книги из ГПНТБ / Ситковский, И. П. Полимерные материалы на зарубежных железных дорогах

ция сохранила все свои упругие характеристики. Динамический про­ гиб рельса под подвижным составом со статической нагрузкой 20 т на ось составляет 2,0—2,5 мм. Причем увеличение скорости от 10 до 140 км/ч практически не сказывается на величине динамического про­ гиба рельса. Отмечается, что опыт эксплуатации такой конструкции указывает на высокую стабильность пути и неизменность во времени геометрических характеристик рельсовой колеи.

Вследствие роста скорости движения поездов и нагрузки от оси на рельс во многих странах в течение последних лет проводятся иссле­ дования с целью полной или частичной замены морозозащитного слоя из специального грунта слоями из теплоизоляционных материалов. Это вызвано возрастающими расходами на текущий ремонт балласт­ ной призмы с досыпкой ее при деформации земляного полотна, с уклад­ кой «подбалласта» из защитного гравийного слоя и с покрытием земля­ ного полотна пластмассовой пленкой при восприимчивых к влаге грун­ тах [47]. Несмотря на интенсивную механизацию работ, расходы на те­ кущее содержание пути, по данным исследований Французских желез­ ных дорог, возрастают пропорционально кубу увеличения максималь­ ной скорости движения поездов.

В ФРГ проводятся испытания полной или частичной замены грун­ тового теплозащитного слоя основной площадки земляного полотна по­ лимерными теплоизоляционными материалами. Для этих целей исполь-

Рис. 109. Схема конструкции безбалластного пути в тоннеле Bözberg

/ — пористая резиновая (неопреновая) прокладка толщиной 10 мм; 2 — рифленая резиновая подрельсовая прокладка толщиной 4*5 мм; 3 — пру­ жинная прижимная клемма; 4 — резиновая (неопреновая) подушка; 5 — цементный раствор; 6 — бетонное основание

170

зуется пенопластовая изоляция, состоящая из слоев морозозащитных и несущих плит пенополистиролбетона (стиропорбетона). Этот мате­ риал можно отнести к легким бетонам, изготовляемым из цемента в качестве связующего с легким наполнителем.

Наполнителем является пенополистирол с закрытыми порами, образующийся в результате вспенивания шариков полистирола, содержащих порообразователи. В зависимости от объемной плотно­ сти изготовляемого бетона содержание шариков полистирола состав­ ляет 60—70%. Они выполняют роль порообразователей, а при вспени­ вании в процессе схватывания цемента являются порозаполняющим веществом. Незначительное водопоглощение пенополистиролбетона (стиропорбетона) объясняется герметично-пористой структурой пено­ полистирола в нем. Морозостойость цементного камня в сочетании с упругими характеристиками пенополистирола обеспечивает морозо­ стойкость слоев из плит пенополистиролбетона. Изготовление бетонной смеси осуществляется с использованием установки для приготовления полистирола системы КАВЕ в два этапа. На первом этапе делают до­ зировку и смачивание в смесителе вспенивающихся шариков полисти­ рола вяжущими веществами, на втором — добавляют остальные состав­ ные части смеси. Благодаря связующему цементный раствор покрывает поверхность вспененных шариков полистирола. Система связанных друг с другом оболочек шариков пенополистирола образует структуру пенополистиролбетона.Отмечается, что при большом объеме строитель­ ных работ для сокращения расходов на транспортировку сырья и полу­ фабрикатов шарики полистирола необходимо вспенивать непосред­ ственно на строительной площадке. Это осуществимо при использова­ нии передвижных установок КАВЕ большой мощности для автомати­ зированного приготовления смеси, начиная от вспенивания полистирольного сырья до приготовления пенополистиролбетона, готового для укладки. Отдельные детали установок могут быть смонтированы в ва­ гонах и поезд с ними может находиться на ближайшей станции. Транс­ портировка готового стиропорбетона к месту работ осуществляется на открытых автомашинах. При этом не происходит потери вяжущих свойств или расслоения материала. Бетон на подготовленное и уплот­ ненное земляное полотно, снабженное при необходимости дренирующи­ ми устройствами, укладывают бетоноукладчиками с уплотняющим устройством в виде трамбовок и вибробалок или бетоноукладчиками на рельсовом ходу. Слой уложенного бетона толщиной 15—20 см дополнительно обрабатывают битумной эмульсией или увлажняют. После этого через день-два пенополистиролбетон плотностью 500— 600 кг/м3приобретает достаточную несущую способность, допускающую укладку на нем предварительно изготовленных несущих рельсовых плит. Через 5 дней на нем может производиться работа по изготовлению на месте и укладке сплошных бетонных несущих плит с помощью приме­ няемых обычно в дорожном строительстве транспортных средств, ме­ ханизмов и инструментов. Испытания механических свойств стиропор­ бетона, применяемого в качестве термоизоляционного несущего слоя в ряде искусственных сооружений и в верхнем строении пути с рель­ совыми бетонными опорными плитами, проведенные при кратковремен­

