再生塑料復(fù)合軌枕的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向

李新捷 王創(chuàng) 尤瑞林 井國(guó)慶

1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.俄羅斯交通大學(xué)道路、建筑與結(jié)構(gòu)學(xué)院，莫斯科 俄羅斯 127055；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

中國(guó)最為常見(jiàn)的軌枕類型為木枕和混凝土枕。木枕消耗森林資源，需要使用對(duì)環(huán)境有害的雜酚油進(jìn)行防腐處理，不符合環(huán)保理念?；炷琳硖寂欧盘匦圆睿y以回收利用。為了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，降低碳排放，復(fù)合軌枕孕育而生，目前已有約40年歷史。

復(fù)合軌枕具有高強(qiáng)度-重量比，優(yōu)良的絕緣性能，出色的耐腐蝕性、耐用性、可操作性，且其幾何結(jié)構(gòu)可根據(jù)地形靈活設(shè)計(jì)，可用于道岔、橋梁、隧道等對(duì)軌枕的阻尼、延展性和可持續(xù)性要求較高的區(qū)域［1］。再生塑料復(fù)合軌枕為復(fù)合軌枕中的一大類，主要以回收塑料、廢橡膠、廢輪胎等為原材料，輔以相容劑、固化劑等化學(xué)添加劑，可有效回收利用多種廢棄塑料制品，減少城市垃圾填埋，且其自身也可循環(huán)使用，可以起到保護(hù)森林資源、減少環(huán)境污染的作用。

根據(jù)原料配方不同，再生塑料復(fù)合軌枕成品性能也有所變化。復(fù)合軌枕研究時(shí)間短，尚缺乏全面完整的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和規(guī)范，各國(guó)軌枕公司通常根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)條件進(jìn)行研發(fā)，市場(chǎng)上的再生塑料復(fù)合軌枕形式多樣，性能參差不齊。受原材料和生產(chǎn)工藝的限制，再生塑料復(fù)合軌枕有其局限性，其強(qiáng)度、道床阻力、線膨脹系數(shù)等問(wèn)題仍需進(jìn)一步探索［2］。

本文梳理各國(guó)再生塑料復(fù)合軌枕的發(fā)展和現(xiàn)行規(guī)范，分析潛在問(wèn)題，并探討優(yōu)化方法，為再生塑料復(fù)合軌枕的產(chǎn)品升級(jí)和推廣普及提供參考。

1 現(xiàn)有產(chǎn)品

20 世紀(jì)90 年代，美國(guó)TieTek 公司利用廢塑料、廢輪胎、廢油漆等工業(yè)廢品成功研發(fā)出了一種新型再生材料復(fù)合軌枕。根據(jù)該公司的統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)3 500 根（約鋪設(shè)1.6 km的軌道）這種塑料軌枕，可減少約400 t溫室氣體的排放，少砍伐約750棵成材樹(shù)木，消耗超過(guò)227 t 的再生塑料，回收約10 萬(wàn)個(gè)廢舊輪胎［3］，從而極大地提高對(duì)廢棄塑料和輪胎的綜合利用，減少森林資源消耗。

隨著再生塑料復(fù)合軌枕的發(fā)展，其原材料的選擇愈發(fā)多樣，多種生活垃圾、工業(yè)廢品都可經(jīng)回收篩選后再用作生產(chǎn)。為提高軌枕整體強(qiáng)度，還會(huì)在基材中加入玻璃纖維、礦物填料等增強(qiáng)材料?？捎糜谲壵砩a(chǎn)的大部分回收塑料均屬于熱塑性塑料，其強(qiáng)度通常較熱固性塑料低。著名的日本FFU 復(fù)合軌枕（Sleeper of fiber?reinforced foamed urethane，聚氨酯泡沫合成軌枕），基體由泡沫聚氨酯制成，為熱固性塑料，并使用連續(xù)長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)，未將回收塑料作為原材料，因此不屬于再生塑料復(fù)合軌枕一類，其強(qiáng)度和成本都遠(yuǎn)高于基體材料以熱塑性塑料為主的再生塑料復(fù)合軌枕產(chǎn)品［4］。

