CC BY
68
УДК 625.072
Изменение прочностных свойств щебня в процессе абразивного износа
А. Ф. Колос, П. А. Чистяков, Е. Г. Шаврин
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Колос А. Ф., Чистяков П. А., Шаврин Е. Г. Измерение прочностных свойств щебня в процессе абразивного износа // Известия Петербургского университета путей сообщения. -СПб.: ПГУПС, 2019. - Т. 16, вып. 4. - С. 642-649. 001: 10.20295/1815-588Х-2019-4-642-649
Аннотация
Цель: Исследование влияния количества смеси очищенного щебня с новым гранитным на его механические параметры (величины потерь массы щебня после испытаний на истираемость в полочном барабане и после испытаний на сопротивление удару на копре), а также окатанности граней зерен щебня на прочностные свойства балласта (удельное зацепление, угол внутреннего трения). Методы: Механические характеристики щебня определяли в соответствии с методиками, приведенными в ГОСТ 7392-2014, прочностные свойства балластного слоя - по ГОСТ 12248-2010. Результаты: Установлено, что при увеличении содержания очищенного щебня в смеси с новым гранитным щебнем снижаются его механические характеристики. Повышение окатанности зерен щебеночного балласта приводит к понижению его удельного зацепления и практически не влияет на угол внутреннего трения. Практическая значимость: Показана необходимость изучения влияния изменения формы зерна (окатанности) на несущую способность балластного слоя для обеспечения его надежной работы на протяжении всего запланированного межремонтного срока.
Ключевые слова: Щебень, балластный слой, удельное зацепление, угол внутреннего трения, трехосное нагружение.
Введение
Стабильность железнодорожного пути в течение всего срока службы зависит не только от надежности земляного полотна, применяемых типов шпал, скреплений, рельсов, но и от качества щебеночного балласта. Несущая способность и качество балласта в основном определяются прочностными характеристиками используемого щебня. К ним относятся: удельное зацепление (аналог удельного сцепления у обычных дисперсных грунтов) и угол внутреннего трения. В свою очередь, прочностные характеристики балласта обусловлены его зерновым составом, плотностью,
окатанностью зерен, загрязненностью и другими факторами.
Для обеспечения стабильной и долгосрочной эксплуатации балласта используемый щебень по величине потери массы после испытаний на истираемость в полочном барабане и по величине потери массы после испытаний на сопротивление удару на копре должен соответствовать требованиям ГОСТ 7392-2014 «Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути. Технические условия» [1].
В процессе эксплуатации щебеночный балласт подвергается динамическому воздействию от подвижного состава, соответствен-
но можно предположить, что его прочностные свойства с наработкой тоннажа не остаются постоянными, а изменяются.
Определение физико-механических свойств
Для проверки данной гипотезы были испытаны пробы щебня категории II фракции 25-60 мм по ГОСТ 7392-2014 [1], сформированные из нового и очищенного гранитного щебня (пропущенный тоннаж - 368 млн т брутто), а также их смесей в различном соотношении.
Испытания проводились с использованием полочного барабана БП-700 (КП-123) и копра автоматического ПМА-Ф по методикам, изложенным в ГОСТ 7392-2014 [1].
Результаты испытаний по определению потери массы после испытаний на истираемость в полочном барабане приведены в табл. 1. Их анализ показал, что после пропуска 368 млн т брутто потеря массы после испытаний на истираемость в полочном барабане составила в
среднем 19,8 %, т. е. фактически сравнялась с предельно допустимой величиной по ГОСТ 7392-2014 [1], в то же время как у нового гранитного щебня равна 15,2 %, что практически на 30 % меньше.
Результаты испытаний по определению потери массы щебня после испытаний на сопротивление удару на копре приведены в табл. 2. Их анализ показал, что после пропуска 368 млн т брутто потеря массы щебня после испытаний на сопротивление удару на копре составила в среднем 8,6 %, т. е. также существенно приблизилась к предельно допустимой величине, регламентируемой ГОСТ 7392-2014 [1].
