Brevet FR2664307A1 — publié le 19920110

SUPPORT DE RAIL, ET VOIE FERREE OBTENUE AVEC DE TELS SUPPORTS La présente invention concerne les supports de rail, et les voies ferrées obtenues avec ces supports. Plus précisément, l'invention s'intéresse aux supports de rails en béton, c'est-à-dire ceux comprenant au moins une pièce ou élément en béton, sur lequel est fixé d'un côté un rail, avec interposition d'une semelle élastique, et posé de l'autre côté, par sa face inférieure substantiellement plane, sur le ballast. De tels supports comprennent, selon cette définition les traverses qui sont des pièces posées sous les rails et perpendicu- lairement 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 brochets en béton armé, reliés par une entretoise métallique, et les traverses monobloc qui sont constituées d'une seule pièe 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 brochets, 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. Dans le cas d'une voie sur ballast, 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. 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. Une telle attrition peut être limitée en disposant une semelle en matériau visco-élastique, du type caoutchouc, entre le ballast et les pièces en béton, au contact de leurs faces inférieures Et tel est le point de départ de la présente invention. La présente invention a pour objet de déterminer la ou les caractéristiques techniques, susceptibles de conduire au résultat recherché, à savoir diminuer ou supprimer l'attrition des pièces en béton des supports de rail définis précédemment. Selon la présente invention, on a découvert que le résultat recherché pouvait être obtenu par la conjonction de deux caractéristiques techniques, la première relative à la construction même des supports en béton, avec mise en oeuvre d'une semelle visco-élastique, et la seconde relative à la qualification ou caractéristique du matériau visco-élastique retenu. Par matériau visco-élastique, on entend tout matériau présentant mécaniquement les propriétés d'un caoutchouc, c'est-à-dire à la fois souple, déformable de manière importante, et élastique Selon la première caractéristique, il apparaît essentiel que la semelle en matériau viscoélastique soit liée à la face inférieure des pièces en béton du support, par au moins une zone d'adhésion dans laquelle le matériau visco-élastique est solidaire du substrat de la pièce en béton. Selon la seconde caractéristique, le matériau visco-élastique doit pré- senter 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. Ces deux caractéristiques coopèrent l'une avec l'autre, pour trans- mettre effectivement à la semelle les vibrations ou contraintes induites par les charges roulantes, et dissiper ces dernières dans le matériau visco- élastique, en raison de sa bonne résistance intrinsèque caractérisée comme précédemment. De fait, en utilisant la procédure d'essais décrite ci-après et appelée "vibrateur unidirectionnel", après 200 heures d'essais, la semelle de support selon l'invention ne présente ni décollement, ni déchirure, ni usure laissant apparaître le substrat en béton. De manière surprenante, et comme mis en évidence par la procédure d'essai dite " vibrateur unidirectionnel", des supports conformes à la présente invention ont par ailleurs apporté les avantages déterminants suivants, vis-à- vis des charges roulantes: 1) ils diminuent de manière importante l'usure du ballast, c'est-à-dire l'attrition des pierres les unes contre les autres 2) ils diminuent le tassement du ballast. Au total, avec des supports conformes à l'invention, tout se passe comme si l'énergie induite par les charges roulantes se trouvait absorbée en quasi-totalité dans le patin en matériau élastomère selon l'invention. 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. Normalement, pour des supports de rails en béton, l'usure 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 Théologiques et de drainage convenables. 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. Pour terminer, la solution selon l'invention apporte un étage complé- mentaire 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 2 IÉ 4 Ci ne peut être absorbée par la plateforme, par exemple si cette dernière est un tablier en béton d'un ouvrage d'art. La présente invention présente en outre les caractéristiques addition- nelles 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) 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. Les supports conformes à l'invention peuvent être obtenus sans diffi- culté 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 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 polyuré- thanne monocomposant se polymérisant au contact de l'humidité de l'air; pour une telle application, on préférera 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. 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. 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. 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 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. 