171

ной статической и длительной динамической нагрузках, подтвердили его пригодность для применения в данной области.

На перегоне Форхгейм— Бамберг в ФРГ грузонапряженностью око­ ло 40 000 т брутто был устроен опытный участок с жесткой конструкци­ ей пути для испытания различных типов бесшпального и безбалластного верхнего строения. В связи с тем, что основание земляного полотна

плиты с предварительно напряженной арматурой были уложены на протяжении 114,4 м на стиропоровом бетоне (рис. ПО). Слой пенополистиролбетона шириной 4 м укладывался дорожно-строительными меха­ низмами, передвигавшимися по временным рельсам. На уплотненный фильтрующий слой с помощью поворотного ковшового дозатора был уложен слой стиропорбетона толщиной 16,5 см, который затем был выровнен и уплотнен бетоноотделочной машиной до толщины 15 см. Сразу после этого на него были уложены 22 подрельсовые, предвари-

Рис. 110. Путь на железобетонных плитах и пенополистирол-

бетоне:

/ — подрельсовые напряженные железобетонные плиты; 2 — пенополнстиролбетон (стнропорбетон) с плотностью 480 /сГ/ж3; 3 —• битумная шпаклевка; 4 — балластная щебеночная призма; 5 — слой мелкозерни­ стого песка

172

Рис. 111. Путь с теплоизоляционным слоем из пенополистиролбетона в процессе укладки:

/ — подрельсовые железобетонные плиты; 2 — выступающий на обочину слой пенополистнролбетона, покрытый битумной шпаклевкой

тельно напряженные железобетонные плиты размером 5,19 X 2,40 X X 0,18 м. После выравнивания с подпрессовкой цементным раствором смежные плиты были скреплены между собой четырьмя шпонками ди­ аметром 30 мм с уплотнением швов профильной неопреновой проклад­ кой. Боковой выступ стиропорбетона для предотвращения поступле­ ния холодного воздуха и поверхностной влаги с обочин шириной 0,8 м был покрыт шпаклевкой из холодного битума (рис. 111). Пластмассовые дюбели из полиэтилена высокой плотности для рельсовых скреплений были вмонтированы при изготовлении плит на заводе сборного железо­ бетона. Существенной особенностью конструкции примененных рель­ совых скреплений является упругая резиновая прокладка, создающая упругость пути такую же, как и в пути на шпалах с балластной призмой (рис. 112). Испытания показали, что верхнее строение пути на опорном слое из стиропорбетона достаточно устойчиво. Отмечается, что в тече­ ние зимних периодов только 9 дней под слоем стиропорбетона была температура несколько ниже 0 ° С, причем самая низкая темпера­ тура в один из дней составила — 1°С, что говорит о достаточной тепло­ изоляции. Однако для исключения какого-нибудь риска рекомендует­ ся при строительстве новых линий толщину слоя стиропорбетона дово­ дить до 18—20 см. Капиталовложения на верхнее строение пути из плит выше, чем на обычную конструкцию, но расходы на содержание жесткого пути значительно ниже рельсового пути, уложенного на деревянных шпалах. Решающим фактором должно быть снижение

173

Рис.'112. Путь на железобетонных плитах с различными типа­ ми промежуточных рельсовых скрепленніі на упругих резино­ вых прокладках.

