玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕制备与性能测试

杨 堃

山西晋投玄武岩开发有限公司，山西 大同 037000

玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕制备与性能测试

杨 堃

山西晋投玄武岩开发有限公司，山西 大同 037000

介绍制造玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕的工艺流程，对其力学性能(包括拉伸强度、抗压强度、剪切强度)及耐疲劳、耐热性能进行测试和分析，并将其与木轨枕、钢筋混凝土轨枕、钢轨枕的特点做了简单对比。

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目前，随着环境的不断恶化，绿色材料技术为全社会所倡导，绿色材料也作为可持续发展材料而应用在各个领域。为了保护人类健康，绿色环保材料逐渐替代传统材料，并受到了广泛关注和深入研究。现在，各行各业都把绿色环保材料作为焦点加以关注，使得绿色工程迅速发展。

为了满足全球经济的快速发展及新型材料更新换代的需要，木枕和钢筋混凝土轨枕等传统轨枕已经淡出研究范围，一些研究者正在开发和使用新型材料轨枕，并在铁路方面取得了很大的成就。

为适应高速、重载运输发展的要求，其解决方法是从轨枕材料的升级换代出发，因此复合轨枕的应用成为铁路运输的发展趋势[1]。未来理想复合轨枕应具备的性能要求见表1。简而言之，复合轨枕的弹性似木枕、劲性似钢筋混凝土轨枕，在使用中物理性能基本无变化，且使用寿命长、稳定性好。

表1 未来理想复合轨枕的性能要求

玄武岩是由火山喷发时喷出的岩浆冷却后凝固所形成的岩石，主要由二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠等氧化物构成。玄武岩纤维是由纯天然玄武岩石料在高温熔融后，再通过铂铑合金拉丝漏板，经高速拉伸而制得，被称为21世纪绿色环保的高性能纤维。玄武岩纤维具有化学稳定性、抗紫外线、不易老化、透波性、无毒、不燃烧、耐高温、热稳定性、耐腐蚀、电绝缘和隔声等优异性能[2]。玄武岩纤维的生产过程中不产生废弃物和有害气体，对环境几乎没有不良影响，而且它能与土壤很好地结合，成为可再生资源。

碳纤维由片状石墨堆砌而成，其碳元素质量分数在95%以上。碳纤维以外柔内刚而被认可，它具有质量轻、强度高、模量高、X射线透过性好、耐腐蚀、耐疲劳、导电、导热等特点。但是碳纤维能被强氧化剂氧化，其复合材料与铝合金组合应用时会产生金属炭化、渗碳及电化学腐蚀现象[3]。

将不同种类的纤维混合，可以实现优势互补，达到扬长避短的目的。因此，本文将玄武岩纤维与碳纤维按1∶1的体积比进行混杂，制成复合轨枕，同时制备了纯玄武岩纤维轨枕和纯碳纤维轨枕，然后对3种轨枕的力学性能、耐疲劳性能和热学性能进行测试。

1 玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕制备

1.1 原料选择

1.2 织造

采用武汉定达慧科技有限公司生产的三维试样织机(图1)织造轨枕的增强体，其基础组织参数：经纱循环12根、纬纱循环72根，筘齿穿入数3根/筘，经密5根/cm、纬密3.6根/cm。根据正交空心结构，采用平纹组织，织成玄武岩/碳纤维混杂三维织物，其尺寸为2 600 mm×220 mm×160 mm，密度为1.8 g/cm3。

图1 三维试样织机结构简图

如图1所示，Z向纱线为经纱，从筒子架上引出，穿过目板，在栅片的上下侧形成X向或Y向梭口，同时引入X向和Y向两个系统的纬纱，由引纬机构一根一根地引入，并由打紧机构打紧，最后通过织物引离装置将织物引出织造工作区域。

1.3 真空辅助成型

首先把织好的玄武岩/碳纤维混杂三维织物放在一个模具里，并在模具上面覆以柔性的真空袋薄膜；然后在真空状态下排除模具内的空气，再用配制好的环氧树脂充分、均匀地从模具的下表面向其上表面进行渗透；接下来在热压缩机上进行加热加压[4]，控制热压温度和压力，热压完毕；待冷却至室温时进行卸模，将毛边清理掉即获得最终产品——玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕。

2 性能测试

分别制备了玄武岩纤维轨枕、碳纤维轨枕、玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕3种轨枕，并对其性能进行测试。

2.1 力学性能

根据GB/T 3354—2014《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》、HB/T 5485—1991《碳纤维增强树脂基复合材料压缩性能试验方法》和 GB 3357—1982《单向纤维增强塑料层间剪切强度试验方法》，分别对3种轨枕的拉伸强度、抗压强度和剪切强度进行测试，结果见表2。

