玄武岩纤维轨枕的性能与研制

杨堃

我国是一个人口众多、地域辽阔、资源分布不均的大国。随着经济的不断向前发展，大量资源和人员需要长途调运。在5大运输方式中，铁路运输脱颖而出，成为最受欢迎的承载方式。为了更好地把全国各省，以最快最安全的方式连接起来，铁路建设面临着更高的要求。轨枕作为铁路行车的重要组成部分，是铁路建设的关键。在传统的木枕到现在的混凝土轨枕和钢枕的基础上，一种新型轨枕——玄武岩纤维轨枕已处于研发阶段。玄武岩纤维轨枕具有质量轻、成本低、环保等优点，是铁路轨枕建设发展新方向[1]。

一、玄武岩纤维

1.玄武岩纤维历史

玄武岩纤维早在1922年被一个叫Paul法国人申请了美国专利，但没有实际生产，成为当时纤维界的遗憾。20世纪70年代，这个想法被前苏联的科研机构落实，研制出玄武岩连续纤维。1985年，在乌克兰一个生产基地，应用200孔漏板的拉丝工艺，实现了年产量260t的工业化生产，成为当时科学的奇迹。随着生产技术的公开，玄武岩纤维产品从最初的军工和航天领域到民用领域。现在，俄罗斯、乌克兰、美国和中国等国对玄武岩纤维生产技术已经完全掌握[2]。

我国很早就对玄武岩纤维有所了解，但对其研究不是很深，直到21世纪，我国相关专家才开始重视，同时国家也很关注并给予资助。2002年9月，科技部将“玄武岩连续纤维及其复合材料”项目列入国家“863”计划，并通过技术引进，消化吸收再创新，取得了自主知识产权，完成了工业化生产实验[3]。

2.玄武岩纤维的生产和性能

玄武岩连续纤维通过玄武岩熔融形成，制备方法简单、生产成本相对降低。在加工过程中，主要采用高温熔融、漫流引丝。由于该方法几乎不用水，也几乎无空气污染，本身无化学挥发物，因此它是一种环境友好的纤维制备方法。玄武岩的主要成分为二氧化硅（SiO2）（约占42%～55%）、氧化铝（Al2O3）、氧化亚铁（FeO）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）等，与土壤的成分相似，所以玄武岩连续纤维在自然环境中可容易地全部降解为土壤母质。作为21世纪新型环保纤维，被广泛的应用在各个领域[4]。

玄武岩纤维具有良好的拉伸强度及增强效应、高耐腐蚀性和化学稳定性、良好的绝缘性能、耐高温和低温热稳定性、高弹性模量以及隔热、隔音等性能。玄武岩纤维具备各种性能优点，还有一个好处是它的价格远远低于碳纤维，是性价比极好的材料。

若从单一的纤维力学性能和化学性能比较，似乎都能找到比玄武岩连续纤维更强的高性能纤维，然而，将多种性能综合比较，玄武岩连续纤维是性价比最好的纤维。玄武岩纤维既耐酸又耐碱，既耐低温又耐高温，拉伸强度大，玄武岩纤维具有三维的分子维数，与分子维数一维的线性聚合物纤维相比，具有较高的抗压缩强度、剪切强度和抗老化性[5]。

二、传统轨枕与玄武岩纤维轨枕的性能分析

1.木枕

木枕是目前中国使用最多、最普遍的一种，是人类最早通过智慧发明使用的材料之一。木枕具有良好的弹性、形状简单、绝缘性、受周围介质的温度变化影响小、加工方便、质量轻、能保持钢轨处于正常位置和稳定状态、铺设更换方便等优点。但是，由于取材的原因，木枕的弹性、强度和耐久不够均匀，会加大轮轨动力作用，容易受到机械损坏，而且易腐朽、不耐火、使用寿命短、价格贵。

2.钢筋混凝土轨枕

我国大量应用钢筋混凝土轨枕，是基于混凝土轨枕比木枕具有不可比拟的优越性[6]。钢筋混凝土轨枕寿命更长，稳定性更高，高的强度，道床横向阻力大，损伤率和报废率小，不受气候、腐蚀的影响，养护工作量小。但是，它本身质量大，造成道床承受的更大的压力和震动，造成道渣粉化更快，进而容易引起轨道下沉。冬季有冻胀的地段，易把轨枕变形。绝缘性差，不便于维修更换。

3.钢枕

钢枕已经有近50年的历史了，由于第2次世界大战的爆发及大小战争，加剧了钢铁的消耗，价格倍增，钢枕的发展才停滞下来。钢枕兼备了木枕和钢筋混凝土轨枕的优点。能承受频繁的振动和冲击，维修工作量不大。但是，钢枕造价高、维修费用高、绝缘性差，容易被各种带腐蚀的介质侵蚀，产生的噪音很大。

4.玄武岩纤维轨枕

玄武岩纤维轨枕是一种无污染、无公害的绿色环保产品[7]。它具有耐酸耐碱性、抗紫外线、良好的绝缘性、吸音系数高、防辐射、优异的力学性能、良好的弹性[8]。但是，它现在还属于实验阶段，没有大量用在铁路上，原因是成本比较高＼市场用量小。

