玻纖增強(qiáng)聚氨酯泡沬軌枕性能及其在國鐵線路中的應(yīng)用

荊蓉 黃承 張興剛 曾飛 張用兵

(洛陽雙瑞橡塑科技有限公司 河南洛陽 471003)

聚氨酯材料具有優(yōu)異的耐磨、耐疲勞、減振和耐低溫性，在軌道交通行業(yè)廣受關(guān)注[1]。

作為軌道結(jié)構(gòu)中的重要部件，軌枕對保持軌道形態(tài)、保證行車安全起著重要作用。隨著全球鐵路網(wǎng)建設(shè)和軌枕需求量的增加，軌枕相關(guān)的研究也成為熱點(diǎn)[2]。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫是一種微孔泡沫體，其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐久性好且具有良好的可加工性，適宜作為鐵路軌枕選材。

1 不同種類軌枕的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

木枕是鐵路最早采用的一種軌枕，前后共計鋪設(shè)超過30億根[3]。我國國鐵線路木枕保有量較高，在役的木枕數(shù)量超過1 380萬根[4]。但木枕由于取材種類和部位不同導(dǎo)致強(qiáng)度和彈性不完全一致；另外國內(nèi)對它的防腐處理質(zhì)量參差不齊，造成有的木枕在投入使用后劣化速度快。木枕替換會造成森林資源大量消耗，據(jù)統(tǒng)計，美國木枕數(shù)量為1 200萬根，替換和維護(hù)軌枕的費(fèi)用占到總的鐵路維護(hù)費(fèi)用的12%[5]。當(dāng)前，全球鐵路部門都面臨著木枕未到使用壽命破壞后的替代材料問題。

鑒于上述情況，國內(nèi)外均在積極探索木枕的替代材料。我國在20世紀(jì)60年代初開始研制并推廣混凝土軌枕作為木枕的替代品?；炷淋壵砟秃蛐院?，使用壽命較木枕更長，但混凝土軌枕自重大，應(yīng)用區(qū)域受到限制且運(yùn)輸、施工難度很大。

1978年，連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫軌枕(也稱合成軌枕)在日本研發(fā)成功。合成軌枕是將聚氨酯發(fā)泡樹脂與添加劑的混合液浸滲玻璃長纖維，并連續(xù)成型或在模型中發(fā)泡固化成型的一種板形高密度泡沫增強(qiáng)材料。這種材料結(jié)合了塑料的耐久性、耐腐蝕性和木材的易加工性及質(zhì)量輕等特點(diǎn)，可作為木枕和混凝土軌枕的優(yōu)良替代品[6]。

1980年，日本新干線開展合成軌枕的上線試驗，評估其使用壽命為50年，成為日本鋼結(jié)構(gòu)橋面、道岔區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品[7]。奧地利的合成軌枕最早于2004年應(yīng)用于一座鋼橋，并通過管理部門的應(yīng)用許可，2011年德國聯(lián)邦鐵路公司首次在一座60 m長的明橋面使用合成軌枕[8-9]。至今，合成軌枕已在世界范圍內(nèi)累計鋪設(shè)超過 210 萬根，累計里程超過1 300 km。在日本，合成軌枕在高速鐵路、城際鐵路以及地鐵中全面推廣應(yīng)用[10]。

從2002年起，日本積水化學(xué)工業(yè)公司開始在中國生產(chǎn)合成軌枕，并成功應(yīng)用在廣州地鐵4號線、臺灣新干線以及上海地鐵8號線[11]。作為國內(nèi)第一家開展自主研發(fā)的單位，中船重工第七二五研究所于2006年成功研制合成軌枕并在2007年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，推向城市軌道交通市場。合成軌枕現(xiàn)已成為城市軌道交通線路軌枕主要種類之一[12]。 隨著鐵路系統(tǒng)的升級改造，基于前期在地鐵線路上的優(yōu)異表現(xiàn)，合成軌枕在國鐵線路的應(yīng)用可行性引起廣泛關(guān)注。

2 合成軌枕的性能

為論證合成軌枕的行車安全性，研究人員對合成軌枕與現(xiàn)有木枕的性能進(jìn)行了對比，包括軌枕的抗彎曲和抗剪切性能、疲勞性能、道釘抗拔能力和縱橫向阻力等[13]。

2.1 合成軌枕的實驗

本實驗材料為洛陽雙瑞橡塑科技有限公司的合成軌枕，設(shè)備為濟(jì)南東測有限公司的100kN 型MTS試驗機(jī)和250kN型雙通道疲勞試驗機(jī)，按照CJ/T 399—2012《聚氨酯泡沫合成軌枕》標(biāo)準(zhǔn)，對合成軌枕的力學(xué)性能、疲勞性能、道釘抗拔性能和縱橫向阻力進(jìn)行了實驗室測試。

2.2 合成軌枕的力學(xué)性能

在密度差10%的范圍內(nèi)，對木枕及合成軌枕的彎曲強(qiáng)度、豎向壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和抗彎曲荷載進(jìn)行測試，結(jié)果見圖1。