Определение прочностных свойств
Исследование влияния окатанности зерен щебня на его прочностные свойства (удельное зацепление и угол внутреннего трения) выполнялось путем трехосного сжатия в камере стабилометра по ГОСТ 12248-2010 [2] при максимально возможной скорости разрушения
Проба Величина потери массы после испытаний на истираемость в полочном барабане, % по массе Требование ГОСТ 7392-2014 (категория II), %
Испытание № 1 Испытание № 2 Среднее значение
Щебень после очистки (пропущенный тоннаж 368 млн т брутто) 20,2 19,4 19,8 от 15,0 до 20,0 вкл.
Смесь из щебня после очистки и нового щебня (70:30 % по массе) 17,4 17,2 17,3
Смесь из щебня после очистки и нового щебня (50:50 % по массе) 16,2 16,1 16,1
Смесь из щебня после очистки и нового щебня (30:70 % по массе) 15,4 15,9 15,7
Новый гранитный щебень категории II фракции 25-60 мм по ГОСТ 7392-2014 15,1 15,3 15,2
ТАБЛИЦА 1. Потеря массы для смесей из нового щебня и очищенного щебнеочистительной машиной КМ 80 после испытаний на истираемость в полочном барабане
ТАБЛИЦА 2. Потеря массы для смесей из нового щебня и очищенного щебнеочистительной машиной ЯМ 80 после испытаний на сопротивление удару на копре
Проба Величина потери массы после испытаний на сопротивление удару на копре, % по массе Требование ГОСТ 7392-
Испытание № 1 Испытание № 2 Испытание № 3 Среднее значение 2014 (категория II), %%
Щебень после очистки (пропущенный тоннаж 368 млн т брутто) 10,3 7,2 8,4 8,6
Смесь из щебня после очистки и нового щебня (70:30 % по массе) 9,3 6,5 6,9 7,6
Смесь из щебня после очистки и нового щебня (50:50 % по массе) 7,6 6,4 6,4 6,8 <10,5
Смесь из щебня после очистки и нового щебня (30:70 % по массе) 5,9 6,0 6,2 6,0
Новый гранитный щебень категории II фракции 2560 мм по ГОСТ 7392-2014 4,8 5,8 5,8 5,5
образца. Испытания проводились в трехосной испытательной системе STX-600 (рис. 1, а) и вакуумном стабилометре конструкции ЛИ-ИЖТа (рис. 1, б). Всестороннее давление на образец задавалось равным 40, 60 и 80 кПа.
Образцы для испытаний изготавливались из гранитного щебня категории II по ГОСТ 7392-2014 [1]. Плотность образцов изменялась в диапазоне 1,57-1,62 г/см 3, что в среднем соответствует плотности балластного слоя железнодорожного пути. В образцах использовался новый щебень и тот же щебень, прошедший обработку в полочном барабане.
В табл. 3 приведены сводные данные по определению прочностных свойств нового гранитного щебеночного балласта.
Полученные результаты испытаний совпадают с данными исследований прочностных характеристик щебня как зарубежных, так и отечественных авторов [3-10].
Для оценки степени влияния окатанности зерен щебня на прочностные характеристики балласта новый щебень проходил обработ-
ку в полочном барабане при 100, 200, 500 и 800 оборотах. Из окатанного щебня были изготовлены образцы для испытаний, при этом фракционный состав образцов нового и окатанного щебня был идентичен.
На рис. 2 даны фотографии щебня, как нового, так и обработанного в полочном барабане при количестве оборотов 200 и 800.
