Московский экономический журнал 5/2022

PDF-файл статьи

Научная статья

Original article

УДК 33

doi: 10.55186/2413046X_2022_7_5_307

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ШПАЛ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ENVIRONMENTAL ASPECTS OF THE USE OF SLEEPERS MADE OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Попов Владимир Георгиевич, д.т.н., заведующий кафедрой «Химия и инженерная экология», Российский университет Транспорта (МИИТ), vpopov_miit@mail.ru

Боровков Юрий Николаевич, к.т.н., доцент кафедры «Химия и инженерная экология», Российский университет Транспорта (МИИТ), yunikborovkov@gmail.com

Нефёдова Ирина Витальевна, магистрант кафедры  «Химия и инженерная экология», Российский университет Транспорта (МИИТ) niv1998@bk.ru

Popov Vladimir Georgievich, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of Chemistry and engineering ecology” RUT (MIIT)

Borovkov Yury Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Chemistry and engineering ecology” RUT (MIIT)

Nefedova Irina Vitalievna, master student of the Department of Chemistry and engineering ecology” RUT (MIIT) niv1998@bk.ru

Аннотация. Обращение с отходами и их экологически безопасная утилизация, а также применение в качестве вторичных материальных ресурсов является значимой научно-технической и эколого-экономической задачей. Для железнодорожного транспорта на протяжении достаточно длительного времени весьма остро стоит вопрос об утилизации вышедших из использования элементов верхнего строения пути. Наибольшую опасность для окружающей среды представляют деревянные шпалы, пропитанные креозотом. Среди наиболее перспективных и отвечающих экологическим требованиям методам утилизации таких отходов предпочтение отдается пиролизу. В то же время специалистами ведутся поиски способов вторичного использования отработанных деревянных шпал. Отдельным заслуживающим внимания вопросом является применение для изготовления железнодорожных шпал композитных полимерных материалов, которые сочетают в себе устойчивость к воздействию окружающей среды, возможности широкого использование полимерного вторичного сырья для их производства и имеют возможности для последующей вторичной переработки.

Abstract. Waste management and environmentally sound disposal, as well as the use as secondary material resources is a significant scientific, technical and environmental and economic task. For railway transport, for quite a long time, the issue of the disposal of released

from the use of track superstructure elements. Creosote-impregnated wooden sleepers pose the greatest danger to the environment. Among the most promising and environmentally friendly methods of disposal of such wastes, preference is given to pyrolysis. At the same time, specialists are looking for ways to reuse used wooden sleepers. A separate issue worthy of attention is the use of composite polymeric materials for the manufacture of railway sleepers, which combine resistance to environmental influences, the possibility of widespread use of secondary polymer raw materials for their production and have the potential for subsequent recycling.

Ключевые слова: отходы железнодорожного транспорта, полимерные композитные материалы, шпалы железнодорожные, экологическая безопасность, вторичная переработка

Keywords: railway transport waste, polymer composite materials, railway sleepers, environmental safety, recycling

В процессе эксплуатации железнодорожного транспорта образуется значительное количество различных видов отходов – в Федеральном классификационном каталоге отходов (ФККО) их не менее шестисот. Одна из основных сложностей утилизации – загрязнение нефтепродуктами, тяжелыми металлами и ртутью, пропитка химическими веществами (антисептиками). Именно поэтому вопрос утилизации железнодорожных шпал, особенно деревянных, стоит весьма остро.

Согласно действующему ФККО, группа отходов «Шпалы железнодорожные отработанные» содержит в своем составе следующие виды отходов (таблица 1). Последняя цифра в коде отходов обозначает класс опасности отхода согласно статье 4.1 89-ФЗ [1].

Наибольшие сложности связаны с утилизацией и обезвреживанием деревянных шпал, негодных к повторной укладке в путь, а также вовлечение таких деревянных шпал во вторичный оборот. Их более высокий уровень опасности для окружающей среды по сравнению с железобетонными шпалами связан с использованием в качестве пропитки смеси каменноугольных масел, например, креозота для защиты древесины от гниения.  В состав креозота входят такие опасные компоненты, как фенольные эфиры и фенол.