圖1 合成軌枕與木枕的力學(xué)性能比較

圖1中合成軌枕樣品的彎曲強(qiáng)度102.6 MPa、豎向壓縮強(qiáng)度80.8 MPa、剪切強(qiáng)度為7.5 MPa、抗彎曲荷載187 kN，滿足CJ/T 399—2012標(biāo)準(zhǔn)中彎曲強(qiáng)度大于100 MPa、豎向壓縮強(qiáng)度大于50 MPa、剪切強(qiáng)度大于7 MPa、抗彎曲荷載大于180 kN的要求。由圖1可見，在重量與木枕相近的同時，合成軌枕在彎曲、壓縮、剪切強(qiáng)度、抗彎曲荷載等性能比木枕分別高出約50%～100%。

2.3 合成軌枕的耐疲勞性能

軌枕動態(tài)疲勞性能是軌枕的重要性能之一，反映軌枕在應(yīng)力作用下的耐久性。合成軌枕在4 Hz下10萬次疲勞后保持良好，而木枕進(jìn)行了不到1 000 次疲勞后即出現(xiàn)裂紋，同等疲勞荷載條件下木枕的疲勞次數(shù)不到合成軌枕的1%。這是由于合成軌枕工業(yè)化生產(chǎn)大大降低材質(zhì)不均勻性，通過低黏度聚氨酯樹脂對玻璃纖維良好的浸潤，合成軌枕制品在載荷時將應(yīng)力有效分散至玻璃纖維束，避免了應(yīng)力集中[14]。木枕的實際使用壽命只有5～8年，而合成軌枕在使用30年后依舊保持良好性能。

2.4 合成軌枕道釘抗拔性能

合成軌枕與扣件裝配時采用螺紋道釘，在測試時對木枕及合成軌枕使用三角螺紋道釘。為避免鉆孔孔徑對抗拔力造成的影響，測試了合成軌枕和木枕在標(biāo)準(zhǔn)鉆孔孔徑(18 mm)時的抗拔力，道釘抗拔試驗檢測樣品照片見圖2。

圖2 合成軌枕的道釘抗拔試驗

結(jié)果表明，在底孔孔徑均為18 mm并使用大直徑22 mm螺旋道釘時，合成軌枕的道釘抗拔力為64.5 kN，木枕的道釘抗拔力26.6 kN，合成軌枕抗拔力大于木枕，且高于CJ/T 399—2012標(biāo)準(zhǔn)中的50 kN，能夠滿足線路運(yùn)營的安全需要。

2.5 道床縱橫向阻力

為優(yōu)化合成軌枕道床阻力，在常規(guī)結(jié)構(gòu)合成軌枕基礎(chǔ)上增加凸臺結(jié)構(gòu)并對增設(shè)前后軌枕的道床橫向阻力進(jìn)行測試，結(jié)果見表1。

表1 道床縱橫向阻力對比

如表1所示，增設(shè)凸臺能使道床縱向和橫向阻力分別提高到11.2 kN/枕和10.4 kN/枕，滿足國鐵線路對120～160 km/h時速鐵路道床縱向阻力大于11 kN/枕、橫向阻力大于9 kN/枕的要求。

根據(jù)合成軌枕性能與木枕對比，其力學(xué)性能、耐疲勞性能、道釘抗拔及道床阻力性能均能滿足在國鐵線路中的應(yīng)用和安全要求。

3 合成軌枕在國鐵線路中的應(yīng)用情況

目前，合成軌枕主要應(yīng)用在地鐵線路中，在國鐵線路中的應(yīng)用甚少。國內(nèi)關(guān)于合成軌枕在既有線路基段適應(yīng)性的應(yīng)用研究也很少[15]。近年來，洛陽雙瑞橡塑科技有限公司對系列化合成軌枕在成昆線等6座鐵路橋梁和侯月鐵路4個試驗段進(jìn)行了應(yīng)用研究。

根據(jù)對應(yīng)用路段5年的連續(xù)跟蹤，合成軌枕線路中軌距等軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)保持良好，未出現(xiàn)腐朽和表面壓塌現(xiàn)象，表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性及力學(xué)性能。此外，由于合成軌枕密度遠(yuǎn)輕于混凝土軌枕，線路施工工作強(qiáng)度大幅降低。部分現(xiàn)場圖片見圖3。

圖3 合成軌枕在侯月鐵路中的應(yīng)用

自合成軌枕應(yīng)用以來，已經(jīng)過多年上億噸運(yùn)量的考驗，軌枕性能保持良好，軌距保持滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

合成軌枕能夠滿足國鐵線路的安全及性能要求，表現(xiàn)出了優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性及力學(xué)性能。此外，合成軌枕的使用顯著減少了施工以及工務(wù)段的線路維保工作強(qiáng)度，在我國國鐵線路建設(shè)及改造中可以發(fā)揮更大的作用。

合成軌枕因其性能長效性好、使用壽命長及施工維保方便等優(yōu)勢，將成為鋼梁明橋面木枕的優(yōu)良替代品。鑒于合成軌枕線路前期建設(shè)成本投入較高，建議優(yōu)先在承重受限、采用鉤螺栓與鋼梁固定的鋼梁明橋面上使用。由于我國鐵路車輛軸重范圍較廣，需根據(jù)工況要求在合成軌枕系列化產(chǎn)品中選用合適的類型。與木枕相比，合成軌枕的全壽命綜合成本優(yōu)勢也將不斷加大。