目前世界范圍內(nèi)已有多家軌枕公司從事再生塑料復(fù)合軌枕產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)，現(xiàn)有主要再生塑料復(fù)合軌枕產(chǎn)品［3，5-17］見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)有主要再生塑料復(fù)合軌枕產(chǎn)品

再生塑料復(fù)合軌枕生產(chǎn)工藝分為擠出成型工藝和模壓成型工藝，其中擠出成型工藝已被普遍采用。擠出成型工藝一般為雙階擠出的形式，在第一臺(tái)擠出機(jī)（第一階）中對(duì)原材料進(jìn)行加熱混合塑化，在第二臺(tái)擠出機(jī)（第二階）中進(jìn)一步塑化，并將物料壓入口模，使物料從特定形狀的口模通過(guò)后再進(jìn)行冷卻。為降低軌枕成品中的孔隙率，還可以在第一、二階之間設(shè)置排氣裝置［18］。連續(xù)擠出成型工藝可實(shí)現(xiàn)軌枕的不間斷生產(chǎn)，效率較高，易于產(chǎn)業(yè)化。模壓成型工藝可用于生產(chǎn)長(zhǎng)鋼筋增強(qiáng)的再生塑料復(fù)合軌枕。在生產(chǎn)過(guò)程中，首先在模具中預(yù)置長(zhǎng)鋼筋，再將混合均勻的基體材料填入已事先加熱到指定溫度的模具中，然后加壓成型，在保溫保壓一定的時(shí)間后，再使軌枕冷卻定型，其原理如圖1 所示。模壓工藝一般要求熔融后的基體材料有較好的流動(dòng)性，因此其所含纖維的比例不能過(guò)高，這也意味著基體材料自身力學(xué)性能較弱。德國(guó)Vossloh 公司的工程聚合物復(fù)合軌枕（Engineered Polymer Sleeper，EPS）為采用該工藝生產(chǎn)的典型產(chǎn)品之一［15］。

圖1 模壓成型工藝原理

無(wú)論是擠出成型工藝還是模壓成型工藝，軌枕的冷卻定型都是其重難點(diǎn)。由于軌枕產(chǎn)品截面大，塑料、橡膠等高分子材料導(dǎo)熱系數(shù)低，軌枕成品需較長(zhǎng)時(shí)間降溫，易出現(xiàn)軌枕外表面已冷卻、內(nèi)部仍處于高溫狀態(tài)的情況。軌枕各部位溫差較大時(shí)，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力可能會(huì)造成軌枕表面開(kāi)裂、扭轉(zhuǎn)等缺陷，影響軌枕質(zhì)量和性能。為加速軌枕冷卻定型，可在模具中預(yù)埋冷卻水導(dǎo)管，通過(guò)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)縮短軌枕冷卻時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

2 現(xiàn)行規(guī)范

復(fù)合軌枕作為一種新興的軌枕形式，發(fā)展時(shí)間短，相關(guān)研究和使用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)匱乏。為了規(guī)范復(fù)合軌枕的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，美國(guó)鐵路工程和維護(hù)協(xié)會(huì)（American RailwayEngineeringandMaintenance?of?WayAssociation，AREMA）率先制定了首部適用于復(fù)合軌枕的專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，并于2014 年進(jìn)行了更新完善，該標(biāo)準(zhǔn)主要適用于聚合物復(fù)合軌枕和膠合層壓復(fù)合軌枕［19］，見(jiàn)表2。日本、中國(guó)、印度和歐盟地區(qū)均已出臺(tái)復(fù)合軌枕相關(guān)規(guī)范。2014 年，印度鐵道部下屬的印度研究設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)組 織（Research Designs & Standards Organisation，RDSO）編寫(xiě)了《復(fù)合軌枕臨時(shí)規(guī)范》，涵蓋了軌枕尺寸、物理特性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等多個(gè)方面。該規(guī)范的制定基于印度國(guó)內(nèi)復(fù)合軌枕的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和使用經(jīng)驗(yàn)，并大量參考了美國(guó)多個(gè)機(jī)構(gòu)的復(fù)合軌枕研究資料，如美國(guó)測(cè)試和材料協(xié)會(huì)、AREMA、芝加哥交通管理局、美國(guó)聯(lián)合太平洋鐵路公司等［20］?？傮w來(lái)說(shuō)，印度規(guī)范與AREMA 手冊(cè)差別不大，主要適用于聚合物基復(fù)合軌枕，如高密度聚乙烯復(fù)合軌枕、纖維或顆粒增強(qiáng)的橡塑軌枕等，其中彈性模量、斷裂模量、壓縮模量、螺紋道釘抗拔力等主要力學(xué)性能指標(biāo)的取值均與AREMA手冊(cè)相同，參見(jiàn)表2。

