книги из ГПНТБ / Иванов, Г. С. Эксплуатационная надежность и совершенствование технологии изготовления железобетонных шпал

На том же заводе при контроле марки бетона по результа­

части шпал не была обеспечена проектная марка бетона. Фак­ тическая минимальная прочность могла составлять

-Y^min=490—3-25,2=414,4 кгс/см2, что больше 325 кгс/см2, т. е.

минимальная прочность обеспечена и такую партию нет осно­ ваний браковать по данному показателю.

Эти примеры наглядно указывают на недостаточность конт­ роля бетона по одному параметру средней прочности. Необхо­ димо учитывать изменчивость этого параметра, т. е. средне­ квадратическое отклонение, которое характеризует стабиль­ ность технологического процесса. Для практического использо­ вания комбинированных условий контроля могут быть состав­ лены номограммы, которые значительно упростят вычислитель­

ния, которые способны выдержать образцы 28-дневного возрас­ та без снижения прочности более чем на 25%.

Завод-изготовитель обязан проверять морозостойкость бето­ на шпал при подборе состава бетона, изготовленного на дан­ ных материалах, и в случае замены материалов, изменения тех­ нологии приготовления бетонной смеси или условий твердения бетона шпал, но не реже одного раза в год.

П р о е к т н о й м «а р к и б е т о н а

71

При определении морозостойкости бетона принят так же, как и при контроле прочности, выборочный метод, т. е. для оценки морозостойкости принято среднее арифметическое из числа циклов замораживания и оттаивания минимум трех бе­ тонных кубов. В этом случае можно воспользоваться методи­ кой, примененной нами при оценке прочности бетона. Однако главная трудность состоит в определении минимальной моро­ зостойкости бетона, которая должна быть обеспечена в шпалах.

В. С. Гладков и Ф. М. Иванов [19] считают, что наиболее целесообразно характеризовать условия службы бетона в со­ оружении числом стандартных циклов N CT , связь которых с природными циклами замораживания и оттаивания бетона (в год) Nпр может быть выражена следующей зависимостью:

среды (воды) оттаивания, величина которого в сред­ нем равна 0 ,6 .

При некоторых допущениях N ст может быть принято за ве­ личину минимально допустимой морозостойкости бетона в кон­ струкции. Тогда по аналогии с (2.6) можно записать:

сти, равный по [19] «0,35—0,40 при.условии, что проч­ ность бетона в испытуемых образцах не снижается.

Точность настройки технологического процесса по показате­

Для определения в выборке минимального числа образцов может быть применен следующий прием. Из рис. 27,а или 27,в, используя формулу (2 .6 ), можно установить зависимость до­ пустимой величины коэффициента однородности для выборки а„от этого же коэффициента для генерального распределения а:

72

( 2. 12)

где Xmin и Х в—определяются из выражений (2.9) и (2.10), в которые входит число образцов k = n—1.

Для практических целей иногда удобнее пользоваться коэф­ фициентом вариации ч , который связан с а при нормальном законе распределения и трехсигмовом отклонении следующей зависимостью:

Вычислим по формулам (2.9), (2,10) условия приемки шпал

Результаты подсчетов показывают, что условие (2.12) может быть выполнено при испытании на морозостойкость не менее шести образцов.

Следует иметь в виду большое различие в климатических условиях эксплуатации железобетонных шпал по сети дорог

СССР. Очевидно, впоследствии удастся всю сеть разделить на определенные районы, в которых могут предъявляться различ­ ные требования по морозостойкости шпал. Начатые в этом на­ правлении исследования геофизической станцией Северо-Кав­ казской дороги [2 0 ] показывают один из вариантов решения поставленной задачи. Этими исследованиями установлено (табл. 19)', что накопление дефектных шпал в пути связано с числом природных циклов их замораживания и оттаивания.

73

Т а б л и ц а T9

Зависимость числа дефектных шпал от числа циклов их замораживания и оттаивания при работе в пути

Ксожалению, авторы не дифференцируют виды разрушений

идефектов шпал по рисункам классификации МПС и невоз­ можно из этих данных установить, какие дефекты превалиру­ ют при увеличении числа циклов перепадов температуры через нуль.

Т о л щ и н а з а щ и т н о г о с л о я бетона в средней части шпалы над верхними рядами арматуры должна быть 25 мм, а на торцах 15 мм. ГОСТ допускает отклонения в толщинах за­ щитного слоя для шпал первого сорта ± 3 мм. В то же время п. 2. 11 ГОСТ на шпалы допускает по показателям внешнего

прочих поверхностях — глубиной до 15 мм и длиной 60 мм на 1 пог. м шпалы.

