CN100500999C - 一种聚丙烯纤维混凝土轨枕及其制备方法 - Google Patents
一种聚丙烯纤维混凝土轨枕及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种聚丙烯纤维混凝土轨枕，由改性聚丙烯纤维加入到混凝土中，改性聚丙烯纤维以混凝土体积计，掺量为0.2-1kg/m3。本发明聚丙烯纤维混凝土轨枕解决了现有技术中轨枕裂缝添加高模量纤维成本较高，受拉时极限延伸率低；而低模量合成纤维不耐碱，强度低，Y型聚丙烯纤维纤维强度不高，与水泥基粘结力不强，在混凝土中分散不易的问题，提供一种显著提高轨枕的抗冲击开裂性，同时提高轨枕的抗冻性。适用于现代轨道交通的，聚丙烯纤维混凝土轨枕。本发明聚丙烯纤维混凝土轨枕实现轨枕疲劳强度提高，基本消灭轨枕的纵向裂纹，表面龟状裂纹，避免轨枕的纵裂产生，防止轨枕碳化以及钢筋锈蚀产生的应力损失至最终轨枕破坏的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯纤维混凝土轨枕及其制造方法，属于轨枕制造领域。
背景技术
我国铁路轨枕使用过程中的损耗率很高，国内现有轨枕生产厂家47个，年产轨枕数千万根，设计寿命为50年，但是部分轨枕的实际使用寿命只有7—9年，有的只有5年，根本没有达到设计寿命。其损耗绝大部分是由于预应力混凝土轨枕产生各种各样的裂缝引起的，即在使用过程中产生大量的纵向裂纹、表面龟裂、纵向贯通裂缝、横向断裂和承轨槽下的混凝土损坏等，裂缝是影响轨枕使用寿命的主要因素。因此控制裂缝的产生对提高轨枕的结构耐久性，延长其使用寿命十分重要。裂缝的产生涉及轨枕结构、工艺和材料等诸多因素。轨枕自身主体材料混凝土的脆性大是造成裂缝产生的关键因素之一。在成型初期由于混凝土的模量低，基体内部容易产生收缩微裂缝，直接导致轨枕使用过程中抗冲击性能差，因此提高混凝土的韧性，对于抑制减少轨枕中裂缝的产生具有重要意义。
用高分子材料与混凝土复合来提高混凝土韧性是国内外的主要发展趋势，以聚丙烯纤维共混改性法最为简便易行。其原理是利用分布于混凝土基体中的合成纤维缓和轨枕在成型过程中，以及受外力冲击时材料内部裂缝尖端的应力集中程度，延缓裂缝的引发和已有裂缝的发展。
在改性混凝土中用高模量纤维如钢纤维、芳纶等，成本较高，受拉时极限延伸率低；而低模量合成纤维如玻璃纤维，存在不耐碱，强度低。而聚丙烯纤维相对成本低，耐腐蚀和受拉时极限延伸率高。
在中国专利CN96116519中公开了一种水泥防裂用聚丙烯纤维，其能有效的增强水泥，但其纤维的截面为Y型，纤维强度不高，且不是改性聚丙烯短纤维，与水泥基粘结力不强，在混凝土中分散不易。
而且，由于铁轨要在高强度的高速震动中使用，并且在高寒地区也有广泛的应用，使其在性能方面有比较高和较特殊的需要。
发明内容
本发明的一个目的是为解决上述轨枕裂缝添加高模量纤维成本较高，受拉时极限延伸率低；而低模量合成纤维不耐碱，强度低，Y型聚丙烯纤维纤维强度不高，与水泥基粘结力不强，在混凝土中分散不易的问题，提供一种显著提高轨枕的抗冲击开裂性，同时提高轨枕的抗冻性。适用于现代轨道交通的，聚丙烯纤维混凝土轨枕，本发明聚丙烯纤维混凝土轨枕实现轨枕疲劳强度提高，基本消灭轨枕的纵向裂纹，表面龟状裂纹，避免轨枕的纵裂产生，防止轨枕碳化以及钢筋锈蚀产生的应力损失至最终轨枕破坏的目的。
本发明的另一个目的是提供一种聚丙烯纤维混凝土轨枕的制备方法。
为实现上述目的，本发明的一个技术方案提供了一种聚丙烯纤维混凝土轨枕，是由改性聚丙烯纤维加入到混凝土中，改性聚丙烯纤维以混凝土体积计，掺量为0.2-1kg/m3。本发明的轨枕用改性聚丙烯短纤维，聚丙烯纤维外形为圆柱状，纤维细度0.5-20旦，且表面涂有有机硅、有机硅氧烷及分散剂、烷基磷酸乙酰胺，或表面采用辐射接枝丙烯酸的化学方法处理过的。
改性聚丙烯纤维表面涂有有机硅、有机硅氧烷及分散剂、烷基磷酸乙酰胺的制备方法见现有技术，如，参照中国专利01142105中的技术制备，或按照此技术，将烷基磷酸乙酰胺换成有机硅、有机硅氧烷，分散剂采用现有技术中的分散剂，如上述专利中提到的分散剂。
