Колейные покрытия временных лесовозных автомобильных дорог из древесноцементобетонного композиционного материала

Актуальность темы

Лесовозный автомобильный транспорт является одной из важнейших составных частей технологии лесозаготовительного производства, на долю которого приходится более 85% объема вывозимых лесоматериалов. Для его эффективной эксплуатации необходимо иметь хорошие дороги с твердым, например, колейным покрытием, протяженность которых должна увеличиваться не менее, чем на 1000. 1500 км в год. Однако, как показывают исследования ученых Марийского ГТУ, многие лесохо-зяйственные предприятия на протяжении семи лет по разным причинам ничего не предпринимают для их строительства.

Основным фактором, ограничивающим широкое применение сборного железобетона при строительстве автомобильных дорог, является дефицитность цемента, качественного крупного заполнителя, стальной арматуры и, конечно, высокая стоимость этих материалов. Применение силикатного и мелкозернистого бетонов не решает полностью данную проблему, лишь немного снижая стоимость плит колейных покрытий. На стоимость дорожного покрытия этого вида сильно влияет и сложная конструкция стыков, связанная с устройством болтовых, сварных или основанных на их сочетаниях соединений.

В связи с изложенным, представлялось актуальным разработать новый прогрессивный вариант плит колейных покрытий автомобильных лесовозных дорог на основе цементного бетона, армированного отходами лесохозяй-ственных и лесоперерабатывающих предприятий, применив для этой цели:

— современные гидрофобизирующие и (или) уплотняющие структуру бетона добавки;

— специальную защиту древесины, позволяющую исключить или минимизировать взаимное отрицательное влияние основных компонентов этого материала;

— новую конструкцию стыков, обеспечивающих устойчивость плит 6 покрытия в продольном и поперечном направлениях и их повторное использование.

Таким образом объектом исследований являются элементы покрытий колейных временных лесовозных автодорог из нового древесноцементобе-тонного композиционного материала (ДЦБКМ).

В связи с выше изложенным целью диссертационной работы является создание на основании теоретических и экспериментальных исследований, экономически целесообразных элементов колесопроводов колейных лесовозных автомобильных дорог.

Для практической реализации данной цели были определены следующие основные задачи:

1. Проанализировать существующие конструкции стыков колейных покрытий автомобильных дорог и создать свой вариант их соединения в колесопровод без применения металла.

2. Доказать возможность армирования цементного бетона древесным армирующим заполнителем, предложив составы ДЦБКМ, способные обеспечить его монолитность при отверждении и эксплуатации.

3. На базе экспериментальных исследований предложить технологичные и экономически приемлемые растворы, гидрофобизирующие, пропитывающие, уплотняющие структуру основных компонентов ДЦБКМ и разработать соответствующие технологии их использования.

4. Получить основные достоверные физико-механические характеристики ДЦБКМ принятых составов.

5. Разработать достаточно простой принцип расчета плит и блоков колейных покрытий временных лесовозных автодорог, дающий результаты, которые сопоставимы с полученными существующими методами.

6. Разработать технологии укладки плит и блоков из ДЦБКМ в коле-сопроводы, кривые на площадках разъезда, провести их стендовые 7 испытания и обосновать их технико-экономическую эффективность.

Наиболее существенные новые научные результаты представленной работы:

— создан новый принцип стыкования элементов колейного покрытия в виде плит или блоков из ДЦБКМ, отличающийся тем, что на одной из граней этих элементов имеется выступ-шип клиновидной трапецеидальной формы, а на противоположной — паз соответствующей формы. Такой вид стыкования исключает перемещение колесопро-вода в продольном и поперечном направлениях, а также продавли-вание балласта под концами, например, плит;

— разработан качественно новый конструкционный материал для создания несущих элементов колесопроводов, отличающийся тем, что его матрицей является цементный бетон, для уплотнения структуры которого в него вводится, например, раствор поливинилового спирта (ЛВС), а поверхность элементов обрабатывается гидрофобизи-рующими составами, а также тем, что в качестве армирующего заполнителя использованы отходы лесоперерабатывающих производств в виде щепы длинной 150. .200 мм и более;

— на основе экспериментальных исследований разработана технология пропитки предварительно высушенного до постоянной массы древесного заполнителя, отличающаяся тем, что она осуществляется безводными растворами до предела насыщения древесины, исключает ее дальнейшее набухание, гидрофобизирует, предотвращает попадание в цементный бетон экстрактивных веществ во время его отверждения и защищает от гниения;

— определены основные механические характеристики ДЦБКМ, позволяющие производить расчет элементов колесопровода колейной автодороги, отличающийся тем, что в предположении о минимальной сопротивляемости грунта давлению обосновывается возможность нахождения радиуса кривизны и максимального прогиба, как 8 для элемента условно защемленного по его концам и нагруженного в середине пролета сосредоточенной силой, а также тем, что в дальнейшем дорожное покрытие представляется в виде двухслойного композиционного материала, имеющего приведенную изгибную жесткость, т. е. учитывается взаимное влияние двух компонентовДЦБКМ и грунта, обладающих различными модулями деформаций;

— новизна метода стыкования элементов покрытия, вида материала и способа армирования подтверждена наличием патента РФ.