В табл. 5 приведены результаты определения прочностных свойств окатанного щебня. Из нее видно, что существует выраженная функциональная зависимость между окатан-ностью зерен щебня и удельным зацеплением балласта. Четко прослеживается, что по мере приближения зерен щебня к округлой форме зацепление снижается практически до нуля. Если новый щебень из балластного материала характеризуется удельным зацеплением, равным 57 кПа, то для щебня после обработки в полочном барабане при количестве оборотов, равном 800, оно составило 9 кПа, т. е. в 6 раз меньше. В отношении угла внутреннего трения можно сделать вывод, что с увеличением
Рис. 1. Принципиальная схема трехосной испытательной системы БТХ-600 (а): 1 - силовая рама; 2 - камера стабилометра; 3 - блок контроля всестороннего давления в камере стабилометра; 4 - блок сбора данных; 5 - персональный компьютер с программным
обеспечением и конструкция вакуумного стабилометра для испытаний щебня (б): 1 - пульт управления; 2 - электродвигатель; 3 - редуктор; 4 - динамометр; 5 - цифровой блок; 6 - образец из щебня в оболочке из резины; 7 - насос; 8 - ресивер;
9 - вакуумметр
ТАБЛИЦА 3. Сводные результаты определения удельного зацепления (С) и угла внутреннего трения (ф) нового щебеночного балласта
Плотность образцов, т/м 3 Прочностные свойства щебня*
С, кПа ф, град.
1,60-1,62 55 52,4
1,59-1,61 58 49,8
1,58-1,62 65 52,6
1,59-1,61 55 52,4
1,59-1,62 59 52,3
1,57-1,60 61 52,8
1,59-1,61 50 50,8
1,58-1,60 55 52,4
Среднее значение 57 51,9
Среднеквадратическое отклонение 4,02 0,93
Коэффициент вариации 0,07 0,02
* Значения удельного зацепления и угла внутреннего трения рассчитаны по результатам трех испытаний при различных всесторонних давлениях.
ТАБЛИЦА 4. Результаты определения удельного зацепления и угла внутреннего трения нового щебня в исследованиях различных авторов
Автор Плотность щебня, т/м3 Фракция, мм Прочностные свойства*
С, кПа ф, град.
B. Indraratna, N. С. Tennakoon, S. Nimbalkar, C. Rujikiatkamjorn [4] 1,43 22,4-50 47 40
B. Indraratna, S. Nimbalkar [5] 15,6 22,4-63 56 44
D. Ionesku [6] 1,56 28,2-75 68 47
* Расчетные значения получены авторами публикации на основании данных, приведенных в указанных исследованиях, при условии, что щебень обладает зацепными свойствами и подчиняется условию прочности Кулона тп = ап • tgф + с.
а б в
Рис. 2. Фотографии гранитного щебня с различным количеством оборотов окатывания в полочном барабане: а - новый; б, в - обработанный в полочном барабане при 200 (б) и 800 (в)
оборотах окатывания
ТАБЛИЦА 5. Сводные результаты определения удельного зацепления и угла внутреннего трения щебеночного балласта с разной степенью окатанности
зерен щебня
Количество оборотов в полочном барабане Прочностные свойства щебня
Удельное зацепление, С, кПа Угол внутреннего трения, Ф, град.
Новый щебень 57 51,9
100 51 50,6
200 46 51,2
500 21 50,7
800 9 55,4
степени окатанности он практически не изменяется.
Полученные результаты однозначно доказывают, что форма зерна щебня, т. е. форма граней: острая, сглаженная, окатанная и т. д., непосредственным образом влияет на прочностные свойства щебеночного балласта, которые будут определять несущую способность балластной призмы. В то же время ГОСТ 73922014, устанавливающий основные требования к щебню, применяемому в балластном слое железнодорожного пути, требования к форме граней щебня не предъявляет. Таким образом, учитывая, что в процессе работы щебня в конструкции железнодорожного пути под динамической нагрузкой происходит его абразивный износ, а следовательно, и сглаживание острых граней, возможность повторного использования щебня после очистки должна подтверждаться результатами определения формы зерен на основе классификаций, которые предстоит разработать.
