Балластная призма рельсового пути

Полезная модель относится к транспортному строительству, а именно к конструкции балластной призмы рельсового, например железнодорожного или трамвайного пути, и может найти применение при:
- устройстве поверхности балластной призмы по всей ее ширине для предотвращения аэродинамического подъема щебня воздушным потоком при организации высокоскоростного движения, а также для предотвращения попадания щебенок в рабочий орган рельсового транспорта, в частности вакуумных и механических уборочных машин на трамвайных путях;
- устройстве плеча и откоса балластной призмы в кривых участках пути радиусом менее 650 м со стороны наружной рельсовой нити для увеличения поперечного сопротивления сдвигу бесстыкового пути;
- устройстве междупутной зоны балластной призмы на участках производства путевых работ с глубокой вырезкой балласта (более 0,45 м) для обеспечения безопасности пропуска поездов по соседнему пути путем ликвидации условий, вызывающих нарушения нормативных размеров вновь образующегося откоса балластной призмы и возникновения условий для осыпания балластных материалов.
С развитием высокоскоростных железнодорожных магистралей выявился новый тип повреждения рельсового пути и подвижного состава, а именно, разлетание частиц балласта до падения. Частицы балласта рассеиваются в воздухе во время движения поезда, а затем вызывают повреждения, как рельсового пути, так и подвижных составов.
При прохождении транспортного средства последовательно в пространстве и времени возникают три зоны аэродинамического воздействия на зерна щебня балластной призмы:
- зона сжатия, которая сдувает мелкий щебень с внешней поверхности балластной призмы вперед и в бок над поверхностью балластной призмы и не является опасной для вагонов;
- зона разряжения, дает максимальную скорость подъема и силу подъема мелких частиц и является опасным фактором для всех объектов в окружающем пространстве;
- зона турбулентности, характерна затуханием всех процессов полета мелких зерен и является вторичным фактором опасности.
Согласно нормативным требованиям и типовым техническим условиям контрактов на поставку щебеня балластной призмы доля мелкого зерна в составе щебеночного слоя составляет от 0,5 до 5% по массе.
Как правило, взлетают маленькие щебенки, плохо закрепленные в балласте и находящиеся в следующих состояниях:
- мелкая щебенка лежит на более крупной;
- мелкая щебенка находится между двумя более крупными щебенками;
- мелкая щебенка находится между тремя более крупными щебенками. Вылетающие зерна создают для проезжающего транспорта абразивный эффект для покрытий подвижного состава и колющий эффект для стекол.
Кроме того, появляется необходимость постоянной досыпки щебня в местах вылета, локальной планировки, а также уборки осыпавшегося щебня у подошвы насыпи.
Известна балластная призма, состоящая из пенополиуретанов и балластного слоя из щебня, при этом пенополиуретановый материал, находящийся между щебеночными камнями, получают из одного или нескольких изоцианатных соединений, полиольной составной части и регулирующих агентов, в частности одного или нескольких агентов вспенивания (см. патент РФ №2431008, МПК Е01В 1/00, опубл. 10.10.2011 г.).
Недостатком является применение технологии вспенивания для рельсового пути, что существенно нарушает паро- водоотведение от насыпи пути, а также трудности утилизации пенополиуретана после замены балластной призмы рельсового пути.
Известна балластная подушка железнодорожного пути, содержащая балластный слой с наполнителем из полиуретана и полиуретановый внешний защитный слой, где полиуретановый внешний защитный слой содержит продукт реакции первой реакционной системы, причем первая реакционная система распылена на поверхность балластного слоя с наполнителем из полиуретана, и причем первая реакционная система содержит следующие компоненты реакции: один или более полиизоцианатов, один или более простых полиэфирполиолов и/или простых полиэфиров с концевыми аминогруппами и один или несколько регулирующих агентов, в частности одного или нескольких агентов вспенивания (см. патент РФ №2573676, МПК Е01В 1/00, Е01В 27/02, C09D 175/00, C08L 75/00, C08J 9/00, опубл. 27.01.2016 г.).
