Анализи

Призма на жп линии в България според БДС EN 13450:2013

Доц. д-р инж. Радослав Върбанов, инж. Димитър Фотев, ас. инж. Боян Петров, ас. инж. Росен Нанкин Скоростта на влаковите композиции в България е значително по-ниска, отколкото тази в останалите страни – членки на ЕС. Една от причините за това е, че материалът, от който са изградени баластовите призми на съществуващата железопътна инфраструктура, не отговаря на изискванията на европейските норми за високоскоростен жп транспорт. При реконструкцията на съществуващата железопътна инфраструктура, както и при проектирането и строителството на нови жп линии е необходимо използваният материал да отговаря на изискванията на БДС EN 13450:2013. Тук са посочени резултатите от лабораторни изпитвания на кариери в България, от които се добиват скални материали за баластова призма на жп линии. Изпитванията са направени с цел да се потърси корелационна зависимост между резултатите от лабораторните методи за изпитване с оглед да се съкратят процедурите за изпитване. Между някои от определените показатели се получиха много добри корелационни зависимости. Увод Трошеният камък е един от най-обичайните строителни материали. Значително количество едрозърнест и финозърнест трошен камък се използва за изграждане на строителни конструкции, пътища, магистрали, мостове и жп линии. В железопътните линии трошеният камък се прилага при направата на баластова призма, чиито функции са свързани с еластичното поемане на товарите от собственото тегло и подвижния състав и равномерното им предаване върху земното платно, отводняването, както и създаването на устойчива основа на релсово-траверсовата скара, която да позволява коригирането й по ос и ниво. За да може да изпълнява тези функции, баластовата призма трябва да се прави от трошен камък, който да отговаря на европейските норми, приети у нас (EN 13450:2013). Качеството на използвания материал зависи от неговите физични, якостни и геометрични свойства, дълготрайността и зърнометричния му състав. Геометричните характеристики на скалните материали са пряко зависими от трошачните и пресевните инсталации на кариерите и могат да се коригират. Поради тази причина по-специално внимание е обърнато на якостните показатели и показателите за дълготрайност, които зависят изцяло от природните дадености на изходния скален материал, и между тях са търсени корелационни зависимости. Якостните характеристики включват устойчивост на дробимост, която се определя по метода „Лос Анджелис” (LA). Освен това посоченият европейски стандарт за скални материали за баластова призма на жп линии включва и новия метод за изпитване – „Микро Девал” (MD), което наложи закупуване на ново оборудване. Дълготрайността на материалите е изследвана чрез изпитване с магнезиев сулфат (MS). Изпитани са скални материали от 12 различни кариери: Бов (диабаз), Карлуково (варовик), Хотница (варовик), Златна нива (органогенен варовик), Сини вир (варовик), Добромир (варовик), Българово (трахиандезит), Горно Езерово (андезит), Струпец (кварцит), Дядово (доломит), Братя Кунчеви (андезитови туфи), Черепиш (варовик). При изпитванията с магнезиев сулфат, „Микро Девал” и „Лос Анджелис” са изследвани 65 скални проби, от които са изчислени показателите на скалните материали. Резултатите от изпитванията целят да характеризират българските скални материали за жп линии според БДС EN 13450: 2013. Материали Изследваните материали са представени от различни по генезис скали – андезити, андезитови туфи, трахиандезити, андезитобазалти, диабази, доломити, кварцити и различни типове варовици. В кариера Струпец (фиг. 1) се добиват кварцити, които имат хомеогранобластова до хетерогранобластова структура. Текстурата им е масивна. Главният скалообразуващ минерал в кварцитите е кварцът, основно от който е изградена скалата (94 – 97%). Макроскопски българитът от Българово (фиг. 2) се характеризира като червено-кафява дребнозърнеста плътна и здрава скала с масивна текстура. Структурата й е порфирна (гломеропор­фирна), на основната маса – криптокристалинна (сферолитова). В Горно Езерово скалите са представени от андезити, андезитови туфи, трахиандезити, трахиандезитобазалти, латитоандезити, андезитобазалти. От тях андезитобазалтите са най-подходящ материал за баластова призма на жп линии. Те са сиво-зелени, тъмносиви, плътни и дребнозърнести скали. Текстурата им е масивна, а структурата – холокристалинна, зърнестопорфирна, на места гломеропорфирна за скалата. Основната маса е афанитова микрозърнеста, а отделните зърна са с хипидиоморфни очертания (т.