Полимерные материалы на зарубежных жд - Ремонт деревянных шпал и дюбелей

Одним из недостатков рельсовых скреплений на деревянных шпалах является быстрая разработка прикрепителями отверстий в древесине шпал. Волокна древесины, соприкасающиеся с шурупом, испытывают при прохождении подвижного состава циклические напряжения сжатия, изгиба и среза. Из-за недостаточной прочности древесины эти напряжения приводят к излому, смятию и истиранию ее волокон, соприкасающихся с шурупом. Такому разрушению способствует и атмосферная влага, попадающая в отверстия шпал. Это ослабляет рельсовые скрепления, особенно на кривых участках пути, и приводит к нарушению ширины рельсовой колеи, вызывая необходимость замены или ремонта шпал. При ремонте прочность скрепления обычно восстанавливают, забивая в разработанное отверстие деревянную пробку, в которую затем ввертывается шуруп.
На железных дорогах ГДР в шпалах типа BS65 деревянные дюбели изготовляют из специально отбираемой буковой древесины, влажность которой перед пропиткой каменноугольным маслом не должна превышать 18%. Однако, как было установлено наблюдениями, и такие дюбели впитывают влагу, что приводит к снижению их прочности и, в первую очередь, к ухудшению их электроизоляционных свойств.
Поэтому в добавление к пропитке каменноугольным маслом дюбели стали покрывать искусственными смолами. Защитная смоляная пленка предотвращает увлажнение дюбелей, пока шпала находится в заводских условиях, но при завертывании шурупов непосредственно при ремонте пути монолитность покрытия дюбелей несколько нарушается. Однако это оказалось лишь кратковременной мерой, так как разрушение древесины дюбеля, соприкасающейся с прикрепителями, идет почти с той же интенсивностью, что и в древесине шпал.
Появление новых полимерных материалов и возможность их использования для ремонта шпал позволили продлить срок службы отдельных шпал до момента их массовой смены.
Наибольшее распространение для ремонта шпал и дюбелей получили жидкие термореактивные эпоксидные и полиэфирные смолы, полимеризация которых происходит в результате экзотермической реакции после смешивания смолы с отвердителем того или иного химического состава. Основными преимуществами эпоксидных и полиэфирных смол при их использовании в этих целях является высокая химическая стойкость, сопротивляемость различным видам выветривания, атмосферным воздействиям, быстрое отверждение с достижением высокой прочности и хорошая адгезия к различным материалам, в том числе к металлу, древесине и бетону.
Продолжительность периода «жизнеспособности» смолы в процессе подготовки и использования для ремонта шпал и дюбелей зависит от таких факторов, как температура смолы и отвердителя во время перемешивания, а также от количества смешиваемых составляющих и их химического состава. При этом обычно для получения нужных физико-механических характеристик отвердевшей смолы используют различные наполнители. В качестве наполнителя применяют порошкообразные неорганические тонкоизмельченные горные породы, асбестовое волокно, металлический порошок и органические—измельченную древесину, измельченный затвердевший стеклопластик и другие порошкообразные вещества.
В ФРГ стенки разработанного шурупного отверстия покрывают эпоксидной смолой с отвердителем и вводят полую деревянную пробку, в которую после отверждения смолы и прочного схватывания пробки со стенками разработанного отверстия ввертывают шуруп. В качестве отвердителей используют полиамиды, содержащие свободные аминогруппы. Такне составы клеев имеют большее время отверждения.
Проведенные в ЧССР статические и динамические испытания деревянных дюбелей, покрытых перед установкой в шпалу эпоксидной смолой и находившихся в эксплуатации в течение трех лет, показали, что они выдерживают предельную вырывающую нагрузку до 6000 кг [24]. Одновременно были проведены испытания дюбелей, выполненных из бука, прессованной древесины и полиамида. При этом деревянные дюбели пропитывали креозотом и покрывали составом на основе эпоксидной смолы АС 300. При статических и динамических испытаниях разрушалась эпоксидная пленка и выделялся креозот. Испытания показали недостаточную пригодность полиамида для дюбелей [25]. К недостаткам эпоксидных и полиэфирных смол относится необходимость тщательной очистки поверхностей перед нанесением на них связующих составов на основе этих смол и относительно высокая их стоимость, что препятствует их широкому применению. На железных дорогах ПНР в качестве заменителя эпоксидной смолы проводились исследования по использованию электроизолирующего полиуретанового лака 311 BT/02-DD. Высушенные, предварительно пропитанные креозотом дюбели дважды покрывали этим лаком. В результате испытаний на водопоглощение, устойчивость к проникновению креозота и цементной эмульсии, морозоустойчивость и электрическое сопротивление было установлено, что дюбели, покрытые полиуретановым лаком, обладают такими же свойствами, как и дюбели, покрытые эпоксидной смолой [26].
Железными дорогами ПНР наряду с этим был разработан способ влагоизоляции дюбелей с помощью применения специальной мастики мастикор, которая представляет собой материал типа твердой мази, хорошо сохраняющей при обычных температурах приданную ей форму. Основу мастики составляют полиолефины или их производные с добавкой воска, парафина, каучука и хлорпарафина. Такая мастика   имеет хорошее сцепление с древесиной и бетоном, сохраняет пластические свойства в широком диапазоне температуры, не вызывает коррозии металла и обладает хорошими электроизоляционными свойствами. Отмечается, что мастика сохраняет упругость и пластичность в течение неограниченно долгого времени при температуре от —40° до+70° С [27].
Наряду с указанными видами ремонта дюбелей и древесины шпал во многих странах ведутся работы по созданию дюбельных втулок из искусственных материалов, которые при необходимости могли бы без повреждения шпал заменяться в эксплуатации на новые.
В ФРГ и Австрии в этих целях в качестве дюбелей для анкеровки шурупов в железобетонных шпалах [22] используют дюбельные втулки с волнообразной поверхностью, которые изготовляют из полиэтилена низкого давления. Такие втулки, соответствующей формы можно легко устанавливать в шпалы вместо деревянных дюбелей. Провертывание втулки в шпале во время завинчивания в нее шурупа устраняется с помощью пяти ребер, проходящих вдоль втулки и расположенных по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга. Поперечные ребра позволяют легко ввести втулку в отверстие, но препятствуют ее удалению из шпалы. При ввертывании шурупа во втулку она раздается в стороны и ее ребра впрессовываются в материал шпалы [22].
Разновидностью указанных втулок являются втулки с внутренней резьбой, которые используют при изготовлении железобетонных шпал. На испытаниях после 3 млн. циклических нагружений они выдерживали выдергивающие усилия более 10 т и при этом лишь слегка деформировались.
Дюбель, разработанный в Швейцарии, состоит из двух конических втулок, вставляемых друг в друга. Внешняя втулка изготовлена из жесткой пластмассы и имеет для лучшего сцепления со шпалой заершенную наружную поверхность, а внутренняя — изготовлена из более мягкой пластмассы для большей связи с шурупом и усиления изоляции. На основании проведенных исследований Польскими железными дорогами сделан вывод о возможности изготовления дюбелей из полиэтилена низкого и высокого давления. Одновременно для изготовления дюбелей рекомендуется также использование армированных стекловолокном полиамидов [28]. В Нидерландах проведены лабораторные испытания суперполиамидных дюбелей. Установлено, что надежность и прочность скрепления рельса в случае применения суперполиамидного дюбеля после длительного времени эксплуатации значительно больше, чем при использовании деревянного дюбеля.