МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ШПАЛЫ ИЗ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

АННОТАЦИЯ

Данное исследование посвящено вопросу моделирования динамических нагрузок на железобетонные шпалы из органоминерального композита, изготовленного на основе промышленных отходов. В статье рассматриваются свойства железнодорожных шпал, изготовленных из нового типа органоминерального композитного материала, разработанного в качестве альтернативы традиционным бетонным шпалам. Приведены состав органоминерального композита и его физико-механические свойства. 

Основная цель исследования заключается в повышении экологической и экономической эффективности за счет использования промышленных отходов, а также в улучшении эксплуатационных характеристик шпал. Для этого разработана модель нагрузок для испытаний новых органоминеральных композитных бетонных опор в соответствии с требованиями государственных стандартов.

ABSTRACT

This research is dedicated to the modeling of dynamic loads on reinforced concrete sleepers made of organomineral composite produced from industrial waste. The article examines the properties of railway sleepers manufactured from a new type of organomineral composite material developed as an alternative to traditional concrete sleepers. The composition of the organomineral composite and its physicomechanical properties are presented. 

The main objective of the research is to enhance ecological and economic efficiency through the use of industrial waste, as well as to improve the operational characteristics of the sleepers. To achieve this, a load model has been developed for testing new organomineral composite concrete sleepers in accordance with state standard requirements.

Ключевые слова: железнодорожные шпалы, органоминеральные композитные материалы, серобетон, трещиностойкость, испытании на трещиностойкость.

Keywords: railway sleepers, organomineral composite materials, sulfur concrete, crack resistance, crack resistance testing.

ВВЕДЕНИЕ

Традиционные железнодорожные пути состоят из рельсов, креплений, шпал, балласта и основного слоя. Железнодорожные шпалы располагаются поперечно на балласте под рельсами, что удерживает их на месте и обеспечивает дренаж и гибкость. Шпалы передают нагрузку от рельсов на балласт и основной слой, удерживая их на правильной ширине, ограничивая продольное и боковое смещение, а также придавая всей конструкции пути прочность и устойчивость. Шпалы подвергаются экстремальным нагрузкам в процессе эксплуатации, поэтому при их проектировании необходимо уделять особое внимание способности выдерживать воздействующую тяжесть.

В настоящее время как за рубежом, так и в нашей стране проводятся исследования по химической, физической и механической модификации композиционных материалов с целью создания новых составов и улучшения их механических свойств в различных условиях и сферах применения.

На сегодняшний день разработано несколько видов модифицированного бетона, среди которых можно выделить полимербетон, цементобетон, железобетон, свинцобетон и серобетон [6; 7; 13; 14]. Из перечисленных типов серобетон отличается от других видов бетона своими эксплуатационными, механическими и физическими свойствами, которые проявляются в агрессивных средах. 

Производство конструкций из органоминеральных композиционных полимерных материалов по сравнению с производством конструкций из традиционных керамических композиционных материалов позволяет сократить выбросы CO₂ на 40 %. Это даёт возможность направить энергию, расходуемую на преобразование минерального известняка, в цемент. Во время рассматриваемого процесса выделяется большое количество углекислого газа на другие цели [1]. 

Анализ литературных источников показывает, что материалы на основе переработанных газовых отходов (сероводорода), улучшенные по своим механическим характеристикам, широко применяются в различных отраслях промышленности. Растущий спрос на такие материалы связан с их высокими эксплуатационными характеристиками, устойчивостью к агрессивным средам, а также водонепроницаемостью, что делает их перспективными для использования в ряде областей. Такие материалы можно получить из сероорганоминерального полимерного композита на основе серы, которая выделяется в больших количествах в процессе переработки газа и очистки на газоперерабатывающих и газохимических заводах, что позволяет решить несколько важных задач [8]: 

- обеспечение строительного рынка продукцией с высокой прочностью; 

- снижение себестоимости материалов за счёт повышения эксплуатационной надёжности; 

- снижение себестоимости конструкций за счёт увеличения их устойчивости к механическим нагрузкам и агрессивным химическим средам; 

- уменьшение вредного воздействия на окружающую среду за счёт утилизации технической серы. 

С 1990-х годов некоторые страны начали внедрение полимерных шпал на железных дорогах, включая высокоскоростные железные дороги (например, Япония, Китай). Другие страны, особенно те, что имеют жаркий и влажный климат (США, Индия, Таиланд и Филиппины), также начали проявлять активный интерес к описываемому в данной статье типу шпал [3].

