Рисунок 13. Дефекты железобетонных шпал BF70 на исследованных участках АО «Узбекистон темир йуллари»

К первой группе дефектов относятся продольные и поперечные трещины с их раскрытием до 1мм в средней или подрельсовой части шпалы (1-я степень развития дефекта, рис.14) или излом шпалы в средней или подрельсовой части с разрушением бетона с раскрытием поперечной трещины или разрывом арматуры (2-я степень развития дефекта). Причиной дефектов первой группы является неправильное опирание шпал на балласт после укладки звеньев, очистки щебеночной призмы или в результате длительного отсутствия выправки пути в эксплуатации.

Рисунок 14. Примеры дефектов первой группы

Ко второй группе дефектов относятся продольные трещины с раскрытием более 3 мм, проходящие через анкеры или арматурные проволоки (1-я степень развития дефекта, рис.15) или раскол шпалы по сквозной продольной трещине, проходящей через анкеры или арматурные проволоки (2-я степень развития дефекта).

Рисунок 15. Пример дефектов второй группы (на примере шпал «ATRAK»; в шпалах BF70 таких дефектов не обнаружено)

Третья группа дефектов (рис. 16) включает в себя околы бетона в подрельсовой площадке шпалы глубиной не более 15 мм без обнажения арматуры или с обнажением арматуры на длине не более 30 мм (1-я степень развития дефекта), а также крупные околы бетона на верхней поверхности средней части, ребрах и плоскостях шпалы глубиной не более 15 мм (2-я степень развития дефекта).

Четвертая группа дефектов: множество раковин на поверхности бетона, начальное разрушение бетона (шелушение) в пределах толщинызащитного слоя бетона над арматурой (1-я ступень развития дефекта);

Рисунок 16. Пример дефектов третьей группы

полное разрушение структуры бетона на отдельные составляющие (щебень, раствор) с обнажением арматуры (2-я степень развития дефекта).

К пятой группе дефектов относится деформации закладного анкера, возникающиев редких случаях при несанкционированном воздействии на анкер скрепления (например, как следствие случайного удара рабочими органами подбивочной машины или путевым инструментом) он может быть деформирован или сломан.

Дефекты качества бетонных поверхностей могут быть причиной уменьшения долговечности шпал и брусьев в пути вследствие появления коррозии арматуры и развития эксплуатационных дефектов.

В таблице 4 приводится классификация дефектов и повреждений железобетонных шпалBF70/BF70S. Эта классификация, имеет важное значение для своевременного назначения и правильного планирования ремонтажелезобетонных шпал.

Из приведенной классификации следует что, наиболее опасными являются дефекты первой группы, такие как: 11.1; 11.2; 12.1 и 12.2.С этой целью произведен расчет железобетонных шпал BF0 на выносливость и трещиностойкостъ.

Таблица 4 - Первая группа дефектов железобетонных шпалBF70/BF70S

Вторая группа дефектов железобетонных шпал BF70/BF70S

Третья группа дефектов железобетонных шпалBF70/BF70S

Четвертая группа дефектов железобетонных шпалBF70/BF70S

Величины предельных размеров раковин на бетонных поверхностях и околов бетона ребер приведены в таблице 5.

Таблица 5.

Приведенная ниже методика расчета предварительно напряженных железобетонных шпал содержит основные расчетные формулы по СНиП II-21-75, преобразованные к виду, удобному для практического применения при расчете шпал BF70.Расчет соответствует данным, приведенным в [19].

Геометрические характеристики расчетного сечения посередине подрельсовой площадки (рис. 17)

Рис. 17. Эксцентриситет усилия и эпюра напряжений предварительного обжатия в подрельсовом сечении шпалы типа BF70

Площадь поперечного сечения напряженной арматуры, мм²,

, (3.1)

где - общее число стержней (под термином стержень здесь и ниже понимается такжепроволока, канат или другой любой одиночной элемент арматуры);

- площадь поперечного сечения одного стержня (ВрII диаметром 5 мм), мм².

Общая площадь F_н высокопрочных проволокВр класса 1400 диаметром 5 мм для подрельсового сечения и сечения посередине шпалыBF70 составляет:

=16•3,14•2,5² = 314 мм²;

Расстояние отниза поперечного сечения шпалы до центра тяжести преднапрягаемых проволок:

(3.2)

где n_i - число стержней в данном горизонтальном ряду арматуры;

y_i - расстояние данного горизонтального ряда арматуры от низа сечения, мм.

Для подрельсового сечения и сечения посередине шпалы:

= ((35+65+130)4+(100+160)2) /16 = 90 мм;

Площадь поперечного сечения бетона шпалы F, мм², определяется по наружным размерам шпалы за вычетом внутренних пустот, каналов и вкладышей из материалов с резко отличными от бетона свойствами (например деревянные или пластмассовые дюбели, попадающие в сечение).

