Brevet FR2424448A1 — publié le 19791123

La présente invention, due à Johann SCHWB, Alfred JURINEA, Wolfgang ZAIN, concerne un élément amortisseur de chocs en matériau élastombre et un procédé de fabrication d'un tel élément. Des éléments amortisseurs de choc de ce type sont utilisés dans de nombreux domaines. Par exemple dans la construction de véhicules ferroviaires on utilise des éléments élastiques en caoutchouc jouant le r81e de ressorts dans les tampons, mais également dans d'autres éléments de la construction. Le r81e de tels éléments amortisseurs de choc est d'éviter la transmission des efforts ayant la nature de chocs aux pinces fonctionnelles qui lewn font suite ou de la réduire suffisamment pour que ces pièces ne subissent pas de dommages Tons les domaines d'emploi connus de matériaux élastombres comme éléments amortisseurs de chocs prévoient l'utilisation de matériaux élastombres compacts.Les caractéristi ques d'amortissement des chocs d'un tel matériau élastomère compact sont uniquement fixées par les caractéristiques du matériau lui-même et ne peuvent donc pas être modifiées lorsqu'on les utilise dans des buts différents en fonction du bat poursuivi. Ceci peut constituer un inconvénient lorsque pour un but particulier il est nécessaire de disposer d'un élément amortisseur de chocs dont on paisse modifier dans une assez large mesure la façon dont il absorbe les efforts. Une autre caractéristique des corps élastomères compacts qui agit de façon défavorable sur les caractéristiques d'amortissement des chocs tient à l'incompressibilité totale des matériaux de cette nature. Cet inconvénient apparat particuliè- rement quand, pour des raisons de constrnction, il faut choisir des éléments amortisseurs de choc dont la dimension, comparée à celle de la surface d'application des efforts, est relativement grande. bans ce cas le matériau peut, à l'endroit où se produit l'application de l'effort, ne céder que relativement peu par déplacement latéral car la surface, entourant la surface d'application des efforts, de l'élément amortisseur de choc empêche le matériau de se déplacer.Il en résulte que l'élasticité au rebondissement est plus forte à cet endroit, ce qui est à l'opposé du rôle que doit jouer un élément amortisseur de choc. La présente invention a donc pour but la réalisation d'un élément amortisseur de chocs dont les caractéristiques d'amortissement. et de dégradation des efforts puissent être modifiées et qui, même dans le cas où la charge ne s1applique que sur une faible surface, reste complètement capable de remplir sa fonction pour ce qui concerne ses caractéristiques d'amortissement des chocs. Ce problème est résolu selon l'invention par le fait que le matériau élastomère est constitué par un mélange dont la cohésion est assurée par un liant et qui est constitué de particules en matériau compact, par exemple caoutchouc ou polyuréthanne, et de particules en matériau poreux, par exemple mousse de matière plastique souple. Grtce à cette combinaison de particules en matériau compact et de particules en matériau poreux, on aboutit à ceci que, au moment de l'application de l'effort, la dégradation de celui-ci résulte uniquement de la compression du matériau élastomère sans qu'il soit nécessaire qu'il se produise des glissements du matériau. Par suite l'élément amortisseur de chocs selon l'invention peut aussi être utilisé pour l'amortissement de chocs agissant sur de grandes surfaces. Il y a lieu d'indiquer ici que Si les produits composites constitués de mélanges de granulés de caoutchouc et de matière plastique sont en soi connus, leur emploi dans la technique comme élément amortisseur de chocs pour des constructions fortement chargées 'a jusqu'à maintenant pas encore été décrit. C1 est au contraire le secteur des revêtements de sol pour la pratique des sports qui constitue actuellement le domaine d'emploi principal de tels matériaux composites. Mais les exigences auxquelles doit satisfaire un sol utilisé pour le sport sont principalement l'adhérence, la résistance mécanique et - au contraire de ce qu'il faut pour l'amortissement des chocs - une bonne élasticité afin d'obtenir un rendement aussi bon. que possible