CN105102717A - 纤维加强陶器制成的轨枕 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种新型铁路轨枕，其由纤维稳定的石材构成。通过使用夹有多层纤维的石材，并以特定方式将其相互粘结在一起以在石材中产生预应力，这样可制得一种永久保持高性能的轨枕，制造此等轨枕使用天然材料，例如花岗岩或玄武岩，而花岗岩或玄武岩在地球上几乎无处不在，且可供开采的数量不受限制，与以往使用的材料相比，具有使用寿命更长和耐候性更好的特点。另外与目前的系统相比，制造这种材料所需的能源也得到大幅减少。因此，中期来看，二氧化碳的排放可得到减少，促进了更有利于环境的材料的使用。另外，在轨枕或其中间空间上安装太阳能模块，由这些模块连接在一起构成一个发电单位，并通过电气方式与轨道连接。为减轻重量，此等轨枕也可被设计成部分中空。在未发现和开采足够数量的石材前，也可临时使用混凝土和纤维制造此等轨枕。如使用混凝土，纤维最好与混凝土相混合。在铺设过程中，对于质量较轻的中空型轨枕，可从一侧向其中填充碎石，可以部分填充，也可以完全填满。
Description
技术领域
本发明涉及铁路轨枕的开发。铁路轨枕用于轨道的支撑和铺设，例如，支撑铁路轨道及其下面的紧固和锚固部件。
背景技术
这类轨枕一般放置在碎石道床中，常见的安装距离为2/3米。早期的轨枕由木材经相对简单的方法半加工而成，但如今已无争议的是，木材会受到气候变化的影响，因此木材不适合大规模使用，人们必须越来越多地使用人造物质，这是轨枕结构实现上面临的一大挑战。
后来，轨枕设计转而使用混凝土。混凝土必须使用构造方法施加预应力。例如，必须将带有螺纹的钢筋浇注在混凝土中或放置到塑性混凝土中，并在混凝土凝固时使用两端的螺母加以固定，这样在固定预张力的作用下，混凝土的拉伸稳定性可得到维持。收紧螺母的扭矩可用于调整预张力。这种设计的缺点是带有螺纹的钢筋容易生锈。如使用不锈钢制造，经过一段时间的使用，容易被撕裂或失去部分预应力。另外混凝土也容易破碎和出现裂纹，而湿气和霜冻以及混凝土本身随着时间的推移而产生的变化则会导致其他破坏，严重影响使用寿命。对于混凝土轨枕，尺寸设计时已将裂纹和细纹考虑在内，因为预应力混凝土无法避免裂纹和细纹的出现，至少在张力方向上。在载荷测试期间，允许出现细纹。木质轨枕不会出现细纹，但却会受到天气变化的影响。
发明内容
本发明的目的是制造一种轨枕，通过消除混凝土轨枕的裂纹，节省木材的使用，特别是在其生产过程中，相对于钢枕和混凝土枕，二氧化碳的排放极少。混凝土枕和钢枕的生产需要大量能源，而遗憾的是今天的人们要生产能源，仍难免要排放大量的二氧化碳。
本发明的目的也在于创造一个全新的概念，使生产出的轨枕适用于全世界不同的气候条件，能够适应极端的高低温度，并能够耐受湿气和天气的影响，也就是具备耐受水、霜冻和大气化学成分的影响，而且制造使用的材料在任何方面都不具有危害性，这样的轨枕具有环境可持续性且经久耐用，在数十年的时间内保持稳定，且几乎可以使用世界任何地方的当地资源生产。另外其重量、强度、加工性以及表面类型方面的特点也很重要，不仅是因为清洁方面的问题，而且颜色和外观也决定着一种轨枕的适用性，更不用提这种轨枕可适用于所有的情景，不管是在自然环境中还是在更为封闭的空间中，如车站或甚至是露天月台。
本发明提议使用一种三明治材料，以同时解决上述所有方面的问题。其目的是优化可持续性、不变载荷能力和耐受力数值、减震、与轨道连接方面方便的可加工性、部件不出现裂纹且保持长期耐用性以及表面耐久性和综合更多功能的可能性方面的要求。