= (185+277)/ 2•225 = 520•10²мм²;

Площадь приведенного поперечного сечения шпалы, мм²,

, (3.3)

= 520 • 10² + 6,15 • 314 = 53 931 мм²;

где,. Величины Е_а и Е_б определяют в соответствии с модулями упругости соответственно арматуры и бетона.

n = 200 000/32 500 = 6,15

Статический момент приведенной площади поперечного сечения шпалы относительно низа сечения определяют по формуле

, (3.4)

где S - статический момент площади поперечного сечения бетона шпалы относительно низа сечения, мм³;

(3.5)

S=(2 • 185+277) • 225²/6 = 5459•10²мм³;

S_п= 5459 • 10³+ 6,15•314•90 = 5633 • 10³ мм³;

Расстояние от низа поперечного сечения шпалы до центра тяжести площади приведенного поперечного сечения шпалы, мм, определяют по формуле

. (3.6)

=5633•10³ / 53 931= 104 мм;

Эксцентриситет усилия предварительного обжатия относительно центра тяжести приведенного поперечного сечения шпалы, мм,

. (3.7)

= 104 - 90= 14 мм;

Момент инерции приведенного поперечного сечения шпалы относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести приведенного сечения, мм⁴,

, (3.8)

где I - момент инерции площади поперечного сечения бетона шпалы относительно центра тяжести поперечного сечения. Разницей в положении центра тяжести поперечного сечения бетона шпалы и центра тяжести приведенного поперечного сечения шпалы пренебрегают.

(3.9)

I= 225³ • (185² + 4•185•277 + 277²) / 36• (185 + 277) = 21638 • 10⁴мм⁴;

= 22050 • 10⁴мм⁴;

При расчете на выносливость вместо n принята величинаn^/в зависимости от проектной марки бетона (n^/ = 10)

Те же характеристики при n^/ = 10:

= 520 • 10² + 10 • 314 = 55 140 мм²;

S_п= 5459 • 10³+ 10 • 314 • 90 = 5742 • 10³ мм³;

у_п =5742 • 10³ /55 140 = 104 мм,

е_он = 104 - 90= 14 мм;

I_п = 22308 • 10⁴ мм⁴;

Предварительное напряжение арматуры и его потери

При первоначальном натяжении арматуры на упоры в ней создается предварительное напряжение у₀, МПа. При механическом способе натяжения арматуры оно должно быть в пределах:

для проволочной арматуры 0,76 R_aII? у₀ ? 0,21 R_aII;

для стержневой арматуры 0,95 R_aII? у₀? 0,32 R_aII.

В проекте шпалы BF70 принято у₀=1170 Мпа (11700 кгс/см²);

у₀ /R_aII= 1170/1670 = 0,70; 0,76>0,70 >0.21.

Таким образом, величина у₀ находится в допускаемых пределах.

Общее начальное усилие предварительного натяжения арматуры, Н:

. (3.10)

314 • 1170 = 367614 Н = 367,6 кН.

Начальное предварительное напряжение фактически существует только в самый первый момент после натяжения арматуры, так как сразу же возникают потери этого напряжения в МПа от ряда факторов.

Потери от релаксации напряжений арматуры, которые при механическом способе ее натяжения определяют по формулам:

- для проволочной арматуры:

(3.11)

= (0,27 • 1170/1670 - 0,1) • 1170 = 104 МПа,

- для стержневой арматуры:= 0,1 - 20.

Потери от температурного перепада (от разности температур ?t натянутой арматуры и упоров, воспринимающих усилие натяжения) при пропаривании или прогреве бетона = 1,2?t. (3.12)

Притехнологии, производства шпал SICI металлическая форма, воспринимающая натяжение арматуры, нагревается в камере вместе с бетоном, имеет ту же температуру, что и арматура, и поэтому потери напряжения в этом случае отсутствуют. При ?t = 40^оC получено:

=1,2 • 40 = 48 МПа;

Потери от деформации анкеров или смещения стержней в инвентарных зажимах

, (3.13)

где л = 1,25 + 0,15d;

d - диаметр стержня, мм;

l- длина натягиваемого стержня (расстояние между наружными гранями формы или упоров стенда), мм.

= (1,25 + 0,15 • 5) • 200 000 / 110 000 = 3,6 МПа

Потери напряжения по формулам (3.11) - (3.13) общие для всех сечений шпалы.

Потери от трения арматуры о поверхность бетона или огибающие приспособления. Потери от этих факторов следует учитывать при последующем натяжении арматуры на затвердевший бетон. При существующейтехнологии эти потери отсутствуют.

Потери от деформации стальной формы при натяжении на нее арматуры. Величину потерь напряжения от этого фактора при отсутствии точных данных о конструкции формы принимают равной 30 МПа (300 кгс/см²). При существующейтехнологии эти потери отсутствуют.

