复合轨枕存在问题及解决方法

庞玲， 宋佳宁， 井国庆

（1. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031；2. 中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600；3. 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

1 概述

有砟轨道结构中，轨枕是重要的组成部件。轨枕主要功能为：固定和保持轨距，承受并传递压力，保持轨道的稳定性。传统轨枕材料主要有木材、钢材和混凝土性能存在一定的缺陷，并且生产使用中或报废后存在一些环境污染问题。因此，需要研究开发能更好代替传统轨枕的新材料轨枕。随着材料科学不断发展，逐渐出现了以玻璃纤维、聚氨酯、橡塑、橡胶、树脂等复合材料为原料制成的轨枕。相比于传统轨枕，复合轨枕的总体特性如下［1］：（1）用途范围广、适应性强，可适用于普速铁路、重载铁路、市郊铁路及城市轨道交通等；（2）设计和应用灵活，结构形式多样；（3）对道钉抗拔力较高，不易发生开裂，方便扣件设计和安装；（4）同木枕一样，可开槽、切槽、打孔、修补，为木枕最佳替代品；（5）质量较混凝土轨枕轻，运输、施工方便，可根据现场情况灵活加工；（6）绝缘性好、耐高低温，适用于潮湿、风沙等恶劣复杂环境，且不受白蚁、霉菌等生物侵蚀；（7）弹性好，降低道床应力，可减振降噪；（8）耐用性好和可维修性强，全寿命成本低；（9）材料可循环利用，绿色环保，环境友好。

然而限于材料、生产工艺水平等，复合轨枕也存在许多亟待解决问题。对复合轨枕面临的主要问题进行分析，并对解决方法进行探讨，为复合轨枕产品进一步优化设计提供参考。

2 存在问题

2.1 性能指标不足

复合轨枕研发的初衷是为研究木枕替代品，满足木枕代替材料需求。虽然市场需求旺盛，但复合轨枕仍未大规模应用的主要原因是：复合轨枕性能某些方面表现并不理想。美国铁路工程和维修协会手册（AREMA）［2］对复合轨枕制定了最低性能，并认为若复合轨枕能达到这些指标，则其在服役过程中发生破坏的概率较小。然而，在施工过程中，某些施工工艺可能对复合轨枕造成破坏。有报道称，当用复合轨枕替换木枕后，很难保证轨道安全性，因为在施工时，特别是在后期承受较大的列车荷载时，复合轨枕有可能发生断裂［3］。也有报告称，一些复合轨枕经过几年的使用，发生了破坏［4］。某复合轨枕生产厂商也曾因为质量控制问题而被客户拒绝使用。

2.2 长期蠕变

对于低纤维含量复合轨枕，长期荷载的作用对其机械性能有显著影响，因此这类轨枕的长期性能是关键问题。据报道，在长期荷载作用下，复合轨枕可能因蠕变而产生永久变形，其变形程度取决于列车荷载的大小、持续时间以及温度的变化情况［3，5］。由于蠕变和随后的应力松弛影响，扣件系统可能会发生松动，尤其在曲线地段，对轨距保持有不利影响［5］。相比于木枕，复合轨枕的轨距保持能力较差，我国在《中国铁路总公司运输局关于印发〈TieTek复合材料轨枕技术审核会审查意见〉的通知》中明确提出：对复合轨枕进行长期使用状态观测，密切注意其轨道几何状态的变化。虽然轨枕制造商对复合轨枕的预期寿命为50年，但上述蠕变和应力松弛的影响均会造成其寿命折减。然而，目前关于高纤维含量复合轨枕蠕变的数据资料较为匮乏，因此需进行更多的研究以探究在永久载荷下的力学性能。

