ИЗДЕЛИЯ И КОНСТРУКЦИИ В ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

З.1. Изделия с использованием древесины и промышленных отходов

Общеизвестно, что компоненты какого-либо материала проявляют свои свойства по-разному в отдельности, и находясь во взаимодействии.

Одним из главных и, в то же время, наиболее уязвимых с позиций эксплуатационных факторов элементов верхнего строения пути является железнодорожная шпала.

Как показывает статистика, в мировой практике строительства железных дорог наиболее распространенным материалом для них является древесина. Шпалы на ее основе составляют до восьмидесяти процентов от их общего числа, являясь в то же время наименее долговечными. Нормативные сроки службы деревянных шпал, пропитанных антисептиками, составляют тринадцать - девятнадцать лет, но в связи с интенсификацией грузопотоков и увеличением нагрузок и скоростей они снижаются до восьми - десяти лет.

На основе теоретических обобщений и экспериментальных исследований ранее были созданы эффективные древесноволокнистые композиционные материалы (ДСВКМ) на смоле ФАМ, а в настоящее время разрабатываются новые древесные полимер-песчаные КМ для изделий и элементов конструкций специального назначения, рекомендованных к применению на объектах промышленного и транспортного строительства, находящихся в особых условиях эксплуатации. Их техническая, социальная и экономическая эффективность определяется использованием в качестве компонентов продуктов глубокой переработки древесины, сельского хозяйства, промышленности и местного сырья, подтверждена эксплуатационными испытаниями [55, 56].

При строительстве промышленных и транспортных объектов специального назначения в изделиях и конструкциях достаточно широко применяются различные композиционные материалы (КМ), вид которых определяется реализуемыми технологическими процессами создаваемых производств и условиями их эксплуатации. К ним относятся: покрытия полов, фундаменты, корпуса аппаратов и емкостей, лотки и отстойники сточных технологических вод, шпалы верхнего строения железных дорог и метрополитенов, лесовозных и трамвайных путей, переезды, платформы, подверженные воздействию химически активных жидкостей, грунтовых вод, атмосферных осадков, переменных температур, что и предопределяет необходимость обеспечения особых свойств этих материалов, основными из которых являются коррозионная стойкость, долговечность и экологическая безопасность.

В транспортном строительстве в огромных количествах используются такие изделия, как, например, шпалы и подкладочные подрельсовые плиты, которые являются важнейшими элементами верхнего строения путей различного назначения: железнодорожных магистралей, метрополитенов, трамвайных, лесовозных узкой и широкой колеи, подъездных к производственным объектам, в том числе для перемещения большегрузной продукции металлургических цехов, руды, военной техники и т.п. Они изготавливаются из различных материалов, основным требованием к которым является долговечность под действием эксплуатационных факторов.

Стратегия развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 года предусматривает строительство новых железнодорожных путей общего и не общего пользования. Всего за счет федерального и региональных бюджетных средств, средств ОАО «РЖД», а также частных собственников с 2008 по 2030 г. планируется осуществить строительство 18694 км (увеличение на 10,08 %), включая увеличение протяженности новых путей на 4387 км до 2015 г. (увеличение на 5,1 %). Несмотря на то, что, по оценкам экспертов ОАО «РЖД», строительство новых железнодорожных путей будет осуществляться в основном с применением железобетонных шпал и брусьев, говорить о том, что данное строительство не влечет за собой значительный спрос на деревянные шпалы, было бы ошибочным.

Изначально, для производства железнодорожных шпал в качестве главного материала было выбрано дерево, поскольку это материал, доступный в промышленных масштабах и легко обрабатывается. Кроме того, шпалы, выполненные из древесины, имеют хорошие показатели сцепления с балластом из щебня и малую чувствительность к перепадам температур.

Деревянные шпалы (рис. 42) обладают такими достоинствами как: легкость обработки; упругость; относительно небольшой вес (около 80 кг); хорошие диэлектрические свойства; малая чувствительность к температурным колебаниям; отличное сцепление со щебеночным балластом.

Один из главных недостатков шпал деревянных то, что они подвержены гниению (в особенности в тех местах, где крепятся к рельсу).

Актуальность проблемы становится более заметной, если учесть, что для производства железнодорожных шпал из древесины, в основном, используется сосна (до 70 %), которая высокой устойчивостью к гниению не отличается, так же применяется древесина пихты, лиственницы (около 27 %) и еще реже - кедра, бука и березы.

