Le travail de recherche présenté dans ce document a été réalisé dans le cadre d’une collaboration entre l’ENTPE/ niversité de Lyon et la SNCF. L’objectif de l’étude est la caractérisation des propriétés thermomécaniques des enrobés bitumineux à être utilisés dans la construction de voies ferrées. Le comportement viscoélastique linéaire (VEL) et la résistance à la fatigue d’enrobés pour couche de base couramment utilisés en France ont été étudiés. L’influence de l’eau sur ces propriétés a été aussi étudiée du fait que l’exposition à l’eau des couches bitumineuses en structure ferroviaire peut les altérer et réduire la durée de vie de l’ouvrage. La caractérisation du comportement VEL et de la résistance à la fatigue des matériaux a été faite en réalisant des essais mécaniques en traction-compression sur des éprouvettes cylindriques au laboratoire LTDS/ENTPE. Une nouvelle procédure de conditionnement à l’eau et au gel a été proposée sur la base des méthodes d’essai normalisées française et américaine. La susceptibilité à l’eau des matériaux a été obtenue par comparaison des résultats des essais mécaniques entre éprouvettes conditionnées et non conditionnées. Le comportement VEL des matériaux a été simulé avec le modèle 2S2P1D, développée à l’ENTPE. Trois formules pour couche de base ont été testées : une GB3, une GB4 et une formule appelée GB PMB. Cette dernière est la même formule GB3 mais avec un bitume modifié aux polymères SBS. La GB3 sert comme matériau de référence. La GB4 est un matériau de meilleures performances que la GB3. La formule GB4 étudiée correspond à celle mise en place dans la couche sous-ballast de la Ligne à Grande Vitesse (LGV) Bretagne-Pays de Loire. L’intérêt d’étudier la GB PMB est de savoir si l’utilisation de bitumes modifiés aux polymères est pertinente dans un contexte ferroviaire ou pas. 2 La zone test construite dans la LGV Est-Européenne près de la ville de Reims avec une couche sous-ballast en enrobé bitumineux a servi comme cas d’étude pour cette thèse. Les différents avantages de l’utilisation de matériaux bitumineux en structure ferroviaire retrouvées dans la bibliographie ont été confirmés avec le retour sur l’expérience de cette zone test. Les résultats obtenus des travaux expérimentaux montrent que les trois formules étudiées présentent des capacités portantes (rigidité) suffisantes pour leur utilisation comme couche sous-ballast. La méthode de conditionnement à l’eau et au gel utilisée n’a pas altéré le comportement VEL des matériaux. En ce qui concerne les essais de fatigue, les résultats ont montré que l’utilisation d’un bitume modifié aux polymères augmente sensiblement la résistance à la fatigue de la GB3. La GB PMB a aussi montré une plus faible susceptibilité de la résistance à la fatigue à l’eau et au gel que la GB3. Du fait que les niveaux de sollicitation de la base de la couche d’enrobé de la zone test LVG EE sont très faibles, tous les matériaux étudiés présentent des propriétés satisfaisantes de résistance à la fatigue en couche sous-ballast. / The research presented in this document was carried out in collaboration between the National School of Public Works (Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat – ENTPE) of the University of Lyon and the French National Railway Company (Société Nationale des Chemins de Fer français – SNCF). The objective of this study is the characterisation of the thermomechanical properties of road base-course bituminous mixtures commonly used in France for their use in railway track structures. Linear Viscoelastic (LVE) and fatigue resistance properties have been investigated. The influence of moisture damage including freeze-thaw cycles on the properties of the studied mixtures was also studied. LVE and fatigue resistance properties were obtained by means of sinusoidal tension-compression tests on cylindrical samples at the ENTPE/LTDS laboratory. A protocol for moisture conditioning of bituminous mixtures samples was developed based on the French and American standard test methods for moisture susceptibility and on the literature review on the subject. Moisture damage was assessed using complex modulus and fatigue tests. The LVE behaviour of the materials was described using the 2S2P1D (2 Springs, 2 Parabolic elements and 1 Dashpot) model developed at the ENTPE/LTDS laboratory. Three road base-course mixtures available in the French market were studied: a GB3, a GB4 and a mixture called GB PMB (for Polymer-Modified Bitumen). The GB3 mixture stands as the reference material since it is commonly used for the base-courses of conventional roads in France. The GB4 mixture stands as a better performing material than the GB3. The specific studied GB4 formulation corresponds to that used as sub-ballast of the Brittany-Loire high-speed line (HSL) in western France. The GB PMB stands as an improved version of the GB3 in which the base bitumen is replaced by polymer-modified bitumen. The interest of the study of this third mixture is to assess the relevance of using PMB’s in bituminous mixtures intended for railway platforms. The test zone of the East-European HSL served as case study to identify the loading conditions and the behaviour of a bituminous sub-ballast layer in a French track. The several advantages of using bituminous mixtures as sub-ballast material identified in the literature are confirmed by the feedback from this test zone. The results obtained show that the studied bituminous mixtures present excellent bearing capacities (stiffness) for their use as sub-ballast layers in France. The used moisture conditioning protocol did not alter the LVE behaviour of the materials. The good performance of the materials is then expected to be perennial regarding the effect of moisture on the LVE behaviour. With respect to fatigue resistance, the results show that the use of a PMB provides an important increase of the fatigue life as well as a reduction of the susceptibility to moisture damage. However, given the identified loading levels of the bituminous sub-ballast in a common French track structure, all three mixtures present adequate fatigue resistance properties.

