Способы повышения надежности центрифугированных опор контактной сети Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Способы повышения надежности центрифугированных опор

контактной сети.

1 2 Е.Ю. Романенко , М.А. Трубицин

1 Донской государственный технический университет,

2 Ростовский государственный университет путей сообщения

2

2

Аннотация. В данной статье рассмотрены проблемы безопасности и надежности эксплуатируемых сооружений контактной сети. Рассмотрены массовые виды опор контактной сети, используемых при устройстве данных сооружений. Проанализированы особенности формирования структуры центрифугированного бетона, причины неоднородности структуры по толщине кольцевого сечения и появления трещин. Представлена физическая модель, использование которой при изготовлении конструкций позволит модифицировать структуру по толщине кольцевого сечения за счет направленного структурообразования в процессе центробежного уплотнения бетона с комбинированным заполнителем и волокнистыми компонентами.

Ключевые слова. Безопасность сооружений, опоры контактной сети, центрифугированные конструкции, кольцевое сечение, физическая модель процесса уплотнения бетонной смеси при центрифугировании, бетон с комбинированным заполнителем и волокнистым компонентом.

Опоры контактной сети являются основными несущими конструкциями контактных подвесок и должны обеспечивать не только надежную работу электрифицированных участков железных дорог, но и безопасность движения поездов на них. Для устройства контактной сети могут использоваться как металлические опоры, так и железобетонные опоры (с ненапряженной и напрягаемой арматурой). Использование в массовом масштабе металлических опор требует большое количество металла, что экономически нецелесообразно. С целью снижения металлоемкости и снижения стоимости опорных конструкций в настоящее время широко используются конические опоры изготавливаемые методом центрифугирования.

Отличительной особенностью формирования структуры центрифугированных конструкций заключается в том, что формирующим усилием является центробежная сила, которая способствует перераспределению компонентов бетонной смеси и формированию

конструкции кольцевого сечения с плотной и однородной внешней поверхностью (в основном) (рис.1) /1-3/.

При этом внешняя часть кольца формируется из тяжелого заполнителя максимальной крупности. В дальнейшем по толщине кольцевого сечения происходит переход к слоям, сформированным из мелкозернистого бетона, затем растворная составляющая и внутренний слой образованный шламовой составляющей, то есть отжатой в процессе центробежного уплотнения избытка воды с мелкими фракциями (рис.1 а). Особенность формирования структуры обосновывает определенные требования к материалу и способу формирования структуры.

Рис.1 Фрагмент центрифугированного бетона опоры контактной сети а -строение бетона по толщине стенки опоры; б - схема ориентации площадок с различной прочностью; 1 - бетон обычной структуры; 2 - мелкозернистый бетон; 3- слой цементного камня; 4 - шламовый слой; Ях-площадки, параллельные наружной поверхности опоры; Яг-площадки, параллельные образующей опоры.

От степени центробежного уплотнения зависит прочность бетона на растяжение. При таком способе уплотнения бетонной смеси прочность бетона на растяжение по сечениям, расположенным в радиальном направлении, значительно отличается от прочности по сечениям, ориентированным вдоль средней окружности кольцевого образца (рис.1 б).

Прочность по сечениям, расположенным вдоль окружности, оказывается меньше прочности бетона по сечениям в радиальном направлении.

Такое распределение прочности центрифугированного бетона на растяжение по разным направлениям играет определяющую роль в ориентации трещин, возникающих в бетоне при появлении механического давления от продуктов коррозии арматуры. Образующиеся трещины первично развиваются в направлениях, где прочность бетона на растяжение наименьшая, а затем появляются и трещины, ориентированные в перпендикулярном направлении. По сути дела, различие в прочностных характеристиках бетона на растяжение в разных направлениях является основной причиной разделения подземной части опор на два соосных цилиндра при наличии опасности возникновения в этой части электрокоррозионных повреждений арматуры/4-8/.

Существуют технологические способы, позволяющие снизить влияние центробежного уплотнения на неравномерность формируемого кольцевого сечения центрифугированной конструкции. Так, при применении в процессе изготовления центрифугированных конструкций рядовых сырьевых материалов с добавлением пористых и волокнистых компонентов, позволило получать бетон с более однородными свойствами по сечению кольца/1,2,810/. При этом, используя физическую модель процесса перераспределения компонентов бетонной смеси при центрифугировании /3/, можно подбирать вид и количество пористых и волокнистых добавок.

