CN104746392B - 一种新型高强度高抗剪切合成轨枕及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型高强度高抗剪切合成轨枕及其制备方法，包括第一板状体、母体、第二板状体及若干根筋条；所述母体位于所述第一板状体及所述第二板状体之间，且所述第一板状体通过所述母体与所述第二板状体相连接。本发明通过一体成型工艺，避免了产品使用中错位造成的安全隐患，降低了产品的生产成本。通过在母体表面增加高强度高抗剪切板状体，大大增强了合成轨枕表面的硬度及强度，大大提高了合成轨枕的耐剪切力。通过内置筋条，大大增强了合成轨枕的承载强度及耐剪切性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型高强度高抗剪切合成轨枕及其制备方法，尤其是涉及一种应用在桥梁、高铁、重载铁路等领域的新型高强度高抗剪切合成轨枕及其制备方法。
背景技术
轨枕，是铁路配件的一种，在铁路建设中起着至关重要的作用。在轨道结构中，轨枕的作用承受由钢轨传来的荷重、横向力和纵向水平力，将其均匀地传布在道床上，同时，轨枕还起着保持钢轨方向、轨距和位置等作用。因此，要求轨枕要有一定的坚固性、弹性及耐久性，并要求轨枕规格尺寸便于固定钢轨，有抵抗线路纵、横向位移的能力。
目前，明桥面钢梁桥中几乎全部采用木质轨枕，制作木枕需要使用大量的优质硬质木材，而且，木质轨枕在受到长期的风晒雨淋以及江水、海水的腐蚀后，腐蚀比较严重，而且不耐虫咬等，基本上，使用5年后就必须更换，大大增加了桥梁的维护及更换成本。现在世界各国都面临着的最大的难题是用于铁路轨枕的优质木材的供应量持续下降；其次历来木枕采用木馏油进行浸渍，增加其耐腐蚀性能，使用化学防腐剂轨枕对环境和工人的健康都带来了不良的影响；另外随着运输量的逐渐增大，以及时间和人力成本的增加，木枕更换的成本越来越高；
在重载铁路则全部使用混凝土轨枕，而混凝土轨枕刚性太大，不仅不具备减震效果，而且在列车长期运营后，一般5～10年后，就容易出现裂纹，造成安全隐患，则需要大量的更换，大大增加了维护及更换成本。
为了保护森林资源，人们逐步放弃对木材的过度使用，且伴随着人们对出行的快速、安全、舒适的要求，木枕将逐步被废除和更换，转而使用性能优异的高新技术产品—合成轨枕。
目前，国内外纷纷开始了对合成轨枕的研究，如美国采用废旧PE塑料通过表面强化制作轨枕，韩国以废旧轮胎为主要材料制作轨枕，俄罗斯以木屑为主开展了轨枕的研究，日本由聚氨酯泡沫和玻璃纤维制成的合成轨枕。而且这些合成轨枕基本上是由制作的半成品通过简单的平面粘结制作成制品，虽然这些合成轨枕都兼备了木质轨枕的可加工性能，并且其耐腐蚀性能等都比木质轨枕优异，但是其强度、耐疲劳性能、螺栓抗拔强度、抗螺栓松弛、抗剪切性能等都仅仅满足城市轨道交通用轨枕的要求，远远满足不了铁路轨枕对于轨枕承载及疲劳试验等技术指标的要求，尤其是重载铁路及铁路桥梁对于合成轨枕的要求。
而且，目前的合成轨枕由于是由制作的半成品毛坯件通过粘结而成的合成轨枕，不仅大大增加了产品的制作成本，而且在列车长期运营中，合成轨枕粘结面容易发生错位，造成安全隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种降低了生产成本，有效的避免了列车运行中，通过半成品粘结而成的合成轨枕粘结面错位的安全隐患的新型高强度高抗剪切合成轨枕及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种新型高强度高抗剪切合成轨枕，包括第一板状体、母体、第二板状体及若干根筋条；所述母体位于所述第一板状体及所述第二板状体之间，且所述第一板状体通过所述母体与所述第二板状体相连接；其中，
