1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 . ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ.
Исторически слово «шпала» появилось в лексиконе задолго до появления первых железных дорог. Этот термин пришел к нам от голландского слова «spalk» - подпорка и с появлением железных дорог стал использоваться для обозначения опоры для рельсов.
Словарь Владимира Даля уточняет: «Поперечный лежень, подкладка, подушка». А в «Словаре русского языка» Сергея Ожегова говорится, что шпалы – это «массивные поперечные деревянные или железобетонные брусья, на которых укладываются рельсы». Современный «Словарь русского языка» дополняет: «Деревянный, металлический или железобетонный брус, укладываемый поперек железнодорожного полотна как опора для рельсов».
Идея колейной дороги возникает при взгляде на борозды, оставляемые на земле колесами. Уже в Древнем Египте делали искусственные колеи в виде выбоин в камне для более простого и плавного движения колесниц и повозок с грузами.
Известно, что еще в XIV веке на немецких рудниках вагонетки стали передвигать по специальным брусьям – лежням. Впоследствии схожие технологии применялись во многих странах мира, в том числе в России. В середине XVII века, неизвестный русский крепостной, работавший на уральских рудниках, сделал один из наиболее реальных прототипов железной дороги. Впрочем, в то время ее стоило назвать деревянной. Это были лежни-жерди, прикрепленные к распиленным на части стволам.
До середины восемнадцатого века для перевозки грузов в России использовался водный и гужевой (перевозка грузов с использованием тягловой силы животных) транспорт. Вся страна была испещрена водными каналами, особое значение имела Волга, которая связывала наиболее развитые и заселенные районы России. Внешние торговые связи проходили через морской путь.
Но уже в 1755 году впервые на рудниках в Алтае для перевозки горной породы стали использовать прототип современного железнодорожного полотна – это был узкоколейный путь с деревянными рельсами, по которым передвигались деревянные вагонетки. В движение их приводила тягловая сила лошадей, которые вращали шкив, наматывая тросовую петлю, прикрепленную к вагонеткам.
Однако деревянная дорога быстро изнашивалась. Сначала ее детали пробовали просто укреплять металлом. А в 1788 году на территории Александровского завода в Петрозаводске была построена, как считают многие специалисты, первая в мире действительно железная дорога в виде чугунной колеи. Но если рельсом ключевой ее элемент можно назвать с некоторой натяжкой, то основанием здесь служили вполне узнаваемые шпалы.
В начале XIX века на Алтае на рудниках Колывано-Воскресенских заводов был создан конно-чугунный путь с выпуклыми рельсами. Причем здесь были также и другие основные элементы верхнего строения пути: балласт, шпалы, крепления. В 1834 году на Урале была построена первая в России железная дорога с паровой тягой. Авторы ее всем известны – это механик Нижнетагильского завода Ефим Черепанов и его сын Мирон. Созданная ими линия соединила рудник с медеплавильным заводом у горы Высокой. Чугунные рельсы закреплялись в чугунных же подушках, установленных на деревянных поперечинах.
В 1877 году французский садовник Жозеф Монье предположил, что бетон, армированный сталью, можно использовать для изготовления шпал для железнодорожных путей. Монье получил патент, но дальнейшего успеха не имел. Бетонные шпалы были впервые использованы в 1884 году для движения трамвая. Первое использование бетонных шпал на магистральных железных дорогах было осуществлено в Америке в 1896 году. Конструкции получили дальнейшее развитие, и на рубеже 20-го века железные дороги Австрии и Италии использовали первые бетонные шпалы. За этим последовали и другие европейские железные дороги. Большого прогресса не удалось достичь до Второй мировой войны, когда древесины, используемой для шпал, было мало из-за конкуренции со стороны других применений, таких как шахты. После исследований, проведенных на французских и других европейских железных дорогах, была разработана современная предварительно напряженная бетонная шпала. Также устанавливались более тяжелые рельсовые секции и длинные сварные рельсы, что требовало шпалы более высокого качества. Эти условия стимулировали разработку бетонных шпал во Франции, Германии и Великобритании, где технология была усовершенствована.
