CC BY
26ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 1 (20)
Обзорная статья УДК 69; 624.21/.8
ГРНТИ: 67: Строительство. Архитектура
ВАК: 2.1.1. Строительные конструкции, здания и сооружения; 2.1.5. Строительные материалы и изделия;
2.1.9. Строительная механика
doi:10.51608/26867818_2023_1_101
Аннотация. В статье рассматривается применение полимерных материалов вторичного производства в мостостроении. Описывается технология зарубежный опыт их применения в мостостроении - реконструкция старых мостовых сооружений. Так же в статье анализируется экономическая составляющая строительства при использовании строительных материалов из отработанного пластика и их воздействие на окружающую среду.
Цель статьи обратить внимание на необходимость пересмотра оценки текущего состояния экологической ситуации в мире, в связи с всевозрастающим уровнем загрязнения окружающей среды пластиковыми отходами хозяйственной деятельности и показать один из путей решения указанной проблемы - вторичная переработка отработанного пластика, последующее создание конкурентоспособных строительных материалов и изделий, которые дают реальную возможность ускорить процесс сооружения мостовых конструкций и облегчить эксплуатацию мостов в будущем.
Ключевые слова: полимер; железнодорожные мосты; свая; устойчивость; полиэтилен высокой плотности; строительство; термопласт вторичного производства; балка; мостостроение
Для цитирования: Овчинников И.Г., Аншваев А.К. Применение полимерных материалов вторичного производства в мостостроении. Первые в мире железнодорожные мосты из термопластика вторичного производства // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1 (20). С. 101-105. Сок10.51608/26867818_2023_1_101.
* Материалы данной статьи использовались в докладе на Научно-технической конференции «Расширение применения местных сырьевых материалов и отходов предприятий Республики Мордовия, при изготовлении строительных материалов и изделий» (18-19 ноября 2022 г., Саранск, МГУ им. Огарева).
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ВТОРИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА В МОСТОСТРОЕНИИ. ПЕРВЫЕ В МИРЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ МОСТЫ ИЗ ТЕРМОПЛАСТИКА ВТОРИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА*
*
© Авторы 2023 SPIN: 2053-5567 Author! D: 2922
ОВЧИННИКОВ Игорь Георгиевич
академик Российской академии транспорта, д-р техн. наук, профессор Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (Россия, Саратов);
Тюменский индустриальный университет (Россия, Тюмень)
АНШВАЕВ Адиль Кайрулович
аспирант
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (Россия, Саратов)
Технические науки. Строительство и архитектура
Original article
WORLD'S FIRST RAILWAY BRIDGES MADE WITH SECONDARY THERMOPLASTIC
© The Author(s) 2023 OVCHINNIKOV Igor Georgievich
Academician of the Russian Academy of Transport,
Doctor of Technical Sciences, Professor
Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin
(Russia, Saratov);
Industrial University of Tyumen
(Russia, Tyumen)
ANSHVAEV Adil Kairulovich
PhD Candidate
Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin (Russia, Saratov)
Annotation. The article considers the use of polymer materials of secondary production in bridge construction. The technology of their foreign experience in bridge construction-reconstruction of old bridge structures is described. The article also analyzes the economic component of construction when using building materials made of waste plastic and their impact on the environment. The purpose of the article is to pay attention to the need to revise the assessment of the current state of the environmental situation in the world, in connection with the increasing level of pollution of the environment by plastic waste management and to show one of the ways of solving the stated problem: recycling of waste plastic, followed by the creation of competitive building materials and products, which provide a real opportunity to accelerate the construction of bridge structures and facilitate the operation of bridges in the future.
Keywords: polymer; railway bridges; piles; stability; high density polyethylene; construction; secondary thermoplastic; beam; bridge construction
For citation: Ovchinnikov I.G., Anshvaev A.K. World's first railway bridges made with secondary thermoplastic // Expert: theory and practice. 2023. № 1 (20). Pp. 101-105. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_1_101.