Les voies ferrées, construites pour la plupart depuis plus d'une centaine d'années, sont des ouvrages vieillissants. Elles nécessitent une maintenance et un entretien accrus, ce qui constitue un enjeu technique et économique majeur pour les années à venir. Jusqu'à l'ouverture des marchés à la concurrence, la mise en œuvre des voies nouvelles était vérifiée empiriquement par la SNCF. Du fait de la mise en œuvre de la directive européenne 91/440/10, l'exploitant historique se tourne d'un objectif de moyen vers un objectif de résultat. Cela nécessite donc de disposer de méthodes d'auscultation non destructives, permettant de vérifier que le compactage du ballast est correctement réalisé, avant de faire circuler le trafic voyageurs, en vue de garantir un niveau de sécurité élevé. Cette première approche pourrait être poursuivie pour assurer une auscultation à grand rendement. Cependant, les méthodes existantes permettant d'obtenir l'état de compactage du ballast à la mise en œuvre sont ponctuelles et difficiles à mettre en place; elles ne répondent pas à la problématique de doublement de la maintenance des voies des prochaines années. L'étude de la propagation d'ondes vibratoires dans le ballast est une alternative à ces méthodes qui peut permettre de répondre à ces contraintes. Le ballast est un milieu discontinu complexe pour la compréhension des ondes car elles se propagent dans un chaînon de force. Il présente une grande difficulté dans la modélisation du fait de la taille élevée des éléments et doit être traité comme un milieu discret ne répondant pas à une mécanique élastique de milieu continu. Étant donné la difficulté de modéliser cette couche discrète, il convient de traiter le problème par l'expérimentation. L'objectif de cette thèse est donc d'orienter la recherche vers l'utilisation de la propagation des ondes vibratoires dans la structure de la voie. Ce mémoire est organisé comme suit :- un premier chapitre détaille la structure de la voie ferrée et le matériau granulaire qu'est le ballast, ainsi que les méthodes de diagnostic des voies ferrées existantes.- le deuxième chapitre décrit les différents types d'ondes vibratoires se propageant dans un milieu élastique homogène, puis dans le ballast, et étudie la réponse du ballast à travers celle de la traverse ferroviaire.- Ces deux chapitres, issus de l'état de l'art, permettent de définir dans le chapitre trois les expérimentations réalisées dans le cadre de ce travail sur une structure ferroviaire en vraie grandeur : mise en œuvre, instrumentation, résultats. Ce chapitre s'attache particulièrement à décrire la vitesse des ondes et leur amortissement dans le ballast, les courbes de dispersion mesurées.- Enfin, la propagation d'une onde vibratoire dans le ballast est étudiée dans le chapitre quatre par le biais d'une simulation numérique, avec la comparaison de deux modélisations discrète et continue avec l'expérimentation / Railways, most of them built for over one hundred years, are old structures. They require increasing maintenance, a major technical and economic challenge for the coming years. Until the opening of markets to competition, the implementation of new railroads was empirically controlled by SNCF. Because of the application of the European directive 91/440/10, the historical operator turns from a goal of means to a goal of results. This calls for non-destructive highly efficient auscultation methods to check the right compaction of the ballast. However, existing methods for obtain ballast compaction assessment during implementation stage are surface-limited and difficult to apply; they do not respond to the issue of the doubling of track maintenance. Thus the study of the propagation waves in the ballast is an alternative to these methods and may allow to answer these requirements. The ballast is a discontinuous medium, complex for the understanding of waves, as they propagate in a force link. Modelling ballast is especially difficult because of the large size of its components and because it should be treated as a discrete environment, not following the elastic mechanics of continuous media. Given the difficulty to model this discrete layer, it is necessary to undertake the problem with experimentation. The aim of this thesis is to focus on the use of the propagation of vibration waves in the railroad structure. This work is organized as follows : the first chapter details the structure of the railroad and the ballast as a granular material, and the existing assessment methods for railroad. The second chapter describes the different types of vibration waves that propagate, first, in an elastic homogeneous medium, second in the ballast, and presents the answer of ballast through the answer of the sleeper. The two previous chapters, derived from the state of the art, allow to define in chapter three the experiments implemented as part of this work on a full scale railroad structure : realization, instrumentation, results. This chapter especially endeavours to describe the waves celerity, their damping in ballast and the measured dispersion curves. Finally, the propagation of a vibration wave in the ballast is studied in chapter four and a numerical simulation, compares with a disctete model and a continuous model with experimental results