復合軌枕存在問題及解決方法

龐玲， 宋佳寧， 井國慶

（1. 中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031；2. 中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600；3. 北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

1 概述

有砟軌道結構中，軌枕是重要的組成部件。軌枕主要功能為：固定和保持軌距，承受并傳遞壓力，保持軌道的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)軌枕材料主要有木材、鋼材和混凝土性能存在一定的缺陷，并且生產使用中或報廢后存在一些環(huán)境污染問題。因此，需要研究開發(fā)能更好代替?zhèn)鹘y(tǒng)軌枕的新材料軌枕。隨著材料科學不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了以玻璃纖維、聚氨酯、橡塑、橡膠、樹脂等復合材料為原料制成的軌枕。相比于傳統(tǒng)軌枕，復合軌枕的總體特性如下［1］：（1）用途范圍廣、適應性強，可適用于普速鐵路、重載鐵路、市郊鐵路及城市軌道交通等；（2）設計和應用靈活，結構形式多樣；（3）對道釘抗拔力較高，不易發(fā)生開裂，方便扣件設計和安裝；（4）同木枕一樣，可開槽、切槽、打孔、修補，為木枕最佳替代品；（5）質量較混凝土軌枕輕，運輸、施工方便，可根據(jù)現(xiàn)場情況靈活加工；（6）絕緣性好、耐高低溫，適用于潮濕、風沙等惡劣復雜環(huán)境，且不受白蟻、霉菌等生物侵蝕；（7）彈性好，降低道床應力，可減振降噪；（8）耐用性好和可維修性強，全壽命成本低；（9）材料可循環(huán)利用，綠色環(huán)保，環(huán)境友好。

然而限于材料、生產工藝水平等，復合軌枕也存在許多亟待解決問題。對復合軌枕面臨的主要問題進行分析，并對解決方法進行探討，為復合軌枕產品進一步優(yōu)化設計提供參考。

2 存在問題

2.1 性能指標不足

復合軌枕研發(fā)的初衷是為研究木枕替代品，滿足木枕代替材料需求。雖然市場需求旺盛，但復合軌枕仍未大規(guī)模應用的主要原因是：復合軌枕性能某些方面表現(xiàn)并不理想。美國鐵路工程和維修協(xié)會手冊（AREMA）［2］對復合軌枕制定了最低性能，并認為若復合軌枕能達到這些指標，則其在服役過程中發(fā)生破壞的概率較小。然而，在施工過程中，某些施工工藝可能對復合軌枕造成破壞。有報道稱，當用復合軌枕替換木枕后，很難保證軌道安全性，因為在施工時，特別是在后期承受較大的列車荷載時，復合軌枕有可能發(fā)生斷裂［3］。也有報告稱，一些復合軌枕經(jīng)過幾年的使用，發(fā)生了破壞［4］。某復合軌枕生產廠商也曾因為質量控制問題而被客戶拒絕使用。

2.2 長期蠕變

對于低纖維含量復合軌枕，長期荷載的作用對其機械性能有顯著影響，因此這類軌枕的長期性能是關鍵問題。據(jù)報道，在長期荷載作用下，復合軌枕可能因蠕變而產生永久變形，其變形程度取決于列車荷載的大小、持續(xù)時間以及溫度的變化情況［3，5］。由于蠕變和隨后的應力松弛影響，扣件系統(tǒng)可能會發(fā)生松動，尤其在曲線地段，對軌距保持有不利影響［5］。相比于木枕，復合軌枕的軌距保持能力較差，我國在《中國鐵路總公司運輸局關于印發(fā)〈TieTek復合材料軌枕技術審核會審查意見〉的通知》中明確提出：對復合軌枕進行長期使用狀態(tài)觀測，密切注意其軌道幾何狀態(tài)的變化。雖然軌枕制造商對復合軌枕的預期壽命為50年，但上述蠕變和應力松弛的影響均會造成其壽命折減。然而，目前關于高纖維含量復合軌枕蠕變的數(shù)據(jù)資料較為匱乏，因此需進行更多的研究以探究在永久載荷下的力學性能。