Значимость полученных результатов для теории:

— доказана возможность совмещения в композиционном материале цементного бетона и достаточно крупных элементов из отходов деревообрабатывающих производств в результате локализации возможности проникновения воды из атмосферы в бетон, а из него в древесину, что снижает или сводит на нет коррозию цементного камня, в том числе под действием экстрактивных веществ древесины, защищает ее от гниения и, что самое главное, от набухания;

— экспериментально доказано предположение о том, что при высушивании древесины до постоянной массы и последующей пропитки ее растворами, не содержащими воду, или отработанным машинным маслом до предела насыщения, равного 30%, за счет сухих остатков происходит закупорка капилляров, исключается возможность развития давления стесненного набухания, которое способно разрушить структуру композиционного материала.

Значимость полученных результатов для практики:

— разработаны технологии отливки и укладки элементов колесопрово-дов колейного покрытия лесовозных автодорог в виде плит и блоков, стыкование которых происходит по одному принципу — на противоположных гранях элементов имеются соответственно выступы-шипы и пазы клиновидной трапецеидальной формы, которые позволяют соединять их без применения сварки или болтов в полосы или 9 площадки;

— в плитах и блоках отсутствует армирование металлом, что снижает их массу и стоимость на 40%, облегчает разборку колесопроводов и их укладку на новое место лесозаготовок. В этом смысле более «мобильными» являются блоки, масса которых в 6 раз меньше плиты из ДЦБКМ;

— предлагаемый метод расчета элементов покрытия позволяет производить его с применением ЭВМ, подбирая их геометрические характеристики в зависимости от массы предполагаемого расчетного автомобиля, видов грунта или балласта.

Достоверность результатов и выводов работы определяют:

— применение при обработке данных эксперимента методов математической статистики;

— сравнение результатов расчета плит и блоков колейного покрытия с результатами, полученными с помощью фундаментальных методов теории упругости и строительной механики;

— сопоставимость результатов лабораторных исследований с данными стендовых испытаний блоков из ДЦБКМ.

На защиту выносятся:

1. Обоснование предложенной конструкции стыков элементов покрытия колейных лесовозных автодорог.

2. Теоретическое обоснование возможности создания композиционного материала на основе цементного бетона, армированного крупными (от 150 и выше мм) отходами деревообрабатывающих производств, шпалопиления и т. п., сохраняющего монолитность структуры при воздействии на него воды.

3. Правильность выбора типа растворов и технологии пропитки ими цементного бетона и древесного заполнителя.

4. Предлагаемый метод расчета плит и блоков колесопроводов временных лесовозных автодорог из ДЦБКМ.

5. Технологии отливки и укладки плит и блоков в колейные покрытия и технико-экономическое обоснование целесообразности их применения на лесовозных автодорогах.

6. Результаты стендовых испытаний блоков из ДЦБКМ.

Апробация работы.

Научные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях по итогам НИР в Воронежской государственной лесотехнической академии (1997.2000 гг.) — на международной научно-технической конференции «Рациональное использование лесных ресурсов» посвященной 80-летию Дмитриева Ю я. — Йошкар-Ола, МарГТУ (1999 г.) — на научно-технической конференции «Современные строительные материалы», посвященной 70-летию НГАСУ — Новосибирск (2000 г.) — на международной научно-практической конференции «Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины» — Воронеж, ВГЛТА (2000 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе получен патент РФ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ известных видов сборно-разборных покрытий временных колейных лесовозных автомобильных дорог и методов стыкования их элементов показал, что по своей значимости в организации процесса бесперебойного вывоза по ним леса существует две основные проблемы:

— во-первых, существующие конструкции стыков их элементов сложные, они требуют применения электросварки или использования болтовых соединений, что затрудняет разборку колесопроводов при переносе их на дороги к новым местам лесозаготовок и повторное стыкование, т. е. приводит к дополнительным материальным и временным затратам;

— во-вторых, применения в качестве материалов покрытия деловой древесины и железобетона также экономически не выгодно.

2. Для решения первой проблемы создан новый принцип стыкования как торцевых, так и, при необходимости, боковых граней плит и блоков, которое осуществляется за счет того, что на противоположных их гранях имеются клиновидные с трапецеидальным поперечным сечением выступы-шипы и пазы соответствующей формы. Это позволяет сопрягать эти элементы в продольных и поперечных направлениях, исключает перемещение коле-сопровода в тех же направлениях, а также продавливание балласта в местах стыкования при наезде лесовозного транспорта.

