Voie ferrée

Abstract

 Voie ferrée comprenant une plateforme relativement dure, un ballast disposé sur cette dernière, des supports de rail comprenant au moins une pièce (1) en béton, et deux files de rail (3) disposées et fixées parallèlement sur lesdits supports, sur un côté des pièces en béton, caractérisée en ce que, de manière connue en soi, les pièces (1) sont liées, sur leur face inférieure (1b) opposée au rail (3), à une semelle (4) en matériau visco-élastique, et de manière nouvelle le matériau visco-élastique est une matière substantiellement non poreuse, ayant une densité supérieure à 0,9, et présentant une résistance à la fragmentation et à l'abrasion, exprimée par la perte de poids de cubes de béton revêtus dudit matériau, selon une procédure d'essai de routine, du type Los Angeles, inférieure à 0,2 %, au bout de 1500 tours du tambour de la machine d'essai.

Description

[0001] La présente invention concerne les voies ferrées. Plus précisément, l'invention concerne les voies ferrées comprenant :

• une plateforme relativement dure, qu'il s'agisse d'un sol nivelé et aménagé à cet effet, ou du tablier d'un ouvrage d'art,
• un ballast disposé sur la plateforme,
• un ou des supports de rail, comprenant une ou des pièces en béton, distribuées selon la direction de la voie ferrée, et espacées les unes des autres ; ces supports sont disposés sur le ballast,
• deux files de rail disposées sur le ou lesdits supports, sur un côté de la ou des pièces en béton.
• Les supports précités comprennent, selon la définition précédente :
• les traverses qui sont des pièces posées sous les rails et perpendiculairement à ceux-ci ; elles sont destinées à assurer la transmission des charges sur le ballast, à maintenir l'écartement et l'inclinaison des deux files de rails ; on distingue : les traverses biblocs qui sont constituées par deux blochets en béton armé, reliés par une entretoise métallique, et les traverses monobloc qui sont constituées d'une seule pièce en béton précontraint ou postcontraint,
• les supports pour appareils de voie, qui sont des pièces posées perpendiculairement à la voie, sur lesquels sont fixés les éléments constitutifs desdits appareils ; ils sont destinés à assurer la transmission des charges sur le ballast et à maintenir la géométrie de l'appareil de voie ; on distingue : les supports monobloc qui sont constitués d'une seule pièce en béton précontraint ou postcontraint, les supports multiblocs qui sont constitués par deux ou plusieurs blochets en béton armé, reliés par entretoise métallique,
• les blochets, plots ou longrines ; ces pièces sont destinées à assurer la transmission des charges sur le ballast, à maintenir l'inclinaison du rail, à fixer les éléments constitutifs des appareils de voie, mais elles n'assurent pas le maintien de l'écartement des deux files de rail d'une même voie.

[0002] Dans le cas des voies sur ballast considérées par la présente invention, ces supports de rails reposent sur une couche de ballast en pierre cassée, elle-même sur une couche de fondation dure, ou plateforme. Ce ballast assure les fonctions suivantes :

• répartition sur la plateforme des charges concentrées qu'elle reçoit des supports de rails,
• amortissements des vibrations grâce à ses propriétés rhéologiques.

[0003] Sous l'action des charges roulantes, le frottement de la face inférieure des supports précités, et plus précisément des pièces en béton, sur le ballast en pierre dure et aux arêtes vives, provoque une attrition du béton, avec le risque de mise à nu des armatures en fer ou acier.

[0004] Conformément au document US-C-4 652 495, on a proposé et décrit une voie ferrée comprenant :

• une plateforme constituée par le tablier d'un ouvrage d'art en béton, avec des bords relevés,
• des traverses constituées chacune par une seule et même pièce en béton, liée continuement sur sa face inférieure opposée aux rails à une semelle en matériau visco-élastique cellulaire, en l'occurrence une mousse de polyuréthanne à cellules fermées,
• deux files de rails, disposées et fixées parallèlement sur les traverses,
• un coulis intermédiaire de mortier disposé entre les traverses et la plateforme à bords relevés, de telle sorte que le soubassement des traverses est noyé dans le coulis intermédiaire, chaque semelle visco-élastique séparant une traverse du coulis de mortier.

