АРМОБЕТОННАЯ ШПАЛА С КОМПОЗИТНЫМИ АРМИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Полезная модель относится к конструкции армобетонных железнодорожных шпал с преднапряженной композитной арматурой, которые могут быть использованы при строительстве железнодорожных путей, в том числе для высокоскоростных магистралей и метрополитена.
В настоящее время преимущественно используются железобетонные шпалы с металлической арматурой (проволочной или стержневой). Так, в частности, ГОСТ Ρ 54747-2011 рекомендует в качестве арматуры использовать стальную холоднодеформируемую гладкую (диаметром 3 мм) или периодического профиля арматуру (диаметром от 8 до 10 мм).
Струнопакет гладкой проволочной арматуры содержит 44 элемента, а арматура периодического профиля содержит от 4 до 6 стержней.
При этом арматура размещается внутри тела шпалы, поэтому незначительное трещинообразование в бетоне не приводит к ее коррозии.
Оптимальным является размещение арматуры на периферийных участках сечения шпалы, т.к. шпала работает на изгиб как балка. При этом арматура в этой балке работает на растяжение.
Однако расположить таким образом металлическую (стальную) арматуру не представляется возможным, т.к. оголение арматуры на периферийных участках сечения вследствие трещенообразования в бетоне приводит к коррозии арматуры.
Железобетонные шпалы имеют ряд существенных недостатков, которые обусловлены физико-химическими и механическими свойствами железобетона: ограниченная коррозионная стойкость, а также жесткость, которая приводит к разрушению ходовой части подвижного состава. Это обусловлено высоким модулем упругости металла, и вибрация распространяется по всему телу шпалы, вызывая растрескивание бетона.
Кроме того, проходящие составы, особенно на электрифицированных участках железнодорожной магистрали, за счет электромагнитной индукции вызывают блуждающие токи в металлической арматуре шпалы, которые приводят к ее электрохимической коррозии, что снижает срок службы железобетонных шпал.
К тому же возможное соединение рельсов через металлическую арматуру вызывает ложное срабатывание нахождения подвижного состава на отрезке пути, что недопустимо при автоматическом управлении движением железнодорожных составов (см. статью Стародубцева Т.Н., Федянина Н.В., «Композиционный материал на основе отходов лесного комплекса для железнодорожных шпал», ж. «Современные наукоемкие технологии», №5, 2011, стр. 49-52).
Тем не менее, в настоящее время с применением металлической арматуры только в России изготавливается 8 млн. шпал ежегодно, основная часть которых идет на плановую замену шпал, отработавших свой срок (ориентировочно 5 лет) на высоконагруженных магистралях.
В качестве примеров использования металлической арматуры в железобетонной шпале можно привести технические решения по патентам: патент РФ №132452 на полезную модель, E01B 3/00, опубл. 27.05.2013; патент РФ №92675, E04C 5/08, опубл. 27.03.2010; патент КНР №201053091 на полезную модель, E01B 2/00, опубл. 30.04.2008; патент КНР №201817749 на полезную модель, E01B 3/00, опубл. 04.05.2011; заявка Германии №3832505, E01B 3/34 опубл. 29.03.1990, патент США 7566208, E01C 11/04, опубл. 07.07.2009; заявка EP №0687772, E01B 3/34, опубл. 20.12.1995, патент EP №0624697, E01B 3/34, опубл. 17.11.1994.
Композитная арматура лишена отмеченных выше недостатков:
- имеет меньший модуль упругости, т.е. гасит вибрацию;
- она не подвержена электрохимической коррозии;
- не проводит электричество, т.к. является изолятором.
Примерами использования стержней из композитного материала в качестве арматуры для железнодорожных шпал служат следующие патенты: заявка Японии №2008156983, E01B 3/34, опубл. 10.07.2008 (армирующие элементы шпалы выполнены из углеродного волокна). Патент РФ №132452 на полезную модель, E01B 3/00, опубл. 27.08.2010 (армирующие элементы выполнены из композитного материала, в частности, базальтопластика).
В обоих случаях армирование производится без преднапряжения. Поэтому полученные изделия не смогут выдержать повышенных нагрузок, приходящихся на шпалы.
В качестве прототипа выбран патент ФРГ №3728304, E01B 3/00, опубл. 16.03.1989, в котором удлиненные армирующие элементы в бетонной шпале выполнены из электроизоляционного материала, например, пучков стекловолокна или углеволокна, покрытых эпоксидной смолой в полимерной матрице. Предварительно армирующие элементы подвергается преднапряжению. Элементы арматуры представляют собой не пропитанные полимером пучки стекловолокна, а только покрытые сверху полимером. Т.е. внутренне сечение стекловолокна не содержит полимера. Поэтому при приложенных усилиях арматурный элемент будет постепенно подвергаться релаксации, что приведет к снижению срока службы шпалы.