В результате потерь начальное предварительное напряжение арматуры к моменту передачи напряжения на бетон снижается до величины

, (3.14)

= 1170 - (104 +48+ 3,6)= 1014 МПа;

а общая сила предварительного натяжения арматуры - до величины

. (3.15)

= 314 • 1014 = 318724 Н

При передаче этой силы на бетон в нем тоже возникают предварительные напряжения, величина которых на уровне центра тяжести напряжений арматуры составляет

(3.16)

= 318724/55 142+ 299872 • 14²/22050 • 10⁴= 5,6 МПа

Сразу же от этих напряжений в бетоне возникнут явления быстропротекающей ползучести. Потери предварительного напряжения арматуры вследствие этой ползучести бетона к моменту окончания процесса его обжатия составят

(3.17)

= 42,5 • 5,6/40 = 6 МПа

при условии, что ? 0,6

5,6/38 = 0,15 0,6 - условие выполнено;

Таким образом, общие потери предварительного напряжения арматуры к моменту окончания процесса обжатия бетона, называемые «первыми», будут

. (3.18)

= 1170 - (104 +48+ 3,6) - 6 = 1008,4 МПа

Натяжение арматуры на уровне ее центра тяжести после окончания процесса обжатия бетона будет равно

N₀₁ = F_н ( - ) = F_н . (3.19)

N₀₁ = 314 • 1008,4 = 316,84 кН.

В дальнейшем процесс усадки и ползучести бетона продолжается, а следовательно, растут и потери предварительного напряжения арматуры от этих факторов, называемые «вторыми» потерями. Потери от усадки тяжелого бетона, подвергавшегося тепловой обработке при атмосферном давлении, в зависимости от проектной марки бетона будут равны 40 МПа.

Потери от ползучести тяжелого бетона при указанной выше тепловой обработке определяют по формуле

(3.20)

= 170 х 5,6/40 = 24 МПа

В этом случае тоже должно выполняться условие? 0,6

5,6/40 = 0,14< 0,6

После всех потерь напряжения в арматуре на уровне ее центра тяжести будут

, (3.21)

= 1008,4- 40 - 24 = 944,4 МПа

а общая сила предварительного обжатия бетона

. (3.22)

= 314,2• 944,4 = 296730 Мпа

Потери напряжения арматуры после обжатия бетона:

Установившиеся предварительные напряжения в бетоне

, (3.23)

где y - расстояниеот центра тяжести приведенного поперечного сечения шпалы до рассматриваемого слоя бетона.

= 296730/(55 142) + 296730•14/ (22308 • 10⁴) • у = 5,4 + 0,019 • у;

= 5,4 - 0, 019 • 121 = 3,1 МПа

По нижнему краю сечения (растянутая зона)

= 5,4 + 0,019 • 104 = 7,4 МПа.

Установившиеся предварительные напряжения в арматуре, находящейся в этом слое бетона

(3.24)

= 944,4 - 10 • 7,4= 870,4 МПа.

Выносливость железобетонных шпал определяют исходя из следующих условий:

- для сжатого бетона_бmax? m_б2R_пр;

- длярастянутой арматуры_аmax? m_а1 R_a,

где _бmaxи_аmax - максимальные напряжения от эксплуатационной нагрузки соответственно в сжатом бетоне и в растянутой арматуре.

Если в указанных выше условиях принять _бmax=m_б2 R_при _аmax= m_а1 R_a, то можно получить предельные значения изгибающих моментов М_сж и М_а по выносливости шпалы в данном сечении.

Для сжатой зоны сечения

, (3.25)

где - расстояние от центра тяжести приведенного поперечного сечения шпалы до наиболее удаленного слоя бетона сжатой зоны (см. рис. 15).

В рассматриваемом слое бетона уже имеется установившеесяпредварительное напряжение у_б2,а наибольшее напряжение, которое может быть допущено в этом слое, согласно условию равно m_б2R_пр. Следовательно, допустимая амплитуда изменения напряжения в данном слое бетона - от у_б2 до m_б2R_пр. Таким образом, предельное значение

. (3.26)

у_б2= 3,0 МПа; R_пр = 24,5 МПа;

М_сж = 22308•10⁴ / 121 • (0,79 • 24,5 - 3,0) = 3021•10⁴Нмм = 30 кНм.

Величина в этом случае составляет

(3.27)

=3,0/0,78 • 24,5 = 0,16

Поскольку в выражении (3.27) неизвестны и с_б, и m_б2, то величину m_б2 определяют подбором и интерполяцией до тех пор, пока значение с_б, соответствующее по этой таблице величине m_б2, не совпадает со значением с_бпо формуле (3.27).

Для растянутой арматуры

(3.28)

где - расстояние от центра тяжести приведенного поперечного сечения шпалы до наиболее удаленного ряда или стержня арматуры (см. рис 15).

В рассматриваемом стержне уже имеется установившееся предварительное напряжение у_а2, а наибольшее напряжение, которое может быть допущено в этом стержне, согласно условию равно m_a1R_a. Следовательно, допустимая амплитуда изменения напряжения в данном стержне - от у_а2до m_a1R_a. Таким образом, предельное значение

(3.28)

М_а = 1/10 • 22308•10⁴/69 • (0,91•1110 - 870) =45,0 кНм;

Величина с_а в этом случае составляет

(3.29)

с_а= 87/(0,91 • 1110) = 0,86

Как и в предыдущем случае, величину m_a1 определяют подбором и интерполяцией.

