ШПАЛА КОМПОЗИТОБЕТОННАЯ

Полезная модель относится к строительству и может быть использована при строительстве новых железнодорожных линий, главных дополнительных путей и реконструкции (усилении) существующих линий колеи 1520 мм для обращения типового подвижного состава общей сети железных дорог Российской Федерации, а также пассажирских поездов со скоростью более 200 км/час.
Шпалы композитобетонные повышенной долговечности могут применяться на участках постоянного и переменного тока в различных климатических условиях, а также в условиях с повышенным содержанием агрессивных к железобетону веществ, преимущественно, без применения вторичных методов защиты от коррозии.
Известна «Шпала облегченная из армобетона» по патенту на полезную модель №155407 от 10.10 2015.
Облегченная армобетонная шпала выполнена из материала на основе цемента и наполнителей - минеральных (щебень, базальт, гранит, песок) или искусственных (керамзит), в котором выполнены две полости в форме кругов, овалов или многогранников со скругленными углами.
Между полостями в теле облегченной армобетонной шпалы размещена металлическая закладная деталь, используемая для рельсового скрепления.
В верхней и нижней частях облегченной армобетонной шпалы расположены преднапряженные арматурные элементы в виде металлических или композитных стержней либо канатов.
Облегченная армобетонная шпала не является достаточно долговечной, так как содержит стальную арматуру и, как следствие, подвержена электрокоррозии в условиях с повышенным содержанием агрессивных к железобетону веществ.
Известна шпала по патенту ПМ №174683 от 25.10.2017, которая выполнена из полимерного композита, образованного армирующим наполнителем, в качестве которого выбран тальк, и полимерной матрицей. Полимерная матрица представляет собой смесь полимеров, в качестве которых выбраны полиэтилен высокой плотности, полиэтилен низкой плотности, полипропилен, линейный полиэтилен низкой плотности и поливинилиденхлорид. Такое выполнение шпалы, заключающееся во взаимосвязанном сочетании углублений с указанным материалом, обеспечивает повышение эксплуатационной эффективности шпалы за счет улучшения ее устойчивости на верхнем балласте пути с одновременным обеспечением ее высоких прочностных характеристик и их высокой стабильности при различных условиях эксплуатации.
Известна шпала бетонная по патенту на полезную модель №126710 от 10.04.2013. Шпала бетонная, представляет собой горизонтально расположенный параллелепипед, симметричный относительно вертикальной оси, к верхней поверхности которого прилегают прямые и наклонные призмы с сечением в виде трапеции с цилиндрическими и коническими сквозными отверстиями для крепления рельсов, при этом шпала выполнена из фибробетона на минеральном связующем, армированного отрезками минеральных или органических волокон, их различными комбинациями и/или частыми сетками в сочетании со стержневой металлической, неметаллической композитной арматурой или без нее.
По сравнению с конструкциями из традиционных материалов, фибробетонные конструкции отличаются высокой долговечностью и пониженной материалоемкостью. Физико-механические свойства фибробетона обеспечивают сохранность изделий при их транспортировании и монтаже. Фибробетонные шпалы не только обладают наилучшими, по сравнению с традиционными, показателями физико-механических свойств, но и являются экологически безопасными, однако указанная конструкция шпалы в условиях воздействия атмосферных осадков обладает недостаточно высокой трещиностойкостью и соответственно возникновение трещин может привести к коррозии и снижению долговечности шпалы.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, состоит в создании шпалы композитобетонной высокой долговечности в различных климатических условиях, а также в условиях с повышенным содержанием агрессивных к железобетону веществ, преимущественно, без применения вторичных методов защиты от коррозии.
Техническим результатом полезной модели является повышение трещиностойкости разработанной шпалы композитобетонной и как следствие повышение долговечности конструкции.
Проблема решается и технический результат достигается за счет того, что шпала композитобетонная, представляющая собой горизонтально расположенный параллелепипед с симметрично расположенными подрельсовыми площадками со сквозными отверстиями для крепления рельсов, выполненная из армированного композитной арматурой фибробетона отличается тем, что применяют фибробетон модифицированный фуллеренами, комплексом активных минеральных добавок и наномодифицированной добавкой на основе раствора поликарбоксилатных полимеров. Шпала композитобетонная содержит продольную арматуру из базальтопластика, при этом толщина защитного слоя фибробетона от верхней поверхности шпалы до крайнего ряда арматуры должна составлять не менее 25 мм, и толщина защитного слоя фибробетона от нижней поверхности шпалы - не менее 30 мм.
Применяют оптимальный состав фибробетона, который содержит наномодифицированную добавку «Наноактив» ТУ 5743-005-98593931-2012, блокирующую агрессивные компоненты цементного камня и повышающих коррозионную стойкость базальтопластика и качество фибробетона в целом.
Добавка «Наноактив» представляет раствор поликарбоксилатных полимеров, модифицированных веществами органической и неорганической природы, а также оксидом кремния (SiO2⋅nH2O) с размером частиц (10-7…10-9)м и в совокупности с наличием арматурного каркаса из базальтопластика, обеспечивается повышенная коррозионная стойкость и соответственно долговечность конструкции шпалы в целом.
