• Langue : Anglais
• Discipline : Génie civil
• Identifiant : 2025ULILN038
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 17/12/2025

Résumé en langue originale

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

Résumé traduit

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