这些功能可能包括，例如，使用太阳能板向轨道提供电能，热水通过加温石以及相关的能源技术解决方案。之前的解决方案主要考虑的只有一个问题，即强度数值。但本发明也考虑如何减少铁路轨枕生产过程中的能源消耗。本发明建议使用的方法是为上述轨枕的进一步开发形成一个新的平台。使用花岗岩制造此等轨枕，需要的能源低于使用混凝土制造同等轨枕。另外，还必须考虑稳定材料制造所需的能源，应使用纤维材料替代钢材。未来，有条件的情况下，最好使用碳纤维，并结合使用现代树脂材料作为基质，即基于植物的可再生原材料，而植物吸收了大气中的二氧化碳。这样可将有害的二氧化碳永久地从大气中去除，使其成为施工材料的一部分。
本发明据此描述了一种由多层天然石材或人工石材，例如混凝土或陶瓷，中间夹上纤维材料和连接基质构成的三明治结构，此等三明治结构由环氧树脂或其他胶类材料相互连接在一起。大多数情况下，为方便起见，在制造石材、纤维材料和树脂混合物的过程中即对石板施加预应力，这样便无需再使用螺杆或钢杆进行耗时的预应力施加。预应力的施加最好使用不会失去预应力的纤维类型。最适合的是碳纤维和岩石纤维，见EP1062092所列。原则上，可使用所有可能的天然石材类型。
表面最好使用石材层，以抵御环境对轨枕的破坏作用。理想的设计是，轨枕具有三层石材层，由于力学方面的原因，中央一层的设计厚度要明显大于上下覆盖层的厚度。以目前的技术水平来看，环氧树脂是粘合纤维和石材相当理想的选择，特别是在石材孔隙度适合树脂渗透的情况下。
在这块板的上面钻有复合孔，垫板的固定螺栓可通过膨胀管进行螺纹连接，而轨道的支撑板，所谓肋板是常用的支撑板，使得固定轨道的夹件能够进行螺纹连接。
因为制成的石材轨枕受到纤维基质在炉内加工过程中形成的预应力的作用，在硬化后能够承受动态的压力和拉力，利用了良好的自阻尼性能，例如花岗岩的自阻尼性能，能够快速减弱系统中的自然振荡。花岗石的密度其实还没有铝的高，在使用了纤维之后成为一种高科技材料，其抗压强度可与钢材媲美，而拉伸稳定性方面的不足则可以薄薄的一层预应力碳纤维加以补充。而且花岗石在地球上大量存在，几乎每个国家都可开采得到。因为日后可能使用大气中的二氧化碳来制造碳纤维，所以可开发出的材料不仅在生产过程中需要的能源较少，还可能在木材之前固定大气中的碳。气候方面的研究已将碳确定为地球气候变化的一个重要原因。
因为花岗石和其他石材虽然吸水但却具有防霜冻的能力，因此在极度低温环境下仍能保持稳定。在耐久性方面，真的很难找到比花岗岩或玄武岩更好的材料了。如果一开始无法找到足够的花岗岩，暂时也可使用预应力纤维加强的混凝土板，纤维也可以与混凝土相混合。
另外，使用太阳能板，这种轨枕还可用于发电。生产的电能可通过轨道直接与电网相连。
要进行发电，可将太阳能板直接或通过支架安装到石材的表面。一般而言，目前市售的薄膜模块与之前的技术相比更具成本效益，可在局部涂以胶水直接安装到石材表面，也可利用轨枕之间的空间，使用适当的支架安装。
轨道本身可充当电线，而太阳能板通过正负极直接与轨道连接。
也可使用中空或槽形轨枕，以减轻重量或形成电缆槽，用于通过监控或通信电线。
具体实施方式
图1描述了本发明的众多可能的实施例之一。图1是一幅侧视图，显示了一块15cm厚的花岗岩板1，通过纤维基质2与上盖板3和下盖板4连接在一起。塑料肋板7作为一种桥状结构，通过固定螺栓5与板状复合石材1-4连接在一起。绝缘肋板7支撑轨道8，并通过夹件6以及固定螺栓5收紧，以向下的预加张力固定轨道。轨枕自身位于碎石道床9中。
图2显示了图1本体的F-F截面图，显示了一块15cm厚的花岗岩板1，通过纤维基质2与上盖板3和下盖板4连接在一起。塑料肋板7作为一种桥状结构，通过固定螺栓5和塑料膨胀管6与板状复合石材1-4连接在一起。绝缘肋板7支撑轨道8，并通过固定螺栓5的卡子9收紧，以向下的预加张力固定轨道。