затрат на содержание пути, достигаемое за счет получения в данном случае абсолютной стабильности пути и высокого качества хода поезда при скоростном движении. После пропуска 30 млн. т брутто груза в 1970 г. на участке были подняты рельсовые плиты. Результаты осмот­ ра позволили сделать заключение об отличном состоянии пути, отсут­ ствии каких-либо повреждений слоя стиропорбетона. В описании ис­ следования напряжений в элементах верхнего строения железнодорож­ ного пути при больших осевых нагрузках и высоких скоростях движе­ ния [48] отмечается, что подобная конструкция наиболее отвечает повышенным осевым нагрузкам и скоростям движения поездов.3

3.Устройства переездов

Впоследние годы на некоторых зарубежных железных дорогах по­ лимерные материалы начинают использовать для усовершенствования конструкции настила переездов при пересечении на одном уровне без­ рельсовых дорог. На железной дороге Санта Фэ, например, для уве­ личения межремонтного срока службы железнодорожного переезда на нем был уложен опытный настил из пропитанной полимером древесины,

арядом для сравнения — обычный деревянный. Новый материал пред­ ставлял собой древесину, пропитанную мономером метилметакрилата, подвергнутую последующей полимеризации путем облучения гамма-лу­ чами. Такой материал, подвергнутый радиационной обработке, обла­ дает в несколько раз большей твердостью и прочностью, чем обыч­ ная древесина. Он имеет повышенную износостойкость и меньшую вла­

гоемкость.

' 174

Конструкция опытного настила была выполнена из полушпал, пропитанных из расчета 282 кг мономера на 1 м3 древесины. По переезду пропускалось в сутки около 2300 автомашин со скоростью 50—80 км/ч.

Переезды, устраиваемые с настилами из деревянных шпал или брусьев, недолговечны, дороги и требуют больших затрат рабочей си­ лы на текущее содержание, металлические настилы не обеспечивают хорошего сцепления с колесами автотранспорта. В США запатентован настил из стальных швеллерных балок, покрытых специальным со­ ставом на основе эпоксидной смолы. Для обеспечения необходимой шероховатости в состав эпоксидного покрытия введен наполнитель, содержащий абразивные частицы. Швеллеры укладываются поверх де­

дов выполнен с использованием стальных обрезиненных полос [6]. Это обеспечивает ровную поверхность, удобную для пересечения же­ лезнодорожного полотна колесами автотранспорта, имеющими малый диаметр.

Конструкция настила обеспечивает свободное прохождение ре­ борд (гребней) колес железнодорожного подвижного состава.

В США в целях обеспечения наилучших условий для движения автотранспорта при пересечении железной дороги Балтимора и Огайо в г. Морейн, штат Огайо, на двух переездах с четырехрядной автома­ гистралью уложены резиновые настилы (рис. 113). Опыт эксплуатации показал высокое качество этих переездов. Затраты на их текущее со­ держание сравнительно невелики. Однако размеры первоначальных затрат препятствуют широкому распространению переездов такой конструкции [7].

Рис. 113. Настил железнодорожного переезда из резиновых элементов на пересечении с четырехрядной автомагистралью

175

4. Шпалы

Известные недостатки деревянных и железобетонных шпал приве­ ли в ряде стран — США, Франции, Швейцарии — к исследованиям по разработке шпал из других материалов. Целью их являются поиски возможности создания дешевых, удобных и простых в изготовлении шпал — водонепроницаемых и морозостойких, износостойких в са­ мых жестких условиях эксплуатации и относительно легких. В США разработано несколько типов опытных шпал с применением полимер­ ных материалов. Примером служит шпала из пластмассы на основе фенолоформальдегидной смолы с твердой волокнистой древесиной южных сортов хвойных пород в качестве наполнителя. Такие шпалы изготовляют формованием при повышенных температуре и давлении. Изменением технологических параметров формования и соотношения связующего полимера и наполнителя в составе материала можно полу­ чать необходимые характеристики шпалы. Другим примером является шпала из стеклопластика. Рельсы на таких шпалах укладываются на стальных или стеклопластиковых подкладках. В последнем случае подкладка отформовывается вместе со шпалой. Разработаны шпалы из синтетических смол с применением тросообразной арматуры из металла или стеклонитей. Такие шпалы выдерживают воздействие высоких статических и динамических нагрузок, хорошо сопротивляются изно­ су, не реагируют на температурные изменения о т —60° до -f-130°C, обладают высоким электрическим сопротивлением. Для их изготовле­ ния применяют различные смолы или смеси эпоксидных, фенолоформальдегидных и других смол. Отмечается, что лучшими шпалами, об­ ладающими хорошим сопротивлением механическим воздействиям, являются изготовленные на основе кристаллических термопластичных смол.

