玄武巖纖維軌枕的性能與研制

楊堃

我國(guó)是一個(gè)人口眾多、地域遼闊、資源分布不均的大國(guó)。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷向前發(fā)展，大量資源和人員需要長(zhǎng)途調(diào)運(yùn)。在5大運(yùn)輸方式中，鐵路運(yùn)輸脫穎而出，成為最受歡迎的承載方式。為了更好地把全國(guó)各省，以最快最安全的方式連接起來(lái)，鐵路建設(shè)面臨著更高的要求。軌枕作為鐵路行車(chē)的重要組成部分，是鐵路建設(shè)的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的木枕到現(xiàn)在的混凝土軌枕和鋼枕的基礎(chǔ)上，一種新型軌枕——玄武巖纖維軌枕已處于研發(fā)階段。玄武巖纖維軌枕具有質(zhì)量輕、成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是鐵路軌枕建設(shè)發(fā)展新方向[1]。

一、玄武巖纖維

1.玄武巖纖維歷史

玄武巖纖維早在1922年被一個(gè)叫Paul法國(guó)人申請(qǐng)了美國(guó)專(zhuān)利，但沒(méi)有實(shí)際生產(chǎn)，成為當(dāng)時(shí)纖維界的遺憾。20世紀(jì)70年代，這個(gè)想法被前蘇聯(lián)的科研機(jī)構(gòu)落實(shí)，研制出玄武巖連續(xù)纖維。1985年，在烏克蘭一個(gè)生產(chǎn)基地，應(yīng)用200孔漏板的拉絲工藝，實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)量260t的工業(yè)化生產(chǎn)，成為當(dāng)時(shí)科學(xué)的奇跡。隨著生產(chǎn)技術(shù)的公開(kāi)，玄武巖纖維產(chǎn)品從最初的軍工和航天領(lǐng)域到民用領(lǐng)域?，F(xiàn)在，俄羅斯、烏克蘭、美國(guó)和中國(guó)等國(guó)對(duì)玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)完全掌握[2]。

我國(guó)很早就對(duì)玄武巖纖維有所了解，但對(duì)其研究不是很深，直到21世紀(jì)，我國(guó)相關(guān)專(zhuān)家才開(kāi)始重視，同時(shí)國(guó)家也很關(guān)注并給予資助。2002年9月，科技部將“玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料”項(xiàng)目列入國(guó)家“863”計(jì)劃，并通過(guò)技術(shù)引進(jìn)，消化吸收再創(chuàng)新，取得了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，完成了工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)[3]。

2.玄武巖纖維的生產(chǎn)和性能

玄武巖連續(xù)纖維通過(guò)玄武巖熔融形成，制備方法簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本相對(duì)降低。在加工過(guò)程中，主要采用高溫熔融、漫流引絲。由于該方法幾乎不用水，也幾乎無(wú)空氣污染，本身無(wú)化學(xué)揮發(fā)物，因此它是一種環(huán)境友好的纖維制備方法。玄武巖的主要成分為二氧化硅（SiO2）（約占42%～55%）、氧化鋁（Al2O3）、氧化亞鐵（FeO）、氧化鈣（CaO）、氧化鎂（MgO）等，與土壤的成分相似，所以玄武巖連續(xù)纖維在自然環(huán)境中可容易地全部降解為土壤母質(zhì)。作為21世紀(jì)新型環(huán)保纖維，被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域[4]。

玄武巖纖維具有良好的拉伸強(qiáng)度及增強(qiáng)效應(yīng)、高耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性、良好的絕緣性能、耐高溫和低溫?zé)岱€(wěn)定性、高彈性模量以及隔熱、隔音等性能。玄武巖纖維具備各種性能優(yōu)點(diǎn)，還有一個(gè)好處是它的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳纖維，是性?xún)r(jià)比極好的材料。

若從單一的纖維力學(xué)性能和化學(xué)性能比較，似乎都能找到比玄武巖連續(xù)纖維更強(qiáng)的高性能纖維，然而，將多種性能綜合比較，玄武巖連續(xù)纖維是性?xún)r(jià)比最好的纖維。玄武巖纖維既耐酸又耐堿，既耐低溫又耐高溫，拉伸強(qiáng)度大，玄武巖纖維具有三維的分子維數(shù)，與分子維數(shù)一維的線(xiàn)性聚合物纖維相比，具有較高的抗壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和抗老化性[5]。

