بخشی از مقاله
بررسي مقاومت ساييدگي سرباره فولاد براي استفاده به عنوان بالاست در خطوط راه آهن
خلاصه
گسترش صنايع مادر در کشور از جمله صنعت آهن و فولاد، منجر به توليد حجم انبوهي از محصولات جانبي اين صنعت نظير مصالح سرباره اي شده است . امروزه اين محصول به شکل توده هاي عظيمي در محوطه کارخانه هاي ذوب آهن اصفهان ، فولاد اهواز و فولاد مبارکه انباشته شده است . توجه به مباني توسعه پايدار، مبني بر حفظ و نگهداري محيط زيست از يک سو و خواص فيزيکي و مکانيکي منحصر به فرد مصالح سرباره اي، اين محصول را مورد توجه مهندسين عمران قرار داده است . از طرفي مصالح لايه بالاست به عنوان يکي از اجزاي مهم روسازي خطوط بالاستي راه آهن عموما از منابع طبيعي تامين مي شود که در نوع خود آسيب به محيط زيست محسوب مي شود که لزوم استفاده از مصالح جايگزين براي بالاست راه آهن را به يک ضرورت تبديل کرده است . در راستاي پاسخگويي به نياز فوق ، اين تحقيق به بررسي آزمايشگاهي قابليت استفاده از سرباره فولاد به عنوان بالاست در خطوط راه آهن مي پردازد. از آنجا که استفاده از خطوط ريلي در تمام فصول و شرايط بارندگي قطع نمي گردد، مصالح بالاست بايد مقاومت کافي براي حفظ کيفيت خود در طي تغيير فصول مختلف را داشته باشد. لذا اين پژوهش به بررسي مقاومت ساييدگي سرباره فولاد متمرکز شده است . در اين راستا ضمن مروري بر آزمايش هاي روسازي و زيرسازي خط آهن و بررسي آئين نامه هاي مختلف موجود در زمينه بالاست ، با انجام آزمايش هاي لوس آنجلس و ميکرودوال و مقايسه نتايج آن ها با مقادير مجاز آئين نامه اي، قابليت سرباره فولاد براي استفاده به عنوان بالاست در خطوط ريلي از منظر مقاومت ساييدگي مورد بررسي و بحث واقع شده است . نتايج تحقيق حاکي از قابليت مناسب سرباره فولاد براي استفاده به عنوان بالاست در خطوط ريلي از منظر مقاومت ساييدگي مي باشد.
کلمات کليدي: خطوط ريلي، بالاست ، سرباره فولاد، مقاومت ساييدگي، آزمايش هاي آزمايشگاهي
١. مقدمه
امروزه راه آهن به دليل مزيت هايي چون ايمني بالا و سازگاري با محيط زيست ، يکي از مناسب ترين وسايل حمل و نقل در جابجايي مسافر و حمل بار محسوب مي شود. لذا توسعه خطوط راه آهن و زيرساخت هاي مربوط به حمل و نقل ريلي ، منجر به پيشرفت کشور مي گردد. در اين بين ، خطوط بالاستي راه آهن به عنوان يکي از شاهراه هاي حياتي هر کشور به دليل برخورداري از مزايايي همچون ظرفيت بالاي حمل بار و مسافر، ايمني سير، برخورداري از زمان بندي حرکت منسجم و منظم ، توانايي دست يابي به سرعت هاي بالا (قابل رقابت با حمل و نقل هوايي)، برخورداري از صرفه اقتصادي به ويژه در مصرف سوخت و در نهايت ، آلودگي هاي زيست محيطي بسيار کم ، شاهد رشد و توسعه قابل ملاحظه اي با رويکرد افزايش سرعت مي باشد. از نکات بسيار مهم در خطوط بالاستي، مساله هزينه هاي قابل توجه تعمير و نگهداري خط و بويژه اجزاي روسازي است [١]. در ميان اجزاي روسازي، لايه بالاست به عنوان وجه تمايز اصلي بين خطوط بالاستي و بدون بالاست راه آهن ، بايد قادر باشد به گونه اي شدت تنش هاي اعمال شده به لايه بستر را کاهش دهد که از محدوده مجاز قابل تحمل اين لايه ، تجاوز نکند. علاوه بر اين ، بالاست با قبول وظايفي همچون مقاومت در برابر نيروهاي قائم (مشتمل بر بار محوري و نيز نيروي قائم رو به بالاي ناشي از فشار آب منفذي)، جانبي و طولي، جذب ارتعاشات و کاهش سر و صداي ناشي از عبور ناوگان ريلي، تسهيل عمليات نگهداري و تعمير خط (سهولت بيش تر در تنظيم راستاي هندسي