Заключение
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1) чем выше количество очищенного щебня в смеси с новым, тем ниже механические свойства такой смеси (величины потерь массы после испытаний на истираемость и сопротивление удару на копре). Такие низкие значения характеристик приведут к ускорению прироста продуктов собственного дробления по мере наработки тоннажа, и балластный слой перестанет удовлетворять требованиям ГОСТ 7392-2014 еще до наступления момента запланированной следующей очистки;
2) повышение окатанности зерен щебеночного балласта позволит снизить его удельное зацепление и практически не влияет на угол внутреннего трения щебня;
3) в настоящее время на сети железных дорог в основном только 30 % нового щебня досыпается в путь после проведения ремонта, оставшиеся 70 % - щебень, прошедший
очистку. Поскольку требования к окатанности щебня ничем не регламентируются, вне зависимости от формы зерен все 70 % объема щебеночного балласта возвращается в путь. Тем самым невозможно однозначно гарантировать надежную работу балластного слоя с позиции обеспечения его несущей способности на протяжении всего запланированного межремонтного срока.
Библиографический список
1. ГОСТ 7392-2014. Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути. Технические условия. - Введ. 2015-12-01. -М. : Стандартинформ, 2015. - 32 с.
2. ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. - Введ. 2012-01-01. - М. : Стан-дартинформ, 2012. - 82 с.
3. СП 119.13330.2017. Железные дороги колеи 1520 мм. - Актуализ. ред. СНиП 32-01-95. - Введ. 2018-06-13. - М. : Стандартинформ, 2019. - 37 с.
4. Indraratna B. Behaviour of clay-fouled ballast under drained triaxial testing / B. Indraratna, N. С. Ten-nakoon, S. S. Nimbalkar, C. Rujikiatkamjorn // Geo-technique : International Journal of soil mechanics. -2013. - Vol. 63 (5). - P. 410-419.
5. Indraratna B. Implications of ballast breakage on ballasted railway track based on numerical modelling / B. Indraratna, S. S. Nimbalkar // 13th International Conference of the International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics. - Sydney, Australia, 2011. - P. 1085-1092.
6. Ionescu D. Evaluation of the engineering behaviour of railway ballast : A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the award of the degree D. Sci. in Philosophy / D. Ionescu. - Wollongong : University of Wollongong, 2004. - 440 p.
7. Kolos A. Change of ballast strength properties during particles abrasive wear / A. Kolos, A. Konon, P. Chistyakov // Procedia Engineering. - 2017. -Vol. 189. - P. 908-915.
8. Иванов И. П. Определение показателей сопротивления сдвигу грунтов, характеризующих их естественную прочность / И. П. Иванов // Вестн. Ле-
нингр. ун-та. Геология, география. - 1975. - № 6. -С. 73-79.
9. Колос А. Ф. Влияние формы зерен щебеночного балласта на его прочностные свойства / А. Ф. Колос, П. А. Чистяков, А. С. Леус, Е. И. Шехтман, В. И. Штыков // Бюл. результатов науч. исследований. - 2017. - Вып. 4. - С. 148-160.
10. Леус А. С. Прочностные свойства щебеночного балласта / А. С. Леус, П. А. Чистяков, Г. В. Осипов, С. А. Клищ, А. Ф. Колос // Транспорт : проблемы, идеи, перспективы : сб. трудов LXXVIII Все-рос. науч.-технич. конференции студентов, аспи-
рантов и молодых ученых. - СПб. : ПГУПС, 2018. -С. 16-23.
Дата поступления: 07.10.2019 Решение о публикации: 14.10.2019
Контактная информация:
КОЛОС Алексей Федорович - канд. техн. наук,
заведующий кафедрой; [email protected]
ЧИСТЯКОВ Павел Александрович - аспирант;
ШАВРИН Евгений Геннадьевич - аспирант;
Change in the strength properties of crushed stone due to abrasive wear
A. F. Kolos, P. A. Chistyakov, E. G. Shavrin
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Kolos A. F., Chistyakov P.A., Shavrin E. G. Change in the strength properties of crushed stone due to abrasive wear. Proceedings of Petersburg Transport University, 2019, vol. 16, iss. 4, pp. 642649. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2019-4-642-649
Summary
Objective: Study of the effect of the amount of reclaimed ballast mixed with the new one on its mechanical properties (the value of crushed stone mass losses after abrasion tests in the abrasion testing machine and after impact resistance tests on the impact machine, as well as the effect of the crushed stone grains roundness on the ballast strength properties (specific cohesion, internal friction degree). Methods: The mechanical properties of crushed stone were determined in accordance with the methods given in GOST 7392-2014, the strength properties of the ballast layer - according to GOST 12248-2010. Results: It has been established that with an increase in the content of reclaimed ballast mixed with new granite crushed stone, its mechanical characteristics decrease. An increased roundness of stone bed grains leads to a decrease in its specific cohesion and has practically no impact on the internal friction degree. Practical importance: The necessity of studying the impact of changing the shape of grain (roundness) on the bearing capacity of the stone bed to ensure its reliable operation throughout the entire planned overhaul period is shown.