Среди основных решений в сфере обращения с отходами деревянных железнодорожных шпал обычно рассматриваются:

• захоронение;
• переработка;
• газификация;
• сжигание;
• пиролиз.

Пиролиз считается наиболее эффективным методом и рекомендован к повсеместному использованию во всем мире [2].

Принцип разумного потребления и оптимизации бюджета предполагает повторное использование железобетонных и деревянных шпал, если они не потеряли своих потребительских свойств. Это значит, что вместо утилизации часть шпал можно использовать на железной дороге, в производстве или быту повторно. Возможности такого применения регламентированы, в частности, соответствующей Инструкцией [3].

В ОАО «РЖД» рассматриваются перспективы использования отработанных деревянных шпал в качестве вторичного сырья для производства следующих материалов (продукции):

• грунт органоминеральный с использованием деструктора фенолов;
• шумопоглощающие композитные панели с деревобетоном;
• наполнитель при производстве легких бетонов;
• топливные пеллеты после предварительного снятия внешнего пропитанного слоя шпал.

Также ведется поиск альтернативных материалов для изготовления шпал железнодорожного полотна. Одним из наиболее перспективных направлений на сегодняшний день является использование полимерных композитных материалов. Одним из способов снижения негативного воздействия железнодорожного транспорта на окружающую среду является замена пропитанных антисептиками деревянных шпал пластиковыми (композитными), полученными путем переработки резиновых и полимерных отходов.

С 1990-х годов некоторые страны мира начали внедрять полимерные шпалы на железные дороги, в том числе и на скоростные (Япония, Китай). Также активно начинают интересоваться данным видом шпал и другие страны мира, особенно страны с жарким влажным климатом (США, Индия, Таиланд и Филиппины) [4].

В России также есть ряд производителей подобной продукции [5, 6]. Распоряжением Министерства транспорта РФ от 11 сентября 2013 г. № МС-91-р была утверждена «Программа внедрения композиционных материалов, конструкций и изделий из них в области транспорта». Стоит отметить, что десятки тысяч композитных шпал уже уложены в метрополитенах Москвы, Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода, Екатеринбурга, Баку. [5] Все более активно композиционные шпалы применяются на трамвайных линиях. Этому способствовало внесение Минстроем России изменений в СП 98.13330.2018 «Трамвайные и троллейбусные линии», содержащих теперь такую формулировку: «При соответствующем обосновании допускается применение композитных полимерных шпал». Участки трамвайных линий с уложенными на них шпалами из композиционных материалов эксплуатируются в Москве, Туле.

Проводились их испытания на Экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ» в Щербинке [7].  Однако в настоящий момент они не используются на железных дорогах России общего пользования.

К основным экологическим преимуществам полимерных композитных шпал относятся возможности использования для их производства вторичного сырья (отходов полимерных материалов и изделий), а также переработки их в новые шпалы по окончании срока эксплуатации. В отличие от деревянных шпал композитные железнодорожные шпалы не нуждаются в использовании креозота для защиты от вредного для них воздействия ультрафиолета, воды, насекомых и других внешних факторов [7]. Укладка шпал из переработанного пластика также позволяет сократить использование древесины: 10 км путей с композитными шпалами позволяет сохранить около 1400 деревьев [8].  

Еще одно преимущество композитных шпал – возможность их применения для разных стандартов ширины путей без существенной переработки внутреннего конструктива. Это увеличивает их привлекательность в пограничных областях, где происходит смена тележек с одной ширины на другую.

Композитная шпала недорогая, конструктивно и технологически проста, обладает высокой точностью геометрических параметров, необходимыми показателями прочности, износостойкости. Изготавливается любым известным способом формования, включая литье в прессформы. Шпалы из композиционного полимерного материала, армированные металлическим брусом, подходят для разных климатических условий, не деформируются и выдерживают температуры от +60 до -60 градусов Цельсия. Они не боятся влаги, химически устойчивы, не ржавеют, не рассыхаются, имеют малую чувствительность к резким колебаниям температуры [9, 10].