表2 不同規(guī)范中關(guān)于復(fù)合軌枕的主要性能指標(biāo)

日本于2007 年制定了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《合成軌枕由纖維增強(qiáng)泡沫聚氨酯制造》［4］。以該標(biāo)準(zhǔn)為參考，中國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部和中國(guó)鐵路總公司分別發(fā)布了CJ∕T 399—2012《聚氨酯泡沫合成軌枕》和TJ∕GW 161—2019《鐵路鋼梁用HFFP 復(fù)合材料橋枕及配套MQ?1型扣件暫行技術(shù)條件》。這3 部規(guī)范均對(duì)纖維增強(qiáng)泡沫聚氨酯復(fù)合軌枕的尺寸、性能、測(cè)試方法做了詳細(xì)規(guī)定，都僅針對(duì)拉擠成型工藝生產(chǎn)的高密度連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯復(fù)合材料軌枕，并不適用于再生塑料復(fù)合軌枕。但由于相關(guān)規(guī)范尚未完善，國(guó)內(nèi)再生塑料復(fù)合軌枕產(chǎn)品的研發(fā)通常將住建部標(biāo)準(zhǔn)作為參考。中國(guó)和日本規(guī)范中的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 日本和中國(guó)規(guī)范中復(fù)合軌枕主要性能指標(biāo)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于2014 年開(kāi)始頒布復(fù)合軌枕規(guī)范ISO 12856，該規(guī)范共分為3部分。其中ISO 12856-1《Plastics—Plastic Railway Sleepers for Railway Applications （Railroad Ties） —Part 1： Material Characteristics》和ISO 12856-2《Railway Applications—Polymeric Composite Sleepers，Bearers and Transoms—Part 2：Product Testing》已分別于2014年和2020年出版，ISO∕DIS 12856-3 《Railway Applications—Polymeric Composite Sleepers，Bearers and Transoms—Part 3：General Requirements》的出版工作還在進(jìn)行中。規(guī)范第1 部分根據(jù)所應(yīng)用的線路類型將復(fù)合軌枕分為3類，并分別規(guī)定了每一類材料的力學(xué)性能、電學(xué)性能、氣候適應(yīng)性和成品軌枕尺寸，其主要力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表4。其中，類型1相當(dāng)于用于無(wú)砟軌道和特殊作業(yè)軌道的熱帶硬木軌枕，適用于最高時(shí)速130 km、最大軸重20 t或最高時(shí)速300 km、最大軸重14 t的線路；類型2相當(dāng)于用于國(guó)際鐵路聯(lián)盟5∕6類型軌道的木枕，適用于最高時(shí)速160 km、最大軸重22.5 t的線路；類型3 相當(dāng)于用于重載線路的硬木軌枕，適用于最高時(shí)速80 km、最大軸重35 t 的線路。另外，第3 部分對(duì)復(fù)合軌枕的設(shè)計(jì)計(jì)算方法做出了詳細(xì)規(guī)定，闡述了設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮的影響因素，并規(guī)定了相應(yīng)計(jì)算參數(shù)的取值［21-23］。

表4 ISO規(guī)范中復(fù)合軌枕的主要性能指標(biāo)