خط بالاستي در مقايسه با خطوط بدون بالاست راه آهن )، تسهيل زهکشي آب هاي سطحي از خط به سمت مجاري زهکش ، محافظت از لايه بستر در برابر يخبندان ، جلوگيري از رشد گياهان در خط آهن ، ايفاي نقش عايق الکتريکي به منظور جلوگيري از ايجاد جريان الکتريکي ناخواسته بين ريل ها و تأمين سهولت بيش تر در انجام عمليات نوسازي و بازسازي خط در مقايسه با خطوط بدون بالاست ، نقش بسيار مهمي در حفظ ساختار خط دارد[٣-٢]. در اين راستا، عوامل متعددي را ميتوان بر نقش سازه اي لايه بالاست مؤثر دانست که عمدتا به خصوصيات مکانيکي مصالح به کار رفته در آن مربوط است . به عنوان مثال ، دانه بندي مصالح بالاست ، مقاومت مکانيکي اين مصالح به خصوص در مقابل ضربه ، جنس سنگدانه ها و ترکيبات شيميايي متشکله آن ها، ضخامت ، عرض شانه و شيب شيروانيهاي طرفين لايه بالاست از يک سو و مقاومت ساييدگي از سوي ديگر، مهم ترين مواردي ميباشند که در اين زمينه ميتوان بدان ها اشاره نمود[٥-٤]. نظر به اينکه در صورت ساييدگي و خردشدن مصالح لايه بالاست ، کارايي آن به شدت کاهش يافته و قابليت عملي ساختن وظايف مذکور براي لايه بالاست ناممکن مي گردد، مقاومت ساييدگي مصالح اين لايه اهميت قابل توجهي پيدا مي کند. از طرفي از آنجا که مصالح لايه بالاست عموما از منابع طبيعي اعم از کوهي و رودخانه اي تامين مي شود که در نوع خود آسيب به محيط زيست محسوب مي شود، توجه به مباني توسعه پايدار، مبني بر حفظ و نگهداري محيط زيست ، متوليان و دست اندرکاران را بر آن داشته است که به دنبال راهکارهايي به منظور استفاده از مصالح جايگزين براي استفاده به عنوان بالاست در خطوط ريلي باشند. از طرفي کاهش آلودگي هاي ناشي از پسماندها و زباله هاي صنعتي امروزه در دنيا از اهميت خاصي برخوردار است و علت آن هم تأکيد بر قوانين محيط زيست است . در اين بين ، سربارة فولاد به عنوان نوعي زبالۀ صنعتي کارخانه هاي فولادسازي متاسفانه عليرغم خواص و ويژگي هاي منحصر به فرد همچون بافت زبر و متخلخل ، مقاومت سايشي و فشاري بالا، زاويه اصطکاک داخلي زياد و شکل گوشه دار [٤] تاکنون به شکل ضايعات دفع و دپو شده است . با مروري بر تجربه کشورها در بررسي رفتار آزمايشگاهي و ميداني مصالح مختلف به عنوان بالاست مشاهده مي شود که ادبيات فني در اين حوزه تنها محدود به برخي تحقيقات صورت گرفته براي استفاده از سرباره فولاد به عنوان سنگدانه مناسب در لايه هاي روسازي به خصوص لايه رويه آسفالتي مي باشد[٧-٦]. در زمينه راه آهن نيز ميتوان به تحقيق کايا در سال ٢٠٠٤ [٨] براي بررسي قابليت استفاده از سنگ بازالت و سنگ آهک به عنوان بالاست اشاره نمود. با توجه به گسترش صنايع مادر در کشور، از جمله صنعت آهن و فولاد که منجر به توليد حجم انبوهي از محصولات جانبي اين صنعت نظير مصالح سرباره اي شده و به شکل توده هاي عظيمي در محوطه کارخانه هاي ذوب آهن اصفهان ، فولاد اهواز و فولاد مبارکه انباشته شده است ، اين تحقيق به بررسي و ارزيابي مقاومت ساييدگي سرباره فولاد براي استفاده به عنوان بالاست راه آهن مي پردازد. در اين راستا در ابتدا مروري بر آزمايش هاي مربوط به روسازي و زيرسازي راه آهن شده است . در ادامه و در قالب مجموعه اي از آزمايش هاي آزمايشگاهي شامل لوس آنجلس و ميکرودوال در دو حالت خشک و تر بر روي سرباره فولاد با دانه بندي مشخصه بالاست راه آهن ، مقاومت ساييدگي سرباره فولاد براي استفاده به عنوان بالاست راه آهن از طريق مقايسه با مقادير مجاز آئين نامه اي بالاست بررسي و ارزيابي شده است .