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. Un tel matériau est par exemple identifié et retenu conformément au tableau ci-après selon la procédure décrite précédemment: ::BETON: BALLAST: POIDS-TOTAL : recouvert cde 5 mn: du matériau : él astom Tre::: : BAYIR Poids initial 2795 g : 500 tours: 2793 g 2790 g : 2625 g 5585 g : 5418 g: : 1000 tours : 1500 tours : 2000 tours : 2500 tours 2793 g 2792 g : 2792 g 2790 g 2530 g 2439 g : 2376 g 2312 g 5323 g 5231 g : 5168 g 5102 g 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 (disocyanatediphény- lméthane) Il présente une structure micro-cellulaire 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. 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 brochet conforme à l'invention. 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 la des deux brochets 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 brochet. Du côté inférieur lb des deux brochets 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 lb des deux brochets 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 lb des brochets 1, le matériau élastomère retenu est solidaire du substrat ou béton desdits blochets. Conformément aux figures 3 et 4, la face inférieure d'une traverse en béton monobloc 1, est revêtue sur sa face inférieure lb par une semelle 4 en matériau élastomère, adhérant au substrat de la traverse selon deux zones d'adhésion séparées, correspondant à deux tampons 4 a et 4 b, disposés en vis-à-vis des deux rails 3 respectivement. Conformément à la figure 5, il s'agit d'un support en béton 1 pour appareil de voie La face inférieure lb de support est revêtue partiellement par une semelle 4 en matériau visco-élastique, consistant en différents tampons 4 a, 4 b et 4 c, disposés à l'aplomb des rails 3 de l'appareil de voie respectivement Conformément à la figure 6, il s'agit d'un simple blochet en béton 1, revêtu sur sa face inférieure lb 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. 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 dite "vibrateur unidirectionnel", explicitée par référence à la figure 7. 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 brochets 53 est disposée horizonta- lement dans la fosse sur le ballast Deux rails 54 de longueur limitée, sont montés chacun sur un brochet, parallèlement l'un à l'autre, et perpendicu- lairement 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 k N sur la traverse Un vibrateur unidirec- tionnel transmet ensuite à la traverse à essayer, par l'intermédiaire d'une poutre et des deux rails 54, une force verticale sinusoïdale de 45 k N, à la fréquence de 50 Hz. 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 minutes de repos En fin d'essai, on observe l'état de l'élément testé, en l'occurrence la face inférieure des brochets de béton. 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. Ceci étant, on observe au passage deux résultats essentiels et surpre- nants: 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 Il/ Support de rail comportant au moins une pièce ( 1) en béton, sur laquelle est fixé d'un côté un rail ( 3), et posée de l'autre côté, par sa face inférieure (lb) substantiellement plane, sur une semelle ( 4) en matériau visco-élastique, caractérisé en ce que d'une part la semelle ( 4) est liée à la face inférieure (lb) de la pièce en béton, par au moins une zone d'adhésion dans laquelle le matériau visco- élastique est solidaire du substrat de ladite pièce en béton, et d'autre part ledit matériau présente une résistance à la fragmentation et l'abrasion, exprimée par la perte de poids de cubes de béton revêtus dudit matériau, selon une procédure d'essai du type "Los Angelès", inférieure à 0,2 %, au bout de 1500 tours du tambour de la machine d'essai. 2/ Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau visco-élastique est un élastomère. 3/ Support selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élastomère est un polyuréthanne. 41 Support selon la revendication 3, caractérisé en ce que le polyuré- thanne est obtenu par polymérisation d'un polyetherpolyol et de diisocyanate- diphénylméthane (DMI). / Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que la semelle ( 4) en matériau visco-élastique remonte, sans discontinuité de matière, sur la face latérale de la pièce en béton. 6/ Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone d'adhésion s'étend selon toute la face inférieure (lb) de la pièce en béton. 7/ Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que la se- melle ( 4) présente une épaisseur au moins égale à 3 mm. 8/ Voie ferrée obtenue avec des supports selon l'une quelconque des revendications i à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend une plateforme relativement dure, un ballast disposé sur cette dernière, une multiplicité de supports de rails distribués selon la direction de ladite voie ferrée, et espacés les uns des autres, et deux files de rail disposées et fixées parallèlement sur lesdits supports.