Вжелезнодорожном путишпалы обычно укладываются на балластный слойверхнего строения пути и обеспечивают неизменность взаимного расположения рельсовых нитей, воспринимают давление непосредственно от рельсов или от промежуточных скреплений и передают его на подшпальное основание (обычно — балластный слой, в метрополитене— бетонное основание).
1.2. ВИДЫ ШПАЛ, ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ
Различают следующие основные виды шпал в зависимости от материала:
Деревянные шпалы.
Выбор материала для изготовления самых первых железнодорожных шпал пал на древесину, и это было сделано неспроста. Дерево - легкообрабатываемый материал, который всегда доступен в широких промышленных масштабах.
Порода древесиныдля шпал может быть разная (например,красный клёнилиэвкалипт), в некоторых странах предпочитаютдуб, а в некоторых, в силу экономических причин, древесину хвойных пород, преимущественнососну, хотя такие шпалы более подвержены износу. Для предотвращения гниения шпалы пропитывают антисептиками, чаще всегокреозотом.
Деревянные шпалы обладают многими достоинствами: быстрой окупаемостью, упругостью, лёгкостью обработки, высокими диэлектрическими свойствами, хорошим сцеплением с щебёночным балластом, малой чувствительностью к колебаниям температуры.
Деревянные шпалы не имеют ограничений по регионам, их укладывают на недавно построенные железнодорожные пути с нестабилизированным земляным полотном и вечномёрзлым основанием, а также на направлениях следования тяжелых грузов. Только деревянные шпалы применяются на крутых кривых с радиусом больше 350 м. В России выпускают и деревянные шпалы длинной 280, 275, и 300 сантиметров. Термин, обозначающий количество шпал на 1 км железнодорожного пути, называют «эпюрой укладки шпал». Его значение в различных странах колеблется от 1000 до 2 200 шпал. Для России общий стандарт значений составляет 1840, 2000, 1600 либо 1440 шпал/км. Стандартная для дорог эпюра - 1840 шт./километр (46 шпал на 25 метров).Данные размеры шпал устанавливаются для древесины с влажностью не более 22 %. Если влажность высокая, шпалы делают с припусками по толщине и ширине балки хвойных пород по ГОСТ 6782.1, а для лиственных пород - по ГОСТ 6782.2.Выбор пород древесины для изготовления шпал весьма разнообразен, для этих целей используются твердые хвойные и лиственные породы деревьев. В России шпалы чаще всего изготавливают из сосны, ели, кедра и пихты, реже из березы, бука, ольхи, осины и лиственницы, в Америке и Европе деревянные шпалы предпочитают делать из клена, дуба и эвкалипта.
Срок службы деревянных шпал (в зависимости от типа древесины, внешних условий и интенсивности эксплуатации) составляет от 7 до 40 лет.
Причиной быстрого износа могут послужить климатические условия, влажный климат с большим количеством осадков провоцирует гниение и разрыхление древесины, особенно страдает от внешних воздействий сосна и ель. Для того, чтобы продлить срок эксплуатации деревянных шпал, предотвратить гниение и уменьшить износ, их подвергают специальной обработке - пропитывают антисептиками и каменноугольными маслами с последующей просушкой древесины.
Шпалы из дерева подвергаются гниению и срок их эксплуатации уменьшается
Деревянные шпалы изготавливают по ГОСТ Р 58615-2019 «Шпалы деревянные для железных дорог широкой колеи. Технические условия».
?
Железобетонные шпалы.
С1970-хгодов в СССР приобрели популярность шпалы из напряжённогожелезобетона, особенно удачным их использование оказалось набесстыковом пути.
Железобетонные шпалы представляют собой железобетонные балки переменного сечения. На таких балках имеются площадки для установки рельсов, а также отверстия под болты рельсошпального скрепления (при забивании в отверстия деревянных пробок используются такжекостыльныеишурупныесоединения). Железобетонные шпалы изготавливаются спредварительным натяжением арматуры.
При работе с железобетонными шпалами предъявляют следующие требования к их технологии производства:
• приготовление бетонного раствора требует однородной консистенции;
• для нужной передачи силы напряжения материал должен обладать соответствующей прочностью;
• изготавливая изделия, придерживаются точных размеров, форм, которые важны для железобетонных шпал в местах соединения с рельсами.
