Note ABES Utilisation du composite cimentaire renforcé (ECC) dans les infrastructures ferroviaires pour les traverses en béton Use of Engineered cementitious composite (ECC) in railway infrastructure for concrete sleeper Composites cimentaires renforcés Composite Ferroviaire Traverses Corrélation d’images numériques Cementitious Composite Railway Sleeper Composites de ciment Propriétés mécaniques Fissuration Chemins de fer -- Traverses Essais de compression Facteur de charge Résistance des matériaux Cette thèse étudie le développement et la performance des traverses en béton compositerenforcé de fibres (ECC, Engineered Cementitious Composites) précontraintes pour lesvoies ferrées ballastées. L'objectif est de démontrer leur faisabilité technique en termes de capacité portante, de contrôle de fissuration et de durabilité à long terme, tout en établissant un lien traçable entre les paramètres des matériaux et les performances structurelles. À cette fin, quatre mélanges d'ECC (Groupes A-D), différenciés par leurs compositions liantes, teneurs en fibres et adjuvants, ont été formulés et testés de manière systématique à différentes échelles.À l'échelle du matériau, des essais de compression uniaxiale et de traction directeont été réalisés avec corrélation d'images numériques (DIC). Les résultats ont confirméun comportement à durcissement par déformation avec de multiples fines fissures etdes capacités de déformation en traction de 4,92%, 5,33%, 2,83% et 9,12% pour lesGroupes A-D, respectivement. Des essais de compression triaxiale ont ensuite été effectués sous des pressions de confinement de 0 à 12 MPa et analysés par tomographiemicro-computationnelle (micro-CT). Les résultats ont montré que la résistance en compression et la déformation axiale maximale augmentaient avec le confinement, tandis que le volume de rupture diminuait jusqu'à 67%. Ces données ont été correctement ajustées par les critères de Mohr-Coulomb, William-Warnke et une loi de puissance dépendante de la pression. Un modèle de dommage statistique basé sur une distribution de Weibull a été calibré pour reproduire les réponses avant le pic et a capturé l'effet du confinement par une augmentation de la résistance caractéristique et une diminution du paramètre de forme, reflétant ainsi une réduction de la fragilité sous confinement plus élevé.À l'échelle du composant, des traverses ECC précontraintes en grandeur réelle ontété fabriquées et soumises à des essais de chargement statique au centre et aux appuis de rail. L'ensemble du processus de chargement a été suivi en continu par un système DIC unifié, permettant de quantifier les largeurs de bandes de fissures et les ouvertures résiduelles. Comparées aux traverses en béton ordinaire, les traverses en ECC ont présenté des largeurs maximales et résiduelles de fissures nettement plus faibles. Au centre, la traverse ordinaire a atteint 1,302/0,171 mm, tandis que les valeurs ECC étaient de 0,507/0,033 mm (Groupe B), 0,353/0,030 mm (Groupe C) et 0,277/0,033 mm (Groupe D). Aux appuis de rail, la traverse ordinaire a présenté 0,647/0,042 mm (gauche) et 0,671/0,050 mm (droite), tandis que les résultats ECC étaient de 0,199/0,021 mm et 0,352/0,023 mm (Groupe B), 0,314/0,035mm et 0,313/0,026mm(Groupe C) ; le Groupe D a montré les valeurs les plus faibles. Ces résultats démontrent que les traverses ECC offrent une plus grande réserve decharge, un meilleur contrôle de fissuration et des ouvertures résiduelles plus faibles queles traverses ordinaires.Dans l'ensemble, ce travail valide les performances multi-échelles supérieures del'ECC et soutient un nouveau cadre de conception axé sur la gestion des fissures plutôtque sur la seule résistance, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour des infrastructures ferroviaires durables et résilientes.Mots-clés : composites cimentaires renforcés (ECC) ; traverses précontraintes ; compressiontriaxiale ; corrélation d'images numériques (DIC) ; micro-CT ; critères de résistance; dommage statistique ; contrôle de fissuration This thesis investigates the development and performance of prestressed EngineeredCementitious Composite (ECC) sleepers for ballasted railway tracks, aiming to demonstrate their