[0005] Conformément au même document, pour obtenir une semelle d'épaisseur calibrée ou contrôlée, on mélange les constituants d'un élastomère de synthèse, dont l'agent gonflant, et on injecte le mélange obtenu dans un moule, ou conformateur avec évents, entourant la traverse, et ménageant avec cette dernière un volume de réception et expansion du mélange en cours de polymérisation. Après durcissement, on retire le conformateur, pour obtenir une semelle élastomère adhérant directement à la surface de la traverse.

[0006] Conformément à ce document, pour une voie ferrée sans ballast, on a mis en évidence, uniquement qu'une semelle visco-élastique cellulaire permet d'absorber pour partie les vibrations et le bruit, générés par le passage des trains, vis-à-vis de la plateforme.

[0007] La présente invention s'est par contre intéressée aux voies ferrées avec ballast, et à l'action de semelles visco-élastiques telles qu'identifiées précédemment, vis-à-vis de l'attrition des pièces en béton des différents supports de voie, au contact du ballast.

[0008] Et selon la présente invention, on a découvert qu'on peut diminuer, voire supprimer l'attrition des pièces en béton des supports de voies, en sélectionnant ou qualifiant un matériau visco-élastique, à partir des propriétés suivantes, disponibles dans la littérature, ou identifiables par des essais de routine, considérées en combinaison :

• le matériau visco-élastique retenu est une matière substantiellement non poreuse, donc un substrat relativement plein, sans cellules ou pores, ouverts ou fermés, vides ou remplis d'un gaz, et affectant l'homogénéité locale dudit substrat ; un tel matériau, très différent des mousses élastomères cellulaires déjà disponibles, y compris micro-cellulaires, se caractérise principalement par sa densité supérieure à 0,9, et/ou sa dureté Shore A au moins égale à 65, et comprise entre 65 et 77 préférentiellement,
• et ce matériau doit présenter une résistance à l'usure par fragmentation et abrasion bien spécifique, mise en évidence ou exprimée par une procédure d'essai du type "Los Angelès", définie ci-après ; selon cette procédure, le matériau visco-élastique retenu doit présenter une résistance telle que la perte de poids des cubes de béton utilisés selon la procédure précitée, et revêtus avec le matériau visco-élastique testé, soit inférieure à 0,2 %, au bout de 1500 tours du tambour de rotation de la machine d'essai.

[0009] Par matériau visco-élastique, on entend tout matériau, naturel ou de synthèse, présentant mécaniquement les propriétés d'un caoutchouc, c'est-àdire à la fois souple, déformable de manière importante, et élastique.

[0010] De fait, en utilisant une semelle en matériau visco-élastique sélectionné comme précédemment, celle-ci ne présente ni décollement, ni déchirure, ni usure laissant apparaître le substrat en béton. Ce résultat est par exemple mis en évidence par la procédure d'essai décrite ci-après et appelée "vibrateur unidirectionnel", après 200 heures d'essai. Un tel matériau protège donc efficacement les pièces en béton contre l'attrition, ce quine peut être envisagé avec un matériau visco-élastique cellulaire, tel que décrit dans le document US-C-4 652 495, ayant une densité beaucoup plus faible, comprise entre 0,4 et 0,75, et ayant notamment de ce fait des propriétés mécaniques beaucoup moins bonnes.

[0011] Si la résistance à l'attrition des pièces en béton d'une voie ferrée répond à l'objet que s'était fixée la présente invention, de manière surprenante, les procédures d'essai utilisées et notamment la procédure d'essai dite "vibrateur unidirectionnel", ont mis en évidence, en ce qui concerne le ballast, des propriétés et résultats totalement inattendus.

[0012] On a en effet observé que, vis-à-vis des charges roulantes, les semelles réalisées avec un matériau visco-élastique choisi selon la présente invention :

• diminuent de manière importante l'usure du ballast, c'est-à-dire l'attrition des pierres les unes contre les autres,
• diminuent le tassement du ballast.

[0013] Diminuer l'usure du ballast et son tassement apparaissent essentiels pour l'exploitation des voies ferrées actuelles, sur lesquelles circulent des convois de plus en plus lourds, ou de plus en plus rapides, type trains à grande vitesse.

[0014] Normalement, pour des supports de rails en béton, l'usure du ballast se trouve augmentée par rapport à celle d'autres types de support, en raison de l'inertie plus importante des pièces ou éléments en béton, et en particulier sur des plateformes dures, ou des ouvrages d'art avec un tablier en béton. Cette usure entraîne normalement une dégradation de la géométrie de la voie, de plus en plus rapide entre chaque opération de nivellement-dressage, et nécessite à terme le renouvellement du ballast, ne serait-ce que pour lui redonner des propriétés rhéologiques et de drainage convenables.