Целесообразность учета физической модели вызвана тем, что изучаемая система является многокомпонентной и отличается наличием частиц различной плотности, размера и характера поверхности, а это накладывает дополнительные условия на процесс центрифугирования.

Если допустить, что цементное тесто - вязкая изотропная среда, ламинарно обтекающая дрейфующие в ней частицы, а они при взаимном

перемещении не контактируют друг с другом, то основной движущей силой процесса распределения компонентов бетонной смеси при центрифугировании будет оставаться центробежная сила /2/. Для оценки характера зависимости этой силы от параметров системы, рассматривалось вращение бетонного кольца вокруг горизонтальной оси с постоянной угловой скоростью ю. На твердую частицу действуют центробежная сила, сообщающая ей поступательное движение вдоль радиуса, сила тяжести и выталкивающая Архимедова сила, сообщающие колебательное движение частице в направлении, перпендикулярном радиусу. При этом, давление, создаваемое результирующей силой, сообщает частице поступательное движение, выражаемое дифференциальным уравнением второго порядка:

т^Т + П^ТПК2 = ГУз(Рз - Рц-п), (1)

где рз - средняя плотность заполнителя частицы в цементном тесте, кг/м3;

РЦт - плотность цементного теста, кг/м3;

Я - радиус частицы заполнителя, м;

т - масса частицы заполнителя, кг;

а - угловая скорость вращения,с-1;

П- вязкость бетонной смеси до уплотнения, Па-с;

г - путь, пройденный частицей (приращение координаты), м;

? - время вращения центрифуги, с.

Уравнение позволяет представить картину качественного распределения компонентов бетонной смеси при центрифугировании и определить направление и скорость движения разноплотных и разновеликих частиц по радиусу изделия. Координату частицы, обладающую заданными физическими свойствами, в определенный момент времени распределения можно получить проинтегрировав уравнение (1) по г :

:

0 < г < гА

г1 = В exp

У3 р

п

1 Рцт

р

Г \

0 „,„„

З У

V 10 у

1 3

-г г

3

(2)

г > гп

г2 = С exp

V ~3Р3

п

1 ' цт

р

Рз у

0 .ш^ *

(3)

где В, С - константы интегрирования;

П - параметр, зависящий от вязкости среды.

Константы интегрирования определяются опытным путем.

Качественный анализ полученного решения показывает, что положение любой частицы заполнителя в кольцевом сечении будет зависеть от ее размера, плотности, вязкости цементного теста, скорости и времени вращения формы. Следовательно, желаемого положения плотных, пористых и волокнистых частиц в бетонном кольце при заданных параметрах уплотнения можно добиться, варьируя их плотностью и размерами/2-6/.

Одновременно можно повысить однородность свойств бетона по толщине стенки кольцевого сечения за счет модификации структуры его внутреннего слоя. Имеющиеся в системе пористые заполнители и волокнистые компоненты, увлекаемые цементным тестом к внутренней поверхности, будут способствовать формированию слоя облегченного мелкозернистого бетона, армированного пространственным каркасом из волокон. Таким образом, внутренний слой кольцевой конструкции будет представлен не рыхлым шламовым слоем, а дисперсноармированным легким бетоном, обладающим прочностными характеристиками и повышающим среднюю прочность центрифугированного бетона с 32,0 МПа (для контрольного состава) до 54,0 МПа (модифицированного бетона). Что в

свою очередь способствует повышению трещиностойкости и долговечности конструкции в целом /2-6/.

Существуют различные способы, повышения трещиностойкости и долговечности центрифугированных бетонов:

- применение расширяющих цементов,

- разнообразные добавки, компенсирующие усадку,

-использование бетонов с комбинированным заполнителем и

дисперсноармированных как минеральными, так и полимерными волокнами.

Образование трещин происходит в процессе испарения влаги. Потеря влаги приводит к усадке и трещинам. Примерная усадка цементного камня, который твердел в течение пяти лет, составляет три миллиметра на один метр. Усадка бетона зависит от свойств и вида заполнителя и составляет 0,5мм.

При компенсации усадки и предотвращении трещин необходимо руководствоваться основными требованиями. Применять смеси с низким содержанием цемента, использовать расширяющие добавки, а также применять кюринг/6-10/.