Новизна способа армирования и метода стыкования подтверждена наличием патента РФ.

3. Для решения второй проблемы в качестве конструкционного материала плит и блоков колейных покрытий использован новый древесноце-ментобетонный композиционный материал (ДЦБКМ), матрицей которого является цементный бетон, а в качестве армирующего заполнителя использованы элементы из отходов деревообрабатывающих производств, тонкомерной древесины, шпалопиления и т. п. длиной 150.200 и более мм.

4. При обосновании возможности применения этого материала в 54 дорожном покрытии временных лесовозных автодорог решены задачи, связанные с коррозией цементного бетона под действием воды и органических агрессивных сред, в том числе полисахаридов, выделяющихся из древесины при контакте с водой, а также с процессом давления ее стесненного набухания, которое могло приводить к разрушению цементобетонной матрицы ДЦБКМ в процессе эксплуатации покрытия. Так, для сохранения монолитности структуры ДЦБКМ при отверждении и в период эксплуатации в плитах и блоках автодорог предложен ряд технологических приемов защиты этих двух его основных компонентов от отрицательного влияния друг на друга под действием воды. К ним относятся: пропитка предварительно высушенного древесного заполнителя до предела насыщения его (УГ1=30%) новыми гид-рофобизирующими составами и, в первую очередь, наиболее дешевым — отработанным машинным маслом (ОММ), одновременно кольматирующим капилляры древесины и защищающим ее от гниениявведение в состав цементного бетона добавок нового поколения, уплотняющих его структуру, например, поливинилового спирта (ПВС) и обработка поверхности изделия с целью защиты от агрессивных жидкостей, в первую очередь грунтовой и атмосферной воды.

5. Экспериментально установлено, что водопоглощение, не влияющее на процесс набухания древесины, за 28 сут. хранения во влажной среде и 240 ч. экспозиции в воде образцов из ДЦБКМ, обработанных предложенными модифицирующими и гидрофобизирующими составами, не превысило 0.5%. Это качественно улучшило характеристики этого материала и сделало его предпочтительным для применения в колейных покрытиях автодорог с точки зрения рационального использования лесных ресурсов и снижения стоимости по сравнению с древесиной и железобетоном.

6. Определены необходимые для расчета элементов покрытия временных лесовозных автодорог достоверные физико-механические характеристики ДЦБКМ — 10 МПа, о&trade-=4.5 МПа, а Е, ш-(1.8.2.0)-104 МПа,.

20.30 МПа, Есж=(2.6.2.8)-104 МПа, т^к" б=5.7 МПа, у=1.8.1.85 т/м3.

7. В упругой постановке задачи предложен достаточно простой метод расчета элементов покрытия временных лесовозных автодорог, в котором с учетом существующих теорий и при условии, что жесткость грунта значительно ниже жесткости материала покрытия, обосновывается возможность нахождения радиуса кривизны нейтрального слоя и максимального прогиба в середине плиты методами теории упругости и строительной механики, а не экспериментально.

Однако предложенный метод, имеет определенный недостаток — неучет жесткости основания в том числе, если она существенна, поэтому в развитие его колейное покрытие впервые предлагается рассматривать в виде двухслойного композиционного материала, состоящего из бетона и грунта или балласта конечной высоты. Это позволило использовать в расчетах его изгибную жесткость, т. е. учесть взаимное влияние материалов, имеющих разные модули деформаций, установить, что фактические напряжения в плите и блоке уменьшатся на 17.32% в зависимости от вида грунта и снизить их материалоемкость. Конечные результаты расчета согласуются с полученными другими классическими методами, но он значительно проще и производится с применением ЭВМ.

8. Разработаны новые технологии отливки из ДЦБКМ элементов колесопроводов колейных лесовозных автодорог, включающая пропитку древесного заполнителя, модификацию цементного бетона и пропитку готового изделия гидрофобизирующими составами, а также укладки блоков и плит на прямых участках, в кривых и на площадках разъезда, что повышает ее эффективность за счет снижения материальных и производственных затрат.

9. Стендовые испытания блоков из ДЦБКМ на изгиб и сжатие показали соответствие полученных механических характеристик, определенным с.

156 использованием стандартных образцов.

Блоки из ДЦБКМ, как имеющие массу в шесть раз меньшую, чем плита, использованы при ремонте колесопровода временной лесовозной автодороги в Животиновском лесничестве учебно-опытного лесхоза ВГЛТА. Намечено их применение для покрытия станционных платформ и переездов через железнодорожные пути по линии МПС, а также в городском дорожном хозяйстве, в качестве покрытий посадочных площадок аэродромов и т. д., т.к. технико-экономические расчеты подтвердили их технические преимущества, по сравнению с железобетонными плитами, при снижении договорной цены более, чем на 40%.