е. структурата е микрохипидиоморфозърнеста). Доломитите от Дядово са разнозърнести до среднозърнести, тежки, плътни, на цвят сиви и сиво-черни до неравномерно червеникави, процепени от мрежово разположени прожилки и пукнатини, обуславящи на места псевдобрекчовиден изглед. Текстурата им е масивна до псевдобрекчовидна. Диабазовите брекчи от Бов имат светлосив до зеленикав цвят, който на места е по-тъмен. На много места диабазовите брекчи са процепени от калцитни прожилки с гнезда от калцит. В южната част на кариерата диабазовите брекчи постепенно надолу преминават в диабази, като разграничаването им е затруднено поради еднаквия цвят на основната маса и включенията. Текстурата на скалата е масивна. Структурата е холокристалинна, зърнестопорфирна, на места – гломеропорфирна. Основната маса се характеризира с микродолеритова. Андезитовите туфи, изграждащи находище Братя Кунчеви, са свежи, масивни и плътни скали със светлозелен, сиво-зелен, жълтозелен и черно-зелен цвят. Тяхната теригенна съставка има пелитни до псамитни размери. Текстурата им е масивна, а структурата – витрокристалокластична пепелна. Варовиците от Карлуково (фиг. 3) са бели до кремави, здрави, масивни, органогенни. Текстурата им е масивна, а структурата – биогенна (зоогенна). Минералният състав на тези варовици е представен основно от калцит, изграждащ скелета на различни организми. Според петрографското си описание варовиците от кариера Златна нива (фиг. 4) са с масивна текстура и биогенна (смесена) структура. Минералният състав е основно калцит, изграждащ скелета на различни организми. Спойката е от микрозърнест калцит. Размерите на зърната рядко достигат до 0,1 mm, обикновено са под 0,5 mm. Варовиците от Хотница са сиви, дребнозърнести, с масивна текстура и биогенна структура (предимно фитогенна). Минералният състав е основно от калцит, изграждащ скелета на различни организми. Той е прозрачен и оформя относително по-едри зърна – до около 0,5 mm. Спойката е от микрозърнест калцит (микрит). Размерите на зърната в нея са под 0,01 mm. Варовиците от Добромир са кремави, матовобели, светлосиви, сиви, жълто-кафяви. Те имат масивна текстура. Структурата им е биогенна (зоогенна предимно). Минералният състав на варовиците е основно от калцит, изграждащ скелета на различни организми. Спойката е от микрозърнест калцит (микрит). Варовиците от Сини вир (фиг. 5) са светлобежови до тъмносиви, дребнозърнести, песъчливи, с масивна текстура. Структурата им е кластична, микрозърнеста и биогенна (зоогенна) за карбонатния цимент. Кластичният компонент е съставен от ъгловати до слабо заоблени зърна кварц. Наблюдават се и заоблени пелети от глауконит. Спойката е изградена от микрозърнест калцит. В него не са редки организмовите останки. Методи за изпитване Свойствата на скалите зависят от техния генезис, минерален състав, структура и текстура, или накратко – те зависят от петроложките им свойства. Тези свойства могат да бъдат дадени само по описателен начин, но в строителната практика се изисква характеристиките на свойствата да могат да бъдат оценени въз основа на резултатите от изпитвания, придружени от стойности и функционални връзки. Освен измеримите петрофизични свойства якостните свойства на материалите играят важна роля за определяне на тяхната пригодност. Определянето на тези свойства на скалите се различава от определянето на якостта на едноосов натиск. Опити за определяне на якостните свойства на трошен камък се извършват чрез въртящи се барабани (тестовете „Лос Анджелис” и „Микро Девал”), в които се поставя скалният материал, както и определен брой стоманени топки. При въртенето на барабаните има процеси на триене и удряне между късовете. Освен това късовете се удрят в стоманените топки и в стените на барабаните. Всичко това води до раздробяване и износване на материала. Съпротивлението на дробимост по метода „Лос Анджелис” се определя по БДС EN 1097-2:2010. Минималната проба е 10 000±100 g, съставена от две фракции – 31,5÷40,0 mm и 40,0÷50,00 mm, по 5000±50 g всяка, предварително промити и изсушени до постоянна маса. За това се изискват 10 000 g и 12 топки с обща маса 5,210 g. Типичен уред на „Лос Анджелис” е показан на фиг. 6. Изпитванията по метода LA са изпълнени във въртящ се барабан с диаметър 711 mm, в който са поставени топки (с диаметър 45 – 49 mm), които намаляват вътрешния диаметър на барабана. Изпитването по метода LA включва следните процедури: – Напълно изсушеният материал за изпитване от двете комбинирани фракции се поставя в