Шпалы в зависимости от типа рельсового скрепления подразделяют на:
- тип I для раздельного рельсового скрепления с резьбовым прикреплением рельса и подкладки к шпале;
- тип II для нераздельного анкерного рельсового скрепления с безрезьбовым прикреплением рельса к шпале;
- тип III для нераздельного рельсового скрепления с резьбовым прикреплением рельса к шпале.
Современная железобетонная шпала – цельнобрусковая из предварительно напряженного железобетона (бетон класса по прочности на сжатие В40, по морозостойкости F200), армированная высокопрочной проволокой периодического профиля класса Вр диаметром 3 мм. Номинальное число проволок в шпале 44, каждая из них натягивается усилием 8.1 кН.
При формовании шпале придана форма, улучшающая ее работу под поездной нагрузкой.
Наибольшие прогибы и давления на балласт имеют место у торцов железобетонных шпал. Для компенсации этого неблагоприятного для балласта и шпал обстоятельства ширина подошвы уменьшена в средней части шпал (250мм) и увеличена у торцов (300мм).
Поперечное сечение шпалы имеет трапецеидальное очертание, благодаря чему снижается давление на балласт и увеличивается сопротивление пути сдвигу.
Кроме того, в подрельсовых зонах устраивают углубления (по 25 мм) с наклоном (1:20) для обеспечения подуклонки рельсов, а также передачи поперечных горизонтальных сил на бетон.
В продольном сечении шпала состоит из двух более крупных по размерам подрельсовых частей и более низкой и узкой средней части. Предварительно напряженная арматура максимально смещена в сторону растянутой под поездной нагрузкой поверхности шпалы (в подрельсовом сечении – нижней, в середине шпалы – верхней), благодаря чему достигается максимальное обжатие бетона в растянутых зонах, а следовательно увеличивается трещиностойкость шпал.
Преимущества железобетонных шпал:
• продолжительный срок эксплуатации (от 40 до 50 лет);
• не поддаются коррозии;
• устойчивость рельс;
• однородность ж/д пути.
Недостатки железобетонных шпал:
• повышенная электропроводность;
• чувствительность к ударам (в частности в местах стыков);
• жесткость пути, что приводит к более быстрому износу рельс в местах стыков;
• значительная масса шпалы (в среднем 270 кг/шт.);
• восприимчивость к перепаду температур;
• высокая стоимость.
Использование бетонными шпалами затрудняет сложность монтажа и высокий вес готового изделия, чувствительность к ударам
Железобетонные шпалы изготавливают по ГОСТ 33320-2015 «Шпалы железобетонные для железных дорог. Общие технические условия».
Стальные шпалы.
Стальные шпалы из гнутого стального профиля, являются относительно лёгкими по весу. Такие шпалы иногда используются для временных подъездных путей, ветках промышленных предприятий. Их преимущество в том, что они не подвержены гниению и атакам насекомых, хорошо сохраняютширину колеи, но при этом большим недостатком является то, что они подвержены коррозии.
Стальные шпалы используются нажелезных дорогах Марокко,Алжира. Как известно, в этих странах очень сухой климат (даже на побережьях) [39].
Металлические шпалы применяются также в доменном и сталеплавильном производстве на тех участках, где из-за высоких температур деревянные шпалы горят, а в железобетонных шпалах происходит расслоение бетона. Кроме того, металлические шпалы позволяют устраивать верхнее строение пути при повышенных нагрузках на ось подвижного состава — до 60 тонн (нагрузки на ось подвижного состава РЖД до 25 т).
В России стальные шпалы на железнодорожной сети общего пользования применены только на некоторых участках Калининградской железной дороги.
Металлические шпалы не получили распространения в нашей стране из-за значительного расхода металла, высокой электропроводности, большой жесткости, подверженности коррозии и значительного шума при движении поездов.
Композитные шпалы.
С1990-хгодов на некоторых скоростных железных дорогахЯпонииначали укладыватьпластиковыешпалы.