[0015] Avec des supports selon l'invention, à épaisseur ou volume égal de ballast, on diminue la fréquence de ces opérations, ou à fréquence égale de ces opérations, on peut diminuer l'épaisseur ou volume du ballast.

[0016] La solution selon l'invention apporte un étage complémentaire d'élasticité à la voie ferrée, en plus de celui déjà existant entre le rail et la traverse. Ceci contribue à diminuer la raideur globale du système rails/traverses/ballast. Ceci permet aussi de dissiper dans le système précité l'énergie vibratoire générée par les charges roulantes, en particulier lorsque celle-ci ne peut être absorbée par la plateforme, par exemple si cette dernière est un tablier en béton d'un ouvrage d'art.

[0017] La présente invention apporte également un autre avantage relatif à la mise en oeuvre du matériau visco-élastique, par exemple un élastomère de synthèse. Pour obtenir une semelle d'épaisseur calibrée ou contrôlée, au lieu d'utiliser des moules ou conformateurs, comme décrit par le document US-C-4 652 495, il suffit d'appliquer le matériau visco-élastique, à l'état liquide ou pâteux, en cours de polymérisation, directement sur les pièces en béton. Par exemple, l'élastomère peut être déposé en couche, selon au moins une des techniques suivantes, à savoir projection, coulée, application à la brosse ou au rouleau, sur la face inférieure au moins des pièces en béton.

[0018] La présente invention présente en outre les caractéristiques additionnelles suivantes, considérées isolément ou en combinaison :

• le matériau visco-élastique est un matériau élastomère, naturel ou synthétique,
• le matériau élastomère est un polyuréthanne, par exemple tel qu'obtenu par polymérisation directe d'un polyetherpolyol et d'un diisocyanate-dyphényl méthane (DMI), sans agent gonflant ou moussant,
• la semelle en matériau élastomère remonte, sans discontinuité de matière, sur la face latérale de la pièce en béton,
• la zone d'adhésion de la semelle s'étend selon toute la face inférieure de la pièce en béton,
• la semelle présente une épaisseur au moins égale à 3 mm.

[0019] Les supports conformes à l'invention peuvent être obtenus sans difficulté particulière, selon l'une quelconque des techniques suivantes :

• si le matériau visco-élastique est un élastomère de synthèse, celui-ci peut être projeté ou coulé, appliqué à la brosse ou au rouleau, en usine ou sur un chantier, sur les éléments ou pièces en béton des supports, éventuellement après dépôt d'une couche primaire sur ces derniers, par exemple un polyuréthanne monocomposant se polymérisant au contact de l'humidité de l'air ; pour une telle application, on préfèrera un état de surface du béton du type taloché fin,
• des plaques préfabriquées du matériau visco-élastique, peuvent être intégrées au béton, lors de la fabrication du support, par moulage,
• et enfin des plaques préfabriquées peuvent être collées sur le béton, avec tout adhésif approprié, par exemple une colle mastic.

[0020] La présente invention est maintenant décrite en détail, en commençant par la description de la procédure d'essai utilisée selon la présente invention, du type "Los Angeles". Ce qui veut dire que cette procédure s'apparente, mais n'est pas identique sur certains points à la procédure normalisée du même nom, sous la référence NF P 18-573 de l'AFNOR, dont le contenu est néanmoins incorporé à la présente description en tant que de besoin.

[0021] Cette procédure consiste de manière générale à faire tourner dans un tambour en acier, des boulets d'acier, des éléments calibrés de ballast et, des cubes de béton revêtus de manière uniforme, et sans joints, d'une couche du matériau visco-élastique, notamment élastomère, à tester, et à observer la perte du poids de ces cubes, en fonction du nombre de tours du tambour.

[0022] Plus précisément, la charge mise en rotation comprend :

• 18 boulets d'acier, ayant chacun un poids entre 0,42 et 0,445 kg,
• 9 blocs de béton, revêtus d'une couche de 5 mm du matériau à tester, assimilables chacun à un cube ; le poids total de ces cubes est P,
• un poids P'de ballast, en silice dure, égal à P, ayant une résistance à la compression de 4000 bars.