engineering feasibility in terms of load capacity, crack control, and longterm durability, while establishing a traceable link from material parameters to structural performance. To this end, four ECC mixes (Groups A-D) were proportioned with distinct binder compositions, fiber contents, and admixtures, and were systematically tested across multiple scales.At the material scale, uniaxial compression and direct tension tests were performedwith full-field Digital Image Correlation (DIC). Results confirmed strain-hardening behavior with multiple fine cracks and tensile strain capacities of 4.92%, 5.33%, 2.83%,and 9.12% for Groups A-D, respectively. Triaxial compression tests were further conducted at confining pressures of 0-12 MPa and analyzed using micro-computed tomography (micro-CT). The results showed that both compressive strength and peak axial strain increased with confinement, while the failure volume decreased by up to 67%. These data were successfully fitted by Mohr-Coulomb, William-Warnke, and a pressure-dependent power-law strength criterion. A statistical damage model based on a Weibull distribution was calibrated to reproduce the pre-peak responses and captured the confinement effect through an increasing characteristic strength and a decreasing shape parameter, thereby reflecting reduced brittleness under higher confinement.At the component scale, full-scale prestressed ECC sleepers were fabricated and subjected to static loading at both center and rail-seat sections. The entire loading process was continuously monitored using a unified DIC system, enabling quantification of crack-band widths and residual openings. Compared with ordinary concrete sleepers, ECC sleepers exhibited markedly smaller maximum and residual crack widths. At the center section, ordinary sleepers reached 1.302/0.171 mm, whereas ECC values were 0.507/0.033 mm (Group B), 0.353/0.030 mm (Group C), and 0.277/0.033 mm (Group D). At the rail seat, ordinary sleepers recorded 0.647/0.042 mm (left) and 0.671/0.050 mm (right), while ECC results were 0.199/0.021 mm and 0.352/0.023 mm (Group B), 0.314/0.035 mm and 0.313/0.026 mm (Group C); Group D performed best with even smaller values. These findings demonstrate that ECC sleepers provide greater load reserve, tighter crack control, and smaller residual openings compared to ordinary sleepers.Overall, this work validates the superior multi-scale performance of ECC and supportsa new performance framework focused on crack management rather than strength alone,offering fresh design perspectives for durable and resilient railway infrastructure.Keywords: Engineered Cementitious Composites (ECC); prestressed sleepers; triaxialcompression; Digital Image Correlation (DIC); micro-CT; strength criteria; statisticaldamage; crack control Electronic Thesis or Dissertation Text en PDF 334796567 https://theses.fr/2025ULILN038/abes Du Yunchang Du 1994-04-25 CN 296552720 https://theses.fr/2025ULILN038 2025ULILN038 https://doi.org/10.70675/2a72c247z1900z45f3za832zc46421d24da5 2025-12-17 Génie civil Université de Lille (2022-....) 259265152 Doctorat Docteur es non oui Burlion Nicolas MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_1 057618801 Vidal Thierry MADS_PRESIDENT_DU_JURY 079493173 Jing Guoqing MADS_MEMBRE_DU_JURY_1 296550256 Cazier Olivier MADS_MEMBRE_DU_JURY_2 231852134 Rougelot Thomas MADS_MEMBRE_DU_JURY_3 134291719 Jia Yun MADS_MEMBRE_DU_JURY_4 108458016 Rémond Sébastien MADS_RAPPORTEUR_1 050353616 Carré Hélène MADS_RAPPORTEUR_2 057483124 École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....) MADS_ECOLE_DOCTORALE_1 25860221X LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_1 223408220 China Scholarship Council (Chine) MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_2 202909514 ddc:620 Burlion Nicolas Vidal Thierry Jing Guoqing Cazier Olivier Rougelot Thomas Jia Yun Rémond Sébastien Carré Hélène École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....) LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle China Scholarship Council (Chine) PDF 334796567 confidentialité 2025-12-17 2027-12-06 confidentialité 2025-12-17 2027-12-06 confidentialité 2025-12-17 2027-12-06 confidentialité 2025-12-17 2027-12-06