所述母体由若干层母体单体组成；所述母体单体是由纤维布、玻璃长纤维层和玻璃短切纤维层依次构成的基底纤维层与树脂通过模压或拉挤或注塑制备而成，其中所述基底纤维层与所述树脂的重量百分比为60％～80％：20％～40％；
所述筋条均匀设置在所述树脂内，且所述筋条的设置方向与所述基底纤维层的铺设方向相垂直。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过一体成型工艺，避免了产品使用中错位造成的安全隐患，同时降低了产品的生产加工成本；
2、通过在母体表面增加高强度高抗剪切板状体，大大增强了合成轨枕表面的硬度及强度，大大提高了合成轨枕的耐剪切力；
3、通过内置筋条，大大增强了合成轨枕的承载强度及耐剪切性能；
4、可有效的替代目前的木质轨枕及合成轨枕，可广泛应用于铁路桥梁、重载铁路，并可推广到城市轨道交通的建设中。
纤维布又称碳素纤维布,碳纤布,碳布,碳纤维织物,碳纤维带,碳纤维片材(预浸布)等。
玻璃纤维按形态和长度，可分为连续纤维、定长纤维和玻璃棉,通过铂合金板以机械拉丝方法拉制的无限长的纤维，称为连续玻璃纤维，通称长纤维。
玻璃短切纤维又称玻璃纤维短切原丝。将玻璃长纤维由湿法在线短切而成。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述第一板状体及所述第二板状体均为纤维树脂基板材、尼龙板、聚乙烯板、镀锌钢板、铁板或不锈钢钢板等中的任意一种。
进一步，所述纤维树脂基板材中所用纤维包括玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维等中的任意一种，其所用树脂包括聚氨酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、邻苯树脂、间苯树脂或酚醛树脂等中的任意一种。
所述纤维树脂基板材可采用拉挤、模压、手糊、缠绕等工艺制备。
进一步，所述第一板状体及所述第二板状体的厚度均为3mm～30mm。
进一步，所述母体单体中所用树脂包括聚氨酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、邻苯树脂、间苯树脂或酚醛树脂等中的任意一种。
进一步，所述纤维布包括玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维等中的任意一种。
进一步，所述筋条为钢筋或复合材料筋。
进一步，所述筋条的形状包括圆柱体、长方体或正方体中的任意一种，且均为实心体。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种新型高强度高抗剪切合成轨枕的制备方法，包括以下步骤：
1)将第一板状体的双面及第二板状体的双面打磨粗糙，用丙酮清洗晒干后，在第一板状体的单面及第二板状体的的单面均刷涂上胶黏剂，然后将第一板状体放入模具底部，刷有胶黏剂的面朝上；
2)然后将纤维布、玻璃长纤维层和玻璃短切纤维层依次铺设在刷有胶黏剂的所述第一板状体的一面上，构成基底纤维层，然后再放置上筋条，再在筋条上浇注树脂，制得母体单体；其中，
所述筋条的设置方向与所述基底纤维层的铺设方向相垂直；
3)在步骤2)中制得的所述母体单体上再铺设一层基底纤维层，然后再放置上筋条，再在筋条上浇注树脂，制得母体单体；
4)不断重复步骤3)的步骤，直至到达离模具上部3mm～30mm的位置；
5)将所述第二板状体放置在最顶层的母体单体上，刷涂有胶黏剂的一面与该母体单体相接触；
6)合上上模板，将模具温度升温至90℃～120℃，进行固化，然后开模，将制品取出即可。
进一步，在步骤6)中，所述进行固化的时间为1～1.5小时。
附图说明
图1为本发明新型高强度高抗剪切合成轨枕的竖向断面结构示意图；
图2为本发明新型高强度高抗剪切合成轨枕的纵向断面结构示意图；