2.3 橫向阻力低

道床對軌枕的橫向阻力在軌道的橫向穩(wěn)定性中起著至關重要的作用，軌道橫向穩(wěn)定性也就是軌枕抵抗垂直于鋼軌方向位移的能力。當有列車通過或當溫度變化引起鋼軌膨脹時，軌枕會受到橫向作用力，尤其在曲線段作用力更為明顯；而軌枕和道床之間的摩擦力與道床砟肩阻力不足以抵抗橫向作用力時，整個軌道系統(tǒng)失穩(wěn)。復合軌枕質量較輕，道床橫向阻力不足是其面臨的一個重要問題。美國運輸技術中心（TTCI）分別對新鋪設的和服役一段時間后的復合軌枕及木枕進行了橫向阻力試驗，結果表明：新鋪設的復合軌枕和木枕道床橫向阻力比較接近，復合軌枕道床橫向阻力為4.45 kN，但承擔一定的貨運荷載（133 億～180 億t）后，木枕道床橫向阻力有明顯提高（11.1～13.3 kN），而復合軌枕沒有明顯變化。這是由于經(jīng)過一定的貨運量后，道砟嵌入到木枕中，增加了道床阻力，而復合軌枕硬度大，道砟和光滑的軌枕表面無法較好咬合。玻纖增強聚氨酯（FFU）合成軌枕在廣州地鐵4 號線使用之初，也出現(xiàn)了道床阻力較小，在道床條件不好的地段軌道穩(wěn)定性不足的問題。

2.4 價格高昂

對于大多數(shù)復合軌枕來說，高昂的價格是其無法得到廣泛應用的重要原因之一?；厥占夹g國際公司（RTI）表示，每生產1根復合軌枕的成本在85～105美元，而在不包括安裝費用情況下，每根復合軌枕售價在70～200美元不等［6］。Van Erp 和Mckay指出高纖維含量復合軌枕價格大約為標準木枕價格的5～10 倍［7］。然而，復合軌枕全壽命成本有望到達甚至優(yōu)于傳統(tǒng)軌枕。

2.5 遇火燃燒

鐵路施工時對鋼軌相鄰接頭進行鋁熱焊易引燃軌枕，而軌枕燃燒會釋放有毒物質。因此鐵路軌枕應具有足夠的耐火性，且燃燒時有毒物質的殘留不應超過相關標準規(guī)定。通常木枕是可燃的，而一些復合軌枕是易燃的，一些不支持燃燒，這主要是由其原料配方?jīng)Q定的（如TieTek 復合軌枕易燃性較高）。雖然有報道稱FFU 合成軌枕具有耐火性［8］，但對其他類型復合軌枕耐火性能的研究較為匱乏。

3 解決方法

3.1 材料優(yōu)化

復合軌枕的材料一般由基體材料、增強材料和填充材料組成?；w的主要作用是將增強材料粘合為一個整體并使其位置固定，均勻傳遞荷載。常用的基體材料有樹脂、無機非金屬、金屬等。樹脂基復合軌枕是目前發(fā)展最好、最為常見的復合軌枕。增強材料作為主要受力組分，決定著復合軌枕整體的彎曲強度、拉伸強度等主要力學特性。復合軌枕中增強材料的選擇十分多樣，如玻璃纖維、木質剩余物、碳纖維、玄武巖纖維等，其中玻璃纖維使用效果最好、應用最多。填充材料在復合軌枕中的主要作用是降低基體的成本。在很多情況下，填充材料兼具增強作用，因此填充材料和增強材料難以嚴格區(qū)分。復合軌枕的填充材料種類繁多，有銅、鐵、鋁、錫等金屬單質，有二氧化硫、氧化鎂等氧化物或含此類成分的礦物，有硫酸鹽、碳酸鹽、硅酸鹽等鹽類，還有煤粉、木屑、動物角質等有機物。

復合軌枕材料中的每個單一組分都對復合軌枕整體性能有著重要影響。而有別于傳統(tǒng)的單一材料，復合材料的一個重要特征是材料的可設計性，不同組分、不同配比的復合材料軌枕性能有很大的差別。因此，可根據(jù)組分和配比的優(yōu)化設計來保證原組分材料除保持其固有的良好特性外，還能揚長避短，產生復合效應，使復合軌枕整體產生新的優(yōu)異性能，最大限度發(fā)揮復合軌枕優(yōu)勢。Bayer 等［9］選用HDPE 與LDPE 為基體樹脂，石膏為填充物制成復合軌枕，對材料配比進行了研究。肖生苓等［10］對復合軌枕材料組分特性及對整體性能影響進行了研究分析。

綜上，復合軌枕材料的優(yōu)化研究是解決復合軌枕性能缺陷的重要手段。此外，通過對材料組分及配比的研究，在保證復合軌枕性能指標良好的同時，可追求更高的經(jīng)濟效益及環(huán)境效益。

3.2 結構優(yōu)化

高纖維含量的復合軌枕造價比標準木枕高出5～10倍，是阻礙其在鐵路行業(yè)廣泛應用的主要障礙之一。優(yōu)化復合軌枕結構尺寸，避免材料浪費，是降低復合軌枕成本的有效手段。Awad 等［11］提出基于材料試驗、有限元分析、設計規(guī)范標準等手段的纖維復合材料結構優(yōu)化方法，該方法有助于在最佳成本內實現(xiàn)所需的結構性能。Yasmeen 等［12］利用有限元法對比研究了“Y”形復合軌枕和混凝軌枕的強度及剛度。結果表明，采用“Y”形復合軌枕比混凝土軌枕更為有效。