Железобетонные шпалы относятся к конструкциям 1-й категории трещиностойкости, в которых не допускается образование трещин при расчетных нагрузках. Поэтому шпалы рассчитывают из условия

у_бmax? m_б2 R_pII,

где у_бmax - максимальное напряжение от расчетной эксплуатационной нагрузки в растянутой зоне бетона;

m_б2 = 0,75, так как в этом случае всегда с_б< 0,1.

R_pII= 2,2 МПа (22 кгс/см²)

Если принять у_бmax= 0,75 R_pII, то предельное значение изгибающего момента М_тр по условию трещиностойкости, при многократно повторяющейся нагрузке определяется выражением:

, (3.30)

где y_p - расстояние от центра тяжести приведенного поперечного сечения шпалы до наиболее удаленного растянутого слоя бетона. Геометрические характеристики приведенного сечения в этом случае также определяют с коэффициентом n^/;

-установившееся предварительное напряжение в рассматриваемом слое бетона.

Момент инерции приведенного поперечного сечения шпалы относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести приведенного сечения, получен из расчета геометрических характеристик расчетных сечений шпалы.

При n^/ = 10: I_п = 22308 • 10⁴ мм⁴, тогда:

- по верхнему краю сечения:

М_тр = 22308 • 10⁴/104 • (7,4 + 0,75 • 2,2) = 19,4 кНм;

- на уровне нижнего, наиболее растянутого, ряда арматуры:

М_тр = 22308 • 10⁴/121 • (3,1 + 0,75 • 2,2) = 8,8 кНм.

Предельную поперечную силу Q_тр, которая может быть допущена по условию трещиностойкости бетона против образования трещин, наклонных к продольной оси шпалы, при многократно повторяющейся нагрузке, определяют из условия

у_г.р. ? m_б2R_pII,

где у_г.р. - главные растягивающие напряжения на нейтральной оси приведенного сечения шпалы, определяемые по формуле

, (3.31)

- установившиеся предварительные сжимающие напряжения в бетоне на нейтральной оси приведенного сечения, МПа;

- касательные напряжения в бетоне на нейтральной оси приведенного сечения, МПа;

S_пн - статический момент части приведенного сечения, расположенной выше нейтральной оси этого сечения, относительно нейтральной оси, мм³;

b_н - ширина сечения шпалы на уровне нейтральной оси, мм.

После подстановки указанных величин получена формула для определения предельного значения поперечной силы:

. (3.32)

Расчет по подрельсовому сечению

b_н = 185 + (277 - 185) • (225 - 104)/225 = 208 мм;

S = (2•185 + 208) •121²/6 = 1410 • 10³ мм³;

При n^/ = 10 получено: S_пн= 1452 • 10³ мм³;

Q_тр =22308•10⁴ • 208/1452•10³v (0,75 • 2,2)² + 0,75•2,2•5,4

Q_тр =108992 Н = 109 кН

Расчет сечения по середине шпалы проводится аналогично расчету по подрельсовому сечению.

Полученные результаты расчета будут следующими:

После выполненных расчетов полученные параметры были сравнены с аналогичными величинами у традиционных шпал типа Ш1-1 [17] и были сделаны следующие выводы:

1. Значение изгибающего момента М_тр по условию трещиностойкости у шпал BF70 на 44% в подрельсовом сечении и на 20% в средней части превышает аналогичный параметр у шпал Ш1-1;

2. Предельная поперечная сила Q_тр у шпал BF70 в подрельсовом сечении - на 16%; а в средней части шпалы - на 60% превышает аналогичный параметр у шпал Ш1-1.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой надежности шпал BF70 по указанным критериям, что гарантирует исключение возникновения дефектов 11.1, 11.2, 12.1 и 12.2 при эксплуатации шпал в составе железнодорожного пути.

В главных путях шпалы с дефектами первой степени допускается оставлять до очередного капитального ремонта пути, при котором такие шпалы следует заменить. В стационарных и подьездных путях шпалы с дефектами первой степени замене не подлежат.

Шпалы с дефектами второй степени, лежащие во всех видах путей по две и более подряд, следует заменять при текущем содержании пути в возможно короткие сроки. Допускается одиночно лежащие шпалы с дефектами второй степени оставлять в пути до очередного подьемочного или среднего ремонта пути, при котором такие шпалы заменяют.

3.2 Ремонтопригодность и повторное применение железобетонных шпалBF70/BF70S

Человечество в своей практической жизни использует сотни миллионов тонн различных видов материалов, а для их производства и добычи еще большее количество горных пород идет в отходы или резервации. Этот процесс, как правило, затратный и проблема состоит не только в поисках новых источников материалов, энергии, жидких и газовых сред, но также в экономном использовании существующих продуктов жизнедеятельности. Поэтому необходимо возможно более длительное сохранение природных ресурсов, осторожное изыскание новых материалов и экономное использование энергетических ресурсов для создания рационального материалооборота в природе и экологической безопасности природопользования.