[0023] La charge est ensuite introduite dans un tambour en acier d'une machine d'essai, avec une vitesse de rotation de 33,33 tours/minute. A intervalle régulier, par exemple tous les 500 tours, on arrête la machine, on pèse le ballast et les bloc de béton, et on note leur perte de poids, en pourcentage par rapport à P'et P respectivement.

[0024] Les matériaux visco-élastiques convenant selon l'invention, doivent conduire à une perte de poids des cubes de béton, selon la procédure explicitée précédemment, inférieure à 0,2 %, au bout de 1500 tours du tambour de la machine d'essai.

[0025] Un tel matériau est par exemple identifié et retenu conformément au tableau ci-après selon la procédure décrite précédemment :

[0026] Il s'agit par exemple d'un polyuréthanne bi-composants, tel que vendu par la Société BAYER sous les dénominations BAYTEC 308/309 et BAYTEC 310/309. Ce polyuréthanne est obtenu directement, c'est-à-dire sans solvant, par polymérisation directe d'un polyetherpolyol et de DMI (disocyanate--diphénylméthane). Ce polyuréthanne peut être mis en oeuvre avec tout matériel approprié de projection à chaud, avec séchage de l'air de pulvérisation, par exemple un matériel de marque UNIPRE.

[0027] Les polyuréthannes retenus, par exemple selon la présente invention, présentent les caractéristiques physiques et mécaniques suivantes :

• densité comprise entre 0,9 et 1,1,
• dureté Shore A comprise entre 65 et 77, selon la norme DIN 53505,
• module à 100 % d'allongement compris entre 4 et 5 MPa, selon la norme DIN 53505,
• module à 300 % d'allongement compris entre 7 et 10 MPa, selon la norme DIN 53504,
• résistance à la traction comprise entre 10 et 16 MPa, selon la norme DIN 53504,
• allongement à la rupture de l'ordre de 400 %, selon la norme DIN 53504,
• résistance déchirure amorcée comprise entre 12 et 17 kN/m, selon la norme DIN 53515,
• résistance à l'abrasion comprise entre 110 et 170 mm³, selon la norme DIN 53512.

[0028] La mise en oeuvre du matériau visco-élastique retenu conformément à la procédure d'essai décrite précédemment est explicitée par référence aux dessins annexés, dans lesquels :

• la figure 1 représente une traverse conforme à l'invention, en béton biblocs, en coupe transversale
• la figure 2 représente une vue de côté de la traverse représentée à la figure 1
• la figure 3 représente une traverse en béton monobloc, conforme à la présente invention, en coupe transversale
• la figure 4 représente une vue de côté de la traverse représentée selon figure 3
• la figure 5 représente un support d'appareil de voie en béton, conforme à l'invention, en coupe transversale
• la figure 6 représente en vue latérale un blochet conforme à l'invention.

[0029] Selon la figure 1, une traverse selon l'invention, ou support de rail, comporte deux pièces 1 en béton armé, ou blochets, espacés l'un de l'autre, et reliés par une entretoise métallique 2. Du côté supérieur 1a des deux blochets sont fixés respectivement deux rails 3, dans des logements appropriés en creux légèrement inclinés l'un vers l'autre, et avec des moyens de fixation non représentés. Une semelle élastique non représentée est interposée entre le rail et chaque blochet.

[0030] Du côté inférieur 1b des deux blochets 1 respectivement, sont fixés deux semelles 4 en matériau visco-élastique ou élastomère, selon une zone d'adhésion correspondant à toute la surface de la face inférieure 1b des deux blochets 1. Par conséquent, les deux blochets 1 sont posés sur les deux semelles 4 respectivement, ces dernières étant au contact du ballast 5 ; et selon toute la face inférieure 1b des blochets 1, le matériau élastomère retenu est solidaire du substrat ou béton desdits blochets.

[0031] Conformément aux figures 3 et 4, la face inférieure 1b d'une traverse en béton monobloc 1, est revêtue par une semelle 4 en matériau élastomère, adhérant au substrat de la traverse selon deux zones d'adhésion séparées, correspondant à deux tampons 4a et 4b, disposés en vis-à-vis des deux rails 3 respectivement.

[0032] Conformément à la figure 5, il s'agit d'un support en béton 1 pour appareil de voie. La face inférieure 1b de support est revêtue partiellement par une semelle 4 en matériau visco-élastique, consistant en différents tampons 4a, 4b et 4c, disposés à l'aplomb des rails 3 de l'appareil de voie respectivement.

