О совершенствовании технологии производства железобетонных шпал

Общетехнические и социальные проблемы 111

УДК 625.142.4:006.354 А.Ф. Серенко

О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ

Рассматриваются основные недостатки, присущие применяемой технологии производства шпал из предварительно напряженного железобетона, предлагаются возможные направления ее совершенствования.

шпалы из предварительно напряженного железобетона, термовлажностная обработка, комплексные модификаторы полифункционального действия, дисперсное армирование, самоуплотняющийся бетон.

Введение

Внедрение ресурсосберегающих технологий и повышение долговечности железобетонных изделий являются приоритетными направлениями развития строительной отрасли. Особенно актуально повышение долговечности конструкций из предварительно напряженного железобетона в свете произошедших в последние годы в России обрушений, имевших трагические последствия.

Производство железобетонных шпал является важным элементом строительного комплекса на железнодорожном транспорте, так как они во многом определяет надежность работы пути и безопасность движения поездов. Выпуск и укладка железобетонных шпал в России осуществляется уже свыше 30 лет. За этот период накоплен большой опыт по их производству и эксплуатации, вносились изменения в конструкцию, пересматривались ГОСТы.

Вместе с тем технология производства шпал практически не изменилась, что на фоне быстро развивающихся научных достижений в области направленного формирования структуры и свойств бетонов является препятствием как для повышения долговечности и качества шпал, так и для снижения энергоемкости и себестоимости производства.

Огромная протяженность территории России, различия в климатических условиях, разная сырьевая база как для вяжущих, так и для заполнителей в различных регионах ставят задачу комплексного подхода к решению вопроса. При этом следует учитывать, что внедрение новых техноло-

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/1

112

Общетехнические и социальные проблемы

гий должно, безусловно, базироваться на принципах экономической эффективности и целесообразности.

2006/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические и социальные проблемы 113

1 Основные недостатки шпал из предварительно напряженного железобетона

1.1 Технологические недостатки, связанные с применением термовлажностной обработки

Производство железобетонных шпал, осуществляемое на заводах ОАО РЖД, выполняется по пропарочной технологии, что предусматривает термовлажностную обработку изделий при температуре 80°С. Выбор такой технологии был совершенно обоснован в свое время при принятии решения, так как позволил обеспечить быстрый набор передаточной прочности бетона (с учетом коэффициента вариации около 36 МПа в возрасте 12 часов) и высокую оборачиваемость форм. Вместе с тем названная технология имеет ряд недостатков

Бетон, подвергнутый термовлажностной обработке, имеет более низкие показатели свойств (прочности, морозостойкости, трещиностойкости), чем аналогичный бетон естественного твердения в марочном возрасте. Это связано с наличием градиента температур в теле твердеющего бетона, возникновением явлений тепло- и массопереноса, формированием направленной капиллярной пористости при термовлажностной обработке.

Вследствие формирования капиллярной пористости и частичного обезвоживания ослабляется контактная зона цементного камня с преднапряженной арматурой, что может являться одной из причин образования брака и появления отколов бетона при передаче преднапряжения.

При шурупно-дюбельной технологии производства шпал закладные элементы на основе полимеров имеют различные с бетоном коэффициенты температурного расширения, что также ослабляет сцепление цементного камня с дюбелем при термовлажностной обработке и может приводить к браку при установке креплений.

Термовлажностная обработка требует большого расхода энергии, что удорожает производство шпал, особенно в условиях постоянно растущих цен на энергоносители. Затраты на тепловую обработку 1 м бетона достигают 600 и более МКал тепловой энергии. В то же время даже снижение температуры термовлажностной обработки с 80 до 40°С позволяет уменьшить расход тепла в 2,7 раза [1].

1.2 Эксплуатационные и конструктивные недостатки

Многолетний опыт эксплуатации в России шпал брускового типа из предварительно напряженного железобетона, при их бесспорном достоинстве по сравнению с деревянными шпалами, позволил выделить ряд недостатков, к числу которых относятся следующие:

хрупкость и чувствительность к ударам;

низкая работоспособность в зоне рельсовых стыков (выход в 3-5 раз выше, чем в средней части рельсов);

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/1

114

Общетехнические и социальные проблемы

большая масса (около 265 кг), что затрудняет одиночную смену дефектных шпал и требует мощного кранового оборудования для укладки звеньев [2].

Кроме того, хрупкий характер разрушения бетона и его низкая прочность при растяжении ограничивают угол наклона упорных кромок подрельсовых площадок в шпалах 55 градусами из-за опасности скола бетона при отпуске предварительно напряженной арматуры. Конструктивно требуется увеличение угла наклона упорных кромок для надежного закрепления рельса и предотвращения его «проскальзывания», что особенно актуально при внедрении скоростного движения пассажирских поездов.

2 Возможные направления совершенствования технологии

производства шпал из предварительно напряженного железобетона

2.1 Внедрение беспрогревной или малопрогревной технологии

Развитие в последние десятилетия научных представлений о бетоне, особенно в части применения модификаторов структуры [3], позволяет сегодня обеспечить высокую раннюю прочность при беспрогревной или ма-лопрогревной технологии. Направлением обеспечения высокой ранней прочности бетона, соответствующей требуемой передаточной прочности для отпуска предварительно напряженной арматуры, активно занимаются во всем мире. Сформулированы основные подходы к решению этой архиважной задачи - модифицирование структуры бетонов комплексными добавками полифункционального действия.

