玄武岩纤维在铁路轨道工程中的应用与发展趋势

2021-09-06曾永平蔡文锋杨吉忠

高速铁路技术 2021年4期

徐浩曾永平蔡文锋杨吉忠

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 玄武岩纤维的应用情况

玄武岩是一种基性喷出岩，体积密度为2.8～3.3 g/cm3，抗压强度可达300 MPa。玄武岩的化学组成一般为SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O等及少量杂质，其中SiO2的含量最高，一般含量在45%～52%之间。以格鲁吉亚玄武岩为例，其化学组成如表1所示。

表1 格鲁吉亚玄武岩化学组成表

玄武岩纤维是以天然玄武岩为原材料，经过高温熔融后拉制而成的纤维[1-2]，其物理、力学性能如表2所示。作为一种新型的纤维材料，玄武岩纤维具有绿色环保、力学性能优良、复合能力强、化学稳定性好、电绝缘性能强、声绝缘性好等显著优点，可广泛应用于国防军工、航天航空、土建工程、海洋工程等领域[3-6]。

表2 玄武岩纤维物理、力学性能表

目前，应用于交通土建的玄武岩纤维产品主要有玄武岩纤维混凝土、玄武岩纤维复合筋、玄武岩纤维织物/复合材等。玄武岩纤维混凝土是在普通混凝土中掺加短切玄武岩纤维而成，具有良好的耐酸、耐碱和耐水性，吸水率仅为0.2%～0.3%，同时具有很强的抗冲击性能和良好的动态能量耗散性能。玄武岩纤维混凝土的合理掺量范围较低，同时与水泥基材料的粘结性能有待提高。以C60混凝土为例，玄武岩纤维混凝土与素混凝土的性能对比如图1所示，可见玄武岩纤维混凝土的强度随玄武岩纤维掺量的增大先增大后减小，因此玄武岩纤维混凝土存在一个合理的纤维掺量范围[7]。

图1 玄武岩纤维力学性能试验结果图

玄武岩纤维复合筋是将玄武岩连续纤维通过拉挤成型的一种新型复合材料，与普通钢筋相比，具有高强度、高绝缘性、轻质量、耐腐蚀等优势，玄武岩纤维复合筋的强度约为普通钢筋的2倍，弹性模量为40 GPa，密度约为普通钢筋的1/4，玄武岩纤维复合筋与普通钢筋的对比如表3所示。由于高分子材料本身特性的影响，玄武岩纤维复合筋与水泥基材料的粘结度没有普通钢筋好。玄武岩纤维布具有很大的抗拉强度，可粘结在混凝土表面用于结构补强及加固。

表3 玄武岩纤维复合筋与普通钢筋的性能对比表

由于玄武岩纤维及其复合材料具有高强、高耐久性、温度适应范围广等显著特点，在道路工程、隧道工程、建筑工程、岩土工程和市政工程等交通土建工程中已有应用实例，如河北张石高速公路行唐县西阳庄大桥的南北两端，采用玄武岩纤维复合筋增强路面，开发了连续配筋施工技术，实现了真正的无焊接接点，减少水泥路面板块的收缩裂缝，同时也解决了北方冬雪天气时，高速路面除冰盐对钢筋的腐蚀问题，提高了高速公路路面的质量和耐久性。2007年，兰州地震局采用玄武岩纤维复合筋取代钢筋用于天水地震台建设工程，解决了地震台建筑材料无磁性的要求。2016年成都绿地中心基坑边坡采用了玄武岩纤维增强筋，可解决传统钢筋锚杆易腐蚀的问题。玄武岩纤维混凝土的耐候性强于普通混凝土，天津市利用玄武岩纤维混凝土管道对污水处理系统输水管道进行了优化。

鉴于玄武岩纤维产品的优点及其在交通土建工程中的应用现状，考虑铁路轨道结构及相关部件都是水泥基材料，因此玄武岩纤维在铁路轨道工程的应用值得研究。

2 玄武岩纤维在铁路轨道中的应用现状

铁路轨道主要是由钢筋混凝土材料组成的复合结构物，承受反复的列车荷载、环境荷载和腐蚀环境作用等耦合荷载，对铁路轨道结构的强度、抗冲击、抗裂、耐腐蚀等都提出了较高的要求。玄武岩纤维的优点正好与铁路轨道工程结构的上述要求契合，因此相关研究人员开始研究玄武岩纤维在铁路轨道中的应用。