Нарушение технологии изготовления железобетонных шпал, неосторожное обращение с ними при погрузке, перевозке и выгрузке, несоблюдение правил и технологии укладки и содержания в пути приводят к образованию в шпалах трещин, отколов и других дефектов, уменьшающих срок их службы.

Дефектные шпалы необходимо своевременно ремонтировать, чтобы предупредить развитие пороков и переход их в группу негодных. В пути ремонт допускается, если необходимо быстро обеспечить требуемую ширину колеи.

Ремонт в пути железобетонных шпал BF70/BF70S заключается в заделке отколов, продольных и поперечных трещин, основными причинами возникновения которых являются неправильное опирание шпалы на балласт, просадки в стыках, угон пути по шпалам, некачественное изготовление шпал.

Для ремонта шпал применяют полимерные материалы. Из большего количества исследованных для этой цели материалов наиболее эффективными оказались полимерцементные покрытия на основе поливинилацетатной эмульсии и синтетических латексов (искусственный каучук) [6].

Отколы бетона на шпалах, а также трещины шириной более 1 мм можно заделывать цементно-песчаным раствором с добавкой поливинилацетатной эмульсии, которую выпускает химическая промышленность. Чтобы приготовить этот раствор, берут 10 весовых частей цемента (БТС или портландского марки не ниже 500), от 5 до 25 весовых частей песка (среднезернистого, промытого и просеянного через сито с отверстиями диаметром 3 мм) и 2-3 весовые части эмульсии с содержанием 50% воды. Воды необходимо 4-4,5 л на 10 кг цемента для получения пластичного раствора [6].

Эмульсия выпускается непластифицированная и пластифицированная. Непластифицированная эмульсия более морозостойкая, ее можно транспортировать в холодное время года. При использовании этой эмульсии в нее входят пластификатор в количестве 15% веса эмульсии. В качестве пластификатора используют латексы каучуков, полиамидные смолы и др.

Для заделки небольших повреждений можно применять раствор, в состав которого входит 10 весовых частей цемента, 5-15 весовых частей песка; при больших повреждениях на 10 весовых частей цемента берется 15025 весовых частей песка.

Кроме того раствора, для заделки трещин более 1 мм применяют полимерцементное тесто, состоящее из 10 весовых частей цемента, двух весовых частей эмульсии и воды в количестве 20-30% веса цемента. В случае отсутствия полимерных эмульсий могут быть использованы обычные цементно-песчаные растворы и цементное тесто.

Мелкие трещины (до 0,5-0,8 мм) можно заделывать полимерцементными красками, в состав которых должны входить цемент, эмульсия или латекс (разведенный искусственный каучук) - 10-20% массы цемента и воды в количестве 40-55% общей массы цемента и эмульсии. Такую краску приготавливают не раньше, чем за 3-4 часа до начала работы. Если применяется латекс, то перед смешиванием с цементом в него добавляют стабилизатор. Стабилизатор представляет собой смесь кислотного казеина (14%), кальцинированной соды (1%) и воды (85%), подогретой до 70°С. Для лучшего растворения казеина эту смесь можно подогревать.

Перед нанесением на шпалу раствора (теста или краски) ее поверхность тщательно очищают металлической щеткой, зубилом или скребком до плотного бетона; трещины с шириной раскрытия более 1 мм разделывают зубилом клинообразно на глубину до 10 мм. Расчищенные места перед заделкой промывают водой, промазывают цементным молоком или смачивают 10% - ным водным раствором полимера. Затем полимерцементный раствор наносят на шпалу, посыпают сухим цементом и заглаживают. При температуре выше 25°С заделанные места увлажняют. Полимерцементные краски наносят в два слоя, причем второй слой наносят через 1-2 часа после первого.

Для заделки околов бетона железобетонных шпал BF70/BF70Sфирма Pandrolрекомендует состав из эпоксидной смолы - 10 кг, отвердителя - 1 кг и цемента марки 50 - 7 кг. Период высыхания 1 сутки.

Повреждения, относящиеся к пятой группе дефектов связаны со скреплениями. Поэтому технология ремонта подрельсовой части железобетонной шпалы отличается от технологии ремонта других групп дефектов.

Закладной анкер рельсового скрепления «Pandrol Fastclip», изготавливаемый из чугуна с шаровидным графитом, обладает хорошими прочностными показателями и способен выдерживать значительные вертикальные и боковые нагрузки, передаваемые от колес подвижного состава через рельс на скрепление [23]. Однако в редких случаях при несанкционированном воздействии на анкер скрепления (например, как следствие случайного удара рабочими органами подбивочной машины или путевым инструментом) он может быть деформирован или сломан. Для исключения отбраковки железобетонных шпал с дефектными анкерами необходимо произвести их замену новыми анкерами.