В 2019 году при строительстве одной из веток Московского метрополитена вместо деревянных шпал начали использовать композитные. Шпалы из переработанного пластика служат более полувека, они устойчивее к повреждениям и не проводят электрический ток. Композитные шпалы позволяют снизить уровень шума и уменьшить вибрации при движении поезда, что помогает защитить железнодорожные пути от влияния вибрации и сократить объем ремонта.
Композитные шпалы практически не требуют технического обслуживания и более рациональны с экологической точки зрения
Преимущества композитных шпал:
• Продолжительный срок службы. Железнодорожные шпалы из переработанного пластика имеют срок службы более 50-ти лет и позволяют значительно сократить финансовые и кадровые затраты на их обслуживание. Уникальная технология производства позволяет устанавливать гарантийный срок эксплуатации композитной железнодорожной шпалы в течение 10-ти лет;
• Хорошо подходят для влажных климатических зон. По сравнению с деревянными шпалами композитные железнодорожные шпалы имеют до 4 раз больший срок службы в климатических зонах с высокой влажностью и высокими температурами;
• Устойчивость к агрессивным средам (воздействие соли, бензина и масла и пр.);
• Являются электроизолирующим материалом;
• Снижают шум и вибрацию при движении поездов;
• Выдерживают как высокие, так и низкие температуры без изменения характеристик.
Композитные шпалы сочетают в себе преимущества железобетонных и деревянных шпал.
Недостатки композитных шпал:
• Низкие показатели прочности и жесткости по сравнению с деревянными шпалами;
• Высокая стоимость композитных шпал;
• Низкая удерживающая способность.
Высокие затраты на техническое обслуживание и экологические проблемы, связанные с использованием деревянных, бетонных и стальных шпал, побудили исследователей, инженеров и конечных пользователей задуматься о продукции из альтернативных материалов, например, полимерных композитов. В последнее время в разных частях света было разработано несколько конструкций, и хотя их внедрение пока идет не так стремительно, как хотелось бы, потенциал для их применения достаточно высок. Конструкторы и технологи совместно с производителями сырья и материалов продолжают работать над устранением барьеров, тормозящих массовое применение этих новых изделий, что при грамотном подходе к реализации данной задачи обязательно принесет свои плоды.
1.3. Область применения и преимущества каутонов и фиброкаутонов.
По комплексу физико-механических показателей каутоны среди существующих различных видов полимербетонов являются наиболее предпочтительными. Они могут стать основными коррозионностойкими конструкционными материалами и занять приоритетное место в общей структуре производства строительной продукции для предприятий, эксплуатирующийся с постоянным или временным воздействием на его конструкции агрессивных сред (предприятия химического производства, сельского хозяйства и т.д.).
Разработки конструкционных бетонов на основе жидких каучуков (каутонов) впервые были начаты в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете под руководством проф. Потапова Ю.Б.
Первые исследования каутонов проводил Чернышов М.Е. на составах, в которых в качестве связующего был использован отечественный стереорегулярный полибутадиеновый каучук марки СКДН-Н. В ходе исследований запроектировано количественное содержание компонентов вулканизирующей системы для матрицы композиционного материала, найдено оптимальное содержание вулканизатора, ускорителя и активатора.
Дальнейшие исследования каутона на основе каучука марки СКДН-Н в своих работах производили Борисов Ю.М. и Макарова Т.В. В них определено влияние наполнителей различной природы, в том числе техногенных отходов, на структуру и свойства каутона. В качестве наполнителей применяли: золу-унос ТЭЦ, бой кинескопного стекла, молотый кварцевый песок, андезитовую муку, молотый гранитный щебень, туф вулканический, пиритные огарки, фосфогипс, каолин.
При решении задач расширения ассортимента низкомолекулярных каучуков, применяемых при производстве высокопрочных и химически стойких изделий и конструкций, Борисов Ю.М. разработал и исследовал эффективные композиты на основе полибутадиенового олигомера смешанной микроструктуры марки ПБН.