Недостатком является отсутствие требуемых показателей пористости из-за применения технологии вспенивания, что не позволяет обеспечить требуемый водно-температурный режим эксплуатации балластной призмы.
Известна балластная призма железнодорожного пути, содержащая верхний щебеночный слой, зерна которого в поверхностной части соединены связующим, при этом она содержит укладываемый на земляное полотно слой песчаной или песчано-гравийной подушки, зерна щебня в поверхностной части верхнего щебеночного слоя соединены связующим полимером на основе полиуретана путем их заливки полимерным связующим в жидком виде с его последующим отверждением и образованием пористой структуры за счет склеивания зерен щебня в точках их соприкосновения, при этом глубина пропитки связующим составляет 5-7 см, а верхний слой состоит из щебня фракции 25-80 мм (см. патент РФ №100777, МПК E02D 3/12, опубл. 27.12.2010 г.).
Недостатком известной конструкции является укрепление связи между зернами поверхностного слоя балластной призмы лишь в точках их соприкосновения.
При этом точки контакта образуются преимущественно между зернами крупной фракции, и не затрагивают соединения зерен мелких фракций (т.е. они остаются не закрепленными), что не обеспечивает требуемые прочностные характеристики связи между зернами щебня.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является балластная призма железнодорожного пути, содержащая щебеночный слой, зерна которого соединены связующим, причем щебеночный слой выполнен в виде двухкомпонентного монолитного композита, зерна щебня которого соединены связующим по зонам контакта, на глубину укрепления балластной призмы, при этом, по крайней мере, одна из зон контакта композита включает соединительный слой между двумя щебенками мелкой и/или крупной фракций из отвердевшего вяжущего из реакционно-способной смеси (РСС), обволакивающего зерно щебня по элементам его шероховатости и геометрии (см. патент US №4985276, МПК C09J 5/00; Е01В 1/00; Е01В 27/06; Е01С 7/08; Е01С 7/30; Е01С 7/36; B05D 3/04, опубл. 15.01.1991 г.).
Недостатком известной конструкции также является укрепление связи между зернами поверхностного слоя балластной призмы лишь в точках их соприкосновения.
При этом точки контакта образуются преимущественно между зернами крупной фракции, и не затрагивают соединения зерен мелких фракций (т.е. они остаются не закрепленными), что не обеспечивает требуемые прочностные характеристики связи между зернами щебня.
Задачей настоящего технического решения является повышение прочностных характеристик балластной призмы путем повышения устойчивости элементов ее конструкции за счет предотвращения аэродинамического подъема щебенок.
Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является фиксация слабо закрепленных мелких зерен в слое балластной призмы.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в балластной призме рельсового пути, содержащей щебеночный слой, зерна которого соединены связующим, причем щебеночный слой выполнен в виде двухкомпонентного монолитного композита, зерна щебня которого соединены связующим по зонам контакта, на глубину укрепления балластной призмы, при этом, по крайней мере, одна из зон контакта композита включает соединительный слой между двумя щебенками мелкой и/или крупной фракций из отвердевшего вяжущего из РСС, обволакивающего зерно щебня по элементам его шероховатости и геометрии согласно технического решения, по крайней мере, одна из зон контакта композита, дополнительно включает, по крайней мере, один соединительный слой отвердевшего вяжущего из РСС, контактирующий с зерном щебенки в межзерновом пространстве и, по крайней мере, одно отвердевшее вяжущее в виде нити в межзерновом пространстве между неконтактирующими участками зерна щебня.
При этом глубина укрепления равна полной глубине балластного слоя, глубине поверхностного слоя или глубине, заданной по закону регулирования по времени и в пространстве.
