玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕制備與性能測試

楊 堃

山西晉投玄武巖開發(fā)有限公司，山西 大同 037000

玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕制備與性能測試

楊 堃

山西晉投玄武巖開發(fā)有限公司，山西 大同 037000

介紹制造玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕的工藝流程，對其力學(xué)性能(包括拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度)及耐疲勞、耐熱性能進(jìn)行測試和分析，并將其與木軌枕、鋼筋混凝土軌枕、鋼軌枕的特點(diǎn)做了簡單對比。

玄武巖纖維，碳纖維，混雜，復(fù)合軌枕，性能測試

目前，隨著環(huán)境的不斷惡化，綠色材料技術(shù)為全社會所倡導(dǎo)，綠色材料也作為可持續(xù)發(fā)展材料而應(yīng)用在各個領(lǐng)域。為了保護(hù)人類健康，綠色環(huán)保材料逐漸替代傳統(tǒng)材料，并受到了廣泛關(guān)注和深入研究?，F(xiàn)在，各行各業(yè)都把綠色環(huán)保材料作為焦點(diǎn)加以關(guān)注，使得綠色工程迅速發(fā)展。

為了滿足全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及新型材料更新?lián)Q代的需要，木枕和鋼筋混凝土軌枕等傳統(tǒng)軌枕已經(jīng)淡出研究范圍，一些研究者正在開發(fā)和使用新型材料軌枕，并在鐵路方面取得了很大的成就。

為適應(yīng)高速、重載運(yùn)輸發(fā)展的要求，其解決方法是從軌枕材料的升級換代出發(fā)，因此復(fù)合軌枕的應(yīng)用成為鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢[1]。未來理想復(fù)合軌枕應(yīng)具備的性能要求見表1。簡而言之，復(fù)合軌枕的彈性似木枕、勁性似鋼筋混凝土軌枕，在使用中物理性能基本無變化，且使用壽命長、穩(wěn)定性好。

表1 未來理想復(fù)合軌枕的性能要求

玄武巖是由火山噴發(fā)時噴出的巖漿冷卻后凝固所形成的巖石，主要由二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉等氧化物構(gòu)成。玄武巖纖維是由純天然玄武巖石料在高溫熔融后，再通過鉑銠合金拉絲漏板，經(jīng)高速拉伸而制得，被稱為21世紀(jì)綠色環(huán)保的高性能纖維。玄武巖纖維具有化學(xué)穩(wěn)定性、抗紫外線、不易老化、透波性、無毒、不燃燒、耐高溫、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕、電絕緣和隔聲等優(yōu)異性能[2]。玄武巖纖維的生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生廢棄物和有害氣體，對環(huán)境幾乎沒有不良影響，而且它能與土壤很好地結(jié)合，成為可再生資源。

碳纖維由片狀石墨堆砌而成，其碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在95%以上。碳纖維以外柔內(nèi)剛而被認(rèn)可，它具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量高、X射線透過性好、耐腐蝕、耐疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特點(diǎn)。但是碳纖維能被強(qiáng)氧化劑氧化，其復(fù)合材料與鋁合金組合應(yīng)用時會產(chǎn)生金屬炭化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象[3]。

將不同種類的纖維混合，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，達(dá)到揚(yáng)長避短的目的。因此，本文將玄武巖纖維與碳纖維按1∶1的體積比進(jìn)行混雜，制成復(fù)合軌枕，同時制備了純玄武巖纖維軌枕和純碳纖維軌枕，然后對3種軌枕的力學(xué)性能、耐疲勞性能和熱學(xué)性能進(jìn)行測試。

1 玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕制備

1.1 原料選擇

1.2 織造

采用武漢定達(dá)慧科技有限公司生產(chǎn)的三維試樣織機(jī)(圖1)織造軌枕的增強(qiáng)體，其基礎(chǔ)組織參數(shù)：經(jīng)紗循環(huán)12根、緯紗循環(huán)72根，筘齒穿入數(shù)3根/筘，經(jīng)密5根/cm、緯密3.6根/cm。根據(jù)正交空心結(jié)構(gòu)，采用平紋組織，織成玄武巖/碳纖維混雜三維織物，其尺寸為2 600 mm×220 mm×160 mm，密度為1.8 g/cm3。