des efforts déployés par les sportifs.En raison des caractéristiques des matériaux composites à base de caoutchouc connus, il n'est pas recommandé de les mettre en oeuvre pour une utilisation dont le principal objectif est l'amortissement des chocs et la dégradation de l'énergie mécanique reçue. Si le mélange comprend entre environ 5 et environ 504tI en poids de particules en matériau compact et le reste en particules en matériau poreux, les éléments amortisseurs de chocs réalisés à partir de ce mélange présentent des caractéristiques de dégradation des effortsparticulièrement favorables car, lorsqu'un tel mélange est soumis à une compression croissante, il se produit un effet d'amortissement progressif sans qu'apparaisse l'effet de rebondissement caractéristique des élastomères compacts. Pour des utilisations où, en raison du niveau de la pression spécifique en jeu, une résistance à la déformation plus élevée est nécessaire, il est avantageux que le mélange selon l'invention comprenne en poids entre environ 50 et environ 98%, de préférence moins d'environ 75%, de particules en matériau compact et entre environ 2 et environ 20% de particules en matériau poreux. Une telle composition du corps composite selon l'invention lui assure, du fait de la proportion élevée de particules en matériau compact qu'il contient, une capacité de résistance à la compression relativement grande. En-dessous d'environ 50% en poids de particules de matériau compact, il n'est plus possible d'envisager une utilisation pour l'amortissement des chocs sous des efforts de l'ordre de quelques kN/cm2 et au-dessus. Si la proportion de particules en matériau poreux est inférieure à environ 2% en poids, la répartition en volume de ces particules entre les particules en matériau compact est déjà suffisamment faible pour qu'un élément amortisseur de chocs de cette nature ne présente plus pratiquement que les caractéristiques d'un corps composé de matériau compact. Une proportion de particules en matériau poreux supérieure à 20% en poids ne convient pas pour des efforts élevée à cause de l'inconvénient déjà discuté ci-dessus. Les mélanges contenant entre environ 5 et environ I 0% en poids de particules en matériau poreux sont particulièrement avantageux pour des utilisations dans lesquelles peuvent apparaître des efforts de chocs périodiques. I1 y a lieu de mentionner ici que les particules en matériau poreux, par suite de la façon dont se fait la fabrication, occupent dans tous les cas dans 11 élément amortisseur de chocs un volume qui est plus faible que leur volume à l'état libre, car pour assurer la cohésion du mélange à laide du liant il faut exercer une certaine pression pour obtenir une bonne adhérence entre les particules. Le durcissement du liant stabilise cet état dans lequel existe une certaine compression.Cet état en compression présente, dans 11 élément amortisseur de chocs prt à P'enploi, l'avantage que, pour obtenir une déformation, un effort important est en principe nécessaire, grtce à quoi la déformation d la pression est en son début comparable à une déformation sous une compression plus forte. 1l est avantageux que la granulométrie des particules en matériau compact soit comprise entre environ 1 et environ 5 mm. Cette grosseur de grains est avantageuse dans la mesure où de ce fait, même lorsque la proportion en poids des particules de cette sorte n'est que de 75%, on obtient une répartition relativement homogène. Si la granulométrie des particules en matériau compact est inférieure à 1 mm, la caractéristique de déformation, dans le cas où la proportion en poids des particules de cette sorte est très élevée, se trouve influencée d'une manière qui est défavorable pour de nombreux domaines d'utilisation. Lorsque la granulométrie des particules en matériau compact est supérieure à 5 mm environ, il subsiste le danger de la formation de zones non homogènes, constituées pour Ilessentiel de matériau compact.Ces zones possèdent alors une élasticité au rebondissement, indésirable dans certains cas, comparativement aux zones voisines assurant un amortissement plus fort. Des éléments amortisseurs de chocs constitués d'un mélange ayant une telle