Состав и физико-механические свойства органоминерального композитного полимерного материала

На основе научного анализа результатов проведённых исследований и лабораторных испытаний, было установлено, что композиционный материал, содержащий 30 % серы, 20 % песка, 45 % щебня и 5 % кремнезёма, по прочности на сжатие приближается к прочности бетона марки М450. Из этого можно сделать вывод, что температура играет важную роль в получении композитного материала на основе серы, и прочность полученных материалов после начала полимеризации в смеси относительно выше [14].

Таблица 1.

Результаты лабораторных испытаний физико-механических свойств образцов серобетона

Множество учёных занимались вопросами оптимизации железнодорожных шпал, продления срока их службы, а также производства из новых материалов, включая исследования по их инновационному изготовлению [2], экспериментальным ресурсным испытаниям [4], изучением оптимальных вариантов шпал с помощью компьютерного моделирования и экспериментальных испытаний [10], а также изучение свойств серополимербетонных шпал [9].

Нагрузки на железнодорожные шпалы

Железнодорожные пути подвергаются статическим и динамическим нагрузкам, возникающим вследствие движения поездов. Статическая нагрузка на ось, рассчитанная для стандартных железнодорожных путей, составляет 11,5 тонн на каждое рельсовое сиденье. Однако следует отметить, что железнодорожные пути часто сталкиваются с экстремальными нагрузочными условиями. Экстремальные нагрузки связаны с аномалиями колёс и рельсов, такими как плоские участки колёс, их неровности, несоосные колёса, изношенные рельсы и другие дефекты. Недостатки подобного рода могут привести к очень высоким, но кратковременным нагрузкам, вероятность которых в течение срока службы шпал невелика. Величина динамической ударной нагрузки на каждое рельсовое сиденье изменяется. Такие силы могут привести к растрескиванию и повреждению шпал [1; 3; 8]. 

Железнодорожная шпала - это конструктивный элемент, который в процессе эксплуатации подвергается периодическим нагрузкам, приводящим к усталости бетона, что вызывает постоянные прогрессивные изменения в структуре материала. Данные изменения могут привести к распространению трещин или микротрещин, что, в свою очередь, снижает жёсткость конструкции и, в худших случаях, за этим следует разрушение от усталости. Величина динамической ударной нагрузки на рельсовые сиденья варьируется от 200 кН до 750 кН [11]. 

Испытания шпал на трещиностойкость проводятся в соответствии с ГОСТ 33320-2015. При испытаниях на трещиностойкость статическая нагрузка прикладывается к двум рельсовым и средним сечениям шпалы с помощью пресса. В каждом сечении нагрузка постепенна, при увеличении не более 2 кН/с, доводится до контрольного значения, указанного в таблице 2, поддерживаясь на этом уровне не менее 2 минут, после чего производится осмотр боковых поверхностей шпалы с обеих сторон для обнаружения видимых трещин. Схема приложения нагрузки и графики её изменения во времени приведены на рисунке 1. 

Рисунок 1. Схема испытаний шпалы на трещиностойкость:

1) Стальная пластина - толщиной не менее 25 мм, с уклоном нижнего основания 1:20; 2) Стальная пластина; 3) Упругая прокладка - деревянная толщиной не менее 25 мм или резиновая толщиной не менее 10 мм; 4) Стальная опора; 5) Стальная пластина - толщиной не менее 75 мм (для шпал типа II).

При испытании на трещиностойкость шпалы не должны показывать видимых трещин. Испытательная нагрузка сначала доводится до контрольного значения второго сорта, и при отсутствии трещин увеличивается до значения первого сорта. 

Испытания шпал в среднем сечении сначала проводятся на изгиб вверх в соответствии с представленной схемой. При отсутствии видимых трещин допускается продолжить испытание этой же шпалы на изгиб вниз в среднем сечении. В случае появления трещины при изгибе вниз испытывают другую контрольную шпалу.

Таблица 2.

Контрольные нагрузки при испытаниях шпал на трещиностойкость

Заключение

В результате проведённого исследования была определена модель динамических нагрузок на железобетонные шпалы из органоминерального композитного материала, созданного на основе промышленных отходов. Основные выводы можно свести к следующему:

1. Использование органоминерального композита, содержащего переработанные промышленные отходы, позволило улучшить экологическую и экономическую эффективность производственного процесса железнодорожных шпал.
2. Проведённые лабораторные исследования показали, что физико-механические свойства нового материала сопоставимы с традиционными бетонными шпалами, а в некоторых аспектах, таких как трещиностойкость, превосходят их.
3. Разработанная модель динамических нагрузок продемонстрировала соответствие требованиям государственных стандартов, что подтверждает возможность практического применения нового типа шпал в железнодорожной инфраструктуре.
4. Применение органоминерального композита из промышленных отходов способствует решению экологических проблем, связанных с утилизацией отходов, а также повышению долговечности железнодорожных конструкций.