Заметим, что околы бетона на кромках подрельсовых площа­ док практического значения для защиты арматуры от коррозии не имеют, так как в этих местах арматура расположена далеко от поверхности бетона. Раковины же и околы бетона в углах средней лицевой части шпалы могут привести к значительному уменьшению толщины защитного слоя бетона и фактически к обнажению арматуры на отдельных участках. На величину АЬ защитного слоя бетона по вертикали и Afej по горизонтали будут оказывать влияние те же факторы, которые приведены в

местной шпальной формы при самом неблагоприятном сочета­ нии перечисленных факторов суммарные отклонения величины защитных слоев бетона могут составлять ±18 мм. Практика

74

показывает, что при эксплуатации обнаруживаются случаи об­ нажения арматуры в средней части на лицевой поверхности шпалы.

Для оценки точности и стабильности технологического про­ цесса по толщине защитного слоя бетона Дb и AAi применимы методы, изложенные при оценке Да и ДА. Анализ показывает, что на действующих заводах при изготовлении шпал не может

ния Кут • Прочность бетона зависит от степени его уплотнения.

только около 70%. Следовательно, между однородностью плот­ ности бетона в изделии и однородностью прочности бетона су­ ществует некоторая степенная зависимость.

С другой стороны, плотность бетона оказывает существен­ ное влияние на его защитные свойства против коррозии арма­ туры. Менее плотный бетон лучше фильтрует воду, в нем быст­ рее происходят процессы карбонизации. Зарегистрировано много случаев, когда разрушение шпалы начиналось с ржавле­ ния арматуры при обеспеченных толщинах защитного слоя. По­ этому следует обращать внимание главным образом на плот­ ность бетона защитного слоя.

В настоящее время пока не создано надежных и точных средств для контроля качества плотности бетона хотя бы в его защитном слое. Поэтому практика не располагает данными для статистического анализа точности и стабильности технологиче­ ского процесса по рассматриваемому параметру качества. Однако можно ожидать, что в ближайшее время будет найден надеж­ ный и удобный способ контроля плотности бетона и определе­ ния его защитных свойств. Известны опыты по улучшению за­ щитных свойств бетона путем введения в него различных'хими­ ческих добавок и покрытия полимерными пленками. Этот воп­ рос заслуживает изучения для обеспечения высокой долговеч­ ности струнобетонных шпал.

В целом проведенный анализ показал, что основные качест­ венные характеристики шпал формируются в процессе их изго­ товления под воздействием множества технологических факто­ ров,. зависящих как от качества исходного сырья для приготов­ ления бетонной смеси, так и от технических характеристик при­ меняемого оборудования, которое должно обеспечивать необхо­ димую точность и стабильность параметров технологического процесса. Это положение в первую очередь относится к веду­ щим операциям по армированию, формованию шпал и тепло­ влажностной обработке бетона, на долю которых приходится 80—90% случаев возникновения явных технологических дефек-

75

тов в шпалах. Указанные причины приводят к выпуску про­ дукции с неоднородными качественными характеристиками и, следовательно, не одинаково высокой долговечности.

Поэтому (совершенствование .технологии , изготовления дол­ жно быть направлено прежде всего на приведение в соответст­ вие параметров применяемого оборудования с требования* ми стандарта к качеству и точности изготовления шпал.

3. Прогнозирование срока службы шпал

Результаты наблюдений за опытными участками пути пока­ зывают, что при увеличении продолжительности эксплуатации наблюдается некоторый прирост числа явно дефектных шпал. Предположим, что данные по накоплению дефектных шпал в пути за какое-то число лет наблюдений и известной величине пропущенного тоннажа позволяют аппроксимировать вид ста­ тистического распределения на расчетный срок службы конст­ рукции. Тогда может быть определена вероятность накопления в пути дефектных шпал в зависимости от длительности их экс­ плуатации и прошедшего по шпалам тоннажа.

Согласно исследованиям дорожной лаборатории Октябрьской дороги выход железобетонных Шпал на 'одном из участков пути подчиняется ^эмпирической (Зависимости

п =0,35—0,0108235Т + 0,000104459Т\

где Т — прошедший тоннаж в млн. т брутто.

В. Я. Шульга [14] считает, что выход шпал, получаемый по этой формуле, несколько завышен, так как на указанном участ­ ке наряду с железобетонными шпалами с проволочной армату­ рой были уложены менее долговечные двухстержневые цельнобрусковые шпалы. Поэтому выход шпал при обработке данных наблюдений может быть выражен следующими зависимостями:

брутто на участке Приднепровской дороги и около 2,18 млрд, т брутто на Октябрьской дороге (рис. 28), что при среднегодовой грузонапряженности 50 млн. т брутто соответствует 40—50 го­ дам эксплуатации.

Заметим, что на физический износ конструкции шпалы, ве­ роятно, будет влиять не только интенсивность, показателем ко­ торой может служить тоннаж, но и число лет эксплуатации ее. Каждый из этих факторов в отдельности может привести к пол­ ному износу конструкции, примером чему служит разрушение

76

жет влияния на выносливость шпалы, испытываемой в лабора­ торных условиях. Микроразрывы в бетоне и раскрывающиеся трещины снизят выносливость конструкции и одновременно мо­ гут явиться причиной локальной коррозии арматуры.