二、傳統(tǒng)軌枕與玄武巖纖維軌枕的性能分析

1.木枕

木枕是目前中國(guó)使用最多、最普遍的一種，是人類(lèi)最早通過(guò)智慧發(fā)明使用的材料之一。木枕具有良好的彈性、形狀簡(jiǎn)單、絕緣性、受周?chē)橘|(zhì)的溫度變化影響小、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)更換方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于取材的原因，木枕的彈性、強(qiáng)度和耐久不夠均勻，會(huì)加大輪軌動(dòng)力作用，容易受到機(jī)械損壞，而且易腐朽、不耐火、使用壽命短、價(jià)格貴。

2.鋼筋混凝土軌枕

我國(guó)大量應(yīng)用鋼筋混凝土軌枕，是基于混凝土軌枕比木枕具有不可比擬的優(yōu)越性[6]。鋼筋混凝土軌枕壽命更長(zhǎng)，穩(wěn)定性更高，高的強(qiáng)度，道床橫向阻力大，損傷率和報(bào)廢率小，不受氣候、腐蝕的影響，養(yǎng)護(hù)工作量小。但是，它本身質(zhì)量大，造成道床承受的更大的壓力和震動(dòng)，造成道渣粉化更快，進(jìn)而容易引起軌道下沉。冬季有凍脹的地段，易把軌枕變形。絕緣性差，不便于維修更換。

3.鋼枕

鋼枕已經(jīng)有近50年的歷史了，由于第2次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)及大小戰(zhàn)爭(zhēng)，加劇了鋼鐵的消耗，價(jià)格倍增，鋼枕的發(fā)展才停滯下來(lái)。鋼枕兼?zhèn)淞四菊砗弯摻罨炷淋壵淼膬?yōu)點(diǎn)。能承受頻繁的振動(dòng)和沖擊，維修工作量不大。但是，鋼枕造價(jià)高、維修費(fèi)用高、絕緣性差，容易被各種帶腐蝕的介質(zhì)侵蝕，產(chǎn)生的噪音很大。

4.玄武巖纖維軌枕

玄武巖纖維軌枕是一種無(wú)污染、無(wú)公害的綠色環(huán)保產(chǎn)品[7]。它具有耐酸耐堿性、抗紫外線(xiàn)、良好的絕緣性、吸音系數(shù)高、防輻射、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的彈性[8]。但是，它現(xiàn)在還屬于實(shí)驗(yàn)階段，沒(méi)有大量用在鐵路上，原因是成本比較高＼市場(chǎng)用量小。

通過(guò)對(duì)以上4種軌枕的優(yōu)缺點(diǎn)的分析對(duì)比可知，玄武巖纖維軌枕的優(yōu)越性能，能很好地彌補(bǔ)現(xiàn)在市場(chǎng)上那幾種軌枕的不足。玄武巖纖維軌枕的質(zhì)量要比鋼筋混凝土軌枕和鋼枕的輕，比木枕的稍重，便于更好的修換。通過(guò)表1可以得出：玄武巖纖維軌枕做電絕緣的效率高、絕緣性強(qiáng)；通過(guò)表2可以得出：玄武巖纖維軌枕有優(yōu)異的隔音、吸聲性能，產(chǎn)生的噪音較小。玄武巖纖維的密度，決定了它比鋼筋混凝土軌枕、鋼枕輕，比木枕稍重，更換維修容易。特別是在酸堿性條件下和濕度較大的環(huán)境下，前面常用3種軌枕都不同程度上出現(xiàn)腐蝕，嚴(yán)重影響壽命。因此，把玄武巖纖維軌枕放在鐵路上，必將有廣闊的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益。

三、玄武巖纖維軌枕的制造工藝流程

經(jīng)緯紗采用玄武巖無(wú)捻粗紗，經(jīng)紗線(xiàn)密度為400tex，緯紗線(xiàn)密度600tex。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)來(lái)織造，經(jīng)紗循環(huán)為12，緯紗循環(huán)為72，穿筘3根/筘，經(jīng)密5根/cm，緯密3.6根/cm。這樣就可以做出軌枕的增強(qiáng)體玄武巖纖維三維織物。