圖1 三維試樣織機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

如圖1所示，Z向紗線為經(jīng)紗，從筒子架上引出，穿過目板，在柵片的上下側(cè)形成X向或Y向梭口，同時引入X向和Y向兩個系統(tǒng)的緯紗，由引緯機(jī)構(gòu)一根一根地引入，并由打緊機(jī)構(gòu)打緊，最后通過織物引離裝置將織物引出織造工作區(qū)域。

1.3 真空輔助成型

首先把織好的玄武巖/碳纖維混雜三維織物放在一個模具里，并在模具上面覆以柔性的真空袋薄膜；然后在真空狀態(tài)下排除模具內(nèi)的空氣，再用配制好的環(huán)氧樹脂充分、均勻地從模具的下表面向其上表面進(jìn)行滲透；接下來在熱壓縮機(jī)上進(jìn)行加熱加壓[4]，控制熱壓溫度和壓力，熱壓完畢；待冷卻至室溫時進(jìn)行卸模，將毛邊清理掉即獲得最終產(chǎn)品——玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕。

2 性能測試

分別制備了玄武巖纖維軌枕、碳纖維軌枕、玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕3種軌枕，并對其性能進(jìn)行測試。

2.1 力學(xué)性能

根據(jù)GB/T 3354—2014《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》、HB/T 5485—1991《碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)方法》和 GB 3357—1982《單向纖維增強(qiáng)塑料層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，分別對3種軌枕的拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。

表2 3種軌枕的力學(xué)性能測試結(jié)果

由表2可以看出，在玄武巖纖維中混入能提高增強(qiáng)體的斷裂延伸率的碳纖維，使得玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕的拉伸強(qiáng)度增加。但碳纖維的浸潤性差，這限制了玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕的抗壓強(qiáng)度的提升。玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕的抗壓強(qiáng)度介于玄武巖纖維軌枕與碳纖維軌枕之間。軌枕的剪切強(qiáng)度主要取決于基體和界面的性能，導(dǎo)致玄武

巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕的剪切強(qiáng)度下降的原因，可能是環(huán)氧樹脂的浸潤性不佳或界面脫黏。

2.2 耐疲勞性能

根據(jù)GB/T 16779—2880《纖維增強(qiáng)塑料層合板 拉-拉疲勞性能試驗(yàn)方法》對3種軌枕的耐疲勞性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。

表3 3種軌枕的應(yīng)變與抗拉強(qiáng)度保留率

由表3可以看出，隨著應(yīng)變的增加，三種軌枕的抗拉強(qiáng)度保留率均下降。其中玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕的抗拉強(qiáng)度的下降幅度很小，其原因可能是增強(qiáng)體和基體的界面能夠有效地阻止裂紋擴(kuò)展。對大多數(shù)材料而言，其疲勞極限是其抗拉強(qiáng)度的70%～80%。

2.3 熱性能

根據(jù)GJB 1201.1—1991《固體材料高溫?zé)釘U(kuò)散率試驗(yàn)方法 激光脈沖法》對三種軌枕的熱性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表4。

表4 三種軌枕的熱性能測試結(jié)果

由表4可以看出，玄武巖纖維軌枕是良好的絕熱材料，而碳纖維軌枕是理想的熱導(dǎo)體。熱能在基體與玄武巖纖維束絲的復(fù)合體系中傳遞最慢，在基體與碳纖維束絲的復(fù)合體系中傳遞最快。

3 幾種軌枕的現(xiàn)狀與特點(diǎn)

目前，玄武巖纖維無捻粗紗的國內(nèi)市場價約為25元/kg，碳纖維無捻粗紗約為200元/kg。將玄武巖纖維和碳纖維混雜制備復(fù)合軌枕，可以使得軌枕的制造成本有較大程度的降低，提高了經(jīng)濟(jì)效益，軌枕的強(qiáng)度也有所提高、延性相應(yīng)變大。但是，它現(xiàn)在尚處于試驗(yàn)研究階段，還沒有大量用在鐵路上。

