玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕制備與性能測試

楊 堃

山西晉投玄武巖開發有限公司，山西 大同 037000

玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕制備與性能測試

楊 堃

山西晉投玄武巖開發有限公司，山西 大同 037000

介紹制造玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕的工藝流程，對其力學性能(包括拉伸強度、抗壓強度、剪切強度)及耐疲勞、耐熱性能進行測試和分析，并將其與木軌枕、鋼筋混凝土軌枕、鋼軌枕的特點做了簡單對比。

玄武巖纖維，碳纖維，混雜，復合軌枕，性能測試

目前，隨著環境的不斷惡化，綠色材料技術為全社會所倡導，綠色材料也作為可持續發展材料而應用在各個領域。為了保護人類健康，綠色環保材料逐漸替代傳統材料，并受到了廣泛關注和深入研究。現在，各行各業都把綠色環保材料作為焦點加以關注，使得綠色工程迅速發展。

為了滿足全球經濟的快速發展及新型材料更新換代的需要，木枕和鋼筋混凝土軌枕等傳統軌枕已經淡出研究范圍，一些研究者正在開發和使用新型材料軌枕，并在鐵路方面取得了很大的成就。

為適應高速、重載運輸發展的要求，其解決方法是從軌枕材料的升級換代出發，因此復合軌枕的應用成為鐵路運輸的發展趨勢[1]。未來理想復合軌枕應具備的性能要求見表1。簡而言之，復合軌枕的彈性似木枕、勁性似鋼筋混凝土軌枕，在使用中物理性能基本無變化，且使用壽命長、穩定性好。

表1 未來理想復合軌枕的性能要求

玄武巖是由火山噴發時噴出的巖漿冷卻后凝固所形成的巖石，主要由二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉等氧化物構成。玄武巖纖維是由純天然玄武巖石料在高溫熔融后，再通過鉑銠合金拉絲漏板，經高速拉伸而制得，被稱為21世紀綠色環保的高性能纖維。玄武巖纖維具有化學穩定性、抗紫外線、不易老化、透波性、無毒、不燃燒、耐高溫、熱穩定性、耐腐蝕、電絕緣和隔聲等優異性能[2]。玄武巖纖維的生產過程中不產生廢棄物和有害氣體，對環境幾乎沒有不良影響，而且它能與土壤很好地結合，成為可再生資源。

碳纖維由片狀石墨堆砌而成，其碳元素質量分數在95%以上。碳纖維以外柔內剛而被認可，它具有質量輕、強度高、模量高、X射線透過性好、耐腐蝕、耐疲勞、導電、導熱等特點。但是碳纖維能被強氧化劑氧化，其復合材料與鋁合金組合應用時會產生金屬炭化、滲碳及電化學腐蝕現象[3]。

將不同種類的纖維混合，可以實現優勢互補，達到揚長避短的目的。因此，本文將玄武巖纖維與碳纖維按1∶1的體積比進行混雜，制成復合軌枕，同時制備了純玄武巖纖維軌枕和純碳纖維軌枕，然后對3種軌枕的力學性能、耐疲勞性能和熱學性能進行測試。

1 玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕制備

1.1 原料選擇

1.2 織造

采用武漢定達慧科技有限公司生產的三維試樣織機(圖1)織造軌枕的增強體，其基礎組織參數：經紗循環12根、緯紗循環72根，筘齒穿入數3根/筘，經密5根/cm、緯密3.6根/cm。根據正交空心結構，采用平紋組織，織成玄武巖/碳纖維混雜三維織物，其尺寸為2 600 mm×220 mm×160 mm，密度為1.8 g/cm3。

圖1 三維試樣織機結構簡圖

如圖1所示，Z向紗線為經紗，從筒子架上引出，穿過目板，在柵片的上下側形成X向或Y向梭口，同時引入X向和Y向兩個系統的緯紗，由引緯機構一根一根地引入，并由打緊機構打緊，最后通過織物引離裝置將織物引出織造工作區域。

1.3 真空輔助成型

首先把織好的玄武巖/碳纖維混雜三維織物放在一個模具里，并在模具上面覆以柔性的真空袋薄膜；然后在真空狀態下排除模具內的空氣，再用配制好的環氧樹脂充分、均勻地從模具的下表面向其上表面進行滲透；接下來在熱壓縮機上進行加熱加壓[4]，控制熱壓溫度和壓力，熱壓完畢；待冷卻至室溫時進行卸模，將毛邊清理掉即獲得最終產品——玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕。

2 性能測試

分別制備了玄武巖纖維軌枕、碳纖維軌枕、玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕3種軌枕，并對其性能進行測試。

2.1 力學性能

根據GB/T 3354—2014《定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》、HB/T 5485—1991《碳纖維增強樹脂基復合材料壓縮性能試驗方法》和 GB 3357—1982《單向纖維增強塑料層間剪切強度試驗方法》，分別對3種軌枕的拉伸強度、抗壓強度和剪切強度進行測試，結果見表2。

表2 3種軌枕的力學性能測試結果

由表2可以看出，在玄武巖纖維中混入能提高增強體的斷裂延伸率的碳纖維，使得玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕的拉伸強度增加。但碳纖維的浸潤性差，這限制了玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕的抗壓強度的提升。玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕的抗壓強度介于玄武巖纖維軌枕與碳纖維軌枕之間。軌枕的剪切強度主要取決于基體和界面的性能，導致玄武