從適用范圍看，日本和中國(guó)規(guī)范都僅針對(duì)連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)的發(fā)泡聚氨酯復(fù)合軌枕，而AREMA、印度和歐盟規(guī)范則適用于各種聚合物基復(fù)合軌枕，包括再生塑料復(fù)合軌枕，涵蓋范圍更廣。由于實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的缺乏，各規(guī)范所列出的主要力學(xué)性能指標(biāo)多基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，因此在復(fù)合軌枕大量投入工程應(yīng)用之前，對(duì)復(fù)合軌枕性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是十分必要的。

從各國(guó)復(fù)合軌枕規(guī)范中不難發(fā)現(xiàn)，與已得到廣泛應(yīng)用的混凝土軌枕相比，復(fù)合軌枕的各性能指標(biāo)要求較低，尤其是適用于再生塑料復(fù)合軌枕的AREMA、印度和歐盟規(guī)范。這也使得市場(chǎng)上的再生塑料復(fù)合軌枕性能普遍不如混凝土軌枕，在一定程度上阻礙了再生塑料復(fù)合軌枕的推廣普及。

3 潛在不足

3.1 強(qiáng)度不足

與木枕和混凝土枕相比，再生塑料復(fù)合軌枕的全生命周期成本更為低廉，對(duì)環(huán)境更友好。然而，世界各大鐵路公司仍更傾向于使用優(yōu)質(zhì)新木枕和混凝土枕替換老舊軌枕，主要原因之一就是再生塑料復(fù)合軌枕的強(qiáng)度并不理想。研究表明再生塑料復(fù)合軌枕的彈性模量通常為1.5～3.0 GPa，斷裂模量為18.6～50.3 MPa［24-25］。以AREMA 手冊(cè)為參考，雖然已經(jīng)達(dá)到其規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)，但相比較于同尺寸橡木等硬木軌枕8.4 GPa 的彈性模量和57.9 MPa 的斷裂模量，再生塑料復(fù)合軌枕在強(qiáng)度上仍顯不足［24］。此外，在鋪設(shè)過(guò)程中的某些操作有可能對(duì)再生塑料復(fù)合軌枕造成損傷，這些損傷可導(dǎo)致其強(qiáng)度下降，致使其在長(zhǎng)期服役后或承受較大的荷載時(shí)發(fā)生斷裂失效。

3.2 線膨脹系數(shù)過(guò)大

線膨脹系數(shù)較大是熱塑性塑料本身固有的缺點(diǎn)，因此，以熱塑性塑料為主要材料的再生塑料復(fù)合軌枕線膨脹系數(shù)也普遍高于木枕和混凝土枕，甚至達(dá)到混凝土軌枕（約1×10-5℃-1）的十多倍［26］。

軌枕線膨脹系數(shù)與其在溫度荷載下保持軌道形位能力有關(guān)，軌枕熱脹冷縮會(huì)引起軌距相應(yīng)改變。若軌枕線膨脹系數(shù)過(guò)大，環(huán)境溫差可能會(huì)使得軌距變化過(guò)大，從而導(dǎo)致輪軌接觸關(guān)系改變，進(jìn)而影響到行車穩(wěn)定性和安全性。趙振航等［27］以塑料復(fù)合軌枕為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度升降10 ℃時(shí)塑料復(fù)合軌枕有砟軌道的軌距增減0.78～0.81 mm。中國(guó)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定設(shè)計(jì)時(shí)速大于等于200 km 的有砟軌道正線軌距變化范圍為±2 mm，因此塑料復(fù)合軌枕不適宜鋪設(shè)在年溫差大于50 ℃的地區(qū)。

此外，復(fù)合軌枕的熱脹冷縮還會(huì)改變其彈性模量，并對(duì)握釘能力產(chǎn)生影響，從而影響軌道整體穩(wěn)定性，因此軌枕的線膨脹系數(shù)也是軌道整體性能的重要參考指標(biāo)之一。

3.3 道床阻力較低

中國(guó)高速鐵路多采用跨區(qū)間無(wú)縫線路，對(duì)線路整體穩(wěn)定性要求高，足夠的道床橫向阻力對(duì)防止無(wú)縫線路脹軌跑道、保證行車安全性和舒適性十分重要。在其他條件相同的情況下，軌枕的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)等都是影響道床橫向阻力的因素。