Использование при изготовлении центрифугированных опор контактной сети, предлагаемых вариантов модификации структуры кольцевого сечения конструкций, позволит существенно повысить долговечность сооружений контактной сети в целом и эксплуатационную надежность и безопасность электрифицированных участков Российских железных дорог.

Литература

1.Ахвердов И.Н. Узловые вопросы теории центробежного формования и уплотнения бетонной смеси. //Тезисы докладов Республиканского научно-технического совещания «Технология безвибрационного формования железобетонных изделий». - Минск, 1979, - с. 3-12.

2. Романенко Е.Ю. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Высокопрочные бетоны с минеральными пористыми и волокнистыми добавками для изготовления длинномерных центрифугированных конструкций, 1990, РГСУ, Ростов-на-Дону.28с

3. Холмянский М.М. Бетон и железобетон: Деформативность и прочность. -М.: Стройиздат, 1997. - 576 с.

4. Маилян Д.Р., Мурадян В.А. К методике расчета железобетонных внецентренно сжатых колонн // Инженерный вестник Дона, 2012, №4. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2012/.

5. Nauss D.J. and Lott J.L. Fracture Toughness of Portland Cement Concretes/ -Journal of the American Concrete Institute. Vol. 66, No. 6, June, 1969, pp. 481-489.

6. Mayer, Klause. Characterization of Reflector Types by Phase-Sensitive Ultrasonic Data Processing and Imaging / Klause Mayer et al // Journal of Nondestructive Evaluation (2008). Springer Science. pp. 35-45.

7. М.И. Кадомцев, Ю.Ю. Шатилов, Ю.И. Жигульская. Локализация повреждений железобетонных элементов конструкций с предварительно Напряженной арматурой// Инженерный вестник Дона, 2012, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2124.

8.Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М.: Госстройиздат, 1961. - 97 с.

9.Подольский В.И. Железобетонные опоры контактной сети конструкция, эксплуатация, диагностика. М.: Интекст, 2007. - 152 с.

10. Пособие по тепловой обработке сборных железобетонных конструкций и изделий (к СНиП 3.09.01-85) /ВНИИ железобетон, - М.: Стройиздат, 1989. - 50 с.

References

1. Ahverdov I.N. Tezisy dokladov Respublikanskogo nauchno-tehnicheskogo soveshhanija «Tehnologija bezvibracionnogo formovanija zhelezobetonnyh izdelij».

2. Romanenko E.Ju. Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. Vysokoprochnye betony s mineral'nymi poristymi i voloknistymi dobavkami dlja izgotovlenija dlinnomernyh centrifugirovannyh konstrukcij [ High-strength concretes with mineral porous and stringy addition agents for long-measuring centrifuged constructions making] 1990, RGSU, Rostov-na-Donu. 28p.

3. Kholmyanskiy M.M. Beton i zhelezobeton: Deformativnost' i prochnost'[Concrete and Reinforced Concrete: Deformability and strength]. Moscow: Stroyizdat, 1997. 576 p.

4. Mailjan D.R., Muradjan V.A., Inzenernyj vestnik Dona, (Rus), 2012, №4. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2012/.

5. Nauss D.J. and Lott J.L. Fracture Toughness of Portland Cement Concretes. Journal of the American Concrete Institute. Vol. 66, No. 6, June, 1969, pp. 481-489.

6. Mayer, Klause. Journal of Nondestructive Evaluation (2008). Springer Science. pp. 35-45.

7. M.I. Kadomtsev, Yu.Yu. Shatilov, Yu.I. Zhigul'skaya. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №3. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2124.

8. Berg O.Ja. Fizicheskie osnovy teorii prochnosti betona i zhelezobetona. [Physical basis of concrete and ferroconcrete strength theory] .M. Gosstrojizdat, 1961.97 p.

9. Podol'skij V.I. Zhelezobetonnye opory kontaktnoj seti konstrukcij a, jekspluatacija, diagnostika [Concrete constructions of overhead contact

system pylons: construction, exploitation, diagnostics]. M.: Intekst, 2007. 152 p.

10. Posobie po teplovoj obrabotke sbornyh zhelezobetonnyh konstrukcij i izdelij [Manual for heat treatment of prefabricated reinforced concrete structures and products (for SNiP 3.09.01-85)]. VNII zhelezobeton. Moscow: Stroyizdat, 1989. 50 p.