ШПАЛА БЕТОННАЯ

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.
Известна шпала железнодорожная (патент RU 2450094, Е01В 3/36, опубл. 20.02.2012), включающая два подрельсовых железобетонных блока со средствами для размещения крепежных элементов рельсовых скреплений и среднюю соединительную часть, выполненную из стальной трубы прямоугольного, круглого или фасонного профиля.
Наиболее близким техническим решением являются шпалы железобетонные, предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм (ГОСТ 10629-88), представляющие собой горизонтально, расположенный параллелепипед, симметричный относительно вертикальной оси, к верхней поверхности которого прилегают прямые призмы с сечением в виде трапеции с цилиндрическими и коническими сквозными отверстиями для крепления рельсов.
В зависимости от категории железных дорог верхнее строение пути должно соответствовать нормам, указанным в СНиП 32-01-95 (см. табл.1).
Таблица 1 - Верхнее строение пути по СНиП 32-01-95
Показатель
Категория железнодорожной линии
Скоростные
Особогрузонапряженные
I
II
III
IV
Род шпал
Деревянные I типа или железобетонные
Число шпал на 1 км пути, шт.:
- на прямых и кривых радиусом 1200 м и более
2000
2000
2000
1840
1840
1840
- на кривых радиусом менее 1200 м
2000
2000
2000
2000
2000
1840
Основные недостатки существующих железобетонных шпал могут быть сформулированы следующим образом:
- срок эксплуатации железобетонных шпал значительно ниже срока эксплуатации рельсового основания;
- параметры трещиностойкости существующих видов бетонов предопределяют необходимость завышения класса по показателю прочности материала на сжатие, для обеспечения достаточной прочности бетона на растяжение;
- низкая трещиностойкость бетона ограничивает срок службы шпал вследствие коррозионного разрушения арматуры в зоне раскрытия трещин;
- деструкция шпал носит осколочный характер при воздействии на них динамических и особых (сейсмических и техногенных) нагрузок;
- большая собственная масса шпал (более 200 кг) требует, в случае их замены, приложения значительных физических усилий рабочих ремонтных бригад;
- при производстве работ по укладке рельсошпальной решетки необходимо использование большегрузного подъемно-транспортного оборудования;
- в процессе изготовления шпал для достижения ими прочности, достаточной для распалубливания и транспортировки изделий на пост вытяжки, тепловлажностная обработка является обязательной.
Задача полезной модели - улучшение физико-механических, эксплуатационных и эстетических характеристик железнодорожных шпал.
Сущность полезной модели заключается в том, что шпала бетонная, представляющая 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, 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.
Технический результат:
в качестве исходного материала для элементов полезной модели используется дисперсно армированный бетон - фибробетон (бетон на минеральном связующем, армированный отрезками минеральных или органических волокон, их различными комбинациями и/или частыми сетками) в сочетании с металлической, неметаллической композитной арматурой или без нее.
Возможность заявляемой модели объясняется тем, что у фибробетона прочность на растяжение при изгибе составляет 40-60% прочности на сжатие. Это позволяет изготавливать из такого материала конструктивные элементы, воспринимающие большие, по сравнению с традиционными бетонными материалами, динамические нагрузки. По сравнению с бетонами, не содержащими дисперсной арматуры, фибробетоны обладают значительно большей (более, чем на порядок) энергоемкостью разрушения. Данное свойство обеспечивает повышенную трещино- и износостойкость изделий, подвергающихся циклическим динамическим воздействиям. При разрушении вязкие материалы не образуют осколков. Применение композиционной арматуры вместо металлической обеспечивает не только повышение вязкости разрушения бетона, но и снижение его плотности на 8…12%.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где:
- на фиг.1 изображен общий вид спереди предлагаемой шпалы, фиг.2 - общий вид шпалы сверху, фиг.3 - вид А, фиг.4 - вид 1-1;
На фиг. 5-7 - существующие в настоящее время виды шпал:
- фиг.5 - деструкция предварительно напряженных железобетонных шпал
- фиг.6, 7 - осколочный характер разрушения бетона в предварительно напряженных шпалах.
На фиг.8 - вязкий характер разрушения элементов из дисперсно армированного бетона.
Шпала представляет собой горизонтально расположенный параллелепипед 1, симметричный относительно вертикальной оси, к верхней поверхности которого прилегают прямые 2 и наклонные 3 призмы с сечением в виде трапеции с цилиндрическими 4 и коническими 5 сквозными отверстиями для крепления рельсов.