composition possèdent par exemple une caractéristique de déformation à la compression environ 3 à 6 daN/cm3 sous une charge de 1 diN/cm2 (coefficient de radier)* Ces valeurs correspondent aux exigences dans les domaines d'utilisation de la réalisation de fondations ou des domai- nes analogues.Pour obtenir une progression aussi régulière que possible de la résistance à la déformation par compression au cours de la déformation, il est avantageux que la granulométrie des particules en matériau poreux soit comprise entre environ 1 et environ 5 mm. De ce fait, compte tenu de la granulométrie des particules en~matériau compact discutée ci-dessus, la réalisation d'une structure homogène peut se trouver favorisée. Il est avantageux d1 employer comme mateiau pour les particules poreuses une mousse souple en polyuréthanne possédant une masse spécifique allant d'environ 20 à environ 35 kg/m3.. De telles mousses de polyuréthannes à base de polyéthers ou de polyesters sont très souvent utilisées pour la fabrication de matelas et de meubles rembourrés, opération qui entrasse des chutes provenant de la coupe. Ces chutes de coupe conviennent parfaitement pour une utilisation dans l'élément amortisseur des chocs selon l'invention.Un avantage de la mousse de polyuréthanne comme matériau pour les particules poreuses est à rechercher aussi dans le fait que cette mousse possède un bon pouvoir d'amortissement pour l'énergie mécanique ce qui la rend particulièrement propre à une utilisation dans le mélange réalisé conformément à 1' inven- tion. Dans le cadre de la présente invention, on peut cependant utiliser aussi d'autres matériaux poreux, comme par exemple des morceaux de caoutchouc mousse, des morceaux de mousse de polyéthylène ou des morceaux d'autres mousses souples thermoplastiques. La résistance mécanique de l'élément amortisseur de chocs selon l'invention relativement aux sollicitations à la traction ou à la compression est également très importante pour la capacité de cet élément à remplir son r81e. Â cet égard le liant doit être choisi convenablement. Pour la présente invention ce sont particulièrement les adhésifs en polyuréthnnnes qui doivent de préférence être utilisés dans une proportion en poids comprise entre 5 et 25% du produit composite. Lorsque la part de liant est inférieure à environ 5% en poids, la résistance que peut atteindre le produit composite est trop faible pour que son emploi puisse être envisagé dans la réalisation des fondations, comme support du lit de ballast dans les voies ferrées ou dans des applications analogues.Au-dessus d'une proportion de liant supérieure à 25%, le tableau des caractéristiques de l'élément amortisseur de chocs est déjà très fortement marqué par celles du liant, ce qui en particulier peut entraîner an durcissement indésirable. En outre les adhésifs susceptibles d'être employés pour ces cas de mise en oeuvre d'éléments amortisseurs de chocs sont en régle générale plus coûteux que les particules employées de sorte que lorsqu'on augmente- la proportion de liant la rentabilité diminue en même temps. Pour une utilisation comme élément d'appui de machines, de fondations ou de voies ferrées, il est bon que la masse spécifique du mélange dont est constitué l'élément amortisseur de chocs selon l'invention soit comprise entre environ 0,6 et environ 0,8 g/cm3 de façon à présenter une caractéristique de déformation allant environ 3 å environ 6 daN/cm3 sous une charge de I daN/cm2. Ces valeurs physiques peuvent être obtenues par un choix convenable du rapport dans lequel est réalisé le mélange et de la compression A laquelle sont soumises les particules de matériau poreux contenues dans ledit mélange et elles constituent des caractéristiques avantageuses pour ces utilisations. La mesure de la caractéristique de déformation (coefficient de radier) est effectuée en soumettant le produit sur lequel la mesure doit être faites une charge déterminée, par exemple 1 daN/cm2. Sous cette charge il se produit une certaine pénétration de par exemple 0,1 cm. Â partir de cette valeur de la pénétration, on peut déterminer entièrement par le calcul la valeur du coefficient dit coefficient de radier ; dans le cas du