辐射改性方法为：将聚丙烯纤维浸入10-30％丙烯酸水溶液中，于Co-60γ-射线辐照源下辐照，剂量为54-68KGy/min，处理2-3小时，接枝率控制在4-8％。
所述的混凝土强度等级为C60，各原料用量：水泥：400-500kg/m3、砂：500-600kg/m3、石：1000-1500kg/m3，水：100-150kg/m3、减水剂：3-6kg/m3。
混凝土优选配方各原料用量：水泥：450-495kg/m3、砂：550-580kg/m3、石：1300-1350kg/m3，水：125-140kg/m3、减水剂：4-5kg/m3。
水泥为不低于42.5#硅酸盐水泥；石子为山石破碎，粒径5-25mm；砂子选用细度模数2.5-3.5。
本发明的另一个技术方案提供了一种聚丙烯纤维混凝土轨枕的制备方法，
(1)砼搅拌：将各原料放入搅拌机内，混凝土强度等级为C60，其水泥用量不超过500kg/m3，混凝土净搅拌时间为120—160秒，确保搅拌均匀。
(2)钢丝张拉；
(3)振动成型；
(4)蒸汽养护：轨枕采用蒸汽养护时，要保证混凝土达到一定的强度，避免升温时破坏混凝土结构，静停时间一般为2小时；升温速度不大于20℃/小时，蒸汽养护温度不大于60℃，养护时间为24小时左右，并有一定的停汽降温时间，降温速度不大于20℃/小时，出坑前的轨枕表面与坑外环境温度差不大于20℃；
(5)轨枕脱模切割。
所述的振动成型是在普通状态下振动110-130秒，在加压状态下振动90-110秒的步骤。
材料计量误差：砂、石±2％，水泥、水、减水剂±1％。
本发明使得聚丙烯纤维混凝土在轨枕领域获得应用。
有益效果：本发明采用改性高强高模细旦聚丙烯纤维，提高了聚丙烯纤维的表面亲水性和与水泥石的结合力和粘结强度，形成均匀分散，乱向分布于混凝土中的三维网络结构。其作用表现为：首先，有效的防止早期裂缝产生，尤其是在静停和蒸汽养护过程中的微裂缝的形成；其次，脱模后轨枕在使用过程中，聚丙烯纤维的存在可以有效的阻止裂缝的引发，减少了裂缝源的数量，减小了裂缝尺度，从而降低了裂缝尖端的应力强度，缓和了裂缝尖端应力集中程度，在受力过程中，又抑制了裂缝的引发与扩展，从而显著提高了轨枕材料的抗冲击性能。而轨枕在使用过程中主要承载来自列车运行过程中的冲击作用力，聚丙烯的加入可以有效的改善轨枕的力学性能及耐久性。
具体实施方式
下面列举实施例，对本发明加以进一步说明，但本发明不只限于这些实施例。
实施例1
混凝土原材料选用原则：水泥为不低于42.5#硅酸盐水泥；石子为山石破碎，粒径5-25mm；砂子选用细度模数2.5-3.5；减水剂为高效减水剂。采用如下表所示配合比：
| 编号 | 水泥(Kg/m<sup>3</sup>) | 水(Kg/m<sup>3</sup>) | 砂(Kg/m<sup>3</sup>) | 石(Kg/m<sup>3</sup>) | 减水剂(Kg/m<sup>3</sup>) | 聚丙烯纤维(Kg/m<sup>3</sup>) |
| 实施例1 | 490 | 130.3 | 564 | 1314 | 4.9 | 0.45 |
| 实施例2 | 490 | 130.3 | 564 | 1314 | 4.9 | 0.9 |
按照编号(1)之配合比，先加入砂石粗骨料，采用强制式搅拌机搅拌，搅拌(不停止)，加入1/3水，加入体积掺率0.05％纤维，加入水泥，加入余下2/3水，最后加入减水剂，搅拌共计时长3分钟。出料，入YII-F型轨枕2×5联模，YII-F型轨枕采用8根Φ7.00mm螺旋肋钢丝配筋，其配筋方式为钢丝左右竖排，每排四根。普振时间为120秒，加压振动时长为100秒。静停2小时后，入蒸汽室养护，蒸汽养护温度不大于60℃，养护时间为24小时，降温速度不大于14-16℃/小时，降至35℃，出坑前的轨枕表面与坑外环境温度差不大于20℃；养护达到出池要求后出池切割。产品外观检查及轨枕强度抽检，出厂。
高效减水剂购自天津兴隆化工厂。
实施例2：
按照编号(2)之配合比，先加入砂石粗骨料，搅拌(不停止)，加入1/3水，加入体积掺率0.1％纤维，加入水泥，加入余下2/3水，最后加入减水剂，搅拌共计时长3分钟。出料，入YII-F型轨枕2×5联模，YII-F型轨枕采用8根Φ7.00mm螺旋肋钢丝配筋，其配筋方式为钢丝左右竖排，每排四根。普振时间为120秒，加压振动时长为100秒。静停2小时后，入蒸汽室养护，养护达到出池要求后出池切割。产品外观检查及轨枕强度抽检，出厂。