再生塑料復(fù)合軌枕通常質(zhì)量較輕，質(zhì)地較光滑，與道砟接觸面積較少，因此相互作用較小，導(dǎo)致道床阻力不足。AREMA 指出普通聚合物基復(fù)合軌枕道床橫向阻力僅能達(dá)到8.9 kN［19］，低于TB 10621—2014 中對(duì)Ⅲ型混凝土枕規(guī)定的12 kN。美國(guó)交通運(yùn)輸科技中心對(duì)塑料復(fù)合軌枕進(jìn)行了道床橫向阻力測(cè)試，并與木枕對(duì)比，發(fā)現(xiàn)新鋪塑料復(fù)合軌枕橫向阻力與相同尺寸新鋪木枕接近［28］。

4 優(yōu)化研究

4.1 材料優(yōu)化

4.1.1 基體材料改性

軌枕基體材料的性能優(yōu)化很大程度上有賴于材料領(lǐng)域的創(chuàng)新和突破。再生塑料復(fù)合軌枕的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性由其主要成分（熱塑性塑料、橡膠等）決定，對(duì)這些高分子材料的改性優(yōu)化可直接提高再生塑料復(fù)合軌枕的多方面性能。

泰國(guó)交通運(yùn)輸部下屬的專門委員會(huì)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)提高橡膠基體分子間的交聯(lián)密度，形成類硬膠系統(tǒng)，可提高橡塑軌枕的強(qiáng)度和剛度［29］。中國(guó)AGICO 公司的可回收塑料復(fù)合軌枕創(chuàng)新性地使用了超高分子量聚乙烯作為主要原料。該軌枕產(chǎn)品不僅具有其他再生塑料復(fù)合軌枕的優(yōu)異特性，且抗沖擊性能更強(qiáng)，線膨脹系數(shù)更小，彈性模量可達(dá)到普通再生塑料復(fù)合軌枕的2～5倍［6］。

4.1.2 組分優(yōu)化

材料配方的靈活性是再生塑料復(fù)合軌枕的重要特點(diǎn)之一。開(kāi)發(fā)者可根據(jù)需求調(diào)整材料組合和比例，從而控制軌枕各方面性能和成本。恰當(dāng)?shù)牟牧辖M合不僅能使每一材料組分都發(fā)揮出自身優(yōu)勢(shì)，還可使軌枕整體性能產(chǎn)生復(fù)合疊加的效應(yīng)。

針對(duì)回收塑料、橡膠等強(qiáng)度不足的問(wèn)題，可通過(guò)添加離散加勁材料來(lái)進(jìn)行改善。玻璃纖維與聚合物基體結(jié)合是常見(jiàn)的再生塑料復(fù)合軌枕增強(qiáng)方式。玻璃纖維隨機(jī)分布在聚合物基體中，起到承擔(dān)應(yīng)力、減小軌枕變形、提高抗沖擊性的作用，能提高軌枕的強(qiáng)度和剛度。聚合物基體主導(dǎo)軌枕的整體力學(xué)性能，傳遞荷載的同時(shí)保護(hù)玻璃纖維。如德國(guó)利用廢棄塑料和玻璃纖維廢料制成的MPW 復(fù)合軌枕，其彈性模量能達(dá)到2 334 MPa以上［5］。

通過(guò)提高玻璃纖維含量可在一定程度上提高再生塑料復(fù)合軌枕的強(qiáng)度，減小線膨脹系數(shù)，但軌枕成本隨著玻璃纖維含量的增加而大幅上升。過(guò)高的玻璃纖維含量不僅可能導(dǎo)致軌枕產(chǎn)品價(jià)格過(guò)于昂貴，也會(huì)使得生產(chǎn)操作的難度增加。