Кроме того, элементы микрошероховатости щебня включают совокупность выступов, впадин, граней и плоскостей внешней поверхности зерна щебня, а элементы геометрии зерна щебня включают размер высоты выступов, размер глубины впадин, линейный размер грани, размер площади плоскости внешней поверхности зерна щебня
Также, соединительный слой отвердевшего вяжущего из РСС, контактирующий с зерном щебенки в межзерновом пространстве, включает линейные и/или пространственные размеры в малой окрестности между зернами щебня, т.е. имеющий сопоставимые размеры по всем направлениям и являющийся монолитом в малой окрестности между зернами щебня.
Заявляемая совокупность признаков позволяет повысить прочностные характеристик балластной призмы, за счет фиксации в ней слабо закрепленных мелких зерен путем создания зон контакта между мелкими и крупными щебенками в щебеночном слое, выполненном в виде двухкомпонентного монолитного композита.
Это обусловлено тем, что структура двухкомпонентного композита представляет собой совокупность двух фаз, по границам соединения которых образуются прочные связи в виде зон контакта.
При этом зоны контакта включают элементы линейных и пространственных связей соединительного слоя между двумя щебенками мелкой и/или крупной фракций из отвердевшего вяжущего из РСС, обволакивающего зерно щебня по элементам его шероховатости и геометрии, соединительного слоя отвердевшего вяжущего из РСС, контактирующего с зерном щебенки в межзерновом пространстве и нити отвердевшего вяжущего между не контактирующими зернами щебня в межзерновом пространстве.
Под элементами линейных связей в рамках настоящего технического решения понимаются соединения в виде линий - прямых и/или вогнутых и/или выпуклых и/или непрерывно изогнутых в различных направлениях, а под элементами пространственных связей - соединения в виде объемов различных форм.
Совокупность различных элементов связи в зонах контакта композита щебеночного слоя балластной призмы определяет поверхностное и объемное, а не точечное, соединение и взаимодействие двух щебенок в локальной зоне, ограниченной размерами взаимодействующих щебенок. При этом площадь контакта взаимодействия увеличивается по сравнению с точечным контактом в 10 и более раз, что существенно увеличивает прочностные характеристики сцепления на деформации растяжения и/или кручения и/или изгиб и/или сдвиг между зерновыми элементами балластной призмы.
Заявляемое техническое решение проиллюстрировано чертежами, где на фиг. 1 представлена схема балластной призмы; на фиг. 2 - условно и увеличено фрагмент балластного слоя; на фиг. 3-5 - условно и увеличено зоны контакта в балластной призме
Позиции на чертежах означают следующее: 1 - щебеночный слой; 2 - зерна щебня; 3 - отвердевшее вяжущее; 4 - соединительный слой из отвердевшего вяжущего 3, обволакивающего зерно щебня 2 по элементам его шероховатости и геометрии; 5 -соединительный слой отвердевшего вяжущего 3, контактирующего с зерном щебенки 2 в межзерновом пространстве; 6 - межзерновое пространство; 7 - нити отвердевшего вяжущего 3 в межзерновом пространстве 6 между не контактирующими участками зерна щебня 2.
Заявляемая балластная призма рельсового пути содержит щебеночный слой 1, зерна щебня 2 которого соединены отвердевшим вяжущим 3 (фиг. 1).
Для фиксации слабозакрепленных зерен щебня 2 более мелкой фракции щебеночный слой 1 выполнен в виде двухкомпонентного монолитного композита, зерна щебня 2 которого соединены вяжущим 3 по зонам контакта А, на глубину Н укрепления щебеночного слоя 1 (фиг. 1 и 2).
1
По крайней мере, одна из зон контакта A композита включает, размещенный между двумя щебенками 2 мелкой и/или крупной фракций, соединительный слой 4 из отвердевшего вяжущего 3, обволакивающего зерно щебня 2 по элементам его шероховатости и геометрии (фиг. 3).