présent exemple, ce coefficient s'élèverait à d daN/cm2/O,I cm = 10 daNJcm3. (Pour la définition du coefficient de radier, on se reportera au Luger Lexikon der Technik, Band 10, Bexikon der Bautechnik Encyclopédie Lueger des Techniques , tome 10, Encyclopédie des travaux de construction - page 202). Pour d'autres domaines d1utilisation, où l'élément amortisseur de chocs selon l'invention est soumis aux conditions atmosphériques, il est préférable d'entourer de tous cOtés le mélange par une enveloppe en matériau flexible, par exemple en caoutchouc ou en matière plastique. On évite ainsi que de l'eau puisse pénétrer dans les cavités ou pores du mélange ce qui pourrait modifier les caractéristiques de l'élément amortisseur de chocs et ltempêcher de remplir complètement son r81e. Ceci serait particulièrement désavantageux en hiver dans le cas où l'eau qui s'est introduite dans 11 élément amortisseur de chocs gèlerait. La nécessité d'envelopper de tous cOtés le mélange peut aussi s'imposer lorsque l'élément amortisseur de chocs est mis en oeuvre dans un environnement qui fait craindre la pénétration de produits chimiques nocifs qui pourraient provoquer une corrosion. L'obligation d'envelopper l'élément amortisseur de chocs vaut en particulier pour l'emploi de celui-ci sous forme de tapis disposé sous le lit de ballast d'une voie ferrée car ici il faut éviter à tout prix que les caractéristiques d'amortissement des chocs soient réduites par pénétration de substances quelconques. En outre la caractéristique d'amortissement des chocs (coefficient de radier) doit se situer dans un domaine de tolérance étroit, prédéterminé. I1 peut aussi bien entendu être recommandé de ne procéder à la mise en place de l'enveloppe étanche entourant 1' élément amortisseur de chocs qu'au lieu et au moment où est posé cet élément. Ceci concerne en particulier les bords qui assurent la liaison entre éléments contigus, l'étanchéité pouvant être réalisée de façon appropriée par collage, recouvrement des bords par des couches disposées au-dessus ou au-dessous ou par des moyens analogues. Pour l'utilisation de l'élément amortisseur de chocs selon l'invention comme moyen d'appui de fondations ou de voies ferrées, il est particulièrement avantageux de réaliser l'élément sous forme de plaques ou de bandes allongées. Cette façon de réaliser du point de vue géométrique l'élément amortisseur de chocs permet de placer celui-ci par grandes surfaces sous les éléments constitutifs de l'ouvrage et par suite de réaliser un amortissement des chocs sur la totalité de la surface d'appui et non pas seulement en certains points. C'est précisément dans cette possibilité d'utilisation que réside l'avantage essentiel de l'élément amortisseur de chocs selon l'invention. Une possibilité d'utilisation, particulièrement avantageuse, de l'élément amortisseur de chocs selon l'invention se présentant sous forme de plaques ou de bandes allongées consiste à le poser au-dessous du lit de ballast de voies ferrées. Ia mise en place d'un tel élément amortisseur de chocs est avantageuse lorsque la voie ferrée est à poser sur un sous-sol dont les caractéristiques pour ce qui concerne l'absorption des chocs sont très inégales ou qui présente à cet égard des variations brutales. De telles variations se rencontrent par exemple lorsque les voies sortent d'un tunnel ou y pénètrent mais on peut aussi les rencontrer lorsqu'on passe de la pleine voie à une zone de gare. Ces variations de la capacité d'absorption des chocs présentée par les divers couples infrastructure/sous-sol est aujourd'hui particulièrement à l'ordre du jour du fait que la vitesse des trains va constamment en croissant de sorte qu'une amélioration de l'amortissement des chocs est nécessaire. Dans ces zones de transition entre un sous-sol présentant de bonnes caractéristiques d'amortissement des chocs et un sous-sol en présentant de mauvaises, il est donc avantageux de mettre en place des éléments amortisseurs de chocs selon l'invention se présentant sons forme de tapis sur toute la largeur du lit de ballast. Dans ce mode d'utilisation tous les avantages d'an élément amortisseur de chocs compressible et peu épais, qui ont été cités