Важнейшим свойством деревянных шпал является возможность увеличения рельсовой колеи в кривых, радиус которых менее 350-ти м.

Для увеличения срока службы деревянные шпалы пропитывают различными веществами, такими как каменноугольные масла, креозот, либо антисептиками ЖТК.

Деревянные железнодорожные шпалы

Рис. 42. Деревянные железнодорожные шпалы: а - обрезные; б - полуобрезные; в - необрезные; г - готовые пропитанные

В настоящее время в России пропитка осуществляется методом «вакуум- давление-вакуум», этот метод нормирован ГОСТ.

Для пропитки шпал производители используют комплекс оборудования: автоклавы, сушильные камеры, котлы-парообразователи и пр.

С 1998 года ведущие железнодорожные компании США Chicago Transit и Union Pacific Railroad начали испытания шпал [57], изготовленных из отходов полиэтилена низкого давления высокой плотности (ПЭНД-ВП) (рис. 43, а, б).

Шпалы на основе ПЭНД-ВП

Рис. 43. Шпалы на основе ПЭНД-ВП

С учетом высокого уровня гниения в областях с жарким и влажным климатом, срок жизни деревянных шпал колеблется от 5 до 15 лет, тогда как пластмассовые не гниют, не раскалываются, и их производители дают 50-летнюю гарантию эксплуатации. По сравнению с деревянными шпалами полимерные изделия гораздо более долговечны и экологически безопасны, так как не требуют обработки специальной нефтехимической пропиткой для защиты от насекомых и влаги, которая при попадании в железнодорожную насыпь приводит к отравлению почвы, а при высоких температурах выделяет ядовитые испарения.

Кроме того, композитный состав пластмассовых шпал не проводит электричество и не впитывает воду, а также помогает избежать преждевременной коррозии рельсов. Немаловажным достоинством применения полимерных шпал является возможность их повторной переработки и использования.

Все пластмассовые шпалы содержат, по крайней мере, 50 % вторичного ПЭНД-ВП.

В композитный состав шпал входят и другие вторичные пластмассы, а также стекловолокно, которое увеличивает прочность и долговечность этих железнодорожных изделий. Для рециклинга могут использоваться брикетированный полиэтилен, кинопленка, извлеченная из уличного мусора, смесь пластиковых бутылок, высококачественный жесткий пластик и даже ковровые покрытия, включая клееный подкладочный материал.

По оценке специалистов ПеТек, компании - изготовителя шпал из композитных материалов (пластмасс, рис. 44), они имеют ряд экологических преимуществ по сравнению с деревянными, подвергнутыми защитной обработке.

Независимо от изготовителей и химического состава первичным материалом для пластиковых шпал является годный к повторному использованию термопластик.

Путь на композитных шпалах компании Т1еТек

Рис. 44. Путь на композитных шпалах компании Т1еТек

Это сырье восстанавливается после употребления или промышленного использования таких изделий, как пластиковые бутылки, пакеты, детали автомобилей, игрушки, упаковка и т. п. Такой материал, повторно применяемый для изготовления шпал, можно получить, не используя нефтепродукты и не расходуя много энергии. Для изготовления традиционных деревянных шпал требуются взрослые деревья — ежегодно не менее 4 млн деревьев выпадают из лесных массивов, сокращая возможности последних поглощать углекислый газ. Пластиковые шпалы избавляют также от необходимости применения тысяч тонн химических веществ для защиты деревянных шпал.

Эффективность перехода на пластиковые шпалы можно подтвердить информацией, полученной от транспортной администрации Чикаго. Укладка в путь композитных шпал потребовала переработки 7,7 тыс. т изделий из пластмассы, но в то же время позволила сохранить 25 тыс. взрослых деревьев, избежать применения 453 т креозота и сократить на 12,7 тыс. т выбросы парниковых газов в пересчете на углекислый газ. Экологические результаты такого перехода сопоставимы с компенсацией негативного воздействия на окружающую среду поездок в легковых автомобилях на общее расстояние порядка 160 млн км.

Для большинства стало привычным, что шпалы изготавливаются из дерева, пропитанного особыми составами. Однако древесина постепенно вытесняется другими материалами, для производства которых применяются инновационные технологии.