Ниже приведены результаты исследований, включающих в себя:

1. Установление последовательности операций по замене дефектных анкеров, как в действующем пути, так и на производственных базах.

2. Сравнительный анализ фактических нагрузок на вырывание анкеров на новых и отремонтированных шпалах.

Указанные работы были выполнены на заводе-производителе железобетонных шпал BF70/BF70S со скреплениями «PandrolFastclip»(ДП «RWSOptimum», г. Ташкент).

Ниже приведена оптимальная последовательность операций по замене дефектных анкеров:

1. Предварительно следует удалить все съемные компоненты с анкера, включая боковой изолятор. С помощью специального сверлильного станка с колонковым буром производится высверливание упорной вертикальной лапки анкера (рис. 18а). Скорость сверления должна соответствовать 90 оборотов/минуту. После высверливания металлической лапки анкера бетонная сердцевина ломается свободно, после чего она извлекается из шпалы.

2. Выполняется демонтаж боковых направляющих анкера. После удаления анкера с верхней части шпалы на ней остается отпечаток от удаленного анкера (рис. 18б), который позволяет позиционировать новый анкер относительно высверленного отверстия. Положение этого отпечатка также обеспечивает правильный размер подрельсовой площадки.

3. Используя молоток и зубило на внутренней поверхности высверленного отверстия в нескольких местах следует нанести зарубки (для обеспечения надежного сцепления эпоксидного клея с бетоном шпалы).

4. В случае если установка нового анкера выполняется при снятых рельсах, он устанавливается в высверленное отверстие и позиционируется на шпале с помощью шаблона (рис. 18в, 6). Если анкер устанавливается в пути при не снятых рельсах, то клемма и прижимной изолятор могут быть предварительно позиционированы относительно бокового изолятора и подогнаны к анкеру.

5. Высверленное отверстие заливается раствором эпоксидной смолы, приблизительно на 20 мм не доходя до верхней поверхности шпалы. Это исключает наличие избытков клея на шпале.

6. Анкер вставляется сначала в отверстие, а затем мягко позиционируется в отпечаток анкера.

7. После твердения эпоксидной смолы (табл. 6) клемма на шпале устанавливается в рабочее положение, и шпала может использоваться в действующем пути.

Рис. 18 Высверливание анкера и его позиционирование на шпале

Рис. 19. Шаблон для позиционирования анкера на шпале

Таблица 6 - Время твердения эпоксидной смолы и установки клемм

Для оценки надежности работы железобетонной шпалы BF70 с замененным анкером были определены нагрузки на вырывание анкера из бетона шпалы BF70. Испытания проводились на специальном 20-тонном стенде для 3-х новых и 3-х отремонтированных шпал (рис. 20а-20б).

В соответствии с европейским стандартом испытания предусматривали:

1. Приложение к анкеру скрепления направленной вертикальной вверх силы со скоростью приложения нагрузки 50 кН.

2. Доведение контрольной нагрузки до величины 60 кН и ее выдержка в течение 3-х минут.

3. Контроль состояния анкера и подрельсовой площадки шпалы при нагрузке 60 кН. При указанной нагрузке анкер не должен иметь видимых деформаций, и он должен оставаться в бетоне шпалы.

4. Нагрузка увеличивается до момента вырывания анкера из бетона шпал (рис. 18б), после чего может быть рассчитан коэффициент запаса, как отношение фактической нагрузки вырывания анкера к контрольной нагрузке 60 кН.

В результате эксперимента было установлено, что на всех шпалах при нагрузках более 90 кН происходило не вырывание самого анкера, а разрыв вертикальной лапки анкера. Связано это с высокой прочностью бетона шпал типа BF70 (марка бетона шпал - В50 и выше).Результаты испытаний приведенные в таблице 7.

Рис. 20. Испытания анкера на вырывание из бетона шпал BF70

Таблица 7 - Результаты испытаний анкеров шпал BF70 на вырывание

После замены дефектных анкеров прочностные показатели узла скрепления не снижаются. Коэффициент запаса по усилию вырывания анкеров на отремонтированных шпалах составляет К_з=1,53-1,55 и практически равен этому параметру для новых шпал (К_з =1,52-1,57).

Приведенная ресурсосберегающая технология замены дефектных анкеров скреплений «PandrolFastclip» позволяет экономить значительные материальные ресурсы и исключить отбраковку железобетонных шпал в случае повреждения анкеров[23].

Исправление дефектов бетонных поверхностей железобетонных шпалBF70, возникающих при их изготовлении состоит из следующих операций:

- подготовка дефектных поверхностей шпал;

- подготовка материалов;

- приготовление ремонтной композиции;

- нанесение композиции на ремонтируемые участки;

- механическая обработка отремонтированных поверхностей (при

необходимости).

Поврежденные поверхности должны быть очищены от загрязнений цементной пыли. При наличии масляных загрязнений участки протеретьматерчатыми салфетками смоченными органическим растворителем (ацетоном, бензином и др.), после чего выдержать до проведения ремонта 10-15 минут.