ci-dessus, sont à porter au crédit de l'opération. Un procédé avantageux pour la fabrication d'un élément amortisseur de chocs selon l'invention consiste par exemple à déposer tout d'abord le liant sur les particules en matériau compact puis à procéder ensuite au mélange avec les particules en matériau poreux et enfin à comprimer le mélange ainsi obtenu de telle sorte que le volume des particules en matériau poreux soit réduit pour le moins à la moitié de leur volume à l'état libre. L'avantage de ce procédé tient à ce que du fait dn dépôt du liant sur le granulé compact un dosage précis des proportions est possible tandis qu'en même temps la totalité du liant ainsi posé conserve son roule en tant qu'adhésif. On évite ainsi que, par application du liant à l'état liquide sur les particules en matériau poreux, ce liant ne pénètre dans les pores de ce matériau et que de ce fait une part importante de ce liant ne puisse plus assurer son rôle propre, ce qui pourrait entratner en outre un durcissement, indésirable s'il se produisait, de l'emplacement de collage. Ce procédé convient aussi particulièrement bien du fait qu'il permet d'obtenir d'une manière simple par compression du mélange la compression voulue des particules en matériau poreux car les particules constituées de matériau compact sont incompressibles. Après durcissement du liant, la compression de la partie de celuici constituée de particules en matériau poreux est stabilisée. Par un choix approprié de la proportion relative des particules poreuses et compactes combiné avec l'accroissement de densité obtenu par la compression, on peut, conformément à l'invention, régler la caractéristique de déformation (coefficient de radier) à la valeur souhaitée. Abstraction faite de ee que les caractéristiques d'un produit composite qui ne se compose essentiellement que de particules granuleuses en matériau compact ne pourraient être modifiées que de peu par compression et stabilisation de la contraction produite par la compression, car le matériau compact est en soi pratiquement indéformable, et qu'une contraction ne pourrait être obtenue que par un enrobage plus épais, un produit composite de cette nature et un procédé servant à sa fabrication présenteraient également l'inconvénient de ne laisser aucune possibilité de régler à la valeur souhaitée, comme c'est le cas avec le procédé selon l'invention, la caractéristique de déformation à la compression pour une certaine résistance, donnée à la traction et à la compression.Dans le cas d'un produit composite qui n'est composé que de particules en matériau compact, sa résistance mécanique plus ou moins grande est toujours déterminée par sa densité tandis que l'adjonction, selon l'invention, de particules en matériau poreux compressibles permet d'obtenir, pour une densité d'enrobage des particules en matériau compact contenues dans le produit composite identique à celle d'un tel produit composite constitué seulement de telles particules compactes, une trés forte compression du fait que dans le procédé destiné à la fabrication du produit composite on ajoute de telles particules poreuses, car le volume de départ avant compression, en raison de la présence desdites particules en matériau poreux, est éventuellement plusieurs fois supérieur à celui du produit composite réalisé. -Cette compression a pour conséquence que même les propriétés mécaniques, c'est-à-dire l'adhérence entre les différentes particules, sont relativement bonnes et que par suite on peut obtenir directement les résistances à la traction et à la compression sowhai- tées et les régler à volonté. L'invention sera mieux comprise par la description d'un de ses modes de réalisation, donné ici à titre illustratif mais nullement limitatif, qui en sera faite d l'aide des figures annexées qui représentent - la figure 1, une coupe de l'élément amortisseur de chocs selon l'invention ; - les figures 2 et 3 la façon de disposer un élément amortisseur de choc dans une infrastructure de voies ferrées. L'élément amortisseur de choc représenté sur la figure 1 se compose de particules 1 en matériau compact et de particules 2 en matériau poreux. Les particules 1 et 2 sont liées par un