2.3 横向阻力低

道床对轨枕的横向阻力在轨道的横向稳定性中起着至关重要的作用，轨道横向稳定性也就是轨枕抵抗垂直于钢轨方向位移的能力。当有列车通过或当温度变化引起钢轨膨胀时，轨枕会受到横向作用力，尤其在曲线段作用力更为明显；而轨枕和道床之间的摩擦力与道床砟肩阻力不足以抵抗横向作用力时，整个轨道系统失稳。复合轨枕质量较轻，道床横向阻力不足是其面临的一个重要问题。美国运输技术中心（TTCI）分别对新铺设的和服役一段时间后的复合轨枕及木枕进行了横向阻力试验，结果表明：新铺设的复合轨枕和木枕道床横向阻力比较接近，复合轨枕道床横向阻力为4.45 kN，但承担一定的货运荷载（133 亿～180 亿t）后，木枕道床横向阻力有明显提高（11.1～13.3 kN），而复合轨枕没有明显变化。这是由于经过一定的货运量后，道砟嵌入到木枕中，增加了道床阻力，而复合轨枕硬度大，道砟和光滑的轨枕表面无法较好咬合。玻纤增强聚氨酯（FFU）合成轨枕在广州地铁4 号线使用之初，也出现了道床阻力较小，在道床条件不好的地段轨道稳定性不足的问题。

2.4 价格高昂

对于大多数复合轨枕来说，高昂的价格是其无法得到广泛应用的重要原因之一。回收技术国际公司（RTI）表示，每生产1根复合轨枕的成本在85～105美元，而在不包括安装费用情况下，每根复合轨枕售价在70～200美元不等［6］。Van Erp 和Mckay指出高纤维含量复合轨枕价格大约为标准木枕价格的5～10 倍［7］。然而，复合轨枕全寿命成本有望到达甚至优于传统轨枕。

2.5 遇火燃烧

铁路施工时对钢轨相邻接头进行铝热焊易引燃轨枕，而轨枕燃烧会释放有毒物质。因此铁路轨枕应具有足够的耐火性，且燃烧时有毒物质的残留不应超过相关标准规定。通常木枕是可燃的，而一些复合轨枕是易燃的，一些不支持燃烧，这主要是由其原料配方决定的（如TieTek 复合轨枕易燃性较高）。虽然有报道称FFU 合成轨枕具有耐火性［8］，但对其他类型复合轨枕耐火性能的研究较为匮乏。

3 解决方法

3.1 材料优化

复合轨枕的材料一般由基体材料、增强材料和填充材料组成。基体的主要作用是将增强材料粘合为一个整体并使其位置固定，均匀传递荷载。常用的基体材料有树脂、无机非金属、金属等。树脂基复合轨枕是目前发展最好、最为常见的复合轨枕。增强材料作为主要受力组分，决定着复合轨枕整体的弯曲强度、拉伸强度等主要力学特性。复合轨枕中增强材料的选择十分多样，如玻璃纤维、木质剩余物、碳纤维、玄武岩纤维等，其中玻璃纤维使用效果最好、应用最多。填充材料在复合轨枕中的主要作用是降低基体的成本。在很多情况下，填充材料兼具增强作用，因此填充材料和增强材料难以严格区分。复合轨枕的填充材料种类繁多，有铜、铁、铝、锡等金属单质，有二氧化硫、氧化镁等氧化物或含此类成分的矿物，有硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐等盐类，还有煤粉、木屑、动物角质等有机物。

复合轨枕材料中的每个单一组分都对复合轨枕整体性能有着重要影响。而有别于传统的单一材料，复合材料的一个重要特征是材料的可设计性，不同组分、不同配比的复合材料轨枕性能有很大的差别。因此，可根据组分和配比的优化设计来保证原组分材料除保持其固有的良好特性外，还能扬长避短，产生复合效应，使复合轨枕整体产生新的优异性能，最大限度发挥复合轨枕优势。Bayer 等［9］选用HDPE 与LDPE 为基体树脂，石膏为填充物制成复合轨枕，对材料配比进行了研究。肖生苓等［10］对复合轨枕材料组分特性及对整体性能影响进行了研究分析。

综上，复合轨枕材料的优化研究是解决复合轨枕性能缺陷的重要手段。此外，通过对材料组分及配比的研究，在保证复合轨枕性能指标良好的同时，可追求更高的经济效益及环境效益。

3.2 结构优化

高纤维含量的复合轨枕造价比标准木枕高出5～10倍，是阻碍其在铁路行业广泛应用的主要障碍之一。优化复合轨枕结构尺寸，避免材料浪费，是降低复合轨枕成本的有效手段。Awad 等［11］提出基于材料试验、有限元分析、设计规范标准等手段的纤维复合材料结构优化方法，该方法有助于在最佳成本内实现所需的结构性能。Yasmeen 等［12］利用有限元法对比研究了“Y”形复合轨枕和混凝轨枕的强度及刚度。结果表明，采用“Y”形复合轨枕比混凝土轨枕更为有效。