В качестве матрицы композитобетона шпал применяется фибробетон класса прочности на сжатие не ниже В40
При армировании в качестве продольной рабочей арматуры композитобетонных шпал используют базальтопластиковую арматуру ROCKBAR.
В качестве фибры следует применять базальтовую фибру по ТУ 5952-036-05328981-2005. Характеристики фибры указаны в таблице №1.
Применяемые портландцементы должны соответствовать I и II группам эффективности при пропаривании (ГОСТ 10178-85). В качестве крупного заполнителя для бетона шпал и несущей плиты необходимо использовать гранитный щебень, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8267 с фракцией не более 10 мм.
В качестве мелкого заполнителя должен применяться песок, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8736.
Вода для приготовления бетонной смеси и вода, добавляемая в систему оборотного водоснабжения при промывке заполнителей перед подачей их в бетоносмеситель, должна удовлетворять требованиям ГОСТ 23732.
Добавки для бетона должны удовлетворять требованиям ГОСТ 24211.
На чертежах фиг. 1 представлено схематическое изображение разработанной полезной модели в разрезе, где 1 - горизонтально расположенный параллелепипед с симметрично расположенными подрельсовыми площадками 2 со сквозными отверстиями для крепления рельсов 3.
H p - высота шпалы в подрельсовых сечениях
Н с - высота шпалы в среднем сечении.
А - расстояние между наружными упорными кромками в подрельсовых площадках разных концов шпалы.
На фиг 2 представлено схематичное изображение фрагмента композитобетонной шпалы, где показан 4защитный слой фибробетона над верхним и 5 слой фибробетона над нижним рядом арматуры рядом арматуры. Композитобетонные шпалы выполнены из фибробетона с повышенными характеристиками долговечности. Применяют оптимальный состав фибробетона, который отличается содержанием комплекса эффективных активных минеральных добавок, блокирующих агрессивные компоненты цементного камня и в совокупности с наличием арматурного каркаса из базальтопластика, обеспечивается повышенная коррозионная стойкость и соответственно долговечноть конструкции в целом. Добавки могут быть органическими или неорганическими веществами, вводимыми в бетонные смеси в процессе их приготовления с целью направленного регулирования их технологических свойств и/или строительно-технических свойств бетонов и растворов, и/или придания им новых свойств. Очевидными преимуществами бетонов, модифицированных углеродным наноматериалом, являются значительное увеличение прочности на сжатие и изгиб, увеличение морозостойкости и водонепроницаемости за счет уплотнения структуры бетонов. При введении в смесь, наноразмерные частицы играют роль зародышей структурообразования, наноармирующего элемента, центров зонирования новообразований в матрице модифицированной фибробетонной смеси, направленное на улучшение физико-механических свойств за счет компонентов, упрочняющих структуру фибробетона на микро- и наноуровнях. (Кандидат технических наук Алаторцева, Ульяна Владимировна, автореферат диссертации Конструкционные сталефибробетоны, модифицированные комплексными углеродными микро- и наноразмерными добавками). При армировании в качестве продольной арматуры для шпальной конструкции, а используют базальтопластиковую арматуру ROCKBAR.
В качестве матрицы композитобетона шпал применяется фибробетон класса прочности не менее В40. В качестве фибры применяют базальтовую фибру, в качестве вяжущего применяют портландцемент, при этом добавки для бетона, модифицированного фуллеренами, должны удовлетворять требованиям ГОСТ 24211.
1
Марка бетона по морозостойкости должна быть не менее F400.
Марка бетона по водонепроницаемости должна быть не менее W14.
Характеристики базальтопластиковой арматуры ROCKBAR указаны в таблице №2.
Конструкция разработанной композитобетонной шпалы успешно прошла испытания на прочность, жесткость и трещиностойкость, результаты удовлетворяют следующим требованиям:
а) разрушение произошло при нагрузке, более или равной контрольной нагрузке по проверке прочности (1,6×Рк);
б) прогиб не превысил более чем на 10% контрольный прогиб при нагрузке, равной контрольной нагрузке по проверке жесткости (1,0×Рк);
в) обнаружение появления первых поперечных трещин при нагрузке, более или равной контрольной нагрузке по проверке трещиностойкости (1,0×Рк).
Контрольные нагрузки при испытаниях шпал на трещиностойкость отображены в таблице №3:
Таким образом, высокие физико-механические параметры разработанной конструкции шпалы композитобетонной, формируются за счет использования базальтопластиковой арматуры и фибробетона, модифицированного фуллеренами, включающего наномодифиыцированную добавку.
Долговечность шпалы обеспечивается за счет:
- отсутствия стальной арматуры и, как следствие, отсутствием электрокоррозии;
- фибробетона, модифицированного фуллеренами с повышенными характеристиками долговечности и стойкости к ударным и вибрационным воздействиям;
- отсутствия усадочных трещин;
- термостойкости;
- высокого модуля упругости;
- химической стойкости к микроорганизмам, щелочным и кислым средам;
- вибрационной стойкости;
- повышенной сейсмостойкости;
- высокой водонепроницаемости;
- высокой морозостойкости;
- уменьшения взрывного откалывания фибробетона при пожаре.