Сырьевым источником для получения шпалы подрельсового основания могут быть отходы полимеров и пластмасс промышленных предприятий, а также полимеры из бытовых отходов, которые сбрасываются в окружающую среду в больших количествах. Вторым компонентом при производстве шпалы являются отходы автомобильного производства – резиновая крошка от изношенных автомобильных шин, которая также имеется в очень больших количествах. Таким образом, применяемое сырье является дешевым и доступным [11].

Совместно с АО «ВНИИЖТ» и Центральной дирекцией инфраструктуры «РЖД»  ГК «Рускомпозит» был разработан инновационный продукт, который лишен большинства недостатков деревянного бруса: пожароопасность, гниение, износ и деформация металлических несущих конструкций моста. Это композитные плиты, предназначенные для устройства безбалластного мостового полотна на металлических пролетных строениях железнодорожных мостов. 

Инновационный продукт проходил испытания в компании «РЖД» с 2015 года. Первая опытная укладка плит состоялась в октябре 2018 года в Калининградской области на двух металлических железнодорожных мостах. Была произведена замена деревянных шпал на плиты КБМП. В 2019-м проведен мониторинг состояния плит, который подтвердил высокое качество разработанного продукта.

С 2020 года ГК «Рускомпозит» начала плановые поставки на другие объекты компании. На объект Южно-Уральской железной дороги ГК «Рускомпозит» поставила 12 плит — 22, 87 м длина пролетного строения, 5,03 м — его ширина. [12]

Увеличивающийся интерес к применению композитных материалов в транспортном строительстве и машиностроении подтверждается значительным количеством научных публикаций по этой тематике. [13 – 17]

Необходимо отметить, что перспективы дальнейшего увеличения объемов производства и эксплуатации изделий из композитных материалов в сфере транспорта и, в частности, в качестве элементов верхнего строения пути железнодорожного транспорта, метрополитенов, трамвайных линий, несмотря на ожидаемые достаточно длительные сроки их эксплуатации, потребуют развития технологий и создания в России промышленных мощностей по переработке отходов композитных материалов.