在軌枕的優(yōu)化設計中，復合軌枕的應力分布可以作為指導結構優(yōu)化的指標。由于車輪荷載在鋼軌-軌枕接觸面處通常以45°角向軌枕傳遞，所以該區(qū)域是軌枕強度設計最關鍵的部分，而軌枕的其他部分則不需要相同強度。由于在復合軌枕生產成本中材料成本占比較大，通過減小特定區(qū)域軌枕截面高度進行軌枕的結構尺寸優(yōu)化設計，有助于壓縮成本。Ferdous 等［13］基于有限元分析對復合軌枕進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后外形見圖1。研究結果表明：優(yōu)化后復合軌枕體積比原長條形軌枕減少近1/3，優(yōu)化后復合軌枕在低剛度地基和高剛度地基有砟道床上的性能表現(xiàn)均與木枕相似，并且優(yōu)化后復合軌枕的豎向撓曲、彎曲應力以及軌枕-道砟接觸力均低于軌枕的允許極限。

圖1 復合軌枕結構優(yōu)化設計后外形［13］

復合軌枕的應力分布不僅可指導軌枕結構尺寸優(yōu)化，同樣可指導其內部纖維的優(yōu)化布置。利用有限元模擬或用直觀的方法確定高應力水平位置，在該部位增加纖維的用量，而在應力水平較低的部位減少纖維用量或不使用纖維。纖維在復合軌枕中的有效分布，不僅可滿足復合軌枕強度及適用性要求，還可降低成本。

對復合軌枕材料內部結構進行優(yōu)化設計（如層套式結構、夾層結構等）也是提高復合軌枕整體性能的重要方法，如在結構構件中使用夾層結構使其具有較高的抗彎剛度。澳大利亞南昆士蘭大學對膠合纖維夾層結構復合軌枕展開了研究，測試其抗彎剛度及抗剪強度。結果表明：采用夾層結構的復合材料軌枕可以滿足軌枕的性能要求［14］。

復合軌枕結構優(yōu)化同時也是提高復合軌枕道床橫向阻力的重要方法?？蓞⒖蓟炷淋壵硪延醒芯?，對復合軌枕特定部位進行加寬處理或進行某些異形設計可增大復合軌枕橫向阻力。AREMA 建議在復合軌枕底部和兩側設置表面紋理，并指出基于包括TTCI 在內的多個實驗室進行的橫向阻力試驗表明，沒有表面紋理的復合軌枕道床橫向阻力最高僅為8.9 kN，而有表面紋理的復合軌枕道床橫向阻力可達17.8 kN或更高［2］。

3.3 完善標準

目前，盡管AREMA［2］、日本標準JIS E1203—2007［15］以及中國標準CJ/T 399—2012［16］中均對其材料的性能及設計作出了一些規(guī)定，但是世界范圍內針對復合軌枕仍缺乏詳細的設計標準。同時，由于復合材料各向異性等特點，并要考慮軌枕形狀和尺寸，設計難度較大。目前，大部分復合軌枕的設計者依靠于工程經(jīng)驗進行初步設計生產，再開展試驗分析，進行優(yōu)化設計，缺乏統(tǒng)一設計標準和設計方法。因此，需要深入研究復合軌枕設計方法，開展一系列理論分析、室內及現(xiàn)場試驗工作來確定相關控制參數(shù)，制定不同運營條件下復合軌枕規(guī)范。

4 結論

復合軌枕作為一種新型軌枕，具有一系列優(yōu)點，但也存在一系列問題和挑戰(zhàn)，限制其廣泛應用。對復合軌枕目前面臨的主要問題進行梳理，并從材料優(yōu)化、結構優(yōu)化、設計標準等方面探討解決方法。

復合軌枕的技術發(fā)展和推廣運用可從材料、配比及結構等源頭上提出行之有效的方法。首先，選用性能優(yōu)的原組分材料并優(yōu)化不同材料的復合配比，使其材料復合效應到達最優(yōu)化，從而提高復合軌枕性能；其次，通過有限元法研究分析軌枕的受力特性和應力分布，有針對性地對復合軌枕結構進行優(yōu)化，以減少軌枕的復合材料用量和提高道床橫向阻力，從而實現(xiàn)生產成本的降低；最后，通過不同材料、不同配比和不同結構的復合軌枕進行試驗研究和對比分析，選出性能優(yōu)、結構好的復合軌枕，并對其設計和制造進行標準化、規(guī)范化，以提高復合軌枕質量的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。