Для повышения эффективности каутонов необходимо было увеличить их сопротивление разрушению и, прежде всего, трещиностойкость. Одним из методов повышения трещиностойкости композиционных материалов является дисперсное армирование их структуры, представленное в работе Панфилова Д.В. [3].
В настоящее время накоплен значительный зарубежный и отечественный опыт в области дисперсного армирования бетонов. А возросший за последнее время интерес к дисперсному армированию бетонов для изготовления строительных конструкций является неслучайным. Он объясняется прежде всего тем, что современному строительству необходимы эффективные материалы с высокой прочностью, трещиностойкостью. Известно, что чаще стали возводиться уникальные сооружения, здания и отдельные конструкции, к которым предъявляются более жесткие эксплуатационные требования: высокий уровень безопасности и долговечности. Это способствовало более широкому применению и развитию фибробетона во многих развитых в техническом отношении странах Япония, США, Норвегия, ФРГ, Франция, Великобритания, КНР, Канада, Индия, Австралия и др.
Дисперсно-армированные бетоны, как часть класса композиционных материалов, можно классифицировать по нескольким признакам: по виду вяжущего и армирующих элементов, по ориентации волокон, по методам изготовления и др. Наиболее общая классификация дисперсно-армированных бетонов предложена Ф.Н. Рабиновичем. В эту классификацию можно вписать и дисперсно армированные каутоны, расширив разновидность бетонов по виду вяжущих.
Использование дисперсного армирования строительных материалов началось задолго до наших дней: использование соломы при производстве кирпичей, армирование глиняных свай асбестом около 2500 лет до н. э. В недавние времена для армирования гипса применяли шерсть животных. В начале прошлого века в цементные системы стали вводить стальные волокна. Сейчас признаны преимущества включения в цементные матрицы органических и неорганических волокон. В последние годы интенсивные исследования привели к совершенствованию композитов и технологии их получения. Применяются новые волокна, такие как стекло, полипропилен, углеродные волокна и т.д. Получены более основательные знания о свойствах цементных систем, содержащих волокна; разработаны структурные модели дисперсно-армированных композитов.
Фибробетон нашел свое применение за рубежом в конструкциях перегонных тоннелей в г. Осло (Норвегия); крепях гидротехнического тоннеля диаметром 2,34 м в г. Карсингтоне (Великобритания); тоннеле Хегтура и газопроводных тоннелях под дном Северного моря (Норвегия); железнодорожных тоннелях в Канаде; коллекторных тоннелях метрополитена в г. Гамбурге (ФРГ) и г. Лионе (Франция); автодорожном тоннеле протяженностью 8,63 км на глубине до 1000 м на дороге Энасан - 2 (Япония); для монолитных полов промышленных зданий, покрытий в аэропортах, территорий и дорог с тяжелыми транспортными нагрузками и при выполнении восстановительных работ – при ремонте Тартальской плотины было использовано 2,5 тыс. м3 сталефибробетона, а при возведении стен линейного ускорителя SLAC Стенфордского университета - 1,4 тыс. м3 (США), применения его в Японии: уже в восьмидесятых годах количество использованной в этой стране стальной фибры достигло 3000 т, из которых 2500 т было изготовлено из углеродистой и около 500 т из нержавеющей стали. Этому способствовала разработка в 1980 году Японской ассоциацией тоннелестроения руководства по проектированию и изготовлению бетона, армированного стальными волокнами.
В это же время Японским институтом бетона был разработан ряд методов по испытанию фибробетонов, что позволило бетоны, армированные стальными волокнами, интенсивно применять для отделки тоннелей и крупных подземных сооружений: в частности, при восстановлении тоннеля Инатори, поврежденного землетрясением и тоннеле Ннхонцака, который пострадал от пожара. Известен также опыт облицовки сталефиброторкретбетонного подземного помещения машинного зала высотой 51, шириной 33,5 и длиной 169 м крупнейшей в мире гидроэлектростанции Имайчи (мощностью 1,05 млн. кВт).
В отличие от зарубежной фибробетон в отечественной практике строительства применяется в основном для сборных конструкций.