[0033] Conformément à la figure 6, il s'agit d'un simple blochet en béton 1, revêtu sur sa face inférieure 1b par une semelle 4 en matériau élastomère, adhérant d'un côté au substrat en béton, et au contact de l'autre côté avec le ballast 5.

[0034] Des supports ou traverses conformes à la présente invention, tels que représentés à la figure 1, et revêtus du matériau BAYTEC avec une épaisseur de 0,5 cm, ont été testés selon la procédure dîte "vibrateur unidirectionnel", explicitée par référence à la figure 7.

[0035] Dans une fosse en béton 50, on dispose une charge de ballast 51, présentant un coefficient de dureté DRG minimum de 17 suivant la norme NF F 53695. Une traverse 52 avec ses blochets 53 est disposée horizontalement dans la fosse sur le ballast. Deux rails 54 de longueur limitée, sont montés chacun sur un blochet, parallèlement l'un à l'autre, et perpendiculairement à la traverse. Deux charges 55 sont appliquées aux deux extrémités respectivement d'un même rail, à cinq mètres de part et d'autre de la traverse, pour conférer à chaque rail une flèche de 10 cm environ, et pour représenter une précharge de 40 kN sur la traverse. Un vibrateur unidirectionnel transmet ensuite à la traverse à essayer, par l'intermédiaire d'une poutre et des deux rails 54, une force verticale sinusoîdale de ± 45 kN, à la fréquence de 50 Hz.

[0036] L'essai consiste à mettre la traverse en vibration, pendant 200 heures, à raison de 5 heures par jour, et par cycles de 30 minutes, suivis de 15 minutes de repos. En fin d'essai, on observe l'état de l'élément testé, en l'occurrence la face inférieure des blochets de béton.

[0037] A l'issue de cet essai, on observe que le patin en matériau élastomère est entamé partiellement par le ballast, mais sans rupture de la couche dudit matériau, c'est-à-dire en préservant la face inférieure des blochets de tout contact avec le ballast. Le résultat recherché est donc obtenu.

[0038] Ceci étant, on observe au passage deux résultats essentiels et surprenants :

1) l'usure du ballast est demeurée très limitée

2) il n'y a pas eu de tassement du ballast ; il n'a donc pas fallu redonner la flèche initiale des rails par bourrage du ballast.

Revendications

1. Voie ferrée comprenant une plateforme relativement dure, un ballast disposé sur cette dernière, des supports de rail comprenant au moins une pièce (1) en béton, et deux files de rail (3) disposées et fixées parallèlement sur lesdits supports, sur un côté des pièces en béton, caractérisée en ce que, de manière connue en soi, les pièces (1) sont liées, sur leur face inférieure (1b) opposée au rail (3), à une semelle (4) en matériau visco-élastique, et de manière nouvelle le matériau visco-élastique est une matière substantiellement non poreuse, ayant une densité supérieure à 0,9, et présentant une résistance à la fragmentation et à l'abrasion, exprimée par la perte de poids de cubes de béton revêtus dudit matériau, selon une procédure d'essai de routine, du type Los Angeles, inférieure à 0,2 %, au bout de 1500 tours du tambour de la machine d'essai.

2. Voie ferrée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la dureté Shore A du matériau visco-élastique est au moins égale à 65, et de préférence comprise entre 65 et 77.

3. Procédé pour l'obtention d'un support de rail destiné à la réalisation d'une voie ferrée selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un élastomère de synthèse, obtenu au moment de son application sur ledit support, est déposé en couche sur ce dernier, selon au moins l'une des techniques suivantes, à savoir projection, coulée, application à la brosse ou au rouleau, sur la face inférieure des pièces en béton.

4. Support de rails pour une voie ferrée, comprenant au moins une pièce (1) en béton, liée, sur sa face inférieure (1b) opposée à celle devant recevoir un rail (3), à une semelle (4) en matériau visco-élastique, caractérisé en ce que le matériau visco-élastique est une matière substantiellement non poreuse, ayant une densité supérieure à 0,9, et présentant une résistance à la fragmentation et à l'abrasion, exprimée par la perte de poids de cubes de béton revêtus dudit matériau, selon une procédure d'essai de routine, du type Los Angeles, inférieure à 0,2 %, au bout de 1500 tours de tambour de la machine d'essai.

Dessins