木軌枕是目前國內(nèi)使用最多、最普遍的一種軌枕。1根木軌枕的價格為230～270元。木軌枕具有彈性良好、形狀簡單、絕緣性受周圍介質(zhì)的溫度變化的影響小、加工方便、質(zhì)量輕、能保持鋼軌處于正常位置和穩(wěn)定狀態(tài)、鋪設(shè)和更換方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，木枕的強(qiáng)度低、耐久性差、軌道幾何形位不易有效保持等，會讓輪軌的動力加大，容易受到機(jī)械損壞，易腐朽，不耐火，使用壽命短。

我國大量應(yīng)用鋼筋混凝土軌枕，是基于其比木軌枕具有不可比擬的優(yōu)越性[5]。1根鋼筋混凝土軌枕的價格約為95～112元。鋼筋混凝土軌枕的使用壽命長，穩(wěn)定性和強(qiáng)度高，道床橫向阻力大，損傷率和報廢率低，不受氣候影響，不腐蝕，養(yǎng)護(hù)工作量小。但是，此類軌枕的自身質(zhì)量大，導(dǎo)致道床承受的壓力和震動大，道渣粉化速度快，進(jìn)而易引起軌道下沉；冬季有凍脹的地段，軌枕易變形，絕緣性差，不便于維修更換。

鋼軌枕已經(jīng)有近50年的歷史。由于第二次世界大戰(zhàn)等戰(zhàn)爭的爆發(fā)，鋼鐵的消耗量加劇，其價格倍增，使得鋼軌枕的發(fā)展停滯下來。鋼軌枕兼具木軌枕和鋼筋混凝土軌枕的優(yōu)點(diǎn)，能承受頻繁的震動和沖擊，維修工作量不大。但是，鋼軌枕的造價和維修費(fèi)用高，絕緣性差，容易被各種帶腐蝕性的介質(zhì)侵蝕，使用中產(chǎn)生的噪聲很大。

4 結(jié)語

(1) 闡述了玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕的制備工藝，可為今后復(fù)合軌枕的研究提供參考依據(jù)。

(2) 測試了玄武巖纖維軌枕、碳纖維軌枕和玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕的力學(xué)性能、耐疲勞性能、熱性能，結(jié)果表明玄武巖纖維與碳纖維按1∶1的體積比混雜，可以增強(qiáng)軌枕的力學(xué)性能和耐疲勞性能，并合理改善軌枕的絕熱性能，從而減少能量損失。

(3)軌枕是鐵路運(yùn)輸中不可缺少的一部分。木軌枕的原材料資源缺乏，鋼筋混凝土軌枕易變形且維修成本高，兩者都將被淘汰。玄武巖/碳纖維混雜復(fù)合軌枕符合環(huán)保、節(jié)能減排政策，能適應(yīng)國家交通體系發(fā)展，是鐵路特殊區(qū)段軌枕的發(fā)展方向。

[1] 肖生苓,陳玉霄.鐵路軌枕復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].森林工程,2006,22(5): 48-50.

[2] 徐磊.新型的高性能纖維——玄武巖纖維的應(yīng)用[J].新紡織,2005(9-10): 15-17.

[3] 劉陽, 谷亞新, 孫小魏. 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)展[J].21世紀(jì)建筑材料居業(yè)，2011(5): 76-78.

[4] 祝成炎,陳俊俊,朱俊萍，等.三維整體夾芯織物增強(qiáng)復(fù)合材料的研制[J].紡織學(xué)報, 2007, 28(1): 56-59.

[5] 盧祖文.鐵路軌道結(jié)構(gòu)及維修[M].北京:中國鐵路出版社,2002: 6-10.

Preparation and performance test of basalt/carbon fibers hybrid composite sleepers

YangKun

Shanxi ECIC Basalt Development Co., Ltd., Datong 037000, China

The manufacture process of basalt/carbon fibers hybrid composite sleepers was described. The mechanic properties including tensile strength, compressive strength, shear strength, as well as fatigue and thermal properties of the basalt/carbon fibers hybrid composite sleepers were investigated. It’s characteristic was compared with that of wood sleepers, reinforced concrete sleepers and steel sleepers.

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2016-04-26

楊堃，男，1984年生，工程師，從事玄武巖纖維的織造及其制品的研發(fā)與應(yīng)用工作

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-7093(2016)12-0027-04