Введение
В настоящее время, на рынок выходят все более передовые строительные материалы, призванные удовлетворить такие потребности как долговечность, устойчивость, ускоренное строительство и экологически чистые продукты. Одним из таких новых и перспективных материалов является термопласт вторичного производства на основе полиэтилена высокой плотности (HDPE). Он появился на рынке США в начале 1990-х годов. Совместно с учеными из Университета Рутгерса производственная компания Axion International смогла произвести термопластичный композитный материал, состоящий на 100% из переработанных бытовых и промышленных пластиков, которые в противном случае были бы выброшены на свалку [1].
Термопластический композит был впервые использован для производства железнодорожных шпал, а затем его применение распространилось и на мосты. Весной 2010 года в Форт-Юстисе, штат Вирджиния, США, были построены первые в мире железнодорожные мосты из термопластика. Все основные компоненты моста, включая пролетное строение, опоры, шпалы и даже сваи, изготовлены из термопластичного материала вторичного производ-
ства. Мосты были рассчитаны на нагрузку AREMA Cooper E60 (максимальная нагрузка на ось 27216 кг) и переменную динамическую нагрузку 118 тонн на четырех осях [2-5].
Описание проекта
Транспортная инфраструктура армии США в Форт-Юстисе, штат Вирджиния, имела два стареющих деревянных железнодорожных моста, первоначально построенных в 1952 году. Было установлено, что мосты, пересекающие поток, не могут поддерживать работоспособность проходящей по ним железной дороги. Мост № 3 получил оценку Cooper E25 (максимальная нагрузка на ось 11340 кг), а мост № 7 - Cooper E19 (максимальная нагрузка на ось 8618 кг) [6-9].
Соответственно, мосты было необходимо было заменить, и владелец моста - армия США, искала надежное и экономичное решение. Так как мост из термопластика успешно конкурирует с другими мостами из обычных строительных материалов, было принято решение построить мосты из термопласта, полученного из переработанного пластика.
Все существующие пролетные строения, шпалы и опоры были заменены элементами из тер-
ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 1 (20)
мопластичных материалов вторичного производства. Существующие деревянные опоры были сохранены для экономии средств по просьбе армии США [9].
Схема моста
Мост № 3 представляет собой четырехпролет-ную неразрезную конструкцию длиной 11,7 м над неглубоким ручьем, как показано на рис.1. Он состоит из двух концевых и трех промежуточных опор. Длина пролетов варьируется от 2,4 до 2,9 метра. Фундамент состоит из шести свай на концевых и промежуточных опорах. Из шести свай на промежуточных опорах две крайние сваи забиты под наклоном 1:6 в поперечном направлении, две - под наклоном 1:6 в продольном направлении и оставшиеся две средние сваи вертикальные. Все сваи представляют собой термопластичные сваи диаметром 300 мм.
Мост № 7 представляет собой восьмипролет-ную конструкцию длиной 25,6 м через ручей, как показано на рис. 2. Он состоит из двух концевых и семи промежуточных опор. Береговые опоры поддерживаются в общей сложности шестью вертикальными сваями диаметром 300 мм из термопластика, а промежуточные опоры поддерживаются шестью вертикальными забитыми сваями. Балка состоит из двух трехпролетных неразрезных блоков и одного двух-пролетного неразрезного блока. Пролеты варьируются от 2,9 до 3,5 метров [2, 6, 7].
Поперечное сечение
Пролетное строение состоит из двух групп двутавровых балок толщиной 450 мм с закрывающими панелями толщиной 75 мм, закрепленными поверх верхних полок, как показано на рис. 3. Каж-
Рис. 1. Мост № 3 в Форт-Юстисе - источник [2]
Рис. 2. Мост № 7 в Форт-Юстисе - источник [2]
Рис. 3. Поперечное сечение и ход строительства моста - источник [2, 10]
Технические науки. Строительство и архитектура
ф
дая группа балок поддерживает один рельс и состоит из трех двутавровых балок толщиной 450 мм. Каждая двутавровая балка состоит из двух тавровых балок, склеенных и скрепленных болтами попарно. Из-за ограничений производственного процесса цельный кусок 450-мм двутавровой балки в то время был недоступен.