图3为本发明新型高强度高抗剪切合成轨枕的基底纤维层的结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、第一板状体，2、母体，3、基底纤维层，3-1、纤维布，3-2、玻璃长纤维层，3-3、玻璃短切纤维层，4、筋条，5、第二板状体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种新型高强度高抗剪切合成轨枕，如图1、图2、图3所示，包括第一板状体1、母体2、第二板状体5及若干根筋条4；所述母体2位于所述第一板状体1及所述第二板状体5之间，且所述第一板状体1通过所述母体2与所述第二板状体5相连接；其中，
所述母体2由若干层母体单体组成；所述母体单体是由纤维布3-1、玻璃长纤维层3-2和玻璃短切纤维层3-3构成的基底纤维层3与树脂通过模压或拉挤或注塑制备而成，其中所述基底纤维层3与所述树脂的重量比为60％～80％：20％～40％；
所述筋条4均匀设置在所述树脂内，且所述筋条4的设置方向与所述基底纤维层3的铺设方向相垂直。
所述第一板状体1及所述第二板状体5均为纤维树脂基板材、尼龙板、聚乙烯板、镀锌钢板、铁板或不锈钢钢板等中的任意一种。
所述纤维树脂基板材中所用纤维包括玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维等中的任意一种，其所用树脂包括聚氨酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、邻苯树脂、间苯树脂或酚醛树脂等中的任意一种。
所述纤维树脂基板材可采用拉挤、模压、手糊、缠绕等工艺制备。
所述第一板状体1及所述第二板状体5的厚度均为3mm～30mm。
所述母体单体中所用树脂包括聚氨酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、邻苯树脂、间苯树脂或酚醛树脂等中的任意一种。
所述纤维布包括玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维等中的任意一种。
所述筋条4为钢筋或复合材料筋。
所述筋条4的形状包括圆柱体、长方体或正方体中的任意一种，且均为实心体。
一种新型高强度高抗剪切合成轨枕的制备方法，包括以下步骤：
1)根据产品要求形状，制作相应的模具；
将第一板状体1的双面及第二板状体5的双面打磨粗糙，用丙酮清洗晒干后，在第一板状体1的单面及第二板状体5的的单面均刷涂上胶黏剂，然后将第一板状体1放入模具底部，刷有胶黏剂的面朝上；
2)然后将纤维布3-1、玻璃长纤维层3-2和玻璃短切纤维层3-3依次铺设在刷有胶黏剂的所述第一板状体1的一面上，构成基底纤维层3，然后再放置上筋条4，再在筋条上浇注树脂，制得母体单体；其中，
所述筋条4的设置方向与所述基底纤维层3的铺设方向相垂直；
3)在步骤2)中制得的所述母体单体上再铺设一层基底纤维层3，然后再放置上筋条4，再在筋条上浇注树脂，制得母体单体；
4)不断重复步骤3)的步骤，直至到达离模具上部3mm～30mm的位置；
5)将所述第二板状体5放置在最顶层的母体单体上，刷涂有胶黏剂的一面与该母体单体相接触；
6)合上上模板，将模具温度升温至90℃～120℃，进行固化1～1.5小时，然后开模，将制品取出即可。
以下通过几个具体的实施例以对本发明进行具体的说明。
具体实施例1