٢. مروري بر آزمايش هاي مربوط به روسازي و زيرسازي راه آهن
به منظور کسب اطلاع از کيفيت مناسب خط ، کنترل هاي مربوط به روسازي و زيرسازي خطوط راه آهن امري ضروري مي باشد. در اين راستا اندازه گيري پارامترهاي موثر در روسازي خطوط راه آهن شامل ريل ، تراورس ، پابند، بالاست ، زير بالاست و بستر و کنترل مقادير مربوط به آن ها بايد مدنظر قرار گيرد[٣]. با توجه به کارکرد اجزاي مختلف روسازي در خط راه آهن ، آزمايش هاي مختلفي جهت کنترل پارامترهاي مربوط به هر يک از اجزا، مطابق با آيين نامه ها انجام مي شود. آزمايشات مربوط به ادوات مختلف راه آهن در شکل ١ ارائه شده است . آزمايش ها مربوط به ريل ها به دو گروه کنترل مشخصات هندسي و مکانيکي ريل ها قابل تقسيم بندي است که مشخصات هندسي ريل شامل سطح مقطع ، ممان اينرسي، مرکز سطح ، عرض ، ارتفاع ، ضخامت و ساير ابعاد در مشخصات فني عمومي روسازي راه آهن مي باشد و مشخصات مکانيکي ريل شامل آزمايش تعيين مقاومت کششي، آزمايش سقوط وزنه ، آزمايش ماکروسکوپي، آزمايش ضربه ، آزمايش سختي سنجي و آزمايش اولتراسونيک مي باشد. همچنين آزمايش هاي مربوط به کنترل کيفيت پابند ها شامل آزمايش بارگذاري استاتيکي، آزمايش اندازه گيري مقاومت گيرداري پابند در جهت قائم ، آزمايش اندازه گيري مقاومت گيرداري پابند در جهت طولي، آزمايش اندازه گيري سختي در جهت قائم و آزمايش بارگذاري متناوب (خستگي) مي باشد. تراورس ها جزء ادوات روسازي خط آهن مي باشند که بين ريل و بالاست قرار مي گيرند و نيرو را از ريل به بالاست منتقل مي کنند و در عين حال ثابت ماندن عرض خط را تأمين مي کنند که شامل انواع تراورس هاي فلزي، بتني و چوبي مي باشند. هريک از انواع تراورس ها داراي آزمايش هاي مخصوص به خود مي باشند. در کل مهمترين آزمايش ها مربوط به تراورس ها عبارتند از: کنترل ابعادي و کنترل ظاهري، آزمايش ها مکانيکي، آزمايش کشش ، آزمايش خمش ، متالوگرافي، آزمايش سختي سنجي و آزمايش خستگي[٣]. مهمترين بخش از روسازي راه آهن ، مصالح بالاست و زيربالاست مي باشند که از مصالح دانه اي تشکيل شده است [٣]. بالاست بستر مناسبي براي استقرار تراورس ايجاد مي کند و بار را از تراورس به سطح بيشتري از زيرسازه انتقال مي دهد[١٠]. بنابراين جهت کنترل مصالح بالاست و زيربالاست مي توان از شاخص هايي مانند دانه بندي، تعيين اثرات محيطي بر مصالح ، تعيين دوام مصالح ، تعيين وزن واحد حجم و تعيين مشخصات ظاهري و سطحي مصالح استفاده کرد که هر کدام از اين شاخص ها داراي آزمايش هاي مخصوص به خود مي باشد که در اين مقاله آزمايش لوس آنجلس و آزمايش ميکرودوال به منظور بررسي مقاومت ساييدگي سرباره فولاد ملاک عمل قرار گرفته است . همچنين بررسي رفتار مکانيکي بالاست از ديدگاه آزمايشگاهي با آزمايش هايي صورت مي گيرد که اين آزمايش ها عبارتند از : آزمايش ادومتري، آزمايش جعبه بالاست و آزمايش سه محوري[٣]. با