Обрезиненная деревянная шпала (рис. 45) увеличивает срок эксплуатации изделия до 30 и более лет, против 4... 10 лет обычной деревянной шпалы.

Фрагмент обрезиненной деревянной шпалы

Рис. 45. Фрагмент обрезиненной деревянной шпалы

Кроме того, изделие становится более травмобезопасным при падении на шпалы людей. Резиновое покрытие смягчает удар и проявляет звукопоглощающие свойства. Особенно обрезиненные шпалы найдут применение при прокладке железных дорог в регионах вечной мерзлоты, где использование железобетонных шпал нецелесообразно [58].

Процесс изготовления обрезиненных железнодорожных шпал заключается в следующем: готовую деревянную шпалу укладывают в короб, обсыпают со всех сторон формовочной смесью, состоящей из резиновой крошки, получаемой в результате перемола бывших в употреблении автомобильных шин в резиновый порошок до фракции 2,5...4 мм, используемый, как наполнитель смеси. А в качестве связующего смеси используют полиуретановый клей в количестве 10..Л4 % от общего состава смеси. Затем, полученную смесь обжимают со всех сторон к деревянной шпале подвижными стенками ящика и помещают в зону нагрева до 120... 130 °С и проводят процесс полимеризации

15.. . 18 минут, после чего получают готовую обрезиненную шпалу.

Составная деревянная шпала изготавливается из массива прессованной древесины (рис. 46) плотностью 800 кг/м3, влажностью 10... 12 % и двух торцовых вставок, выполненных также из прессованной древесины плотностью

900.. . 1000 кг/м3, влажностью 10... 12 %, установленных в местах крепления стальной прокладки к шпале и содержащих кубовый остаток ректификации стирола в количестве 15... 17 % от массы сухой древесины.

Величина предела прочности при скалывании вдоль волокон древесины вставок не менее 20 МПа, величина сил разбухания поперек волокон не более 10 МПа. Высота вставки должна составлять не менее 30 мм, иначе при динамических нагрузках древесина вставки расслаивается по волокнам и разрушается из-за низкой жесткости конструкции. Изобретение позволяет увеличить долговечность шпалы. Прогнозируемый срок службы шпалы 50 лет [59].

Срок службы такой шпалы составит 30...35 лет в условиях эксплуатации в европейский странах, где нагрузки на ось меньше, чем в России.

Составная деревянная шпала

Рис. 46. Составная деревянная шпала: а - состоящая из массива шпалы из прессованной древесины и двух вставок, выполненных из прессованной древесины: 1 - массив шпалы; 2 - прессованная древесина; б - вид вставки, склеенной из четырех равных частей, содержащей кубовые остатки ректификации стирола

Срок службы шпал из древесины дуба и твердых пород равен 30 лет.

В условиях РФ срок службы таких шпал не превысит 25 лет, а в тяжело нагруженных путях (подъездные пути карьеров, шахт) 15 лет.

Техническая задача шпалы - увеличение долговечности, т.е. увеличение срока службы шпалы до 50 лет в условиях эксплуатации в РФ.

Известно, что наиболее износостойкой поверхностью древесины является торец или в направлении вдоль волокон. Соотношение истирания в направлениях: торец, параллельно волокнам: перпендикулярно волокнам равно: 1:3:9.

Следовательно, наличие вставки из прессованной древесины с рабочей торцовой поверхностью обеспечит ее износ под металлической подкладкой, в 3 раза меньший, чем у обычных шпал. Однако для выполнения этого условия необходимо, чтобы древесина вставок имела предел прочности при скалывании вдоль волокон не менее 20 МПа (прессованная древесина имеет предел прочности 12... 14 МПа). Для этого при получении прессованной древесины вставок в нее вводят кубовый остаток ректификации стирола в количестве

15.. . 17 % от массы сухой древесины, обеспечивающий величину предела прочности при скалывании вдоль волокон 24 МПа. Если содержание КОРС менее 15 %, величина предела прочности составляет менее 20 МПа, а увеличение содержания КОРС более 17 % снижает величину предела прочности при скалывании вдоль волокон, т.к. материал становится хрупким.