Список источников

1. Федеральный закон от 24.06.1998 N 89-ФЗ (ред. от 02.07.2021) «Об отходах производства и потребления» (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.03.2022), статья 4.1 Классы опасности отходов
2. Утилизация железнодорожных шпал (когда и как проводить) /Информационное агентство «РЖД-партнер.ру» – [Электронный ресурс] – URL: https://www.rzd-partner.ru/zhd-transport/news/utilizatsiya-zheleznodorozhnykh-shpal-kogda-i-kak-provodit/ (дата обращения: 25.03.2022)
3. Инструкция по применению старогодных материалов верхнего строения пути (утв. Распоряжением ОАО “РЖД” от 23.11.2016 N 2370р)
4. Композитные шпалы. Проблемы и перспективы /Композитный мир/ – [Электронный ресурс] – URL: https://compositeworld.ru/articles/app/id5f109a3ea2d6046ed2ebe0b8 (дата обращения: 25.03.2022)
5. Композитная шпала /Компания «АКСИОН РУС»/ – [Электронный ресурс]  – URL: https://axionrus.ru/kompozitnayashpala/ (дата обращения: 25.03.2022)
6. Композитные шпалы /АО «Фирма ТВЕМА/ – [Электронный ресурс]  – URL: https://www.tvema.ru/651 (дата обращения: 25.03.2022)
7. Умные шпалы// Гудок – 28.08.2019 – Выпуск № 155 (26764). https://gudok.ru/newspaper/?ID=1475083&archive=2019.08.28
8. Экологичные и долговечные шпалы уложат на 22 участках трамвайных линий – [Электронный ресурс]  – URL: https://stroi.mos.ru/city_news/ekologhichnyie-i-dolghoviechnyie-shpaly-iz-pierierabotannogho-plastika-ulozhat-ieshchie-na-22-uchastkakh-tramvainykh-linii?from=cl (дата обращения: 25.03.2022)
9. Ершова, Д. С. Перспективы применения полимерных шпал в железнодорожном строительстве / Д. С. Ершова, А. А. Лычковский. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 13 (251). — С. 73-75. — URL: https://moluch.ru/archive/251/57687/ (дата обращения: 25.03.2022).
10. Железнодорожные композитные полимерные шпалы Авторы патента: Хадарцев О. М. (RU)/ Константинили Д. Г. (RU) / [Электронный ресурс] – URL: https://poleznayamodel.ru/model/13/132452.html/ (дата обращения: 29.03.2022).
11. РЖД устанавливает композитные плиты взамен шпал /Перспективные разработки, НИОКРы, изобретения/ [Электронный ресурс] – URL: https://sdelanounas.ru/blogs/133418/ (дата обращения: 29.03.2022)/
12. «РЖД» устанавливает композитные плиты взамен шпал/ Композитные плиты безбалластного мостового полотна производства ГК «Рускомпозит» будут установлены на Южно-Уральской железной дороге — филиале «РЖД» (Челябинское отделение, г. Курган). / [Электронный ресурс] – URL: https://basalt.today/ru/2020/06/30979/ (дата обращения: 29.03.2022).
13. Савин А.В. Применение композитных материалов на железнодорожном транспорте / А. В. Савин, Борц А.И., Светозарова И.В., Дорошкевич А.А. // Путь и путевое хозяйство. – 2020 – №1. – С. 15 – 17.
14. Раенок Д.Л. Перспективы внедрения композитных материалов в путевое хозяйство / Д.Л. Раенок // Путь и путевое хозяйство. – 2019. – №12. – С. 2 – 3.
15. Ушаков А.Е. Технико-экономическая оценка применения пролетных строений из композиционных материалов / А.Е. Ушаков, В.М. Ермаков, М.А. Егоров // Путь и путевое хозяйство. – 2020. – №4. – С. 30-34
16. Пластмассовые шпалы: интерес в Европе растет // Транспортное строительство. – 2016. – №2. – С. 28-29
17. Луомала Х. Свойства композитных шпал: финский опыт исследования / Х. Луомала , Рантала Т., А.С. Моисеенко // Путь и путевое хозяйство. – 2020. – №9. – С. 2020.
18. Испытания шпалы компании Vossloh из композитного материала // Железные дороги мира. – 2019. – №4. – С. 69-71.

