玄武巖纖維在鐵路軌道工程中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

徐 浩 曾永平 蔡文鋒 楊吉忠

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 玄武巖纖維的應(yīng)用情況

玄武巖是一種基性噴出巖，體積密度為2.8～3.3 g/cm3，抗壓強(qiáng)度可達(dá)300 MPa。玄武巖的化學(xué)組成一般為SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O等及少量雜質(zhì)，其中SiO2的含量最高，一般含量在45%～52%之間。以格魯吉亞玄武巖為例，其化學(xué)組成如表1所示。

表1 格魯吉亞玄武巖化學(xué)組成表

玄武巖纖維是以天然玄武巖為原材料，經(jīng)過高溫熔融后拉制而成的纖維[1-2]，其物理、力學(xué)性能如表2所示。作為一種新型的纖維材料，玄武巖纖維具有綠色環(huán)保、力學(xué)性能優(yōu)良、復(fù)合能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、電絕緣性能強(qiáng)、聲絕緣性好等顯著優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、航天航空、土建工程、海洋工程等領(lǐng)域[3-6]。

表2 玄武巖纖維物理、力學(xué)性能表

目前，應(yīng)用于交通土建的玄武巖纖維產(chǎn)品主要有玄武巖纖維混凝土、玄武巖纖維復(fù)合筋、玄武巖纖維織物/復(fù)合材等。玄武巖纖維混凝土是在普通混凝土中摻加短切玄武巖纖維而成，具有良好的耐酸、耐堿和耐水性，吸水率僅為0.2%～0.3%，同時(shí)具有很強(qiáng)的抗沖擊性能和良好的動(dòng)態(tài)能量耗散性能。玄武巖纖維混凝土的合理?yè)搅糠秶^低，同時(shí)與水泥基材料的粘結(jié)性能有待提高。以C60混凝土為例，玄武巖纖維混凝土與素混凝土的性能對(duì)比如圖1所示，可見玄武巖纖維混凝土的強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的增大先增大后減小，因此玄武巖纖維混凝土存在一個(gè)合理的纖維摻量范圍[7]。

圖1 玄武巖纖維力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果圖

玄武巖纖維復(fù)合筋是將玄武巖連續(xù)纖維通過拉擠成型的一種新型復(fù)合材料，與普通鋼筋相比，具有高強(qiáng)度、高絕緣性、輕質(zhì)量、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，玄武巖纖維復(fù)合筋的強(qiáng)度約為普通鋼筋的2倍，彈性模量為40 GPa，密度約為普通鋼筋的1/4，玄武巖纖維復(fù)合筋與普通鋼筋的對(duì)比如表3所示。由于高分子材料本身特性的影響，玄武巖纖維復(fù)合筋與水泥基材料的粘結(jié)度沒有普通鋼筋好。玄武巖纖維布具有很大的抗拉強(qiáng)度，可粘結(jié)在混凝土表面用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)及加固。

表3 玄武巖纖維復(fù)合筋與普通鋼筋的性能對(duì)比表

由于玄武巖纖維及其復(fù)合材料具有高強(qiáng)、高耐久性、溫度適應(yīng)范圍廣等顯著特點(diǎn)，在道路工程、隧道工程、建筑工程、巖土工程和市政工程等交通土建工程中已有應(yīng)用實(shí)例，如河北張石高速公路行唐縣西陽(yáng)莊大橋的南北兩端，采用玄武巖纖維復(fù)合筋增強(qiáng)路面，開發(fā)了連續(xù)配筋施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了真正的無(wú)焊接接點(diǎn)，減少水泥路面板塊的收縮裂縫，同時(shí)也解決了北方冬雪天氣時(shí)，高速路面除冰鹽對(duì)鋼筋的腐蝕問題，提高了高速公路路面的質(zhì)量和耐久性。2007年，蘭州地震局采用玄武巖纖維復(fù)合筋取代鋼筋用于天水地震臺(tái)建設(shè)工程，解決了地震臺(tái)建筑材料無(wú)磁性的要求。2016年成都綠地中心基坑邊坡采用了玄武巖纖維增強(qiáng)筋，可解決傳統(tǒng)鋼筋錨桿易腐蝕的問題。玄武巖纖維混凝土的耐候性強(qiáng)于普通混凝土，天津市利用玄武巖纖維混凝土管道對(duì)污水處理系統(tǒng)輸水管道進(jìn)行了優(yōu)化。

鑒于玄武巖纖維產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)及其在交通土建工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，考慮鐵路軌道結(jié)構(gòu)及相關(guān)部件都是水泥基材料，因此玄武巖纖維在鐵路軌道工程的應(yīng)用值得研究。