Keywords: Crushed stone, stone bed, specific cohesion, internal friction degree, triaxial loading.
References
1. GOST 7392-2014. Crushed stone of rocks for railway ballast. Specifications. Introd. 12/1/2015. Moscow, Standartinform Publ., 2015, 32 p. (In Russian)
2. GOST 12248-2010. Soils. Laboratory methods for determining the strength and strain characteristics. Introd. 1/1/2012. Moscow, Standartinform Publ., 2012, 82 p. (In Russian)
3. SP 119.13330.2017. Zheleznye dorogi kolei 1520 mm. Aktualiz. red. SNiP 32-01-95 [Set of rules 119.13330.2017. 1520 mm gauge railroads. Revised edition of SNiP (Construction rules and regulations) 3201-95]. Introduded on June 13, 2018. Moscow, Stan-dartinform Publ., 2019, 37 p. (In Russian)
4. Indraratna B., Tennakoon N. С., Nimbalkar S. S. & Rujikiatkamjorn C. Behaviour of clay-fouled ballast under drained triaxial testing. Geotechnique: International Journal of soil mechanics, 2013, vol. 63 (5), pp. 410-419.
5. Indraratna B. & Nimbalkar S. S. Implications of ballast breakage on ballasted railway track based on numerical modelling. 13th International Conference of the International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics. Sydney, Australia, 2011, pp. 1085-1092.
6. Ionescu D. Evaluation of the engineering behaviour of railway ballast. A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the award of the degree D. Sci. in Philosophy. Wollongong, University of Wol-longong Press, 2004, 440 p.
7. Kolos A., Konon A. & Chistyakov P. Change of ballast strength properties during particles abrasive wear. Procedia Engineering, 2017, vol. 189, pp. 908915.
8. Ivanov I. P. Opredeleniye pokazateley soprotiv-leniya sdvigu gruntov, kharakterizuyushchikh ikh es-testvennuyu prochnost' [Determination of soil shear resistance parameters characterizing its natural strength].
Vestnik of the Leningrad University. Series 6. Geology, Geography, 1975, no. 6, pp. 73-79. (In Russian)
9. Kolos A. F., Chistyakov P. A., Leus A. S., Shek-htman E. I. & Shtykov V. I. Vliyaniye formy zeren shchebenochnogo ballasta na ego prochnostnyye svoyst-va [The influence of the stone bed grain shape on its strength properties]. Bulletin of scientific research results, 2017, iss. 4, pp. 148-160. (In Russian)
10. Leus A. S., Chistyakov P. A., Osipov G. V., Klishch S. A. & Kolos A. F. Prochnostnyye svoystva shchebenochnogo ballasta [Stone bed strength properties]. Transport: problemy, idei, perspektivy. Sb. tru-dov LXXVIII Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uche-nykh [Transport: problems, ideas, prospects. Proceedings of the LXXVIII All-Russian Scientific and Technical Conference of Students, Graduate Students and Young Scientists]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2018, pp. 1623. (In Russian)
Received: October 07, 2019 Accepted: October 14, 2019
Author's information:
Aleksey F. KOLOS - PhD in Engineering, Head of
the Department; [email protected]
Pavel A. CHISTYAKOV - Postgraduate Student;
Evgeniy G. SHAVRIN - Postgraduate Student;