Формование строительных конструкций из фибробетона необходимо осуществлять в заводских условиях. Геометрические параметры предлагаемой модели полностью соответствуют размерам выпускаемых в настоящее время железобетонных предварительно напряженных шпал (см. табл.2).
Шпалы в зависимости от типа рельсового скрепления подразделяют на:
- ШФ1 - для раздельного клеммно-болтового рельсового скрепления (типа КБ) с болтовым креплением подкладки к шпале;
- ШФ2 - для нераздельного клеммно-болтового рельсового скрепления (типа БПУ) с болтовым прикреплением подкладки или рельса к шпале.
Это связано с сохранением типа рельсового скрепления и применяемых опалубочных форм. В маркировку шпал вводится буквенное обозначение «ШФД» - шпала фибробетонная дисперсно армированная.
Опалубочные формы шпал предоставляют собой металлопластиковые или металлические кассеты. Комплексное армирование производится дисперсной арматурой в процессе приготовления бетонной смеси в сочетании с металлической, неметаллической композитной арматурой или без нее.
Варианты сочетания вышеуказанных типов арматуры рассчитываются в зависимости от категории железных дорог, расчетной грузонапряженности и максимальной скорости движения пассажирских поездов.
Таблица 2 - Марки, форма и размеры шпал
Маркашпалы
Расстояниемеждуупорнымикромкамиразныхконцовшпалы <i>a</i>мм
Расстояниемеждуупорнымикромкамиодного концашпалы <i>a</i><sub>1</sub>,мм
Расстояние междуосямиотверстийдляболтов<i>a</i>2, мм
Расстояниемеждуосьюотверстия иупорнойкромкой<i>a</i><sub>3 </sub>мм
Уголнаклонаупорныхкромок
Направлениебольшейстороныотверстий дляболтаотносительнопродольнойоси шпалы
ШФ1-1ШФ1-2ШФ2-1
201220002012
404392404
310310236
474184
55°7255
Поперечное″Продольное
В качестве металлической арматуры применяется стальная проволока периодического профиля по ГОСТ 4378. Необходимая площадь сечения арматуры и количество проволок на одну шпалу определяется расчетом. Для дисперсного армирования бетона применяют минеральную или органическую фибру или частые сетки. Неметаллическая композитная арматура может иметь природное, искусственное или синтетическое происхождение.
В соответствии со значениями контрольных нагрузок при испытаниях на трещиностойкость подбирается класс бетона (от В25 до В40).
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.
Предлагаемая модель шпалы не только обладает наилучшими, по сравнению с традиционными, показателями физико-механических свойств, но и является экологически безопасной. К достоинствам данной модели относятся:
- ее безопасность в случае возникновения чрезвычайных ситуаций (взрывов, землетрясений и т.д.), поскольку разрушение элемента носит не осколочный (фиг. 5-7, существующие виды шпал), а вязкий характер и представляет собой каменную крошку с размером частиц 1…5 мм (см. фиг.8, предлагаемый вариант);
- возможность изготовления элементов II класса точности геометрических параметров - допуски не превышают (+-)1 мм;
- повышенная морозостойкость - порядка 700 циклов, что гарантирует защиту элементов от морозного разрушения;
- возможность исключения процесса тепловлажностной обработки и, как следствие, значительное сокращение энергоемкости производства;
- меньшая, по сравнению с аналогичными железобетонными шпалами, масса, что не требует, в случае их замены, приложения значительных физических усилий рабочих, выполняющих ремонтные работы;
- использование отечественных материалов и оборудования;
- улучшенные деформативные свойства материала обеспечивают увеличение срока эксплуатации и снижение трудо- и энергоемкости ремонтных работ;
- более низкая себестоимость, обеспечивающая экономию ресурсов при одновременном улучшении качества.
В настоящее время на базе Ростовского университета путей сообщения (ФГБОУ ВПО РГУПС, г.Ростов-на-Дону) и Кавказского завода по производству железобетонных шпал (г.Гулькевичи) проводятся экспериментальные исследования с целью уточнения состава сырьевой смеси и технологического процесса производства комплексно армированных бетонных шпал; разрабатывается соответствующее научное сопровождение при проведении промышленных испытаний с последующей (при необходимости) корректировкой проектной документации.