В будущих исследованиях с помощью описанной авторами модели можно будет проводить испытания реальных образцов железнодорожных шпал, изготовленных из органоминерального композитного материала, на трещиностойкость.

Таким образом, результаты данного исследования открывают перспективы для внедрения новых типов шпал в железнодорожное строительство, что может способствовать снижению затрат и увеличению устойчивости путей.

Список литературы:

1. Гридчин А.М., Золотых С. Н. Изучение эксплуатационных особенностей работы подрельсовых конструкций высокоскоростных линий // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2015. (2). - С. 7-10.
2. Курьянова Т. К., Платонов А. Д., Михеевская М. А., Паринов Д. А., Сафонов А.О., Мозговой Н.В., Первакова Е.А. Состояние вопроса производства и эксплуатации железнодорожных шпал из различных материалов // Лесотехнический журнал. - 2017. - № 7(4 (28)). - С. 157-166.
3. Попов В.Г., Боровков Ю.Н., Нефёдова И.В. Экологические аспекты применения шпал из полимерных композитных материалов // Московский экономический журнал. - 2022. - № 5. - С. 308-316.
4. Суслов О.А., Рессина Н.В., Портнов А.В., Новиков А.А., Марийчук В.А. Определение режимов нагружения для ресурсных испытаний железобетонных шпал на основе экспериментального измерения их напряженного состояния в условиях Экспериментального кольца, Щербинка // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВЕСТНИК ВНИИЖТ). - 2021. - № 80 (3). - С. 127-135.
5. Таймаров М.А., Лавирко Ю.В., Садыков Р.А., Валиуллин Б.Р. (2018). Разработка конструкций новых типов шпал для высокоскоростных поездов типа" Сапсан" // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2018. - № 2 (44).  - С. 281-287.
6. Хвостик М.Ю. Шпалы композитные как альтернатива деревянным // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВЕСТНИК ВНИИЖТ). - 2016. - № 3. - С. 179-182.
7. Djumabayev A., Ziyamukhamedova U., Tursunov N., Nafasov J., Turgunaliev E. Prospects of Industrial Use of Concretes Based on Modified Sulfur Binders // American Journal of Technology Advancement. - 2024. - № 1(5). - С. 18-22.
8. Gadamov D., Ziyamuhammedova U., Miradullaeva G. Chemical resistance of a hydrophobic-hemostable organomineral composite material in aggressive liquid media // Problems in the Textile and Light Industry in the Context of Integration of Science and Industry and Ways to Solve Them. - AIP Conf. Proc. Vol. 3045. - Pp. 060017-1–060017-6.
9. Moon J., Kalb P.D., Milian L., Northrup P.A. Characterization of a sustainable sulfur polymer concrete using activated fillers // Cement and Concrete Composites. - 2016. - Vol. 67. - Pp. 20-29.
10. Randi R.P., Trautwein, L.M., dos Santos A.C. Aspects of Modeling Prestressed Concrete Sleepers Subjected to Positive Moment Test at Midspan // Buildings. - 2024. - Vol. 14(8). - P. 2387.
11. Remennikov A.M., Kaewunruen S. A review on loading conditions for railway track structures due to wheel and rail vertical interactions // Progress in Structural Engineering and Materials. - 2008. - Vol. 15. - Pp.207-234.
12. Sýkorová J., Bártová J., Štemberk P. Prestressed concrete sleeper under extreme loading conditions  // Engineering Mechanics. - 2012. - Vol. 222.
13. Yazıcı O. Yeni Nesil Çevreci Kompozit Traversler // Demiryolu Mühendisliği. - 2020. - Vol. 12. - Pp. 3-21.
14. Ziyamuxamedova U.A., Nafasov J.H., Miradullaeva G.B., Rustamov M.U., Maxamadieva N.F. Modifikatsiyalangan oltingugurt polimer kompozitning mexanik xossalarini tadqiqotlash // Journal of Transport. - 2024. - Vol. 1(2). - Pp. 60-64.