Из этих примеров видно, что дефекты, связанные с прочно­ стными показателями шпалы, в большей мере могут проявить­ ся при силовом воздействии на нее, т. е. при росте интенсивнос­ ти нагрузки, а дефекты, связанные с физико-химическими ха­ рактеристиками бетона и арматуры,— при длительном воздей­ ствии реагентов внешней среды, окружающей шпалу.

Для деревянных шпал значение коэффициента годового вы­

А, В и m— параметры.

Применить формулу (2.14) в чистом виде для железобетон­ ных шпал пока не представляется возможным из-за недоста­ точного срока их службы по отношению к расчетному и по при­ чине отсутствия достоверных опытных данных. В то же время

77

налицо факты накопления на опытных участках пути дефектных и негодных шпал по прошествии нескольких лет их эксплуата­ ции. Аппроксимация закона распределения по накоплению де­ фектных и негодных шпал по начальным 6 —7 годам наблюде­ ний на 30—40 и более лет может быть лишь приблизительной, так как недостаток исходных данных нельзя компенсировать применением самых популярных и гибких законов статистиче­ ского распределения.

Абсолютное число дефектных и негодных шпал на 1 км пути также не может служить для сравнения их надежности. Так, например, при известном выходе одинаковых шпал из партии в 1000 шт. (через год— 10, два — 30 и в последующие годы — по 5 шт.) нельзя сказать, в какой пероид эксплуатации шпалы наи­ более надежны. В подобных случаях в теории надежности час­ то используют функцию, называемую опасностью отказа:

В качестве примера в табл. 20 приведен анализ результатов наблюдений ЦНИИ МПС за состоянием более 100 тыс. железо­ бетонных шпал на опытных участках. По варианту I показано число явно дефектных шпал при учете абсолютно всех видов повреждений.

51, 61 и в половинном размере дефекты № 13, 14, 17, 22, 23, а также 6 6 % дефектов № 31. Такой вариант возможен, если уси­ лить контроль при изготовлении и приемке на заводе и не до-

78

пускать укладки в путь явно дефектных шпал, не отвечающих требованиям действующего стандарта.

По варианту III учтены в половинном размере лишь дефек­ ты шпал !№ 11 и .61 |и в полном .размере дефекты (№ 33, 34 и 35. Такое условие подсчета числа шпал со скрытыми дефектами соответствует более совершенной технологии при внедрении комплексной механизации и автоматизации процесса выполне­ ния наиболее ответственных технологических операций при из­ готовлении шпал.

Таблица 20

Число в % и интенсивность (в знаменателе) накопления дефектных шпал, выявленных при осмотре опытных участков

тельных колебаний величин интенсивности накопления дефект­ ных шпал в пути по годам наблюдений не происходит. С неко­

ная дефектность первых лет может быть отнесена за счет пери­ ода отладки технологии изготовления шпал на заводах, а так­ же укладки и содержания пути.

Характер изменения вероятности накопления в пути де­ фектных шпал, подсчитанный по формуле (2.16) с использова­ нием данных табл. 20, показан на графике (рис. 30). Из этого графика видно, что если принимать во внимание все виды де­ фектов, то, например, через 50 лет может накопиться в пути до 55% шпал с дефектами (кривая 1).

79

t-P(i)

Если при укладке исключить попадание шпал с явными тех­ нологическими дефектами (заводской брак), то через 50 лет в пути может накопиться 35% шпал, в которых каким-то обра­ зом проявятся скрытые технологические дефекты (кривая 2). При совершенствовании технологии изготовления и уменьше­ ния в шпалах числа скрытых технологических дефектов веро­ ятность накопления в пути шпал, в которых эти дефекты про­ явятся при эксплуатации, еще более снижается (кривая 3)-

Очевидно, что полученные значения вероятностей могут рас­ сматриваться как ориентировочные, поскольку исходные дан­ ные относятся только к первым годам эксплуатации шпал, а прогнозируется рост их дефектности по условно принятому экс­ поненциальному закону на несколько десятков лет вперед.

Не следует также отождествлять вероятность накопления дефектных шпал с вероятностью полного их износа, так как некоторые дефектные шпалы, например с небольшими околами бетона по углам, могут еще служить достаточно долго.

Однако факты преждевременного разрушения некоторых шпал на отдельных участках дорог вызывают законную озабо­ ченность.

Как отмечалось выше, ремонт большинства дефектных шпал не может спасти конструкцию от дальнейшего разрушения, а выборочная замена железобетонных шпал производится пока что в исключительных случаях. Следует иметь в виду, что на­ ши ориентировочные подсчеты произведены без учета возмож­ ного роста грузонапряженности линии, скоростей движения по­ ездов, изменения конструкции подвижного состава, роста осе­ вых нагрузок, конструкций самих шпал и других факторов.

Довольно резкое снижение вероятности накопления явно де­ фектных шпал (до 35%) получено при условии исключения ук­ ладки в путь шпал с явными технологическими дефектами. От­ сюда сразу же напрашивается рекомендация по повышению требований к шпалам, изготовляемым на действующих заво-

80