Пролетное строение опирается на опорные части из эластомера. Перемещение балки в поперечном направлении и в продольном - за пределы значений теплового расширения, ограничивается фиксаторами. Балки усилены накладками в верхней части, которые представляют собой термопластичные доски размерами 75 мм х 300 мм и 75 мм х 250 мм,
2,5. Так как свая изготавливается длиной 13,5 м, для забивки свай на обоих мостах на нужную глубину применялось наращивание свай [2, 5-7].
Опорные части из эластомера
Чтобы равномерно распределить временную нагрузку от балок на оголовок опоры, на каждой опоре были предусмотрены опорные части из эластомера толщиной 25,4 мм (рис. 5). Использовались опорные части размером 180 мм х 430 мм и 230 мм х 430 мм. Твердость материала была выбрана 50 условных единиц по Шору, а максимальное отклонение габаритов опорной части допускалось 1 мм [2-5; 7-8; 11].
приклеенные к балкам и привинченные к ним. Рельсовые шпалы из термопласта передают нагрузку с рельсов на балки и соединяются с балками J-образ-ными болтами [2, 6, 7].
Ряд небольших 300-миллиметровых двутавровых балок вставлен во внутренние пространства этого трехбалочного кластерного блока с поперечными болтами для обеспечения единого взаимодействия между тремя балками. Панели покрытия, расположенные поверх верхних полок двутавровых балок толщиной 450 мм, усиливают основные элементы конструкции и ограничивают прогиб в пределах желаемого диапазона L/600, где 1_ - длина пролета.
Оголовки свай также состоят из 450-миллиметровых двутавровых балок, усиленных несущими ребрами жесткости. Оголовки свай поддерживаются сваями из термопластика диаметром 300 мм, соединенными шпильками из нержавеющей стали диаметром 25 мм.
Сваи были забиты в грунт на глубину от 13,5 до 20 метров на мосту № 3 и в среднем на глубину 20,5 метра на мосту № 7. Каждая свая была забита для достижения минимальной допустимой реакции сваи 15,4 тонны с коэффициентом запаса прочности
Рис. 5. Опорные части из эластомера - источник [12]
Заключение
Ежегодно во всем мире выбрасывается 90 миллионов тонн пластика, поэтому огромные запасы переработанного материала будут по-прежнему доступны для использования в качестве строительного материала в неопределенном будущем. Это решение, практически не требующее технического обслуживания, дает возможность обеспечить более дли-
ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 1 (20)
тельный срок службы мостовых сооружений, а также значительно снизить затраты на эксплуатацию мостов в течение жизненного цикла.
Изделия из термопластов прошли долгий путь за 20 лет благодаря усовершенствованию материалов и применений. Они использовались для изготовления более чем 200 000 железнодорожных шпал и стрелочных переводов. Их применение было распространено на мосты, по которым перевозится военная техника, проходит железнодорожное и автомобильное сообщение. Предположения, которые возникали при проектировании мостов в Форт-Брэгге и Форт-Юстисе были подтверждены приборами и мониторингом. Многие другие направления применения материалов из переработанного пластика постоянно исследуются.
Изделия из термопласта дают множество преимуществ в вопросе экологии благодаря возможности повторного использования материала, выброшенного на свалку, что в противном случае было бы вечным, неразлагающимся пластиком. Этот пластик не подвержен коррозии и гниению, а также не подвержен деструкции насекомыми или морскими организмами, при этом обеспечивает ускоренное строительство с минимальным обслуживанием. Его использование, несомненно, будет расширяться, поскольку постоянно предпринимаются дополнительные исследования и разработки для улучшения свойств вторичных материалов и технологий их производства.