барабана заедно с топките. – Барабанът се завърта 1000 пъти с 31 – 33 завъртания/мин. – Полученият след изпитването материал после се пресява през сито с отвори 1,6 mm, като се промива с водна струя. – Запазената върху ситото фракция се изсушава, след което нейната маса се претегля и се записва. Устойчивостта на дробимост по метода LA се определя по следната формула: където m e масата на материала, запазен върху сито с отвори с размери 1,6 mm в грамове. Съпротивлението на износване по метода „Микро Девал” се определя по БДС EN 1097-1:2011. Опитът се извършва с апаратура, имаща барабан с вътрешен диаметър 200 mm и дължина 400 mm. Не се изисква използване на абразивен пълнител като стоманени топки. Типичен уред на „Микро Девал” е показан на фиг. 7. Не е задължително да има абразивни топки. Изпитваният материал представлява комбинирана фракция с обща маса от 10 000 g. Във всеки барабан се добавят 2 л вода. След това барабанът се завърта 14 000 пъти с 95 – 105 завъртания в минута. Полученият след изпитването материал после се пресява през сито с отвори 1,6 mm, като се промива с водна струя. Запазената върху ситото фракция се изсушава, след което нейната маса се претегля и се записва. Устойчивостта на дробимост по метода MD се определя по следната формула: където, m e масата на материала, запазен върху сито с отвори с размери 1,6 mm в грамове. За определянето устойчивостта на магнезиев сулфат се изискват проби с маса 10 000±100 g и да съдържат 5000±50 g (фракция 31,5÷40,0 mm) и 5000±50 g (фракция 40,0÷50,00 mm), предварително промити и изсушени до постоянна маса. Всяка лабораторна проба се подлага на десет цикъла на потапяне в 12 л наситен разтвор на магнезиев сулфат, което е последвано от отцеждане, промиване и сушене в сушилня с температура 110±5 °С. Процесът се повтаря в продължение на десет цикъла, като всеки цикъл отнема 48±2 часа. Този опит подлага скалните материали на отрицателния ефект от повторната кристализация и дехидратация на магнезиевия сулфат в порите на скалната проба. Полученият след изпитването материал после се пресява през сито с отвори 22,4 mm. Устойчивостта на магнезиев сулфат се изчислява в проценти от масата на всеки опитен образец в съответствие със следното уравнение: където M1 е първоначалната сумарна суха маса на трите образеца за изпитване в грамове; M2 е крайната сумарна суха маса на трите образеца за изпитване, които са задържани на посоченото сито (в грамове); F е процентната загуба на маса на трите образеца за изпитване след циклите на замразяване – размразяване. Резултати След изпитванията по метода LD ръбовете на счупените късове бяха заострени, докато след изпитването по метода MD късовете станаха заоблени (фиг. 8 и 9). Същият процес на промяна може да се наблюдава при всичките изпитани скални материали (андезит, диабаз, доломит и варовик). Изпитването по метода „Лос Анджелис” предава голямо динамично натоварване по време на завъртанията, поради което образците се чупят веднага, пораждайки остра счупена повърхност. Процедурата на изпитване по метода „Микро Девал” има по-голям абразивен (изтриващ) ефект върху скалата и по този начин образците стават заоблени. Някои скални материали реагират по-чувствително в присъствието на вода и поради тази причина са планирани допълнителни изпитвания, за да се анализира ефектът на водата. Резултатите от коефициентите на „Лос Анджелис” и „Микро Девал” и изпитването с магнезиев сулфат (MS) са показани на табл. 1. Литература 1. БДС EN 13450:2013. Скални материали за баластова призма на жп линии. 2. БДС EN 1097-1:2011. Изпитване за определяне на механични и физични характеристики на скалните материали. Част 1. Определяне съпротивлението на износване (MD). 3. БДС EN 1097-2:2010. Изпитване за определяне на механични и физични характеристики на скалните материали. Част 2. Методи за определяне на съпротивлението на дробимост. 4. БДС EN 1367-2:2000. Изпитвания за определяне на топлинни характеристики и устойчивост на изветряне на скалните материали. Част 2. Изпитвания с магнезиев сулфат. 5. Лепоев и Папазов. Концепции за по-нататъшното използване на баласта за жп линии на БДЖ. Списание „Железопътен транспорт“, 2000 г. 6. Miklós Gálos, László Kárpáti. Testing of Hungarian aggregates for railway ballast according to MSZ EN 13450: 2003. Department of Construction Materials and Engineering Geology, Budapest University of Technology and Economics, Budapest, 2007. 7. Sair Kahraman, Osman Gunaydin. Empirical methods to predict the abrasion resistance of rock aggregates. 2007.