在轨枕的优化设计中，复合轨枕的应力分布可以作为指导结构优化的指标。由于车轮荷载在钢轨-轨枕接触面处通常以45°角向轨枕传递，所以该区域是轨枕强度设计最关键的部分，而轨枕的其他部分则不需要相同强度。由于在复合轨枕生产成本中材料成本占比较大，通过减小特定区域轨枕截面高度进行轨枕的结构尺寸优化设计，有助于压缩成本。Ferdous 等［13］基于有限元分析对复合轨枕进行了优化设计，优化后外形见图1。研究结果表明：优化后复合轨枕体积比原长条形轨枕减少近1/3，优化后复合轨枕在低刚度地基和高刚度地基有砟道床上的性能表现均与木枕相似，并且优化后复合轨枕的竖向挠曲、弯曲应力以及轨枕-道砟接触力均低于轨枕的允许极限。

图1 复合轨枕结构优化设计后外形［13］

复合轨枕的应力分布不仅可指导轨枕结构尺寸优化，同样可指导其内部纤维的优化布置。利用有限元模拟或用直观的方法确定高应力水平位置，在该部位增加纤维的用量，而在应力水平较低的部位减少纤维用量或不使用纤维。纤维在复合轨枕中的有效分布，不仅可满足复合轨枕强度及适用性要求，还可降低成本。

对复合轨枕材料内部结构进行优化设计（如层套式结构、夹层结构等）也是提高复合轨枕整体性能的重要方法，如在结构构件中使用夹层结构使其具有较高的抗弯刚度。澳大利亚南昆士兰大学对胶合纤维夹层结构复合轨枕展开了研究，测试其抗弯刚度及抗剪强度。结果表明：采用夹层结构的复合材料轨枕可以满足轨枕的性能要求［14］。

复合轨枕结构优化同时也是提高复合轨枕道床横向阻力的重要方法。可参考混凝土轨枕已有研究，对复合轨枕特定部位进行加宽处理或进行某些异形设计可增大复合轨枕横向阻力。AREMA 建议在复合轨枕底部和两侧设置表面纹理，并指出基于包括TTCI 在内的多个实验室进行的横向阻力试验表明，没有表面纹理的复合轨枕道床横向阻力最高仅为8.9 kN，而有表面纹理的复合轨枕道床横向阻力可达17.8 kN或更高［2］。

3.3 完善标准

目前，尽管AREMA［2］、日本标准JIS E1203—2007［15］以及中国标准CJ/T 399—2012［16］中均对其材料的性能及设计作出了一些规定，但是世界范围内针对复合轨枕仍缺乏详细的设计标准。同时，由于复合材料各向异性等特点，并要考虑轨枕形状和尺寸，设计难度较大。目前，大部分复合轨枕的设计者依靠于工程经验进行初步设计生产，再开展试验分析，进行优化设计，缺乏统一设计标准和设计方法。因此，需要深入研究复合轨枕设计方法，开展一系列理论分析、室内及现场试验工作来确定相关控制参数，制定不同运营条件下复合轨枕规范。

4 结论

复合轨枕作为一种新型轨枕，具有一系列优点，但也存在一系列问题和挑战，限制其广泛应用。对复合轨枕目前面临的主要问题进行梳理，并从材料优化、结构优化、设计标准等方面探讨解决方法。

复合轨枕的技术发展和推广运用可从材料、配比及结构等源头上提出行之有效的方法。首先，选用性能优的原组分材料并优化不同材料的复合配比，使其材料复合效应到达最优化，从而提高复合轨枕性能；其次，通过有限元法研究分析轨枕的受力特性和应力分布，有针对性地对复合轨枕结构进行优化，以减少轨枕的复合材料用量和提高道床横向阻力，从而实现生产成本的降低；最后，通过不同材料、不同配比和不同结构的复合轨枕进行试验研究和对比分析，选出性能优、结构好的复合轨枕，并对其设计和制造进行标准化、规范化，以提高复合轨枕质量的稳定性和经济性。