在上部石盖板经抛光的表面通过支架11安装了薄膜太阳能板10，必要时可安装后通风装置。
在未找到并开采足够的石料前，可暂时使用混凝土制作此等轨枕。如使用混凝土，纤维最好与混凝土相混合。
在图3中，图1所示的本体以F-F截面显示，且轨枕1为一种具有内腔12的中空型轨枕。
图4显示了图1中所示的本体，只是轨枕为中空型轨枕，图5显示了F-F的截面图，而且空腔的开口侧被从侧面填充了铁路碎石9。
Claims (17)
1.一种具有平坦或弯曲陶器横梁的装置，其特征在于，所述陶器横梁位于所述装置的上部或底部或两侧和/或中心部位，由纤维加以稳定，以防止其损坏，或由一层或多层作为盖板层加以保护，由纤维作为夹层，整个复合装置设计用于作为铁路轨道的轨枕。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，石材板两侧均使用陶器板覆盖，并使用纤维基质作为夹层。
3.如权利要求1和2所述的装置，其特征在于，将具有稳定作用的纤维，即玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维、聚芳基酰胺纤维、天然纤维(例如，亚麻、大麻、玉米、棉花、木材、竹子或其他天然纤维，必要时经碳化的植物纤维)、钢纤维和其他纤维，或这些纤维的混合物，如陶器材料为天然石材，使用多层树脂粘结到陶器材料；如为水泥基陶器，直接与水泥相混合。
4.如权利要求1到3所述的装置，其特征在于，树脂基质，例如环氧树脂、热塑性树脂和合成树脂，使用藻类这样的可再生植物材料制成。
5.如权利要求1到4所述的装置，其特征在于，石材为天然花岗岩或其他天然石材，如花岗岩、大理石、玄武岩、砂岩、板岩或石材，例如混凝土、树脂粘结的石英或岩粉或陶瓷或其他陶器。
6.如权利要求1到5所述的装置，其特征在于，纤维稳定的石板的纤维基质中在不同的层包含不同的纤维。
7.如权利要求1到6所述的装置，其特征在于，纤维基质的膨胀系数小于待稳定石材的膨胀系数。
8.如权利要求1到7所述的装置，其特征在于，纤维复合物层的内部保持有预张力。
9.如权利要求1到8所述的装置，其特征在于，石板的外表面经过抛光或打磨，确保通过不同的孔隙率水平，得到不同的吸水行为和光学特征。
10.如权利要求1到8所述的装置，其特征在于，板材的表面或两块轨枕之间的空间或上述两者均被太阳能板所占用。
11.如权利要求1到10所述的装置，其特征在于，太阳能板具有一个支架，通过支架可更换太阳能模块以进行维修。
12.如权利要求1到11所述的装置，其特征在于，太阳能模块被牢固地粘结到石板表面，无法在不损坏的情况下拆下太阳能板。
13.如权利要求1到12所述的装置，其特征在于，在纤维稳定的上层石材下安装有换热器。
14.如权利要求1到13所述的装置，其特征在于，在轨枕上安装了喷水管，而石材表面最好为深色或黑色，在阳光的照射下，这样的喷水管具有蒸发冷却的作用。
15.如权利要求1到14所述的装置，其特征在于，在轨道和轨枕之间放置一块肋板，以塞入石板孔中的插头固定，必要时可将轨道与轨枕之间保持绝缘。
16.如权利要求1到15所述的装置，其特征在于，太阳能板以电气方式与两根铁路轨道相连，铁路轨道作为正负极输送电流。
17.如权利要求1到15所述的装置，其特征在于，中央本体内部完全中空，形成一个管道，或部分中空或形成一个封闭或部分封闭的空腔，空腔内部分或完全填充了碎石。
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