Во Франции предложена шпала, изготовляемая на основе эпоксид­ ной смолы (1 весовая часть) и наполнителя из смеси песка (4 части) и гравия (8 частей). В качестве других инертных наполнителей можно использовать стекловолокно, древесину и асбест. Для изготовления шпал смесь такого полимерного материала укладывают и уплотняют в специальной форме. Изготовленная таким образом шпала обладает повышенным сопротивлением растяжению и сжатию, термостойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами. Для повышения меха­ нической прочности шпалу можно армировать металлической арма­ турой.

ВШвейцарии испытывались шпалы, изготовленные на основе по­ лиэфирной смолы, в качестве инертных наполнителей их использова­ лись те же материалы, что и при изготовлении железобетонных шпал. Кроме того, при изготовлении опытных шпал из полимерных мате­ риалов используют также и термореактивные смолы — эпоксидную, фенолоформальдегидную, кремнийорганическую и смеси фенолофор­ мальдегидной смолы с полиамидной или эпоксидной со стеклянными или другими минеральными наполнителями.

ВЯпонии для более. полного использования лесо-пиломатериалов

проводили эксперименты по изготовлению составных клееных шпал

176

[8]. Составные части шпалы соединяли в пазы и склеивали резорци­ новыми смолами, содержащими антисептические вещества. Всего было изготовлено и испытано 6 типов составных клееных шпал. Предвари­ тельные испытания показали, что клееные шпалы по прочности и дол­ говечности не уступают обычным деревянным. Однако работы по созданию шпал из синтетических материалов пока еще не вышли из стадии экспериментирования.

5. Детали рельсовых скреплений

На деревянных шпалах. Одной из причин преждевременного выхо­ да из строя деревянных шпал является механический износ древеси­ ны в зоне скрепления с рельсом, возникающий под металлическими подкладками, вследствие воздействия поездных нагрузок.

Применение раздельных рельсовых скреплений с помещением на шпалу промежуточных прокладок между металлической подкладкой и шпалой в значительной степени уменьшает износ древесины, увели­ чивая таким образом срок службы шпал. В этих целях на железных дорогах ПНР в узлах скреплений рельсов на деревянные шпалы укла­ дывают прокладки толщиной 5 мм из пропитанной фенолоформальде­ гидной смолой и опрессованной деревянной заготовки [9]. На железных дорогах Бельгии в рельсовых скреплениях помещают прокладку, со­ стоящую из двух накладываемых друг на друга частей, между кото­ рыми помещается резиновый амортизационный слой.

На железных дорогах ФРГ преобладают рельсовые скрепления типа К с деревянными прокладками из пропитанной фенолоформаль­ дегидной смолой и опрессованной заготовки из тополя, помещаемой под подошвой рельса, и с резиновыми рифлеными прокладками под металлической подкладкой на шпале. Однако при использовании про­ межуточных скреплений этого типа наблюдается коррозия подошвы рельсов в местах контактирования с прокладками из опрессованной древесины.

В США для деревянных шпал используются подкладки из полиуре­ тана или пластмассы на основе эпоксидной смолы. Их изготовляют отдельно, а затем приклеивают к шпале или отливают непосредственно в пазу шпалы. При испытании таких прокладок и клеев на динамиче­ скую нагрузку до 2,5 млн. циклов нагружений, на замораживание

иоттаивание, на увлажнение и высыхание были получены хорошие результаты.