2 玄武巖纖維在鐵路軌道中的應(yīng)用現(xiàn)狀

鐵路軌道主要是由鋼筋混凝土材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)物，承受反復(fù)的列車荷載、環(huán)境荷載和腐蝕環(huán)境作用等耦合荷載，對(duì)鐵路軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、抗沖擊、抗裂、耐腐蝕等都提出了較高的要求。玄武巖纖維的優(yōu)點(diǎn)正好與鐵路軌道工程結(jié)構(gòu)的上述要求契合，因此相關(guān)研究人員開始研究玄武巖纖維在鐵路軌道中的應(yīng)用。

玄武巖纖維在鐵路軌道工程中的應(yīng)用目前正處于起步階段，在鐵路軌道的軌枕和軌道板上進(jìn)行了應(yīng)用初探。胡顯奇[8]等研究了玄武巖纖維用于鐵路軌枕和軌道板的可能性，測(cè)試了摻玄武巖纖維后混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能、工作性和耐久性，并試制了兩塊玄武巖纖維混凝土軌道板應(yīng)用于武廣客運(yùn)專線試驗(yàn)段，目前應(yīng)用效果良好，結(jié)果表明：以普通硅酸鹽水泥替代超細(xì)水泥的混凝土配合比可以達(dá)到無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)混凝土早期強(qiáng)度的要求，摻加玄武巖纖維摻合料可進(jìn)一步提高其抗折強(qiáng)度及強(qiáng)韌性，同時(shí)不破壞軌道絕緣性能。楊堃[9]也對(duì)玄武研纖維軌枕的性能、制造等進(jìn)行了闡述，認(rèn)為玄武巖纖維軌枕具有更好的耐久性、絕緣性和彈性。黃欣[10]等針對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道軌道板，設(shè)計(jì)了玄武巖纖維復(fù)合筋軌道板，并測(cè)試了玄武巖纖維復(fù)合筋與混凝土的粘結(jié)能力和抗彎性能。楊洋[11-16]等針對(duì)無(wú)砟軌道軌道板的絕緣性能要求，提出了采用玄武巖纖維復(fù)合筋替代普通鋼筋，并測(cè)試了玄武巖纖維復(fù)合筋軌道板的絕緣性能、力學(xué)性能和疲勞性能，認(rèn)為玄武巖纖維復(fù)合筋軌道板能滿足軌道電路和力學(xué)性能要求。馮照平[17]等對(duì)玄武巖纖維復(fù)合筋無(wú)砟軌道板進(jìn)行了數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證研究，認(rèn)為玄武巖纖維復(fù)合筋軌道板具有較好的延性和承載能力。陳鯉波[18]則研究了玄武巖纖維布和纖維復(fù)合筋在高速鐵路人行道蓋板中的應(yīng)用，并測(cè)試了含玄武巖纖維布和纖維筋人行道蓋板的強(qiáng)度。

近年來(lái)，隨著玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，針對(duì)玄武巖纖維材料本身出臺(tái)了一些標(biāo)準(zhǔn)，然而玄武巖纖維在鐵路中的應(yīng)用目前尚無(wú)專門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，僅在TB 1042-2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定應(yīng)對(duì)纖維的雜質(zhì)含量、長(zhǎng)度、直徑、長(zhǎng)徑比、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

3 玄武巖纖維在鐵路軌道中的應(yīng)用前景及存在問題

鐵路軌道不僅直接承受列車動(dòng)荷載，還承受溫度、雨水、紫外線等環(huán)境荷載，為保證信號(hào)的傳輸，鐵路軌道還需具有絕緣性能。然而，鐵路軌道在服役過程中出現(xiàn)了諸如混凝土開裂、絕緣性能降低等病害，為此國(guó)內(nèi)外研究人員一直在探尋解決上述問題的措施。根據(jù)我國(guó)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，到2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到17.5萬(wàn)km，其中高速鐵路里程將達(dá)到 3.8萬(wàn)km，因此玄武巖纖維及其制品的優(yōu)異性能，在鐵路軌道的混凝土及復(fù)合材料制品中具有廣闊的應(yīng)用前景。

玄武巖纖維混凝土具有高強(qiáng)度，良好的抗沖擊性能、動(dòng)態(tài)能量耗散性能，同時(shí)還可以減小溫度荷載產(chǎn)生的裂縫寬度，有利于提高無(wú)砟軌道構(gòu)件耐久性，增強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)整體剛度，可利用玄武巖纖維混凝土制造混凝土軌枕或合成軌枕、軌道板、道床板和底座板。玄武巖纖維還具有耐高溫、耐腐蝕、耐生物侵蝕等性能，玄武巖纖維布可用于無(wú)砟軌道的養(yǎng)護(hù)維修及加固，降低環(huán)境對(duì)無(wú)砟軌道材料的影響，延長(zhǎng)無(wú)砟軌道的服役壽命。