如圖1所示，Z向紗線(xiàn)為經(jīng)紗，從筒子架上引出，穿過(guò)所需截面結(jié)構(gòu)的目板，在靜止綜框上下側(cè)形成X向或Y向梭口，同時(shí)引入X向和Y向2個(gè)緯紗，由引緯機(jī)構(gòu)一根一根引入，由打緊機(jī)構(gòu)打緊，最后由織物引離織造工作區(qū)域。

需要一個(gè)軌枕的模具，用來(lái)把織好的玄武巖纖維三維織物放在里面，在模具上面放柔性的真空袋薄膜，在真空狀態(tài)下排除模具中的氣體，把配好的樹(shù)脂從表面進(jìn)行滲透，并在室溫下進(jìn)行固化[9]。

四、三維紡織技術(shù)及織造過(guò)程中的問(wèn)題

1.三維紡織技術(shù)

三維紡織作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，被廣泛的應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的眾多領(lǐng)域。三維紡織技術(shù)是平面紡織技術(shù)的創(chuàng)新，是紡織工業(yè)的一種新活力。三維結(jié)構(gòu)是由二維平面與厚度方向，在空間相互交織，形成整體和靈活的結(jié)構(gòu)。

目前，通過(guò)三維紡織技術(shù)制造的復(fù)雜構(gòu)件被很好應(yīng)用在復(fù)合材料中去，有如下5個(gè)好處：

①三維結(jié)構(gòu)具備抗沖擊性、耐磨性、抗分層性、損傷容限、可靠性、斷裂韌性等一系列良好的機(jī)械性能，這些性能使的三維結(jié)構(gòu)整體性好。

②三維結(jié)構(gòu)織物構(gòu)造緊密、整體性強(qiáng)、纖維也不會(huì)因各個(gè)方向的壓力而亂向，這樣在復(fù)合成型的時(shí)候就可以采用多種成型工藝，選擇最優(yōu)的應(yīng)用。

③三維織物中的紗線(xiàn)覆蓋率高，經(jīng)緯向尺寸大小正好、斷裂強(qiáng)度高，紗線(xiàn)強(qiáng)力和彈性模量利用率高。

④三維機(jī)織能織造門(mén)幅比較寬的織物，機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。但是多軸向經(jīng)編織物及三維整體異型編織是達(dá)不到這些要求的。

⑤三維結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用紡織CAD靈活設(shè)計(jì)，通過(guò)不同的織物組織結(jié)構(gòu)，讓截面形狀多種多樣。

2.織造過(guò)程中的問(wèn)題

在織造過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題：如張力控制是織物成形良好的重要因素，玄武巖纖維具有高模量、伸長(zhǎng)率低的特點(diǎn)，在織機(jī)梭口迅速?gòu)堥_(kāi)綜框上升時(shí)，有一段長(zhǎng)度的經(jīng)紗必須同時(shí)從織軸處拉出來(lái)。這樣，在綜平時(shí)間內(nèi)就會(huì)有經(jīng)紗張力過(guò)松的現(xiàn)象，經(jīng)紗和織物均呈忽緊忽松現(xiàn)象而讓織造無(wú)法繼續(xù)。為此，將經(jīng)軸端經(jīng)紗通過(guò)改裝的裝置穿過(guò)，即將各根經(jīng)紗在經(jīng)軸處用橡皮條與一定質(zhì)量的金屬塊扎在一起，繞過(guò)經(jīng)軸懸于空中。這樣，無(wú)論綜框提起與落下，所有經(jīng)紗均呈張力伸直狀態(tài)。經(jīng)紗依靠布軸的卷取而同步送出[10]。

玄武巖纖維發(fā)脆、耐磨性差，在打緯時(shí)速度不能太快，這樣纖維容易斷。有時(shí)會(huì)因?yàn)閱胃?jīng)紗張力不一致，導(dǎo)致開(kāi)口不清晰，織物的平面高低不平，這時(shí)要占時(shí)停車(chē)，對(duì)經(jīng)紗從新處理。

五、結(jié)語(yǔ)

玄武巖纖維軌枕的優(yōu)點(diǎn)主要有相對(duì)質(zhì)量輕、絕緣性強(qiáng)、吸聲性能好、彈性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等。為了更好地適應(yīng)我國(guó)鐵路軌枕的發(fā)展動(dòng)態(tài)，需開(kāi)發(fā)研制軌枕新品種，盡量滿(mǎn)足使用上的性能要求。應(yīng)盡快讓玄武巖纖維軌枕融入軌枕材料這個(gè)大家庭，為鐵路建設(shè)快速發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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