توجه به اينکه بستر و سابگريد نقش مهمي در انتقال بار و ثبات خط دارد، بايد از آزمايش هايي مانند آزمايش ادومتري، آزمايش سه محوري، آزمايش تحکيم ، آزمايش نفوذ مخروط و نفوذ استاندارد جهت کنترل بستر و سابگريد استفاده کرد. در اين تحقيق ، به منظور تعيين مقاومت ساييدگي سرباره فولاد به جهت استفاده به عنوان بالاست راه آهن از آزمايش هاي ميکرودوال در حالت خشک و تر و آزمايش لوس آنجلس استفاده شده است که در ادامه روند انجام آزمايش ها، نتايج آزمايش ها و مقايسه آن با مقادير مجاز آئين نامه اي تشريح مي گردد. از آنجا که استفاده از خطوط ريلي در تمام فصول و شرايط بارندگي قطع نمي گردد، مصالح بالاست بايد
مقاومت کافي براي حفظ کيفيت خود در طي تغيير فصول مختلف را داشته باشد، ازمايش ميکرودوال در دوحالت خشک و تر انجام شده است .
شکل ١- آزمايشات مربوط به روسازي و زيرسازي راه آهن
٣. برنامه آزمايش هاي آزمايشگاهي
١,٣. آزمايش لوس آنجلس
اين آزمايش ، مقاومت ساييدگي دانه هاي سنگي درشت دانه کوچکتر از ٣٧.٥ ميليمتر را با استفاده از دستگاه لوس آنجلس تعيين مي کند. آزمايش لوس آنجلس به منظور سنجش مقاومت سنگدانه هاي معدني با دانه بندي استاندارد در برابر ضربه و سايش انجام مي شود. اين آزمايش به طور وسيعي براي تشخيص کيفيت نسبي و قابليت مصالح سنگي که داراي ترکيبات معدني مشابهي بوده و از منابع مختلفي تهيه شده کاربرد دارد. نتايج اين آزمايش را نميتوان بدون بررسي هاي لازم به عنوان يک معيار معتبر براي مقايسه بين مصالح سنگي که ساختمان ، منبع و ترکيبات متفاوتي دارند، به کار برد[٣]. مشخصاتي که بر اساس اين آزمايش حاصل مي شود، بايد با دقت زياد و با توجه به انواع مصالح سنگي موجود و سابقه عملکرد آنها مورد بررسي قرار گيرند. دستگاه لوس آنجلس از استوانه اي تو خالي به قطر ٧١ سانتي متر و طول ٥١ سانتي متر که حول محور افقي قابل دوران است و دو انتهاي آن بسته است ، تشکيل شده است (شکل ٢). درون اين استوانه متناسب با نوع دانه بندي مصالح مورد آزمايش تعدادي گوي فولادي (١٢ عدد) به قطر ٤٦.٥ ميليمتر و وزن حدود ٤٠٠ تا ٤٤٠ گرم قرار داده شده است (شکل ٣). در اين تحقيق از مصالح با قطر متوسط ١٢-٢٥ و ٢٥-٦٠ ميليمتر استفاده شده است (شکل ٤). نمونه هاي با قطر متوسط ١٢-٢٥ و ٢٥-٦٠ ميليمتر از الک هاي "٢ ، عبور داده شد و به مقدار ٥ کيلوگرم از مصالح عبوري از الک "٢ براي آزمايش به وسيله ترازو جدا گرديد. استوانه دستگاه لوس آنجلس به مدت ٢٠ و ٤٠ دقيقه به ميزان ٥٠٠ دور با سرعت ٣٠ تا ٣٣ دور در دقيقه چرخانده مي شود. در اثر اين فرايند ، ضمن برخورد گلوله هاي فولادي سنگدانه ها، قسمتي از سنگدانه ها شکسته مي شود. سپس سنگدانه ها از استوانه خارج و با الک هاي نمره ١٢ و ٤ غربال گرديد . آنگاه سنگدانه هايي که روي الک ها باقي مانده بوسيله ترازو وزن
گرديد. جدول ١ نتايج آزمايش لوس آنجلس را نشان مي دهد.