玄武巖纖維具有良好的電絕緣性能，采用玄武巖復(fù)合鋼筋代替軌道板和道床板內(nèi)的鋼筋，可提高軌道的電氣絕緣性能[19]。為了提高扣件系統(tǒng)的耐久性和電絕緣性能，采用加玄武巖纖維的聚酰胺材料可提高軌距擋板的絕緣性能，因此可利用玄武巖纖維摻加其他復(fù)合材料生產(chǎn)扣件系統(tǒng)零部件，從而提高扣件系統(tǒng)的耐久性和絕緣性能。

盡管玄武巖纖維在鐵路軌道工程中具有良好的應(yīng)用前景，但仍存在如下問題：

(1)基礎(chǔ)研究嚴(yán)重缺乏

無(wú)論是玄武巖纖維混凝土，還是玄武巖纖維復(fù)合制品，要應(yīng)用于鐵路軌道工程均需開展相關(guān)材料與構(gòu)件的基礎(chǔ)研究工作。盡管目前各高校和企業(yè)針對(duì)玄武巖纖維混凝土和玄武巖纖維復(fù)合筋開展了一些基礎(chǔ)研究，但不夠全面，應(yīng)在研究玄武巖纖維材料、玄武巖纖維混凝土和玄武巖纖維復(fù)合制品的基本性能和耐久性的基礎(chǔ)上，開展玄武巖纖維改性與復(fù)合材料優(yōu)化研究并開展構(gòu)件的基本力學(xué)性能和耐久性研究，奠定玄武巖纖維及其混制品的理論基礎(chǔ)，建立理論體系。

(2)玄武巖纖維在鐵路軌道中的應(yīng)用研究處于起步階段

鐵路軌道工程作為支撐列車安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，服役環(huán)境復(fù)雜多變，在開展玄武巖纖維在鐵路軌道工程中的應(yīng)用研究時(shí)，應(yīng)充分考慮鐵路軌道工程的受力特點(diǎn)和服役環(huán)境，如列車重復(fù)荷載、溫度、環(huán)境侵蝕等耦合荷載作用及無(wú)砟軌道板的電氣絕緣性，從微觀、細(xì)觀和宏觀不同維度，對(duì)玄武巖纖維及其復(fù)合材料力學(xué)性能(移動(dòng)、沖擊、疲勞荷載作用等)、耐久性能(高溫、低溫、水損壞、凍融等)等基本性質(zhì)開展系統(tǒng)深入研究，建立適用于鐵路軌道工程的設(shè)計(jì)理論和方法。

(3)尚無(wú)針對(duì)鐵路軌道工程的玄武巖纖維標(biāo)準(zhǔn)體系

目前現(xiàn)有的玄武巖纖維標(biāo)準(zhǔn)僅針對(duì)材料本身，且嚴(yán)重缺失。在鐵路軌道工程中使用玄武巖纖維材料及相關(guān)產(chǎn)品，必須建立相關(guān)行業(yè)的設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)驗(yàn)收及運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)，目前此部分標(biāo)準(zhǔn)尚屬空白。

4 結(jié)論

玄武巖纖維及其混制品具有高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)異性能，目前在國(guó)防軍工、航天航空、土木建筑工程等領(lǐng)域應(yīng)用，但在鐵路軌道工程中的應(yīng)用還處于起步階段。本文總結(jié)了玄武巖纖維及其混制品在鐵路軌道工程的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的不足，為滿足玄武巖纖維及其混制品在鐵路軌道工程中的應(yīng)用，應(yīng)從以下幾個(gè)方面開展研究：

(1)加強(qiáng)玄武巖纖維及其混制品的基礎(chǔ)理論研究

玄武巖纖維及其混制品已在鐵路軌道工程中有了應(yīng)用初探，但基礎(chǔ)理論研究嚴(yán)重滯后。為科學(xué)應(yīng)用玄武巖纖維及其混制品，應(yīng)加強(qiáng)玄武巖纖維及其混制品在不同荷載、環(huán)境下的基本力學(xué)性能研究，完善玄武巖纖維及其混制品理論體系。

(2)加強(qiáng)應(yīng)用研究

結(jié)合鐵道軌道工程的受力特點(diǎn)和服役環(huán)境，開展玄武巖纖維及其混制品的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法研究，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確保玄武巖纖維及其制品滿足鐵路軌道工程的應(yīng)用要求。

(3)加快標(biāo)準(zhǔn)體系建立

產(chǎn)品的應(yīng)用必須有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)，因此應(yīng)結(jié)合鐵路軌道工程的特點(diǎn)，盡快建立適用于鐵路軌道工程的玄武巖纖維及其混制品標(biāo)準(zhǔn)體系，從而指導(dǎo)玄武巖纖維及其制品的應(yīng)用。