liant 3. Les particules 1 se eomposent par exemple de morceaux de caoutchouc qui sont obtenus par fractionneme t de pneususagés, de vieilles matières en caoutchouc ou d'éléments analogues. Les particules poreuses 2 sont constituées de préférence de flocons de mousse souple en polyuréthanne. Le mélange formé des particules I et 2 est entouré d'une enveloppe qui se compose d'une couche supérieure 4 et d'une couche inférieure 5 ainsi que de parois latérales 6. La figure 2 représente un tapis amortisseur de chocs 11 mis en oeuvre en-dessous du lit de ballast 9 d'une voie ferrée et au-dessus du sous-sol 10. On voit en coupe les rails 7 et une traverse 8 qui repose sur le lit de ballast 9. Le tapis amortisseur de chocs 11 est disposé au-dessous du lit de ballast 9, sur toute la largeur de la voie. La figure 3 représente schématiuement la zone sur laquelle est disposé un tel tapis amortisseur de chocs 11. Cette zone d'utilisation est par exemple la zone de transition entre un tunnel 12 et une section de voie à l'air libre. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, 1 invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS i. Elément amortisseur de chocs en matériau élastomère, caractérisé en ce que le matériau élastomère est constitué par un mélange dont la cohésion est assurée par un liant (3) et qui est constitué de particules (1) en matériau compact, par exemple en caoutchouc ou en polyuréthanne, et de particules (2) en matériau poreux, par exemple en mousse souple de matière plastique. 2. Elément amortisseur de chocs selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange contient entre environ 5 et environ 50tao en poids de particules en matériau compact. 3. Elément amortisseur de chocs selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange contient en poids entre environ 50 et environ 98%, de préférence moins de 75%, de particules (1) en matériau compact et entre environ 2 et environ 20% de particules (2) en matériau poreux. 4. Elément amortisseur de choses selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mélange contient entre environ 5 et environ 10% en poids de particules (2) en matériau poreux. 5. Elément amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérise' en ce que la granulométrie des particules (1) en matériau compact est comprise entre environ 1 et environ 5 mm. 6. Elément amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la granulométrie des particules (2) en matériau poreux est comprise entre environ 1 et environ 5 mm. 7; Elément amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau poreux constituant les particules (2) est une mousse souple de polyuréthanne d'un poids spécifique allant d'environ 20 à environ 35 kg/m3. 8. Elément amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la proportion de liant est comprise entre environ 5 et environ 25% en poids du mélange. 9. Elément amortisseur de chocs selon l'une quelconquedes revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la masse spécifique du mélange est comprise entre environ 0,6 et environ 0,8 g/cm de façon à présenter une caractéristique de déformation allant d'environ 3 à environ 6 daS/cm3 sous une charge de 1 daNjcm2. 10. Elément amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le mélange est entouré de tous c8tés d'une enveloppe (4, 5, 6) en matériau souple, par exemple en caoutchouc ou en matière plastique. 11. Elément amortisseur de choc selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous forme de plaque ou de bande allongée. 12. Utilisation d'un élément amortisseur de chocs se présentant sous forme de plaque oii de bande allongée, selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est destiné à être placé en-dessous du lit de ballast d'une voie ferrée. 13. Procédé de fabrication d'un élément amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'on commence par déposer le liant sur les particules (t) en matériau compact, puis qu'on procède au mélange avec les particules (2) en matériau poreux et qu1enfin on comprime le mélange ainsi obtenu de telle sorte que le volume des particules (2) en matériau poreux soit réduit pour le moins à la moitié de leur volume à l'état libre.