除玻璃纖維外，可作為增強(qiáng)材料的還有碳纖維、玄武巖纖維、木制剩余物、煤粉、礦物質(zhì)填料等。如南昆士蘭大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)嘗試?yán)米枞紕⒅锌瘴⑶蚝头勖夯覍?duì)樹(shù)脂基軌枕的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等性能進(jìn)行改善，提高了軌枕整體的彎曲模量，減小了斷裂應(yīng)變［30］。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.2.1 異形設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的再生塑料復(fù)合軌枕多為均質(zhì)規(guī)則的長(zhǎng)方體形，力學(xué)性質(zhì)處處相同。而在實(shí)際使用中，軌枕并非均勻受力，這造成了軌枕特定位置上的材料冗余。根據(jù)應(yīng)力分布來(lái)對(duì)軌枕形狀進(jìn)行優(yōu)化可起到提高材料利用率、降低成本的作用。如荷蘭采用百分百回收塑料和縱向連續(xù)長(zhǎng)鋼筋結(jié)合所研發(fā)的KLP 系列再生塑料復(fù)合軌枕，以軌枕實(shí)際受力情況為依據(jù)，對(duì)其中干線軌枕外形進(jìn)行了優(yōu)化，減小了枕中和枕端的截面面積，將材料集中于軌下截面附近。在保證軌枕強(qiáng)度滿足使用要求的前提下，相較于規(guī)則的長(zhǎng)方體外形節(jié)省了30%的材料。

異形設(shè)計(jì)同樣可以提高再生塑料復(fù)合軌枕的橫向道床阻力，如在軌枕特定位置進(jìn)行加寬處理、設(shè)置凸塊或安裝擋板等。KLP 再生塑料干線軌枕不規(guī)則的外形既能增加軌枕與道砟的接觸面積，增強(qiáng)兩者之間的咬合-剪切作用，還可形成擋板，顯著提高軌枕的道床縱橫向阻力。井國(guó)慶等［31］發(fā)現(xiàn)在軌枕底面和兩側(cè)面設(shè)置凸起紋理（圖2）后，復(fù)合軌枕道床橫向阻力可較原來(lái)提高最多20%，基本與Ⅲ型混凝土枕相當(dāng)。

圖2 凸起紋理

4.2.2 長(zhǎng)筋增強(qiáng)

參考鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在軌枕縱向上使用連續(xù)長(zhǎng)筋進(jìn)行增強(qiáng)可有效提高再生塑料復(fù)合軌枕的彎曲模量和彎曲強(qiáng)度，連續(xù)長(zhǎng)筋的類型可為連續(xù)長(zhǎng)纖維、鋼筋等。此類再生塑料復(fù)合軌枕縱向上的力學(xué)性能由連續(xù)長(zhǎng)筋主導(dǎo)，橫截面上的性能則依然由基體的聚合物材料主導(dǎo)。使用長(zhǎng)鋼筋增強(qiáng)的例子有德國(guó)Vossloh公司的EPS和荷蘭KLP 系列再生塑料復(fù)合軌枕。KLP系列軌枕根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)了不同布筋方案，見(jiàn)圖3。橋枕和岔枕是在矩形橫截面的四角各布置一根長(zhǎng)筋，而干線軌枕則是在橫截面豎向中軸線上布置兩根長(zhǎng)筋。使用連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的例子則可參考日本FFU軌枕。

圖3 KLP系列軌枕截面

從材料成本上看，采用長(zhǎng)鋼筋增強(qiáng)比采用連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)成本更低。從性能上看，使用長(zhǎng)鋼筋增強(qiáng)可使得再生塑料復(fù)合軌枕的線膨脹系數(shù)減少至約1.2×10-5℃-1，幾乎與混凝土枕的線膨脹系數(shù)相同［14］。這是因?yàn)殇摻畹木€膨脹系數(shù)（約為1.2×10-5℃-1）遠(yuǎn)低于橡塑材料，在同樣溫度變化下的變形量也遠(yuǎn)比橡塑材料更小。鋼筋與軌枕基體黏結(jié)良好時(shí)，可有效限制軌枕整體由溫度變化引起的縱向上的形變。但目前有關(guān)鋼筋與塑料黏結(jié)問(wèn)題的研究較為有限，尤其在長(zhǎng)期列車循環(huán)荷載下，鋼筋與塑料的黏結(jié)界面是否發(fā)生失效剝離等問(wèn)題還需更深入的試驗(yàn)研究。