Предлагается также подрельсовая подкладка, которая изготовляет­ ся из полиэтилена высокой плотности. По своим геометрическим раз­ мерам она аналогична обычной стальной двухребордчатой подкладке

иукрепляется на шпале с помощью четырех костылей. Подкладка укла­ дывается в выфрезерованный в шпале паз заподлицо с ее верхней по­ верхностью. Для стабилизации полиэтилена от действия ультрафиоле­ товых солнечных лучей в него рекомендуется добавлять 2,5% сажи. Введение в состав полиэтилена 30% стекловолокна улучшает прочност­ ные характеристики подкладки. При испытании шпалы с такой под-

177

кладкой после многократного циклического нагружения в течение нескольких недель, соответствующего сроку службы шпалы на износ при умеренном движении поездов, в местах контакта полиэтиленовой подкладки с деревянной шпалой были обнаружены лишь незначитель­ ные признаки износа.

ВСША выпускают шпальные прокладки, которые уменьшают ме­ ханический износ шпал и увеличивают срок службы их. Эти прокладки изготовляются из фибро-резинового материала. Их приклеивают к шпа­ лам с помощью битума, что создает изоляцию древесины шпалы под прокладкой от попадания на нее воды, песка или другого абразивного материала. Проведенные всесторонние испытания показали, что такие прокладки защищают шпалу от механического износа при интенсивной нагрузке. Прокладки рекомендуется применять на участках усиленного износа или в местах, где желательно продлить срок службы шпал. Одновременно в США, в районах с морским климатом, проводят опыт­ ные работы по выявлению наиболее эффективных и экономичных средств продления срока службы деревянных шпал, подверженных воздействию влажного климата, морской воды и микроорганизмов.

ВФРГ предложен способ, обеспечивающий прочное приклеивание прокладок к деревянным шпалам, пропитанным каменноугольным ан­ траценовым маслом. С этой целью в местах размещения прокладок на шпале просверливается большое количество мелких отверстий. Затем на места укладки прокладок наносится жидкий синтетический клей, который под давлением приклеиваемой прокладки проникает

внутрь отверстий, обеспечивая надежное приклеивание прокладок к шпале. Для этого рекомендуется применять клей на основе феноль­

редукс-Кб или редукс-120. Этим клеем можно приклеивать к деревян­ ным шпалам и металлические подкладки, предварительно очистив их от загрязнений, продуктов коррозии и масла.

Впоследнее время для защитных покрытий использовались различ­ ные синтетические материалы, такие, как неопрен, полиэтилен, поли­ пропилен, поливинилхлорид и другие [10]. В результате предпочтение было отдано поливинилхлориду и полиэтилену. Установленные в пор­ ту г. Лос-Анжелоса деревянные шпалы и сваи с поливинилхлорид­ ным покрытием прослужили от 3 до 27 лет.

ВГолландии в пути на деревянных шпалах под металлической подкладкой помещают шпальные резино-пробковые прокладки.

ВФРГ на электрифицированных дорогах постоянного тока, на пути, уложенном на деревянных шпалах, стали применять полимер­ ные прокладки не только для защиты древесины шпал, но и для дополнительной электрической изоляции рельсов, в целях снижения их коррозии. Между стальной подкладкой и деревянной шпалой укла­ дывают электроизоляционную прокладку из полиамида 6,6. Крепежные болты рельсового скрепления (рис. 114) изолируются также с по­ мощью втулок из полиамида 6,6, изготовляемых методом литья под давлением [11].

178

Рис. 114. Промежуточное рельсовое скрепление на деревянной шпале с электроизоляционными шпальной прокладкой и втул­ ками прикрепителей из полиамида 6,6

Таким образом, на зарубежных железных дорогах в рельсовых креплениях на деревянных шпалах широко применяются прокладки из полимерных материалов между шпалой и металлической подкладкой. Это предохраняет древесину шпал под подкладкой от износа.

На железобетонных шпалах. Путь, уложенный на железобетонных шпалах, обладает значительно большей жесткостью, чем на деревян­ ных. Это увеличивает динамические взаимодействия пути и подвиж­ ного состава, ухудшая условия работы как элементов верхнего строе­ ния пути, так и подвижного состава. Для снижения жесткости пути в конструкции рельсовых скреплений на железобетонном основании предусматриваются детали, позволяющие несколько амортизировать динамические нагрузки от колесных пар подвижного состава. Кроме того, железобетонные шпалы обладают значительной электропровод­

179