Над созданием дисперсно-армированных бетонов, полимербетонов и конструкций на их основе, а также теорией их расчета и проектирования в нашей стране работали: А.А. Гвоздев, Ю.М. Баженов, Г.И. Бердичевский, В.Н. Байков, О. Я. Берг, В.М. Бондаренко, И.В. Волков, Ю.В. Зайцев, Б.А. Крылов, Л.Г. Курбатов, Э.Б. Колбаско, И.А. Лобанов, К.В. Михайлов, Р.Л. Маилян, Л.Р.Маилян, Л А. Малинина, В.Б. Ратинов, Ф.Н. Рабинович, Б.Г. Скрамтаев, Т.К. Хайдуков, М.М. Холмянский, Ф.И. Янкелевич, В.И. Харчевников и другие. За рубежом в этой области занимались: А.Келли, Г.С. Холлистер, Дж. Эджингтон и др.
На данный период времени исследования проведенные НИИЖБ, ЛенЗНИИЭП, ЦНИИпромзданий и другими организациями позволили наиболее полно изучить и практически использовать сталефибробетоны . Подготовлена необходимая для массового внедрения нормативная база по технологии приготовления, расчету и проектированию таких бетонов. Так, в частности в 1987 году НИИЖБ совместно с рядом организаций разработаны "Рекомендации по проектированию и изготовлению сталефибробетонных конструкций'' – первый общесоюзный документ, регламентирующий требования к фибробетонам, имеются также специальные рекомендации и для монолитного сталефибробетона . Это позволило в опытном порядке внедрить сваи, лотки, кольца смотровых колодцев, плиты дорожных покрытий, ребристые и складчатые панели покрытий, днища резервуаров и дорожные покрытия .
ЦНИИпромзданий в рамках государственной научно-технической программы (ГНТП РФ) разрабатывает каталог номенклатуры композиционных материалов, технологий для их производства и конструкций из бетона, армированного высокопрочными волокнами (на основе стеклофибробетона, базальтофибробетона и сталефибробетона) для маний и сооружений промышленного, гражданского, жилищного и сельскохозянственного назначения.
В периодической обзорной информации о мировом уровне развития строительной науки и техники, посвященной фибробетонам, изложены технические преимущества таких бетонов по сравнению с традиционными. В частности, фибробетоны с различными видами дисперсной арматуры имеют:
- повышенную трещиностойкость, ударную вязкость, износо- морозо- и огнестойкость, сопротивление термомеханическим воздействиям;
- возможность использования более эффективных конструктивных решений в монолитных (и сборных) конструкциях и сооружениях, в первую очередь, тонкостенных в виде оболочек, складок, ребристых плитах покрытиях и перекрытиях, монолитных днищах емкостных сооружений, дорожных и аэродромных покрытиях;
- возможность успешного применения в конструкциях без стержневой или сетчатой распределительной и поперечной арматуры, а также в сборных железобетонных изделиях со стержневой растянутой арматурой, не доводящейся до опоры.
Область применения фибробетонов определяется технико-экономической эффективностью, которое обусловливается наиболее полным использованием положительных свойств фибробетона по сравнению с обычным бетоном, а также бетоном, армированным стальной арматурой: возможности механизированного и автоматизированного заводского изготовления, удобства транспортирования и монтажа конструкций. Необходимо также учитывать специфические свойства дисперсно-армированных бетонов. Например, стеклофибробетон радиопрозрачен и неподвержен зарастанию водорослями в водоемах.
Отечественный и зарубежный опыт, полученный в области исследования и использования стеклофибробетона, позволил определить номенклатуру экономически выгодных конструкций из него. Наиболее эффективными являются тонкостенные конструкции: безрулонные панели покрытий, ребристые панели покрытий и перекрытий, элементы несъемной опалубки, элементы подземных коммуникаций, стеновые панели и перегородки, плиты полов, монолитные оболочки, элементы ограждений лоджий, балконов и архитектурной отделки фасадов, элементов гидротехнических сооружений.
1.4. Цель и задачи исследований
На основании выполненного выше анализа литературных данных, существующих исследований полимербетонных элементов, поставлена цель и определены следующие задачи исследований, которые приведены во введении настоящей работы.
1.5. Выводы