2
По крайней мере, одна из зон контакта А композита включает, размещенный между двумя щебенками 2 мелкой и/или крупной фракций, соединительный слой 4 из отвердевшего вяжущего 3, обволакивающего зерно щебня 2 по элементам его шероховатости и геометрии, и соединительный слой 5 отвердевшего вяжущего, контактирующего с зерном щебенки 2 в межзерновом пространстве 6 (фиг. 4).
3
По крайней мере, одна из зон контакта А композита включает, размещенный между двумя щебенками 2 мелкой и/или крупной фракций, соединительный слой 4 из отвердевшего вяжущего 3, обволакивающего зерно щебня 2 по элементам его шероховатости и геометрии, и отвердевшего вяжущего 3 в виде нити 7 в межзерновом пространстве 6 между не контактирующими участками зерна щебня 2 (фиг. 5).
Глубина укрепления Н щебеночного слоя 1 определяется исходя из конкретной конструкции балластной призмы, и может быть равна полной глубине L щебеночного слоя 1 или глубине 1 поверхностного участка щебеночного слоя 1, или на глубину, определяемую расчетным путем, заданную по закону регулирования расхода вяжущего по времени и в пространстве.
Элементы микрошероховатости щебня включают совокупность выступов, впадин, граней и плоскостей внешней поверхности зерна щебня, а элементы геометрии зерна щебня включают размер высоты выступов, размер глубины впадин, линейные размеры грани или ребра, размер площади плоскости внешней поверхности зерна щебня.
Также, соединительный слой 4 отвердевшего вяжущего, контактирующий с зерном щебенки в межзерновом пространстве, включает линейные и/или пространственные размеры в малой окрестности между зернами щебня, т.е. имеющие значимые размеры по всем направлениям и являющийся монолитом в малой окрестности между зернами щебня.
1
2
3
При этом зоны контакта A, А и А включают элементы линейных и пространственных связей соединительного слоя между двумя щебенками мелкой и/или крупной фракций из отвердевшего вяжущего из РСС, обволакивающего зерно щебня по элементам его шероховатости и геометрии, соединительного слоя отвердевшего вяжущего из РСС, контактирующего с зерном щебенки в межзерновом пространстве и нити отвердевшего вяжущего между не контактирующими участками зерна щебня в межзерновом пространстве.
Под элементами линейных связей в рамках настоящего технического решения понимаются соединения в виде линий - прямых и/или вогнутых и/или выпуклых и/или непрерывно изогнутых в различных направлениях.
Например, соединительный слой 4 из отвердевшего вяжущего 3, обволакивающего зерно щебня 2 по элементам его шероховатости и геометрии, размещенный между двумя щебенками 2 мелкой и/или крупной фракций, выполнен в виде выпуклой линии (фиг. 3), а соединительный слой 5 отвердевшего вяжущего, контактирующего с зерном щебенки 2 в межзерновом пространстве 6 - в виде вогнутой линии (фиг. 4).
Под элементами пространственных связей - соединения в виде объемов различных форм, например, отвердевшее вяжущее 3 в межзерновом пространстве 6 (фиг. 4).
1
2
3
Таким образом, совокупность различных конфигураций зон контакта композита - A, А и А, определяет поверхностное, а не точечное соединение и взаимодействие двух щебенок в локальной зоне, ограниченной размерами взаимодействующих щебенок. При этом площадь контакта взаимодействия увеличивается по сравнению с точечным контактом в 10 и более раз, что существенно увеличивает прочностные характеристики сцепления на деформации растяжения и/или кручения и/или изгиб и/или сдвиг между зерновыми элементами балластной призмы.
Заявляемая конструкция балластной призмы рельсового пути может быть использована при организации высокоскоростного движения на железнодорожном транспорте, при устройстве плеча и откоса балластной призмы в кривых участках пути радиусом менее 350 м, при устройстве трамвайных путей.
В пределах заявленной совокупности признаков настоящее техническое решение не ограничивается приведенными примерами его выполнения и охватывает любые иные варианты, попадающие в объем прилагаемой формулы для достижения заявленного технического результата.