В статье [13] рассмотрено воздействие пластиковых отходов на окружающую среду, способы их утилизации и проблемы выделения из общего числа отходов. Описывается технология их вторичной переработки, а также свойства полученных материалов, их плюсы и минусы относительно аналогов из традиционных материалов (бетон, сталь и дерево). Так же в статье анализируется экономическая составляющая строительства при использовании строительных материалов из отработанного пластика и их воздействие на окружающую среду. Приводится сравнение материалов из первичных полимеров и полимерных материалов вторичного производства. Показано, как обстоят дела с утилизацией отходов пластика за рубежом и в России, какие прорабатываются системы для улучшения и оптимизации процесса утилизации.
Библиографический список
1. Lynch J.K. Polystyrene/Polyethylene Composite Structural Materials / Lynch J.K., Nosker T.J., Renfree R.W. // The Center of Advanced Materials via Immiscible Polymer Processing - Vol. 1 -2002 - PP.11.
2. Dana Finney. Recycled plastic bridge at Fort Bragg stands up to M-1 traffic / Dana Finney // DPW Digest - July -2009 - PP. 5.
3. Breslin, V.T., Senturk, U., Berndt, C.C. Long-term engineering properties of recycled plastic lumber in pier construction. // Resources, Conservation and Recycling. - 23 (1998) - PP. 243-258.
4. https://engineeringcivil.org/articles/bridge/hl-93-aashto-vehicular-live-loading-truck-tandem-design-lane-load/
- дата обращения 07.06.2022г.
5. Richard Lampo. Development and Testing of Recycled Plastic Lumber Materials for Construction Applications / Richard Lampo, Thomas Nosker // USACERL Technical Report 97/95 - US Army Corps of Engineers - PP. 93.
6. Thomas Nosker. The Utilization of Recycled Thermoplastic Composites for Civil and Military Load Bearing Applications, in Fiber Reinforced Polymer Compositesfor Infrastructure Applications/ Thomas Nosker, Jennifer K. Lynch, Richard Lampo // Springer - 2011-PP. 26.
7. Ms. Lisa Miles Jackson, Dr. Thomas J. Nosker. Technology, Applicability, and Future of Thermoplastic Timbers/ Ms. Lisa Miles Jackson, Dr. Thomas J. Nosker// Springer - 2000
- PP. - 13.
8. US Patent 9340666. Use of recycled plastics for structural building forms / Lynch, J., Nosker, T., Lehman, R., Idol, J.D., Van Ness, K., Renfree, R.W.; Rutgers, State University of New Jersey. - May 17, 2016-PP.7.
9. Kim J, Chandra V., Nosker T.J. Sustainable Bridge Solutions using Recycled Plastics / Kim J, Chandra V., Nosker T.J. // Proceedings of International Bridge Conference, Pittsburgh, PA - 2011 -PP.15.
10. Fan, B. Creep Prediction for Polymer: Implementation and its Application on a Talc Filled Polypropylene / Fan, B., and Novak G. E. // Proceedings, Society of Plastics Engineers 2006 ANTEC Conference, Society of Plastics Engineers, Charlotte, NC - 2006 - PP.10.
11. Lynch J.K. Creep Prediction Using The Non-Linear Strain Energy Equivalence Theory / Lynch J.K., Nosker T.J., Renfree R.W. // SPE-ANTEC Technical Papers - 2004 - PP.6.
12. http://russian.alibaba.com/Popular/CN_natural-rubber-pads-Trade.html - дата обращения 09.06.2022г.
13. Аншваев, А. К. Полимерные материалы вторичного производства в мостостроении / А. К. Аншваев, И. Г. Овчинников // Транспортные сооружения. - 2022. - Т. 9, № 2. - DOI 10.15862/06SATS222. - EDN KKSOWR.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 17.01.2023; одобрена после рецензирования 16.02.2023; принята к публикации 20.02.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 17.01.2023; approved after reviewing 16.02.2023; accepted for publication 20.02.2023.