Другим важным фактором является величина сил разбухания прессованной древесины поперек волокон. Если силы разбухания превышают величину предела прочности при раскалывании прессованной древесины шпалы (8...9 МПа), то при разбухании древесины вставок после атмосферных осадков вставки разорвут шпалу пополам по всей длине. Величина сил разбухания прессованной древесины составляет 16... 18 МПа, а древесины, содержащей

15.. . 17 % кубовых остатков ректификации стирола, 4...5 МПа. Кубовый остаток ректификации стирола является единственным промышленным модификатором, сохраняющим прочность в эксплуатационных условиях не менее 50 лет, как видно из таблицы 5.

Деревобетонная шпала (рис. 47) для стационарных железнодорожных путей состоит из древесины и бетона.

Деревобетонная шпала

Рис. 47. Деревобетонная шпала

В бетон вставлен круглый деревянный стержень к деревянному стержню прикреплены две деревянные вставки, выходящие на верхнюю постель шпалы для крепления на них прокладок рельсов. Вдоль продольной оси деревянного стержня по всей его длине нарезаны прямоугольные канавки глубиной и шириной 0,1 диаметра стержня. Соотношение в шпале бетона и дерева в зависимости от типа шпалы по геометрическим размерам распределено поровну [60].

Деревобетонная шпала укладывается в железнодорожный путь по стандартной технологии укладки шпал на балласт железнодорожного пути.

Реализация деревобетонной шпалы позволит резко сократить объемы потребления крупномерной древесины, которая сейчас расходуется на изготовление цельнобрусковых шпал, а также сократить расход дорогостоящего металла, который сейчас требуется для изготовления железобетонных шпал. Деревобетонная шпала значительно легче, удобна в эксплуатации, имеет стандартную жесткость, хорошо гасит динамические удары колесных пар подвижного состава, долговечна, позволяет утилизировать мелкомерную древесину, не пользующуюся спросом на рынках.

Деревометаллическая шпала укладывается в железнодорожный путь по стандартной технологии укладки шпал на балласт железнодорожного пути и с подбивкой балласта только под круглые цилиндрические деревянные бруски [61].

Реализация деревометаллической шпалы позволит резко сократить объемы потребления крупномерной древесины, которая сейчас расходуется на изготовление цельнобрусковых шпал, улучшить состояние балластного слоя железнодорожного пути, уменьшить затраты на подбивку балласта под шпалы, улучшить экономические показатели эксплуатации железнодорожного пути, продлить сроки эксплуатации шпал, позволит утилизировать кряжи небольшой длины до 0,5 м на готовую продукцию.

Составная деревянная шпала с эластичным резервуаром. Техникоэкономические преимущества заключаются в сокращении эксплуатационных затрат на пропитку шпал, ликвидации дорогостоящих капиталоемких шпалопропиточных заводов.

Шпалы на основе ячеистого каркаса выполнены в виде полимерной пространственной ячеистой сотовидной конструкции, в которой подрельсовый участок выполнен монолитным, по крайней мере, из одного полимерного материала. Ячеистая сотовидная конструкция и, по крайней мере, часть подрельсового участка шпалы выполнены из одного полимерного материала или из разных полимерных материалов [62].

Подрельсовый участок шпалы выполнен из полимерных материалов с разными показателями упругости, причем менее упругий нижний слой полимерного материала жестко связан с ячеистой сотовидной конструкцией.

Сшитый полимер, в частности сшитый полиэтилен, обладает высокой усталостной прочностью, стабильностью формы, трещиностойкостью, высокой ударопрочностью и ударной вязкостью даже при низкой температуре, высокой износостойкостью на истирание, устойчивостью к коррозии. Композиционный материал, например, стеклопластик со связующим в виде термореактивной синтетической смолы (например, эпоксидной смолы) не подвержен коррозии и гниению, стоек к действию агрессивных сред, обладает прочностью на уровне высококачественных конструкционных сталей и высокой усталостной прочностью, имеет хорошие диэлектрические свойства. Использование перечисленных полимерных материалов позволяет создать шпалу, удовлетворяющую требованиям диэлектрич- ности, прочности, износостойкости и долговечности в условиях переменных силовых и природно-климатических воздействий. Исходя из класса пути выбирается и материал: в пути с малой и средней грузонапряженностью шпала может быть выполнена из сшитого полиэтилена; в пути с высокой грузонапряженностью шпала может быть выполнена из полимерного композиционного материала.