实施例3：
按照编号(1)之配合比，先加入砂石粗骨料，搅拌(不停止)，加入1/3水，加入体积掺率0.05％纤维，加入水泥，加入余下2/3水，最后加入减水剂，搅拌共计时长3分钟。出料，入IIIA型轨枕2×4联模，IIIA型轨枕采用10根Φ7.00mm螺旋肋钢丝配筋，其配筋方式为钢丝四竖排，分别为2，4，4，2。普振时间为120秒，加压振动时长为100秒。静停3小时后，入蒸汽室养护，养护达到出池要求后出池切割。产品外观检查及轨枕强度抽检，出厂。
实施例4：
按照编号(2)之配合比，先加入砂石粗骨料，搅拌(不停止)，加入1/3水，加入体积掺率0.1％纤维，加入水泥，加入余下2/3水，最后加入减水剂，搅拌共计时长3分钟。出料，入IIIA型轨枕2×4联模，IIIA型轨枕采用10根Φ7.00mm螺旋肋钢丝配筋，其配筋方式为钢丝四竖排，分别为2，4，4，2。普振时间为120秒，加压振动时长为100秒。静停3小时后，入蒸汽室养护，养护达到出池要求后出池切割。产品外观检查及轨枕强度抽检，出厂。
检测结果如下表：
| 性能 | 普通II-F型轨枕 | 实施例1 | 实施例2 | 普通IIIA型轨枕 | 实施例3 | 实施例4 |
| 轨下断面(左) | 253.8KN | 235.0KN | 268.3KN | 286.5KN | 325.2KN | 319.5KN |
| 轨中断面 | 129.4KN | 133.6KN | 147.3KN | 181.4KN | 182.6KN | 183.1KN |
| 轨下断面(右) | 228.1KN | 241.3KN | 235.6KN | 299.8KN | 294.3KN | 316.9KN |
| 疲劳强度(万次) | 200 | 250 | 250 | 200 | 250 | 250 |
实施例5-9
按照实施例1所述的方法制造聚丙烯纤维混凝土轨枕，所用原料如下表所示，其他条件同实施例1。
| 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | |
| 水泥(kg/m<sup>3</sup>) | 400 | 500 | 480 | 450 | 495 |
| 砂(kg/m<sup>3</sup>) | 600 | 500 | 550 | 570 | 580 |
| 石(kg/m<sup>3</sup>) | 1300 | 1330 | 1500 | 1000 | 1350 |
| 水(kg/m<sup>3</sup>) | 100 | 130 | 150 | 125 | 140 |
| 减水剂(kg/m<sup>3</sup>) | 4 | 3 | 3.5 | 6 | 5 |
| 聚丙烯纤维(Kg/m<sup>3</sup>) | 0.02 | 0.2 | 0.5 | 1 | 0.8 |
实施例10
取用先加入砂石粗骨料，采用强制式搅拌机搅拌，搅拌(不停止)，加入1/3水，加入体积掺率0.05％纤维，加入水泥，加入余下2/3水，最后加入减水剂，搅拌共计时长3分钟。出料，入YII-F型轨枕2×5联模，YII-F型轨枕采用8根Φ7.00mm螺旋肋钢丝配筋，其配筋方式为钢丝左右竖排，每排四根。普振时间为120秒，加压振动时长为100秒。静停2小时后，入蒸汽室养护，养护达到出池要求后出池切割。产品外观检查及轨枕强度抽检，出厂。
高效减水剂购自天津兴隆化工厂。
实施例11-15
按照实施例1所述的方法制造聚丙烯纤维混凝土轨枕，制造条件如下表所示其他条件同实施例1。
| 实施例11 | 实施例12 | 实施例13 | 实施例14 | 实施例15 | |
| 搅拌时间(秒) | 120 | 160 | 140 | 150 | 130 |
| 普振时间(秒) | 130 | 110 | 125 | 115 | 120 |
| 加压振动时间(秒) | 90 | 110 | 100 | 105 | 95 |
| 升温速度(℃/小时) | 16 | 20 | 18 | 10 | 5 |