一种新型高强度高抗剪切合成轨枕，制作规格为3200mm×200mm×240mm(长×宽×厚)的桥梁轨枕。此轨枕应用在钢梁桥上，首先通过拉挤工艺制备了玻璃纤维增强的环氧树脂基厚度为15mm的板材，然后将板材打磨清理后，刷涂聚氨酯胶黏剂，放置在模具底部；在其上面布置玻璃纤维布、连续玻璃长纤维、短切玻璃纤维、横向布置直径￠15mm的钢筋，浇注聚氨酯发泡树脂，然后，再布置玻璃纤维布、连续玻璃长纤维、短切玻璃纤维，浇注聚氨酯发泡树脂，不断重复此步骤，直到厚度为225mm；然后再将刷有胶黏剂的玻璃纤维增强的环氧树脂基厚度为15mm的板材放置在上面。合上模具，加热达到温度90℃，固化1.5h后，开模。此合成轨枕强度很高，抗疲劳性能及高剪切性能优异，能有效的使用在重载铁路中，承受重载车辆的重力，相对于混凝土轨枕，有效的降低了桥梁的承重，而且具备了一定的减振降噪效果，材料耐水、耐腐蚀、耐虫蚁，免维护，使用寿命可达50年。
其性能见表1。
表1
| 项目 | 单位 | 测试结果 |
| 表观总密度 | Kg/m3 | 816 |
| 螺栓抗拔强度 | KN | 98 |
| 抗弯曲载荷 | KN | 625 |
| 抗剪切强度 | MPa | 40 |
| 抗疲劳性能 | 次 | 300万次无裂纹 |
| 耐腐蚀性能 | 优异 |
具体实施例2
一种新型高强度高抗剪切合成轨枕，制作规格为5000mm×300mm×300mm(长×宽×厚)的重载铁路用轨枕。此轨枕应用在重载铁路道岔上，首先通过模压工艺制备了碳纤维增强的聚氨酯树脂基厚度为30mm的板材，然后将板材打磨清理后，刷涂环氧树脂胶黏剂，放置在模具底部；在其上面布置碳纤维布、连续碳长纤维、短切碳纤维、横向布置直径￠25mm的钢筋，浇注环氧发泡树脂，然后，再布置碳纤维布、连续碳长纤维、短切碳纤维，浇注环氧发泡树脂，不断重复此步骤，直到厚度为270mm；然后再将刷有胶黏剂的碳纤维增强的聚氨酯树脂基厚度为30mm的板材放置在上面。合上模具，加热达到温度120℃，固化1h后，开模。此合成轨枕强度很高，耐疲劳性能及抗剪切性能优异，能有效的承受重载车辆的重力，并能有效的降低重载车辆轮轨的振动及噪声，安装施工方便。
其性能见表2。
表2
| 项目 | 单位 | 测试结果 |
| 表观总密度 | Kg/m3 | 834 |
| 螺栓抗拔强度 | KN | 110 |
| 抗弯曲载荷 | KN | 890 |
| 抗剪切强度 | MPa | 80 |
| 抗疲劳性能 | 次 | 300万次无裂纹 |
| 耐腐蚀性能 | 优异 |
具体实施例3
一种新型高强度高抗剪切合成轨枕，制作规格为6000mm×300mm×350mm(长×宽×厚)的重载铁路用轨枕。此轨枕应用在重载铁路正线上，首先制作厚度为25mm的镀锌钢板，然后将板材打磨清理后，刷涂聚氨酯树脂胶黏剂，放置在模具底部；在其上面布置芳纶纤维布、连续芳纶长纤维、短切芳纶纤维、横向布置直径￠30mm的钢筋，浇注聚氨酯发泡树脂，然后，再布置碳纤维布、连续碳长纤维、短切碳纤维，浇注聚氨酯发泡树脂，不断重复此步骤，直到厚度为270mm；然后再将刷有胶黏剂的厚度为30mm的镀锌钢板放置在上面。合上模具，加热达到温度100℃，固化1h后，开模。此合成轨枕强度很高，抗剪切性能优异，能有效的承受重载车辆的重力。
其性能见表3。
表3
| 项目 | 单位 | 测试结果 |
| 表观总密度 | Kg/m3 | 930 |
| 螺栓抗拔强度 | KN | 91 |
| 抗弯曲载荷 | KN | 128 |
| 抗剪切强度 | MPa | 96 |
| 抗疲劳性能 | 次 | 300万次无裂纹 |
| 耐腐蚀性能 | 优异 |
本发明高强度高抗剪切合成轨枕，其综合性能远远优于木质轨枕，且其强度、抗疲劳性能、螺栓抗拔强度、抗剪切强度远远优于目前的城市轨道交通用的合成轨枕。采用了一体成型技术，有效的避免了列车运行中，通过半成品粘结而成的合成轨枕粘结面错位的安全隐患，而且大大降低了生产成本。能够有效的取代目前优质的木质轨枕及合成轨枕。可广泛应用于桥梁、重载铁路的建设，并可推广到城市轨枕交通轨道的建设。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种新型高强度高抗剪切合成轨枕，其特征在于，包括第一板状体、母体、第二板状体及若干根筋条；所述母体位于所述第一板状体及所述第二板状体之间，且所述第一板状体通过所述母体与所述第二板状体相连接；其中，