4.2.3 膠合層壓

多層薄板疊加的結(jié)構(gòu)形式可使得再生塑料復(fù)合軌枕的設(shè)計(jì)具有更高的靈活度，軌枕的每層材料可分別根據(jù)需要進(jìn)行選擇。如靠近軌枕上下表面的材料需承受更大的彎曲應(yīng)力，則最上和最下兩層薄板可選擇高纖維含量材料，中間層可選擇低纖維含量或無(wú)纖維材料，從而優(yōu)化纖維等增強(qiáng)材料的有效分布，降低材料成本。另外，通過(guò)在層間布置連續(xù)纖維布等增強(qiáng)材料，形成層套式或夾層式結(jié)構(gòu)，也能有效提高軌枕的彎曲強(qiáng)度。

在層壓結(jié)構(gòu)中，通常使用結(jié)構(gòu)膠或環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)黏結(jié)各層薄板。因此，層間黏結(jié)強(qiáng)度是層壓結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題之一，尤其是要考慮在疲勞荷載下各層間發(fā)生剝離脫落的可能性。另外，南昆士蘭大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，各層薄板不同的排列組合方式（見(jiàn)圖4）也會(huì)對(duì)軌枕性能產(chǎn)生顯著影響［25］。

圖4 軌枕截面

4.2.4 設(shè)置紋理

針對(duì)再生塑料復(fù)合軌枕道床橫向阻力不足的問(wèn)題，可通過(guò)在軌枕的側(cè)面和下表面設(shè)置紋理，提高摩擦因數(shù)，增強(qiáng)其與道砟間的相互作用，達(dá)到提高道床橫向阻力、減少橫向位移的目的。設(shè)置紋理的方式有多種，例如熱壓花和刻痕（圖5）。美國(guó)交通運(yùn)輸科技中心的研究表明，經(jīng)熱壓花處理的聚合物復(fù)合軌枕橫向道床阻力可提高到約17.8 kN［32］。

圖5 軌枕表面處理

5 結(jié)語(yǔ)

再生塑料復(fù)合軌枕作為復(fù)合軌枕中的主流類型，一直因其性價(jià)比高、設(shè)計(jì)靈活、綠色環(huán)保等特點(diǎn)而受到廣泛歡迎。從其誕生至今，各國(guó)軌枕公司已設(shè)計(jì)出了豐富的再生塑料復(fù)合軌枕產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)了擠出成型和模壓成型兩種主要生產(chǎn)工藝。美國(guó)、日本、中國(guó)、印度、歐盟等國(guó)家和地區(qū)也均已出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)行業(yè)進(jìn)行規(guī)范。

受限于回收塑料、橡膠等原材料的自身特性，再生塑料復(fù)合軌枕強(qiáng)度不足、道床阻力較低、線膨脹系數(shù)較大等突出缺陷很大程度上限制了其進(jìn)一步的推廣普及。為有效提高復(fù)合軌枕的性能，同時(shí)控制成本和價(jià)格，世界各國(guó)研究人員著力于從材料和結(jié)構(gòu)兩方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

1）材料方面。既要提高單一基材的性能，又要選擇恰當(dāng)合理的成分組合和配比，從而融合更多不同材料的優(yōu)異特性，在整體上達(dá)到復(fù)合疊加的效果；

2）結(jié)構(gòu)方面?？赏ㄟ^(guò)異形設(shè)計(jì)、長(zhǎng)筋增強(qiáng)、膠合層壓和設(shè)置紋理等方式來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，使得材料分布更為合理有效，提高材料的利用率，從而達(dá)到減少材料用量、提高軌枕整體性能的目的。

通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)可使得再生塑料復(fù)合軌枕的性能優(yōu)于木枕，滿足鐵路正線應(yīng)用要求。但由于發(fā)展年限較短，實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較為缺乏，再生塑料復(fù)合軌枕在長(zhǎng)期服役中道釘抗拔強(qiáng)度的變化、疲勞荷載下各組分間的黏結(jié)強(qiáng)度、橡塑材料的老化和蠕變對(duì)軌道整體穩(wěn)定性的影響以及軌枕全生命周期的成本控制等問(wèn)題仍有待持續(xù)性的研究。