Из приведенной схемы армирования видно, что армирующие элементы, в количестве один или более, находятся в одной плоскости ближе к нижней части шпалы. Однако согласно ГОСТ Ρ 54747-2011 Шпалы железобетонные для железных дорог колеи 1520 мм. Общие технические условия» испытание шпалы проводят путем трехточечного изгиба. При этом предложенный в патенте ФРГ №3728304 вариант исполнения шпалы не выдержит подобного испытания, т.к. шпала разрушится в средней ее части, поскольку армирование шпалы в верхней ее части в патенте ФРГ не предусмотрено.
Техническим результатом полученной армобетонной шпалы является повышение ее долговременной прочности.
Технический результат достигается тем, что в армобетонной шпале с композитными армирующими элементами, предварительно подвергнутыми преднапряжению, последние выполнены пропиткой волокнистого материала полимерной смолой и расположены в двух плоскостях сечения армобетонной шпалы. Количество армирующих элементов в шпале в ее верхнем и нижнем сечении составляет не менее двух. При этом армирующие элементы расположены на расстоянии от 10 до 25 мм от периферийных участков армобетонной шпалы.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами.
Фиг. 1 - схема армирования бетонной шпалы в поперечном сечении.
Фиг. 2 - технологическая оснастка для изготовления бетонной шпалы.
На Фиг. 1 показана армобетонная шпала 1 (в поперечном сечении) с армирующими элементами 2, выполненными из стеклопластика и расположенными в теле шпалы в два ряда.
На Фиг. 2 изображено устройство технологической оснастки для изготовления армобетонной шпалы 1, содержащее:
- плиты 3 (неподвижная) и 4 (подвижная) с расположенными на них анкерами 5 для натяжения армирующих элементов 2;
- форму 6 с разделительной диафрагмой 7.
Армобетонную шпалу 1 изготавливают следующим образом.
Армирующие элементы 2 двумя рядами в количестве от 2 до 14 в каждом диаметром от 5 до 10 мм размещают в форме 6 таким образом, чтобы количество армирующих элементов в нижней части армобетонной шпалы 1 было больше, чем в верхней. Причем концы армирующих элементов 2 должны выходить наружу через отверстия (не показаны) в плитах 3 и 4. Армирующие элементы 2 закрепляют в анкерах 5. В качестве анкеров используют конструкцию анкера, аналогичной той, которая описана, например, в патенте РФ №109172 на полезную модель, E04C 5/12, опубл. 10.10.2011.
Армирующие элементы 2 изготавливаются методом пултрузии путем пропитки волокнистого материала (стекло- или базальторовинга) полимерным связующим в ванне (что обеспечивает однородность пропитки) с последующим формованием профиля арматурного стержня и отверждением последнего.
Армирующие элементы 2 через анкеры 5 преднапрягают с помощью привода (например, гидравлического, не показан) с усилием от 15 до 40 т и фиксируют, например, винтовыми зажимами (не показаны). После чего форму заливают жидким бетоном, который впоследствии отверждают.
Количество армирующих элементов 2 определяется их диаметром и разрывной прочностью использованного композитного материала.
Использование для армирующих элементов 2 композитного материала (например, стеклопластика, базальтопластика), позволяет разместить их в непосредственной близости от кромки армобетонной шпалы 1 (на периферийных ее участках). При этом толщина защитного слоя бетона может быть минимальной (от 5 мм) в отличие от металлических армирующих элементов, которые расположены на расстоянии не менее 37 мм (верхние) и 45 мм (нижние) от кромки бетона. За счет этого достигается значительная экономия бетона.
С целью увеличения прочности шпалы на трехточечный изгиб необходимо увеличить сечение армирующих элементов в верхнем сечении армобетонной шпалы. Этого можно достичь за счет увеличения диаметра армирующих элементов.
Для лучшей адгезии армирующих элементов с бетоном и лучшего захвата их анкерами поверхность армирующих элементов покрывают зернистым материалом (например, песком).
Ниже приведены параметры армирующих элементов.
Таблица
Материал
Диаметр (мм)
Количество: вверх/вниз шпалы
Усилие преднапряжения (Nк)
Расстояние до кромки шпалы (мм)
Стеклопластик
6
8/10
300
10
Стеклопластик
10
1/2
250
25
Базальтопластик
5
8/10
350
10
Описанную выше армобетонную шпалу можно изготавливать на существующей оснастке для производства железобетонных шпал, выпускаемую, например, Могилевским заводом «Строммашина», после ее небольшой модернизации.
В отличие от прототипа заявляемая армобетонная шпала имеет долговременную прочность (сохранение первоначальных параметров, например, прочность на изгиб в течение длительной эксплуатации). Она достигается путем однородности состава композитной арматуры по профилю.
Таким образом, достигается заявленный технический результат: повышение долговременной прочности армобетонной шпалы, что приводит к увеличению ее срока службы.