentaires assurant l'élasticité
de l'appui des rails en provoquant ainsi l'augmentation du coût de la construction.
Pour remédier aux divers inconvénients cités il a paru avantageux de donner à la voie, en s'alignant dans le sens des tendances décrites ci-dessus, la forme d'une structure continue multicouche.
En vue d'obtenir l'élasticité voulue de la voie la couche ou dalle, sur laquelle reposent les rails et réalisée elle-même en un matériau permettant une déformabilité, surtout flexionnelle, accrue, s'appuie sur une couche amortisseur en un matériau composite faisant l'objet de la présente invention, qui à son tour s'appuie sur la couche de fondation dont la nature dépend de la qualité du sol ou de la plateforme.
La couche amortisseur doit permettre de remplacer l'élé-ment le moins stable de la voie, c'est-à-dire le ballast, et contribuer à un entretien de la voie moins fréquent
et moins coûteux. Le matériau composite suivant l'invention est tel qu'il permet à la couche amortisseur :
- d'assurer en coopération avec la dalle supérieure une bonne élasticité de la voie ;
- de réduire, sinon d'éliminer, les déformations résiduelles, surtout locales ;
- de répartir d'une façon plus homogène les charges exercées sur la sous-couche ou couche de fondation ;
- d'amortir les vibrations dues aux sollicitations des véhicules ;
- d'empêcher la pénétration des eaux pluviales dans la sous-couche ou couche de fondation et dans la plateforme.
Pour remplir les exigences ci-dessus le matériau composite amortisseur présente les caractéristiques suivantes :
- homogénéité de la structure ;
- faible module d'élasticité ;
- déformations avant la fissuration élevées ;
- déformations résiduelles peu élevées dans l'intervalle <EMI ID=1.1>
- coefficient d'amortissement élevé.
Le matériau composite suivant l'invention est étanche, avec une absorption d'eau limitée. Sa forme reste stabile dans le temps, c'est-à-dire que les déformations dues aux sollicitations extérieures sont en majeure partie réversibles.
Suivant l'invention le matériau composite amortisseur, du type comportant un liant bitumineux, éventuellement avec une ajoute de poudrette de caoutchouc et d'huile assurant une bonne adhérence entre le bitume et le caoutchouc, est caractérisé en ce qu'il contient une charge filiforme organique, minérale ou métallique, incorporée et dispersée dans la masse du composite.
Suivant l'invention le matériau composite comporte de
la pierraille et, simultanément ou non, un filler minéral et du sable.
Encore suivant l'invention le matériau composite contient des cendres volantes, en addition au filler minéral ou en remplacement de celui-ci.
Egalement suivant l'invention une partie de la pierraille est remplacée par des particules de caoutchouc de dimensions similaires provenant de la récupération de pneus usagés.
L'invention concerne également la couche-amortisseur ou couche d'appui, qui est constituée avec un matériau composite amortisseur, tel que décrit ci-dessus, et dont
la stabilité de la forme est assurée par des nappes filiformes planes organiques, minérales ou métalliques, incorporées dans le matériau lors de sa mise en place.
Le matériau composite amortisseur suivant l'invention, grâce à sa composition, se caractérise par une grande déformabilité avec un faible module d'élasticité et par un amortissement accru des vibrations.
Ce matériau peut être utilisé dans les contructions de transport et dans les constructions industrielles dans tous les cas où il s'agit d'une couche d'appui qui doit être résistante et déformable et qui doit amortir les sollicitations dynamiques. Sa destination particulière est la constitution de la couche d'appui d'une voie ferrée.
Le matériau composite amortisseur suivant l'invention est du type contenant un liant hydrocarboné ou liant bitumi-
<EMI ID=2.1>
poids constitué du bitume 50/60 ou d'un bitume modifié, tel que du bitume 80/100 mélangé à une huile spéciale et à de la poudrette de caoutchouc dans les proportions pondérales suivantes :
<EMI ID=3.1>
La poudrette de caoutchouc provient du déchiquetage de pneus usés. La quantité et la nature de l'huile doivent être adaptés à la quantité et à la nature de la poudrette et doivent permettre de former avec le bitume chauffé vers 200[deg.] C un mélange homogène d'une basse viscosité permettant son transfert par pompage dans le plant traditionnel de préparation du béton asphaltique.
Le matériau composite amortisseur suivant l'invention peut aussi être du type contenant de la pierraille et du
<EMI ID=4.1>
de concassage, de sable naturel et de cendres volantes. La granulométrie d'un tel mélange répond aux conditions suivantes :
<EMI ID=5.1>
passe par tamis de 0,420 mm, refusé sur 0,177 mm 15 à 60 %
<EMI ID=6.1>
Ce matériau peut aussi être du type contenant un filler minéral. Ce filler est constitué de poudres finement moulues d'une pierre calcaire, silico-calcaire, de porphyre ou de grès ou de leur mélange. Les éléments de filler
<EMI ID=7.1>
moins et leur pourcentage de vides à l'état compacte à sec est de 30 % à 50 %. La quantité de filler dans le matériau est avantageusement de 7 % en poids.
Le matériau composite amortisseur suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il contient une charge filiforme. Les éléments filiformes sont des éléments à section quelconque et dont une dimension (la longueur L) est beaucoup plus grande que les deux autres dimensions (la largeur b et l'épaisseur e), le rapport entre les deux dernières n'ayant pas d'importance pour la définition :
<EMI ID=8.1>
Les deux cas ci-dessus répondent donc à la définition des éléments filiformes. La section circulaire des éléments est aussi possible.
Ces éléments filiformes peuvent être organiques (par exemple polymères), minéraux (par exemple verre) ou métalliques (acier). Leur rôle est surtout d'augmenter l'élasticité de la masse bitumineuse, dans laquelle ils sont incorporés, et de contribuer à la réversibilité
des déformations et par conséquent à la stabilité de la forme de la couche en un tel matériau. Dans les basses températures les éléments filiformes diminuent la fragilité de la couche en empêchant la formation de fissures.
Le module d'élasticité de la masse asphaltique, très
bas par rapport à celui des matériaux cités ci-dessus
qui servent à en fabriquer les éléments filiformes, assure une bonne efficacité de ces éléments, ce qui permet de limiter leur contenu entre 2 % à 5 % en volume en fonction de la nature et des caractéristiques des matériaux utilisés.
La présence des éléments filiformes contribue à la dispersion de l'énergie et empêche ainsi la propagation
des ondes, ce qui constitue - avec les propriétés amortisseur du bitume même - une des qualités essentielles d'une couche d'appui en un matériau composite suivant l'invention.
La charge filiforme de ce matériau est en général constituée de fibres courtes (d'une longueur de 5 mm à 80 mm) en polymère, en verre ou métalliques.
La couche d'appui réalisée avec le matériau composite suivant l'invention est en principe d'une épaisseur de l'ordre de 5 cm. Elle peut être posée à l'aide d'une répandeuse-finisseuse et cylindrée à l'aide d'un compacteur, afin d'obtenir une compacité relative d'au
<EMI ID=9.1>
La pose de la couche à même le sol (ou sous-couche) peut être réalisée sur une nappe tissée ou non tissée en fibres textiles susceptibles de résister à la température élevée du bitume lors de l'étalement du matériau composite.
Si de l'analyse de la voie résulte la nécessité d'une couche du matériau suivant l'invention plus épaisse, on effectue la couche en deux ou même trois parties, qui sont renforcées par des nappes tissées ou non tissées telles que décrites ci-dessus. L'expérience montre l'intérêt d'utiliser dans ce cas une nappe en fibres
de verre. On obtient ainsi une valeur plus élevée du facteur forme des couches (s), ce qui doit être contr8lé compte tenu que le module d'élasticité (Ec) en compression de la couche du béton asphaltique à volume constant est égal à :
<EMI ID=10.1>
k est le coéfficient de la rigidité du liant.
Toutefois, ce module d'élasticité change avec la température. Pour apprécier cette variation on évalue en suivant le normogramme approprié de la rigidité du liant pour une température donnée en partant de sa pénétration et de sa température de ramolissement (TBA). En calculant l'indice de la pénétration (IP) on évalue la valeur de la rigidité en imposant la température et la durée d'application de la charge. La limite de la rigidité du bitume à basse température au-dessous de sa température de fragilité et pour une application de charge très rapide est de 3 x 10<3> M Pa (30.000 Kg/cm<2>).
Exemple
Pour un bitume, dont la pénétration est de 40, la température de ramolissement (TBA) 75[deg.] C et l'indice de pénétration IP = 2,0, et dans le cas de sollicitations dynamiques dont la fréquence était de 10 cycles/sec, on a obtenu
- dans la température - 10[deg.] C Ec = 2.000 N/mm<2>
- dans la température + 25[deg.] C Ec = 100 N/mm<2>
Le matériau composite suivant l'invention, comportant de 0 à 160 Kg/m de copeaux métalliques, soumis à la compression à la température ambiante de 20[deg.] C se caractéri sait par un module d'élasticité représenté au diagramme annexé, qui concerne le module d'élasticité en compression correspondant à une contrainte (P) de 1 N/mm <2> Revendications
1. Matériau composite amortisseur, du type comportant un liant bitumineux, éventuellement avec une ajoute de poudrette de caoutchouc et d'huile assurant une bonne adhérence entre le bitume et le caoutchouc, caractérisé en ce qu'il contient une charge filiforme organique, minérale ou métallique, incorporée et dispersée dans la masse du composite.