通过对以上4种轨枕的优缺点的分析对比可知，玄武岩纤维轨枕的优越性能，能很好地弥补现在市场上那几种轨枕的不足。玄武岩纤维轨枕的质量要比钢筋混凝土轨枕和钢枕的轻，比木枕的稍重，便于更好的修换。通过表1可以得出：玄武岩纤维轨枕做电绝缘的效率高、绝缘性强；通过表2可以得出：玄武巖纤维轨枕有优异的隔音、吸声性能，产生的噪音较小。玄武岩纤维的密度，决定了它比钢筋混凝土轨枕、钢枕轻，比木枕稍重，更换维修容易。特别是在酸碱性条件下和湿度较大的环境下，前面常用3种轨枕都不同程度上出现腐蚀，严重影响寿命。因此，把玄武岩纤维轨枕放在铁路上，必将有广阔的市场前景和经济效益。

三、玄武岩纤维轨枕的制造工艺流程

经纬纱采用玄武岩无捻粗纱，经纱线密度为400tex，纬纱线密度600tex。采用武汉定达慧科技有限公司生产的三维试样织机来织造，经纱循环为12，纬纱循环为72，穿筘3根/筘，经密5根/cm，纬密3.6根/cm。这样就可以做出轨枕的增强体玄武岩纤维三维织物。

如图1所示，Z向纱线为经纱，从筒子架上引出，穿过所需截面结构的目板，在静止综框上下侧形成X向或Y向梭口，同时引入X向和Y向2个纬纱，由引纬机构一根一根引入，由打紧机构打紧，最后由织物引离织造工作区域。

需要一个轨枕的模具，用来把织好的玄武岩纤维三维织物放在里面，在模具上面放柔性的真空袋薄膜，在真空状态下排除模具中的气体，把配好的树脂从表面进行渗透，并在室温下进行固化[9]。

四、三维纺织技术及织造过程中的问题

1.三维纺织技术

三维纺织作为复合材料的增强体，被广泛的应用在国民经济的众多领域。三维纺织技术是平面纺织技术的创新，是纺织工业的一种新活力。三维结构是由二维平面与厚度方向，在空间相互交织，形成整体和灵活的结构。

目前，通过三维纺织技术制造的复杂构件被很好应用在复合材料中去，有如下5个好处：

①三维结构具备抗冲击性、耐磨性、抗分层性、损伤容限、可靠性、断裂韧性等一系列良好的机械性能，这些性能使的三维结构整体性好。

②三维结构织物构造紧密、整体性强、纤维也不会因各个方向的压力而乱向，这样在复合成型的时候就可以采用多种成型工艺，选择最优的应用。

③三维织物中的纱线覆盖率高，经纬向尺寸大小正好、断裂强度高，纱线强力和弹性模量利用率高。

④三维机织能织造门幅比较宽的织物，机器结构简单，能实现大规模生产。但是多轴向经编织物及三维整体异型编织是达不到这些要求的。

⑤三维结构可以应用纺织CAD灵活设计，通过不同的织物组织结构，让截面形状多种多样。

2.织造过程中的问题

在织造过程中遇到的一些问题：如张力控制是织物成形良好的重要因素，玄武岩纤维具有高模量、伸长率低的特点，在织机梭口迅速张开综框上升时，有一段长度的经纱必须同时从织轴处拉出来。这样，在综平时间内就会有经纱张力过松的现象，经纱和织物均呈忽紧忽松现象而让织造无法继续。为此，将经轴端经纱通过改装的装置穿过，即将各根经纱在经轴处用橡皮条与一定质量的金属块扎在一起，绕过经轴悬于空中。这样，无论综框提起与落下，所有经纱均呈张力伸直状态。经纱依靠布轴的卷取而同步送出[10]。

玄武岩纤维发脆、耐磨性差，在打纬时速度不能太快，这样纤维容易断。有时会因为单根经纱张力不一致，导致开口不清晰，织物的平面高低不平，这时要占时停车，对经纱从新处理。

五、结语

玄武岩纤维轨枕的优点主要有相对质量轻、绝缘性强、吸声性能好、弹性强、稳定性好等。为了更好地适应我国铁路轨枕的发展动态，需开发研制轨枕新品种，尽量满足使用上的性能要求。应尽快让玄武岩纤维轨枕融入轨枕材料这个大家庭，为铁路建设快速发展做出重要贡献。

参考文献

[1] 肖生灵.我国铁路轨枕使用现状及轨枕材料发展趋势的研究[J].森林工程，2005（4）：15.

[2] 谢尔盖.玄武岩纤维材料的应用前景[J].纤维复合材料，2003（3）：18-19.

[3] Cerny M，Glogar P，Golias V.Comparisonof meehanieal ProPertiesands trueturalehanges of eontinuous basaltandglass fibersatele vatedtemperatures[J].Ceramies Silikaty，2007，51（2）：82-88.

[4] 石钱华.国外连续玄武岩纤维的发展及其应用[J].玻璃纤维，2003（4）：27-31.

[5] 闰全英，高春梅.玄武岩纤维制备的研究[J].新型建筑材料，2003，（11）：58-59.

[6] 盧祖文.铁路轨道结构及维修[M].北京：中国铁路出版社，2002.

[7] 刘嘉麒.绿色高新材料——玄武岩纤维具有广阔前景[J].科技导报，2009（9）：5.

[8] 梁磊，梁玉航，李谨.玄武岩纤维物化性能的研究[J].纤维技术与研究，2006（1）：15-19.

[9] 祝成炎，陈俊俊，朱俊萍，等.三维整体夹芯织物增强复合材料的研制[J].纺织学报.2007（1）：56-59.

[10] 黄故.蜂窝状三维织物的组织结构与织造工艺[J].天津纺织工学院学报.1995（2）：15-18.