Появление нового высокоэффективного класса пластифицирующих добавок (гиперпластификаторов) позволяет перевести в практическую область решение задачи обеспечения достижения бетоном передаточной прочности уже в 12 часов и, следовательно, отказаться или свести к минимуму тепловую обработку твердеющего бетона на предприятиях по производству шпал из предварительно напряженного железобетона.

При этом будет снят вопрос о недостатках существующей технологии, связанных с термовлажностной обработкой, увеличится качество шпал и, соответственно, уменьшится процент брака, значит повысится надежность и безопасность работы пути. Немаловажным является фактор экономии средств за счет уменьшения расходов на энергоносители.

Внедрение беспрогревных технологий потребует рассмотрения обоснованности ограничений на минералогический состав портландцемента, установленных ГОСТ 10178-85 для производства железобетонных шпал. Отказ от пропаривания шпал должен снизить требования к содержанию в цементе трехкальциевого алюмината, но только в том случае, если удастся обеспечить требуемую морозостойкость и коррозионную стойкость бетонов.

В мировой практике производства шпал накоплен определенный опыт применения беспрогревных технологий. Такой способ производства ус-

2006/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические и социальные проблемы 115

пешно применяется на ряде заводов в Северной Европе, в частности в Швеции, Финляндии, Эстонии и др. Есть все предпосылки для внедрения подобных технологий на заводах России.

2.2 Применение самоуплотняющегося бетона

Другим очень перспективным направлением совершенствования технологии производства как железобетонных шпал, так и иных бетонных конструкций, также связанным с применением комплексных модификаторов полифункционального действия, является технология самоуплотняющегося бетона, укладываемого без специальных видов уплотнения. Такой бетон готовится из смесей, соответствующих по реологическим свойствам аналогичным свойствам высоковязких ньютоновских жидкостей, и характеризуется высокой прочностью, долговечностью, коррозионной стойкостью, а также упрощением технологии укладки и уплотнения бетонных смесей [4].

2.3 Дисперсное армирование

Для устранения эксплуатационных и конструктивных недостатков перспективным представляется внедрение технологии дисперсного армирования (фибробетона) при изготовлении железобетонных шпал. При дисперсном армировании возможно увеличение ударной прочности в 7-10 раз, прочности при растяжении - в 2-5 раз, изменяется характер разрушения бетона - из хрупкого он становится вязким, увеличивается трещиностойкость. Следует отметить, что разработка и внедрение технологии изготовления шпал из фибробетона повлечет за собой пересмотр конструкции шпал. Вполне реальным становится уменьшение размеров поперечного сечения, снижение количества предварительно напряженной арматуры, а следовательно, снижение материалоемкости и энергоемкости производства.

Заключение

При существующей технологии производства можно выделить две группы недостатков, снижающих долговечность и качество шпал из предварительно напряженного железобетона:

технологические недостатки, связанные с применением термовлажностной обработки;

эксплуатационные и конструктивные недостатки.

Для устранения существующих недостатков предложены возможные направления совершенствования технологии производства шпал из предварительно напряженного железобетона:

внедрение беспрогревной или малопрогревной технологии; применение самоуплотняющегося бетона;

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/1

116

Общетехнические и социальные проблемы

дисперсное армирование.

Наиболее достижимым сегодня является внедрение беспрогревной или малопрогревной технологии, так как это направление потребует наименьших инвестиций и способно быстро дать ощутимый экономический эффект за счет экономии энергоресурсов.

Библиографический список

1. Демьянова В.С. Методологические и технологические основы производства высокопрочных бетонов с высокой ранней прочностью для беспрогревных и малопро-гревных технологий: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Пенза, 2002. - 42 с.

2. Железнодорожный путь / Под ред. Т.Г. Яковлева. - М.: Транспорт, 1999. -

368 с.

3. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. - М.: Стройиздат, 1990. - 400 с.

4. Stark J., Friebert M., Kirsme J., Wesser D. Selbstverdichtender Beton hoher Daucrhaftigkeit fur Bauteile des Tiefbaus und des Umweltschutzes // Betonwerk+Fertigtcil-Tecknik. - 2002. - № 5. - S.46-57, III. - Bibliogr.: 14 Ref.

УДК 691.554 А. М. Харитонов

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

На основе метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе ANSYS, исследован процесс развития трещин в цементном камне на уровне тоберморитового геля. Расчетная схема представлена твердотельной моделью геля в виде куба, содержащей в своем объеме произвольно расположенные поры. Моделирование трещинообразования осуществлено за счет применения функции «Birth&Death» при пошаговом приложении нагрузки в трехмерной постановке задачи. Определены особенности зарождения и ветвления трещин при приложении одноосной сжимающей нагрузки.

метод конечных элементов, цементный камень, бетон, трещиностойкость.

Введение

Проблема прогнозирования прочности и деформативности бетона, несмотря на обширные исследования в данной области, продолжает оставаться весьма актуальной. Гетерогенность бетона как композиционного

2006/1

Proceedings of Petersburg Transport University