Отсутствие металлической арматуры и выполнение подрельсового участка шпалы монолитным позволяет улучшить упругие свойства шпалы, обеспечить надежное восприятие сил, действующих со стороны подошвы рельса, и равномерное их распределение по основанию пути, предохраняя его тем самым от преждевременного разрушения. Кроме того, монолитность подрельсового участка делает сотовидную конструкцию шпалы более жесткой и устойчивой к действующим нагрузкам, что позволяет использовать данную шпалу без заполнения ячеек конструкции, например, на мостах и эстакадах, то есть на сооружениях, для которых большое значение имеет вес устанавливаемых конструкций, в том числе и вес шпал.

Ячейки сотовидной конструкции могут быть заполнены полимером (например, полиэтиленом), грунтом или любым бетоном, в том числе пескобето- ном, грунтобетоном. Небольшой расход полимерного материала (по сравнению с прототипом) позволяет снизить стоимость шпалы. Благодаря небольшому размеру ячеек трещины (в бетоне), возникшие при неблагоприятных условиях, имеют малую протяженность, и разупрочнение бетона происходит на небольшом участке, соизмеримом с площадью ячейки, что практически не влияет на прочностные свойства шпалы в целом. Кроме того, наличие заполненных ячеек создает множество границ раздела сред (материал ячеистой конструкции - заполнитель ячеек), что усиливает гашение колебаний.

Каждый из известных типов шпал имеет ряд преимуществ и недостатков. Так, деревянные шпалы благодаря своей естественной упругости могут выдерживать высокие осевые нагрузки (до 130 т), не требуют особых режимов подбивки. При этом деревянные шпалы требуют тщательной подготовки балласта верхнего строения пути (подрельсовые и подшпальные прокладки и т.п.), сами шпалы должны быть предварительно пропитаны креозотом, в ходе эксплуатации требуется заделка костыльных отверстий и обработка затесанных поверхностей защитными средствами. Железобетонные шпалы предназначены для использования в тяжелых условиях эксплуатации и высоких требованиях к безопасности движения, недостатки железобетонных шпал состоят в низкой упругости шпал, требованиях к режимам подбивки и т.п. Стальные шпалы предназначены для использования на стрелочных переводах, сортировочных станциях, горных участках и т.п., недостатком стальных шпал является высокая стоимость, в том числе высокая стоимость эксплуатации.

Избежать недостатков, возникающих при эксплуатации перечисленных выше деревянных, железобетонных и стальных шпал, возможно при использовании композитных пластиковых и структурно-композитных шпал. Композитные пластиковые и структурно-композитные шпалы имеют большой, (порядка 60 лет), расчетный срок службы (не повреждаются насекомыми, токсичными веществами и т.п.), безвредны для окружающей среды, могут подвергаться вторичной переработке.

Сделанный анализ свойств материалов шпал и их конструкций, применяемых в РФ и за рубежом, выявил их серьезные недостатки и позволил предложить в качестве альтернативного, разработанный Т.Н. Стородубцевой под руководством В.И. Харчевникова, древесностекловолокнистый композиционный материал [63]. При этом принимали во внимание такие его свойства, как коррозионная стойкость, диэлектричность, потенциальная долговечность и недефицитность компонентов. Так, фурфурол - основной компонент смолы ФАМ, которая является связующим в древесном стекловолокнистом КМ, - может быть получен из отходов сельского хозяйства, лесной и деревообрабатывающей промышленности на предприятиях лесохимических комплексов. В качестве армирующих заполнителей применены древесная щепа различных размеров, необработанные доски из вершинных срезов хлыстов, горбылей и стек- лосетка. Материал позволяет применить новый, простой и надежный, способ прикрепления рельсов к шпалам. Однако, результаты первых эксплуатационных испытаний показали, что в ряде случаев под действием атмосферных осадков на поверхности шпал из древесного стекловолокнистого композиционного материала появлялись микротрещины, одной из причин возникновения которых могло быть давление стесненного набухания высушенного древесного заполнителя. Появлялись они и во время технологического прогрева отливок шпал, и под влиянием других физических факторов.

В результате анализа работ, посвященных вопросам конструкции железнодорожного пути и его взаимодействия с подвижным составом, а также исследованиям работоспособности деревянных шпал, сделан вывод о том, что основными причинами небольшого срока их службы и, следовательно, дефицита является механический износ и гниение, особенно в узлах прикрепления рельсов к шпалам.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >