Новый вид арматуры

Новый вид арматуры для железобетонных изделий верхнего строения путей.
Л.М. ЗАРЕЦКИЙ, канд. техн. наук, В.А. ХАРИТОНОВ, канд. техн. наук, профессор, Ю.А. ДРЁМИН, инженер

Арматура нового вида

В статье авторы рассматривают задачу создания эффективной арматуры для железобетонных шпал и оснований верхнего строения пути.
В России предварительно напряженные железобетонные шпалы наиболее часто армируют [1] высокопрочной арматурной проволокой по ГОСТ 7348-81 диаметром 3мм [2]. Ключевыми достоинствами такого армирования являются относительно равномерное распределение арматуры по сечению и невысокая удельная нагрузка на контур обволакивания каждого отдельного арматурного элемента, а также наличие большого количества производителей арматурной проволоки и использующих ее линий для армирования.

Однако есть у этого способа армирования и существенные недостатки. Наиболее критичным является необходимость вручную закреплять в опалубке большое количество проволок. Помимо высокой травмоопасное™ и затрат времени это не позволяет обеспечить равномерное натяжение проволок: из-за исходной непрямолинейности, разного усилия натяжения, зацепления и деформации при разматывании проволоки имеют разную длину между захватами.

При натяжении разная исходная длина проволок и проскальзывание в захватах приводят к недостаточному нагружению одних проволок и избыточному, вплоть до обрывов, нагружению других. В этой связи на практике при изготовлении шпал закладывают избыточное количество проволок, до 8-10 проволок на шпалу. Увеличение количества проволок может критически уменьшить расстояния между ними, что ведет к ускоренному разрушению бетона и повышает себестоимость шпалы.

Постепенное смещение спроса в сторону сплошных оснований, требующих на порядок больших суммарных усилий натяжения и расположения арматуры в двух направлениях, увеличивает значимость этих недостатков.

В связи с вышеописанными проблемами в Европе, а с недавних пор и в России развивается укрупненное армирование шпал — пакет проволок заменяется меньшим на порядок количеством высокопрочных стержней диаметром 7-12 мм. Наиболее распространенным стало армирование шпал пакетом из 4 стержней диаметром 9,6-10 мм.
За счет упрощения схемы армирования и автоматизации процесса подачи арматуры резко снижаются затраты времени на формирование армокаркаса шпалы. Высокие абсолютные прочностные характеристики арматуры и автоматическая подача ее мерными длинами исключают деформацию при формировании армокаркаса и тем самым снижают вероятность возникновения неравномерного натяжения. Также автоматическая подача снимает весьма острую при армировании проволокой малых диаметров проблему безопасности труда.

Однако и у этой арматуры существуют серьезные недостатки как в производстве, так и в применении.

Подача арматуры мерными длинами приводит к необходимости соблюдать жесткие допуски по длине мерного отрезка и участков с резьбой на нем, а также по прямолинейности, в то время как при подаче разматыванием подобные проблемы отсутствуют в принципе.

Нанесение резьбы на упрочненную деформацией сталь является лишней операцией, так как не используется при работе стержня в составе шпалы, нетехнологично и вредит выносливости стержня, который и без резьбы уступает по выносливости эквивалентного пакета проволок малого диаметра.

Удельная нагрузка на контур обволакивания стержня выше, чем у проволоки, пропорционально соотношению диаметров, что ухудшает эффективность восприятия нагрузок армокаркасом.

Производство шпал, армированных стержнями большого диаметра, требует использования т.н. карусельных станков, не производящихся в России и закупленных за рубежом в небольшом количестве. Таким образом, расширение области применения этого способа требует серьезных капиталовложений.

В поисках компромисса, который мог бы устранить большинство недостатков существующих способов, не привнеся новых, авторы пришли к выводам, что укрупненное армирование может быть эффективным, если:

а) сцепление применяемой арматуры с бетоном существенно выше, чем у эквивалентной стержневой арматуры,
б) укрупненная арматура подается разматыванием, чтобы иметь возможность использования существующих линий по производству железобетонных шпал с минимальными

доработками, а также избежать выполнения лишних операций со строгими допусками, приводящих к удорожанию производственных процессов.

Этим требованиям отвечает стальной арматурный канат. Будучи свит из проволок значительно меньшего диаметра, он может иметь большую удельную прочность и компенсировать снижением металлоемкости стоимость дополнительной операции свивки.

Относительно малые диаметры отдельных проволок каната в сравнении с эквивалентным стержнем уменьшают возникающий при изгибе реактивный момент и допускают изгиб без пластической деформации на радиус кривизны, дающий возможность транспортировки в бухтах. Отсутствие пластической деформации обеспечивает самовыпрямляемость, а малый реактивный момент, дополнительно компенсируемый трением между проволоками, — безопасность ручного труда.

Сочетание самовыпрямляемости и высоких агрегатных характеристик, обусловливающих небольшое количество элементов армокаркаса и не позволяющих искривить элементы при подаче, позволяет быстро, безопасно и с равномерным натяжением установить арматурные элементы при ручной подаче, что дает возможность задействовать для производства шпал с канатной арматурой существующие неточные линии.

Помимо перечисленного канаты обладают наиболее высокой из всех видов арматуры выносливостью.
Однако несмотря на очевидные, казалось бы, предпосылки, существующие конструкции арматурных канатов редко применяются для армирования шпал.

Даже наиболее простой в изготовлении и распространенный канат 1×7 (1+6) обладает более развитым профилем поверхности и большим контуром обволакивания, чем эквивалентный высокопрочный арматурный стержень. Однако он имеет сравнительно низкое сцепление с бетоном в условиях вибрации и значительных динамических нагрузок из-за т.н. эффекта ввинчивания — под их действием канат смещается в бетоне вдоль собственного оттиска. Для работы в вышеуказанных неблагоприятных условиях этот канат желательно дополнительно фиксировать на торцах железобетонного изделия — что делает нетехнологичным и з целом невыгодным его применение в шпалах.

Канат двойной свивки конструкции 3×3, применяемый при производстве брусьев стрелочных переводов, и подобные конструкции имеют очень высокое сцепление благодаря большим просветам между прядями, в которых могут формироваться массивные и, соответственно, прочные гребни бетона, при этом контур обволакивания еще больше, чем у эквивалентного каната 1+6. Эффект ввинчивания отсутствует, т.к. сечение непостоянно по длине. Однако такие канаты обладают невысокой релаксационной стойкостью из-за неравномерной плотности свивки, поскольку свитые между собой пряди с далеким от круга сечением имеют длинные «подвешенные» криволинейные свстки между точками контакта. Поэтому такие канаты применяются в изделиях, работающих при относительно небольших динамических нагрузках. Кроме того, две операции свивки повышают себестоимость продукции.

Канаты двойной свивки с 7-проволочными прядями (2×7,3×7 и т.д.) нерационально применять для армирования шпал из-за высокой себестоимости, т.к. для их производства в актуальном для шпал типоразмере помимо двух операций свивки требуется проволока малых диаметров, получаемая посредством двух операций волочения с промежуточной термообработкой. При этом релаксационная стойкость таких канатов все же ниже, чем у спиральных аналогов, из-за точечного контакта между проволоками.

Авторы разработали пластически обжатый трехгранный канат 1×10 (1+6+3) [3].
Проволоки в сечении этого каната расположены треугольником: центральная проволока, 6 проволок I слоя повива вплотную друг к другу и 3 проволоки II слоя повива, расположенные в пазах между проволоками I слоя повива через один паз друг от друга. На обжатых наружных поверхностях дополнительно нанесен профиль для исключения ввинчивания.

Полученное решение позволяет объединить достоинства других видов арматуры для укрупненного армирования, включая канаты, и исключить их недостатки. Большие пустоты под образующей наружной поверхности каната, заполняемые бетоном, в совокупности с большим контуром обволакивания обеспечивают очень высокое сцепление с бетоном. Благодаря форме поверхности, реализующей сцепление расклиниванием, т.е. через нормальные напряжения сжатия, а не касательные напряжения, характерные для смятия/среза, с арматурным элементом взаимодействует больший, чем у стержня, объём бетона, что позволяет в определенной мере компенсировать негативное влияние укрупнения арматуры как такового. Кроме того, форма поверхности каната обеспечивает надежную фиксацию в фасонных цанговых зажимах.

Спиральная конфигурация с постоянным подлине поверхностным контактом между проволоками обеспечивает высокую релаксационную стойкость, а также прямолинейность и нераскручиваемость, в т.ч. при резке абразивным инструментом.

Такой комплекс свойств обеспечивает как технологичность каната 1+6+3 при изготовлении шпал и сплошных оснований верхнего строения пути, так и эффективность его работы в составе этих изделий.
Проведенные к настоящему времени испытания подтвердили расчетные характеристики каната и не выявили каких-либо негативных побочных эффектов.

Библиографический список
1. ГОСТ 10629-88. Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия.
2. ГОСТ 7348-81. Проволока из углеродистой стали для армирования предварительно напряженных железобетонных конструкций. Технические условия.
3. Патент РФ №2431024 «Арматурный канат и способ его изготовления».