References

1. Federal`ny`j zakon ot 24.06.1998 N 89-FZ (red. ot 02.07.2021) «Ob otxodax proizvodstva i potrebleniya» (s izm. i dop., vstup. v silu s 01.03.2022), stat`ya 4.1 Klassy` opasnosti otxodov
2. Utilizaciya zheleznodorozhny`x shpal (kogda i kak provodit`) /Informacionnoe agentstvo «RZhD-partner.ru» – [E`lektronny`j resurs] – URL: https://www.rzd-partner.ru/zhd-transport/news/utilizatsiya-zheleznodorozhnykh-shpal-kogda-i-kak-provodit/ (data obrashheniya: 25.03.2022)
3. Instrukciya po primeneniyu starogodny`x materialov verxnego stroeniya puti (utv. Rasporyazheniem OAO “RZhD” ot 23.11.2016 N 2370r)
4. Kompozitny`e shpaly`. Problemy` i perspektivy` /Kompozitny`j mir/ – [E`lektronny`j resurs] – URL: https://compositeworld.ru/articles/app/id5f109a3ea2d6046ed2ebe0b8 (data obrashheniya: 25.03.2022)
5. Kompozitnaya shpala /Kompaniya «AKSION RUS»/ – [E`lektronny`j resurs]  – URL: https://axionrus.ru/kompozitnayashpala/ (data obrashheniya: 25.03.2022)
6. Kompozitny`e shpaly` /AO «Firma TVEMA/ – [E`lektronny`j resurs]  – URL: https://www.tvema.ru/651 (data obrashheniya: 25.03.2022)
7. Umny`e shpaly`// Gudok – 28.08.2019 – Vy`pusk № 155 (26764). https://gudok.ru/newspaper/?ID=1475083&archive=2019.08.28
8. E`kologichny`e i dolgovechny`e shpaly` ulozhat na 22 uchastkax tramvajny`x linij – [E`lektronny`j resurs]  – URL: https://stroi.mos.ru/city_news/ekologhichnyie-i-dolghoviechnyie-shpaly-iz-pierierabotannogho-plastika-ulozhat-ieshchie-na-22-uchastkakh-tramvainykh-linii?from=cl (data obrashheniya: 25.03.2022)
9. Ershova, D. S. Perspektivy` primeneniya polimerny`x shpal v zheleznodorozhnom stroitel`stve / D. S. Ershova, A. A. Ly`chkovskij. — Tekst: neposredstvenny`j // Molodoj ucheny`j. — 2019. — № 13 (251). — S. 73-75. — URL: https://moluch.ru/archive/251/57687/ (data obrashheniya: 25.03.2022).
10. Zheleznodorozhny`e kompozitny`e polimerny`e shpaly` Avtory` patenta: Xadarcev O. M. (RU)/ Konstantinili D. G. (RU) / [E`lektronny`j resurs] – URL: https://poleznayamodel.ru/model/13/132452.html/ (data obrashheniya: 29.03.2022).
11. RZhD ustanavlivaet kompozitny`e plity` vzamen shpal /Perspektivny`e razrabotki, NIOKRy`, izobreteniya/ [E`lektronny`j resurs] – URL: https://sdelanounas.ru/blogs/133418/ (data obrashheniya: 29.03.2022)/
12. «RZhD» ustanavlivaet kompozitny`e plity` vzamen shpal/ Kompozitny`e plity` bezballastnogo mostovogo polotna proizvodstva GK «Ruskompozit» budut ustanovleny` na Yuzhno-Ural`skoj zheleznoj doroge — filiale «RZhD» (Chelyabinskoe otdelenie, g. Kurgan). / [E`lektronny`j resurs] – URL: https://basalt.today/ru/2020/06/30979/ (data obrashheniya: 29.03.2022).
13. Savin A.V. Primenenie kompozitny`x materialov na zheleznodorozhnom transporte / A. V. Savin, Borcz A.I., Svetozarova I.V., Doroshkevich A.A. // Put` i putevoe xozyajstvo. – 2020 – №1. – S. 15 – 17.
14. Raenok D.L. Perspektivy` vnedreniya kompozitny`x materialov v putevoe xozyajstvo / D.L. Raenok // Put` i putevoe xozyajstvo. – 2019. – №12. – S. 2 – 3.
15. Ushakov A.E. Texniko-e`konomicheskaya ocenka primeneniya proletny`x stroenij iz kompozicionny`x materialov / A.E. Ushakov, V.M. Ermakov, M.A. Egorov // Put` i putevoe xozyajstvo. – 2020. – №4. – S. 30-34
16. Plastmassovy`e shpaly`: interes v Evrope rastet // Transportnoe stroitel`stvo. – 2016. – №2. – S. 28-29
17. Luomala X. Svojstva kompozitny`x shpal: finskij opy`t issledovaniya / X. Luomala , Rantala T., A.S. Moiseenko // Put` i putevoe xozyajstvo. – 2020. – №9. – S. 2020.
18. Ispy`taniya shpaly` kompanii Vossloh iz kompozitnogo materiala // Zhelezny`e dorogi mira. – 2019. – №4. – S. 69-71.

Для цитирования: Попов В.Г., Боровков Ю.Н., Нефёдова И.В. Экологические аспекты применения шпал из полимерных композитных материалов // Московский экономический журнал. 2022. № 5. URL: https://qje.su/rekreacia-i-turizm/moskovskij-ekonomicheskij-zhurnal-5-2022-43/

© Попов В.Г., Боровков Ю.Н., Нефёдова И.В., 2022. Московский экономический журнал, 2022, № 5.