玄武岩纤维在铁路轨道工程中的应用目前正处于起步阶段，在铁路轨道的轨枕和轨道板上进行了应用初探。胡显奇[8]等研究了玄武岩纤维用于铁路轨枕和轨道板的可能性，测试了掺玄武岩纤维后混凝土构件的力学性能、工作性和耐久性，并试制了两块玄武岩纤维混凝土轨道板应用于武广客运专线试验段，目前应用效果良好，结果表明：以普通硅酸盐水泥替代超细水泥的混凝土配合比可以达到无砟轨道结构混凝土早期强度的要求，掺加玄武岩纤维掺合料可进一步提高其抗折强度及强韧性，同时不破坏轨道绝缘性能。杨堃[9]也对玄武研纤维轨枕的性能、制造等进行了阐述，认为玄武岩纤维轨枕具有更好的耐久性、绝缘性和弹性。黄欣[10]等针对CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板，设计了玄武岩纤维复合筋轨道板，并测试了玄武岩纤维复合筋与混凝土的粘结能力和抗弯性能。杨洋[11-16]等针对无砟轨道轨道板的绝缘性能要求，提出了采用玄武岩纤维复合筋替代普通钢筋，并测试了玄武岩纤维复合筋轨道板的绝缘性能、力学性能和疲劳性能，认为玄武岩纤维复合筋轨道板能满足轨道电路和力学性能要求。冯照平[17]等对玄武岩纤维复合筋无砟轨道板进行了数值仿真和试验验证研究，认为玄武岩纤维复合筋轨道板具有较好的延性和承载能力。陈鲤波[18]则研究了玄武岩纤维布和纤维复合筋在高速铁路人行道盖板中的应用，并测试了含玄武岩纤维布和纤维筋人行道盖板的强度。

近年来，随着玄武岩纤维产业的快速发展，针对玄武岩纤维材料本身出台了一些标准，然而玄武岩纤维在铁路中的应用目前尚无专门的技术标准，仅在TB 1042-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》中规定应对纤维的杂质含量、长度、直径、长径比、抗拉强度、弹性模量等指标进行检测。

3 玄武岩纤维在铁路轨道中的应用前景及存在问题

铁路轨道不仅直接承受列车动荷载，还承受温度、雨水、紫外线等环境荷载，为保证信号的传输，铁路轨道还需具有绝缘性能。然而，铁路轨道在服役过程中出现了诸如混凝土开裂、绝缘性能降低等病害，为此国内外研究人员一直在探寻解决上述问题的措施。根据我国中长期铁路网规划，到2025年，铁路网规模将达到17.5万km，其中高速铁路里程将达到 3.8万km，因此玄武岩纤维及其制品的优异性能，在铁路轨道的混凝土及复合材料制品中具有广阔的应用前景。

玄武岩纤维混凝土具有高强度，良好的抗冲击性能、动态能量耗散性能，同时还可以减小温度荷载产生的裂缝宽度，有利于提高无砟轨道构件耐久性，增强轨道结构整体刚度，可利用玄武岩纤维混凝土制造混凝土轨枕或合成轨枕、轨道板、道床板和底座板。玄武岩纤维还具有耐高温、耐腐蚀、耐生物侵蚀等性能，玄武岩纤维布可用于无砟轨道的养护维修及加固，降低环境对无砟轨道材料的影响，延长无砟轨道的服役寿命。

玄武岩纤维具有良好的电绝缘性能，采用玄武岩复合钢筋代替轨道板和道床板内的钢筋，可提高轨道的电气绝缘性能[19]。为了提高扣件系统的耐久性和电绝缘性能，采用加玄武岩纤维的聚酰胺材料可提高轨距挡板的绝缘性能，因此可利用玄武岩纤维掺加其他复合材料生产扣件系统零部件，从而提高扣件系统的耐久性和绝缘性能。

尽管玄武岩纤维在铁路轨道工程中具有良好的应用前景，但仍存在如下问题：

(1)基础研究严重缺乏

无论是玄武岩纤维混凝土，还是玄武岩纤维复合制品，要应用于铁路轨道工程均需开展相关材料与构件的基础研究工作。尽管目前各高校和企业针对玄武岩纤维混凝土和玄武岩纤维复合筋开展了一些基础研究，但不够全面，应在研究玄武岩纤维材料、玄武岩纤维混凝土和玄武岩纤维复合制品的基本性能和耐久性的基础上，开展玄武岩纤维改性与复合材料优化研究并开展构件的基本力学性能和耐久性研究，奠定玄武岩纤维及其混制品的理论基础，建立理论体系。

(2)玄武岩纤维在铁路轨道中的应用研究处于起步阶段

铁路轨道工程作为支撑列车安全运行的基础，服役环境复杂多变，在开展玄武岩纤维在铁路轨道工程中的应用研究时，应充分考虑铁路轨道工程的受力特点和服役环境，如列车重复荷载、温度、环境侵蚀等耦合荷载作用及无砟轨道板的电气绝缘性，从微观、细观和宏观不同维度，对玄武岩纤维及其复合材料力学性能(移动、冲击、疲劳荷载作用等)、耐久性能(高温、低温、水损坏、冻融等)等基本性质开展系统深入研究，建立适用于铁路轨道工程的设计理论和方法。

(3)尚无针对铁路轨道工程的玄武岩纤维标准体系

目前现有的玄武岩纤维标准仅针对材料本身，且严重缺失。在铁路轨道工程中使用玄武岩纤维材料及相关产品，必须建立相关行业的设计、施工、检测验收及运营标准，目前此部分标准尚属空白。