| 蒸汽养护温度(℃) | 50 | 55 | 60 | 45 | 40 |
| 养护时间(小时) | 24 | 22 | 23 | 28 | 26 |
| 降温速度(℃/小时) | 15 | 18 | 12 | 10 | 16 |
| 出坑前温度℃ | 25℃ | 40℃ | 35℃ | 30℃ | 20℃ |
Claims (6)
1.一种聚丙烯纤维混凝土轨枕，是由改性聚丙烯纤维加入到混凝土中，改性聚丙烯纤维以混凝土体积计，掺量为0.02-1kg/m3；所述的改性聚丙烯纤维，外形为圆柱状，纤维细度0.5-20旦；所述的改性聚丙烯纤维表面采用辐射接枝丙烯酸的化学方法处理过。
2.根据权利要求1所述聚丙烯纤维混凝土轨枕，其特征在于，所述的表面采用辐射接枝丙烯酸的化学方法处理过的改性聚丙烯纤维，是将聚丙烯纤维浸入10-30％丙烯酸水溶液中，于Co-60γ-射线辐照源下辐照，剂量为54-68KGy/min，处理2-3小时，接枝率控制在4-8％的改性聚丙烯纤维。
3.根据权利要求1所述聚丙烯纤维混凝土轨枕，其特征在于，所述的混凝土强度等级为C60，各原料用量：水泥：400-500kg/m3、砂：500-600kg/m3、石：1000-1500kg/m3，水：100-150kg/m3、减水剂：3-6kg/m3。
4.根据权利要求1所述聚丙烯纤维混凝土轨枕，其特征在于，所述的混凝土各原料用量：水泥：450-495kg/m3、砂：550-580kg/m3、石：1300-1350kg/m3，水：125-140kg/m3、减水剂：4-5kg/m3。
5.根据权利要求1所述聚丙烯纤维混凝土轨枕，其特征在于，所述的混凝土各原料：水泥为不低于42.5#硅酸盐水泥；石子为山石破碎，粒径5-25mm；砂子选用细度模数为2.5-3.5。
6.根据权利要求1所述一种聚丙烯纤维混凝土轨枕的制备方法，该方法的步骤如下：
(1)砼搅拌：将各原料放入搅拌机内，混凝土强度等级为C60，其水泥用量不超过500kg/m3，混凝土净搅拌时间为120—160秒，确保搅拌均匀；
(2)钢丝张拉；
(3)振动成型；
(4)蒸汽养护：轨枕采用蒸汽养护时，要保证混凝土达到一定的强度，避免升温时破坏混凝土结构，静停时间一般为2小时；升温速度不大于20℃/小时，蒸汽养护温度不大于60℃，养护时间为24小时左右，并有一定的停汽降温时间，降温速度不大于20℃/小时，出坑前的轨枕表面与坑外环境温度差不大于20℃；
(5)轨枕脱模切割。
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Effective date of registration: 20090227 Address after: Zip code 9, Kang Chong Road, Beijing, Daxing District: 102600 Applicant after: China Railway fifth survey and Design Institute Group Co., Ltd. Co-applicant after: Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences Co-applicant after: China Railway Shisiju Group Corporation Address before: Zip code 9, Kang Chong Road, Beijing, Daxing District: 102600 Applicant before: China Railway fifth survey and Design Institute Group Co., Ltd. Co-applicant before: Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences Co-applicant before: China Railway Fangshan Bridge Co., Ltd. Beijing |
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