所述母体由若干层母体单体组成；所述母体单体是由纤维布、玻璃长纤维层和玻璃短切纤维层依次构成的基底纤维层与树脂通过模压或拉挤或注塑制备而成，其中所述基底纤维层与所述树脂的重量百分比为60％～80％：20％～40％；
所述筋条均匀设置在所述树脂内，且所述筋条的设置方向与所述基底纤维层的铺设方向相垂直。
2.根据权利要求1所述的新型高强度高抗剪切合成轨枕，其特征在于，所述第一板状体及所述第二板状体均为纤维树脂基板材、尼龙板、聚乙烯板、镀锌钢板、铁板或不锈钢钢板中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的新型高强度高抗剪切合成轨枕，其特征在于，所述纤维树脂基板材中所用纤维包括玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维中的任意一种，其所用树脂包括聚氨酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、邻苯树脂、间苯树脂或酚醛树脂中的任意一种。
4.根据权利要求1至3任一项所述的新型高强度高抗剪切合成轨枕，其特征在于，所述第一板状体及所述第二板状体的厚度均为3mm～30mm。
5.根据权利要求1至3任一项所述的新型高强度高抗剪切合成轨枕，其特征在于，所述母体单体中所用树脂包括聚氨酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、邻苯树脂、间苯树脂或酚醛树脂中的任意一种。
6.根据权利要求1至3任一项所述的新型高强度高抗剪切合成轨枕，其特征在于，所述纤维布包括玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维中的任意一种。
7.根据权利要求1至3任一项所述的新型高强度高抗剪切合成轨枕，其特征在于，所述筋条为钢筋或复合材料筋。
8.根据权利要求7所述的新型高强度高抗剪切合成轨枕，其特征在于，所述筋条的形状包括圆柱体、长方体或正方体中的任意一种，且均为实心体。
9.一种根据权利要求1至8任一项所述的新型高强度高抗剪切合成轨枕的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将第一板状体的双面及第二板状体的双面打磨粗糙，用丙酮清洗晒干后，在第一板状体的单面及第二板状体的的单面均刷涂上胶黏剂，然后将第一板状体放入模具底部，刷有胶黏剂的面朝上；
2)然后将纤维布、玻璃长纤维层和玻璃短切纤维层依次铺设在刷有胶黏剂的所述第一板状体的一面上，构成基底纤维层，然后再放置上筋条，再在筋条上浇注树脂，制得母体单体；其中，
所述筋条的设置方向与所述基底纤维层的铺设方向相垂直；
3)在步骤2)中制得的所述母体单体上再铺设一层基底纤维层，然后再放置上筋条，再在筋条上浇注树脂，制得母体单体；
4)不断重复步骤3)的步骤，直至到达离模具上部3mm～30mm的位置；
5)将所述第二板状体放置在最顶层的母体单体上，刷涂有胶黏剂的一面与该母体单体相接触；
6)合上上模板，将模具温度升温至90℃～120℃，进行固化，然后开模，将制品取出即可。
10.根据权利要求9所述的新型高强度高抗剪切合成轨枕的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，所述进行固化的时间为1～1.5小时。
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