Разработка полимерных композиционных материалов для теплоизоляции и усиления земляного полотна железнодорожного пути на слабом основании

Решение проблем повышения устойчивости, надежности и долговечности земляного полотна при проектировании, строительстве и реконструкции железных дорог в сложных инженерно-геологических условиях является актуальной научно-прикладной задачей, обеспечивающей безопасную эксплуатацию объектов инфраструктуры. Анализ научной литературы, нормативных и охранных документов в области обеспечения теплоизоляции и усиления земляного полотна железнодорожного пути позволил выявить проектные решения, способы их реализации и известные недостатки. Большая часть проектных решений направлена на увеличение слоя непучинистого грунта, введение песчано-цементных растворов, исследование эффективности использования георешеток, геоячеек, геосеток, нетканного геотекстиля и пенополистирола. Недостатки проектных решений сводятся к значительной материалоемкости, трудоемкости, недостаточной структурной прочности применяемых материалов и слабой армирующей способности теплоизоляционного слоя. В России и за рубежом научные и проектные организации, связанные с железнодорожной инфраструктурой, активно работают над расширением ассортимента материалов для строительства, реконструкции и эксплуатации пути. Однако применение многих теплоизоляционных материалов может быть ограничено в связи с недостаточной химической стойкостью, прочностью, дренирующими свойствами, а также токсичностью материалов. Так, в Китае при сооружении полотна Цихай-Тибетской железной дороги для борьбы с оттаиванием вечномерзлых грунтов произвели укладку слоя щебня с последующим установлением труб, наполненных высокотоксичным жидким аммиаком. На железной дороге России требования нормативных документов по применению пенополистирола и геотекстиля при усилении основной площадки земляного полотна (ЦПТ-53; ЦПИ-24; ЦПИ-32) имеют ряд противоречий, которые касаются способов производства и технических параметров материалов, а также условий их применения и технологий выполнения работ. Кроме того, пенополистирол имеет негативные эксплуатационные свойства: низкие прочностные характеристики, недолговечность, пожароопасность и токсичность. В условиях естественной эксплуатации вследствие деструкции и химического взаимодействия с кислородом, в окружающую среду выделяются токсичные вещества (бензол, толуол, этилбензол, ацетофенон, формальдегид, метиловый спирт) и пенополистирол теряет свои теплозащитные свойства. В начальный период эксплуатации пенополистирола выделяются продукты деполимеризации и токсичный стирол. Известен способ укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах (Патент РФ № 2074928, опубл. 10.03.1997 г.), включающий разрушение сильнольдистых фрагментов высокоскоростными жидкими струями и удаление разрушенного льдистого грунта с замещением его пульпой высокой консистенции на основе песка и цемента. Известен способ ремонта железнодорожного земляного полотна, основанный на принудительном удалении накопленной воды по дренажным скважинам путем одновременного нагнетания цементно-глинистого, цементно-песчаного растворов, либо органических вяжущих материалов (Патент РФ № 2277616, опубл. 20.01.2006 г.). Общим недостатком описанных способов и составов является то, что создаваемые жесткие конструкции под действием постоянных динамических нагрузок и переувлажнения подвержены деформации с последующей просадкой земляного полотна. Песчано-цементные растворы могут размываться и выноситься из тела земляного полотна. Известен способ устройства железнодорожного пути, содержащего земляное полотно, кюветы, балластную призму и теплоизоляционный слой, расположенный ниже рельсошпальной решетки (Патент РФ № 14436, опубл. 27.07.2000 г.). Недостатком данной конструкции железнодорожного пути является низкая надежность пути в результате слабой армирующей способности теплоизоляционного слоя из пенополистирола. С целью обеспечения теплоизоляции и усиления земляного полотна железнодорожного пути актуальным является замена малоэффективных строительных материалов на экологически безопасные полимерные композиционные материалы с повышенными эксплуатационными характеристиками.