表2 3种轨枕的力学性能测试结果

由表2可以看出，在玄武岩纤维中混入能提高增强体的断裂延伸率的碳纤维，使得玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕的拉伸强度增加。但碳纤维的浸润性差，这限制了玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕的抗压强度的提升。玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕的抗压强度介于玄武岩纤维轨枕与碳纤维轨枕之间。轨枕的剪切强度主要取决于基体和界面的性能，导致玄武

岩/碳纤维混杂复合轨枕的剪切强度下降的原因，可能是环氧树脂的浸润性不佳或界面脱黏。

2.2 耐疲劳性能

根据GB/T 16779—2880《纤维增强塑料层合板 拉-拉疲劳性能试验方法》对3种轨枕的耐疲劳性能进行测试，结果见表3。

表3 3种轨枕的应变与抗拉强度保留率

由表3可以看出，随着应变的增加，三种轨枕的抗拉强度保留率均下降。其中玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕的抗拉强度的下降幅度很小，其原因可能是增强体和基体的界面能够有效地阻止裂纹扩展。对大多数材料而言，其疲劳极限是其抗拉强度的70%～80%。

2.3 热性能

根据GJB 1201.1—1991《固体材料高温热扩散率试验方法 激光脉冲法》对三种轨枕的热性能进行测试，结果见表4。

表4 三种轨枕的热性能测试结果

由表4可以看出，玄武岩纤维轨枕是良好的绝热材料，而碳纤维轨枕是理想的热导体。热能在基体与玄武岩纤维束丝的复合体系中传递最慢，在基体与碳纤维束丝的复合体系中传递最快。

3 几种轨枕的现状与特点

目前，玄武岩纤维无捻粗纱的国内市场价约为25元/kg，碳纤维无捻粗纱约为200元/kg。将玄武岩纤维和碳纤维混杂制备复合轨枕，可以使得轨枕的制造成本有较大程度的降低，提高了经济效益，轨枕的强度也有所提高、延性相应变大。但是，它现在尚处于试验研究阶段，还没有大量用在铁路上。

木轨枕是目前国内使用最多、最普遍的一种轨枕。1根木轨枕的价格为230～270元。木轨枕具有弹性良好、形状简单、绝缘性受周围介质的温度变化的影响小、加工方便、质量轻、能保持钢轨处于正常位置和稳定状态、铺设和更换方便等优点。但是，木枕的强度低、耐久性差、轨道几何形位不易有效保持等，会让轮轨的动力加大，容易受到机械损坏，易腐朽，不耐火，使用寿命短。

我国大量应用钢筋混凝土轨枕，是基于其比木轨枕具有不可比拟的优越性[5]。1根钢筋混凝土轨枕的价格约为95～112元。钢筋混凝土轨枕的使用寿命长，稳定性和强度高，道床横向阻力大，损伤率和报废率低，不受气候影响，不腐蚀，养护工作量小。但是，此类轨枕的自身质量大，导致道床承受的压力和震动大，道渣粉化速度快，进而易引起轨道下沉；冬季有冻胀的地段，轨枕易变形，绝缘性差，不便于维修更换。

钢轨枕已经有近50年的历史。由于第二次世界大战等战争的爆发，钢铁的消耗量加剧，其价格倍增，使得钢轨枕的发展停滞下来。钢轨枕兼具木轨枕和钢筋混凝土轨枕的优点，能承受频繁的震动和冲击，维修工作量不大。但是，钢轨枕的造价和维修费用高，绝缘性差，容易被各种带腐蚀性的介质侵蚀，使用中产生的噪声很大。

4 结语

(1) 阐述了玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕的制备工艺，可为今后复合轨枕的研究提供参考依据。

(2) 测试了玄武岩纤维轨枕、碳纤维轨枕和玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕的力学性能、耐疲劳性能、热性能，结果表明玄武岩纤维与碳纤维按1∶1的体积比混杂，可以增强轨枕的力学性能和耐疲劳性能，并合理改善轨枕的绝热性能，从而减少能量损失。

(3)轨枕是铁路运输中不可缺少的一部分。木轨枕的原材料资源缺乏，钢筋混凝土轨枕易变形且维修成本高，两者都将被淘汰。玄武岩/碳纤维混杂复合轨枕符合环保、节能减排政策，能适应国家交通体系发展，是铁路特殊区段轨枕的发展方向。

[1] 肖生苓,陈玉霄.铁路轨枕复合材料结构设计[J].森林工程,2006,22(5): 48-50.

[2] 徐磊.新型的高性能纤维——玄武岩纤维的应用[J].新纺织,2005(9-10): 15-17.

[3] 刘阳, 谷亚新, 孙小魏. 碳纤维复合材料应用进展[J].21世纪建筑材料居业，2011(5): 76-78.

[4] 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, 28(1): 56-59.

[5] 卢祖文.铁路轨道结构及维修[M].北京:中国铁路出版社,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

杨堃，男，1984年生，工程师，从事玄武岩纤维的织造及其制品的研发与应用工作

文献标志码：A 文章编号：1004-7093(2016)12-0027-04