Установить опалубку на местах ремонта шпалы для предотвращения вытекания ремонтной композиции. Опалубка может быть изготовлена из любого материала (дерево, металл и др.), но при этом должна быть исключена возможность прогиба ее стенок под действием веса ремонтной композиции.

Опалубка должна плотно прилегать к неповрежденной поверхности шпал около околов и иметь одну открытую горизонтальную поверхность для заливки композиции.

Для исключения прилипания композиции к поверхности опалубки на нее наносят пленку целлофана или тонкий слой кремнеорганического вазелина или другого антиадгезива. Для того чтобы пленка держалась на вертикальных поверхностях опалубки, поверхность смазывают консистентной смазкой, например, солидолом, после чего накладывают пленку, аккуратно разглаживая складки.

Для ремонта железобетонных шпал BF70/BF70S применяют композиции на основе:

- эпоксидной смолы с отвердителем (полиэтиленполиамин или агидол);

- поливинилацетатной эмульсии.

В качестве наполнителей в этих композициях применяют:

- портландцемент марки 400-500;

- песок.

Приготовление композиции необходимо проводить в металлической емкости, при этом ширина и длина емкости должна быть в 2-3 раза больше высоты, что способствует лучшему теплоотводу.

Композиции готовятся в количестве, необходимом для работы в течение сроков их жизнеспособности.

Время жизнеспособности композиции определяется от момента введения отвердителя в эпоксидную смолу.

Взвесить или отмерить калиброванными емкостями все компоненты композиции. В емкость со смолой ввести отвердитель и тщательно перемешать 2-3 минуты, после чего добавить в смолу заранее приготовленную смесь цемента с песком и вновь перемешать до получения однородной массы.

Поливинилацетатная эмульсия, входящая в состав композиции, состоит из смеси поливинилацетата в воде (50 %). Промышленность выпускает ПВАЭ в пластифицированном и непластифицированном (в зимнее время) виде. В последнем случае в ПВАЭ вводится на месте пластификатор (дибутилфталат) в количестве 15 % от массы поливинилацетата (сухого вещества). Взвесить или отмерить все композиции с заранее приготовленной смесью цемента с песком и тщательно перемешать до получения однородной пластичной массы.

Перед нанесением ремонтной композиции на основе эпоксидной смолы очищенные поверхности бетона промазать клеем, состоящим из эпоксидной смолы и отвердителя.

Перед нанесением ремонтной композиции на основе поливинилацетатной эмульсии поверхность бетона смачивают 10 % водным раствором поливинилацетатной эмульсии (1 часть ПВАЭ на 500 частей воды).

На подготовленные участки шпалы шпателем или деревянной лопаткой нанести ремонтную композицию так, чтобы она немного выступала (0,5-1 мм) над ремонтируемой поверхностью. Участки с нанесенной композицией присыпать цементом, закрыть целлофаном и уплотнить легким надавливанием. Дать выдержку для отвердения композиции.

Отремонтированные участки шпалы не должны подвергаться механическим воздействием в течение 1 суток с момента нанесения композиции.

При необходимости, отремонтированные участки обработать наждачным кругом средней зернистости. При этом допускается обрабатываемые поверхности смачивать водой.

Проверка качества и приемка отремонтированных шпал или брусьев производится техническим контролером завода и инспектором-приемщиком.

Приемка производится осмотром шпалы не ранее, чем через одни сутки после окончания ремонта. При осмотре простукиваются те места шпалы, где нанесены ремонтные композиции, для оценки надежности схватывания их с бетоном. При ударах молотка ремонтная композиция не должна отслаиваться от плотного тела шпалы.

Отремонтированные шпалы через сутки после окончания ремонта могут храниться и транспортироваться в соответствии с требованиями технических условий на шпалы.

Сферы повторного применения [7, 24] железобетонных шпал BF70/BF70S определяются состоянием шпал, а также видом их ремонта перед повторной укладкой в путь. Железобетонные шпалы BF70/BF70S перед повторной укладкой проверяют на соответствие группам годности I и II. К шпалам первой группы относят шпалы, не имеющие дефектов и повреждений. К шпалам второй группы относят шпалы с дефектами первой степени развития, указанными в п. 3.1. табл.4.

Все железобетонные шпалы, снимаемые с пути при его капитальном или других видах ремонта, необходимо обследовать и в зависимости от их состояния относить либо к годным для повторного применения, либо к негодным.

Годные для применения старогодные железобетонные шпалы BF70/BF70Sмогут быть использованы для укладки:

- на скоростных и высокоскоростных линиях, а также железнодорожных путях 1 и 2 классов в случае полного соответствия их параметров требованиям государственных стандартов Республики Узбекистан OzDStEN13230-1,2:2003 и технологической инструкции ТИ 64-21468397. При этом предварительно необходимо провести отбраковку старогодных железобетонных шпал BF70/BF70S по дефектам (приложение 2) с последующим испытанием по параметрам трещиностойкости).