巖/碳纖維混雜復合軌枕的剪切強度下降的原因，可能是環氧樹脂的浸潤性不佳或界面脫黏。

2.2 耐疲勞性能

根據GB/T 16779—2880《纖維增強塑料層合板 拉-拉疲勞性能試驗方法》對3種軌枕的耐疲勞性能進行測試，結果見表3。

表3 3種軌枕的應變與抗拉強度保留率

由表3可以看出，隨著應變的增加，三種軌枕的抗拉強度保留率均下降。其中玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕的抗拉強度的下降幅度很小，其原因可能是增強體和基體的界面能夠有效地阻止裂紋擴展。對大多數材料而言，其疲勞極限是其抗拉強度的70%～80%。

2.3 熱性能

根據GJB 1201.1—1991《固體材料高溫熱擴散率試驗方法 激光脈沖法》對三種軌枕的熱性能進行測試，結果見表4。

表4 三種軌枕的熱性能測試結果

由表4可以看出，玄武巖纖維軌枕是良好的絕熱材料，而碳纖維軌枕是理想的熱導體。熱能在基體與玄武巖纖維束絲的復合體系中傳遞最慢，在基體與碳纖維束絲的復合體系中傳遞最快。

3 幾種軌枕的現狀與特點

目前，玄武巖纖維無捻粗紗的國內市場價約為25元/kg，碳纖維無捻粗紗約為200元/kg。將玄武巖纖維和碳纖維混雜制備復合軌枕，可以使得軌枕的制造成本有較大程度的降低，提高了經濟效益，軌枕的強度也有所提高、延性相應變大。但是，它現在尚處于試驗研究階段，還沒有大量用在鐵路上。

木軌枕是目前國內使用最多、最普遍的一種軌枕。1根木軌枕的價格為230～270元。木軌枕具有彈性良好、形狀簡單、絕緣性受周圍介質的溫度變化的影響小、加工方便、質量輕、能保持鋼軌處于正常位置和穩定狀態、鋪設和更換方便等優點。但是，木枕的強度低、耐久性差、軌道幾何形位不易有效保持等，會讓輪軌的動力加大，容易受到機械損壞，易腐朽，不耐火，使用壽命短。

我國大量應用鋼筋混凝土軌枕，是基于其比木軌枕具有不可比擬的優越性[5]。1根鋼筋混凝土軌枕的價格約為95～112元。鋼筋混凝土軌枕的使用壽命長，穩定性和強度高，道床橫向阻力大，損傷率和報廢率低，不受氣候影響，不腐蝕，養護工作量小。但是，此類軌枕的自身質量大，導致道床承受的壓力和震動大，道渣粉化速度快，進而易引起軌道下沉；冬季有凍脹的地段，軌枕易變形，絕緣性差，不便于維修更換。

鋼軌枕已經有近50年的歷史。由于第二次世界大戰等戰爭的爆發，鋼鐵的消耗量加劇，其價格倍增，使得鋼軌枕的發展停滯下來。鋼軌枕兼具木軌枕和鋼筋混凝土軌枕的優點，能承受頻繁的震動和沖擊，維修工作量不大。但是，鋼軌枕的造價和維修費用高，絕緣性差，容易被各種帶腐蝕性的介質侵蝕，使用中產生的噪聲很大。

4 結語

(1) 闡述了玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕的制備工藝，可為今后復合軌枕的研究提供參考依據。

(2) 測試了玄武巖纖維軌枕、碳纖維軌枕和玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕的力學性能、耐疲勞性能、熱性能，結果表明玄武巖纖維與碳纖維按1∶1的體積比混雜，可以增強軌枕的力學性能和耐疲勞性能，并合理改善軌枕的絕熱性能，從而減少能量損失。

(3)軌枕是鐵路運輸中不可缺少的一部分。木軌枕的原材料資源缺乏，鋼筋混凝土軌枕易變形且維修成本高，兩者都將被淘汰。玄武巖/碳纖維混雜復合軌枕符合環保、節能減排政策，能適應國家交通體系發展，是鐵路特殊區段軌枕的發展方向。

[1] 肖生苓,陳玉霄.鐵路軌枕復合材料結構設計[J].森林工程,2006,22(5): 48-50.

[2] 徐磊.新型的高性能纖維——玄武巖纖維的應用[J].新紡織,2005(9-10): 15-17.

[3] 劉陽, 谷亞新, 孫小魏. 碳纖維復合材料應用進展[J].21世紀建筑材料居業，2011(5): 76-78.

[4] 祝成炎,陳俊俊,朱俊萍，等.三維整體夾芯織物增強復合材料的研制[J].紡織學報, 2007, 28(1): 56-59.

[5] 盧祖文.鐵路軌道結構及維修[M].北京:中國鐵路出版社,2002: 6-10.

Preparation and performance test of basalt/carbon fibers hybrid composite sleepers

YangKun

Shanxi ECIC Basalt Development Co., Ltd., Datong 037000, China

The manufacture process of basalt/carbon fibers hybrid composite sleepers was described. The mechanic properties including tensile strength, compressive strength, shear strength, as well as fatigue and thermal properties of the basalt/carbon fibers hybrid composite sleepers were investigated. It’s characteristic was compared with that of wood sleepers, reinforced concrete sleepers and steel sleepers.

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2016-04-26

楊堃，男，1984年生，工程師，從事玄武巖纖維的織造及其制品的研發與應用工作

文獻標志碼：A 文章編號：1004-7093(2016)12-0027-04