- на путях 3-5 классов при капитальном ремонте на старогодных материалах, а также всех классов пути при усиленном среднем и среднем ремонте, планово-предупредительной выправке и при текущем содержании пути.

Негодные для повторного использования шпалы укладке в действующие пути не подлежат, а могут использоваться для железнодорожных обустройств, реализовываться по ценам, установленным на АО «Узбекистон темир йуллари» для нужд дистанций пути, ПМС и других организаций или направляться на утилизацию.

3.3 Выводы по третьей главе

1. В третьей главе диссертационной работы была поставлена задача - разработать классификацию дефектов и повреждений, характерных для железобетонных шпал BF70/BF70S, а также способы их устранения и возможность повторного применения шпал BF70/BF70S.

2. Были обследованы железнодорожные участки на АО «Узбекистон темир йуллари» на выявление наиболее часто возникающих дефектов железобетонных шпал BF70/BF70S во время их эксплуатации, а также погрузке и укладке в путь. Установлено, что:

- причиной дефектов могут быть нарушения технологии при погрузке, выгрузке, сборке и укладке звеньев, выполнении путевых работ, а также при падении на путь тяжелых предметов и других нарушениях;

- при оценке состояния шпал следует производить визуально и лишь в необходимых случаях измерять дефекты после удаления с поверхности шпал загрязнений или балласта;

- при оценке состояния шпал по трещинам принимают во внимание только видимые невооруженным глазом трещины в бетоне с раскрытием до 1-2 мм, ориентированные поперек и вдоль шпалы. Беспорядочно расположенные усадочные трещины в бетоне не учитывают.

- глубину выработки бетона на подрельсовой площадке шпалы определяют измерением наибольшего зазора между поверхностью площадки и ребром приложенной к ней линейки.

-при оценке шпалы следует отличать разрушение бетона от его окола. При околе бетон плотный, края окола резко очерчены. При разрушении бетона в начальной стадии его поверхность покрыта сеткой мелких беспорядочных трещин или множеством раковин. В дальнейшем бетон рассыпается на отдельные его составляющие - щебень, куски цементного камня. Края зоны разрушения бетона резко не очерчены.

3. С учетом всех выше перечисленных аспектов была разработана классификация дефектов железобетонных шпал BF70/BF70S(табл. 4). В таблице указан код (номер группы и степень развития того или иного дефекта), краткое описание, схематическое изображение и основные причины появления.

4. Железобетонные шпалы, лежащие в пути по дефектности, подразделяют на две группы: первая и вторая. К шпалам первой группы относят шпалы, не имеющие дефектов и повреждений. К шпалам второй группы относят шпалы с дефектами первой степени развития. Дефектные шпалы необходимо своевременно ремонтировать, чтобы предупредить развитие пороков и переход их в группу негодных. В пути ремонт допускается, если необходимо быстро обеспечить требуемую ширину колеи.

5.Приведенный в разделе 3.1 расчет железобетонных шпал BF70 на выносливость и трещиностойкостъ свидетельствует о высокой надежности эксплуатации данных шпал в пути и исключает возникновение таких дефектов, как 11.1, 11.2, 12.1 и 12.2 (см. табл. 4) при эксплуатации шпал в составе железнодорожного пути.

6. В разделе 3.2 описаны все возможные способы ремонта железобетонных шпал BF70, даны рекомендации по их дальнейшей эксплуатации в железнодорожном пути.

4. ПРОЕКТ «ИНСТРУКЦИИ ПО ВЕДЕНИЮ ШПАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ ШПАЛАМИ BF70/BF70S СО СКРЕПЛЕНИЯМИ «PANDROLFASTCLIP»

1. Общие положения

Настоящая "Инструкция по ведению шпального хозяйства с железобетонными шпаламиBF70/BF70Sсо скреплениями PandrolFastclip" (далее - Инструкция) разработана c целью внедрения на АО «Узбекистон темир йуллари» наиболее рациональнойсистемы ведения шпального хозяйства с железобетонными шпалами BF70/BF70S со скреплениями PandrolFastclip.

2. Конструкция железобетонной шпалы BF70

2.1. Конструкция и основные размеры типовой шпалы BF70и BF70S со скреплениями типа «PandrolFastclip» приведены на чертежах 1-6приложения N1 к настоящей Инструкции. На чертежах указаны размеры шпал, подлежащие контролю при их приемке.

3. Указания по применению железобетонных шпал

3.1. Железобетонные шпалы предназначены для применения на железнодорожных путях всех классов, установленных Положением о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Узбекистана[25](далее - Положением).

3.2. Порядок применения новых железобетонных шпал и старогодных, повторно используемых в пути того или иного класса, группы и категории определяются техническими требованиями и нормативами для соответствующего пути.

3.3. В пути применяют как новые железобетонные шпалы BF70/BF70S, так и старогодные шпалы, повторно используемые после первого срока службы в пути.