玄武巖纖維在鐵路軌道工程中的應用與發展趨勢

徐 浩 曾永平 蔡文鋒 楊吉忠

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

1 玄武巖纖維的應用情況

玄武巖是一種基性噴出巖，體積密度為2.8～3.3 g/cm3，抗壓強度可達300 MPa。玄武巖的化學組成一般為SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、FeO、TiO2、K2O、Na2O等及少量雜質，其中SiO2的含量最高，一般含量在45%～52%之間。以格魯吉亞玄武巖為例，其化學組成如表1所示。

表1 格魯吉亞玄武巖化學組成表

玄武巖纖維是以天然玄武巖為原材料，經過高溫熔融后拉制而成的纖維[1-2]，其物理、力學性能如表2所示。作為一種新型的纖維材料，玄武巖纖維具有綠色環保、力學性能優良、復合能力強、化學穩定性好、電絕緣性能強、聲絕緣性好等顯著優點，可廣泛應用于國防軍工、航天航空、土建工程、海洋工程等領域[3-6]。

表2 玄武巖纖維物理、力學性能表

目前，應用于交通土建的玄武巖纖維產品主要有玄武巖纖維混凝土、玄武巖纖維復合筋、玄武巖纖維織物/復合材等。玄武巖纖維混凝土是在普通混凝土中摻加短切玄武巖纖維而成，具有良好的耐酸、耐堿和耐水性，吸水率僅為0.2%～0.3%，同時具有很強的抗沖擊性能和良好的動態能量耗散性能。玄武巖纖維混凝土的合理摻量范圍較低，同時與水泥基材料的粘結性能有待提高。以C60混凝土為例，玄武巖纖維混凝土與素混凝土的性能對比如圖1所示，可見玄武巖纖維混凝土的強度隨玄武巖纖維摻量的增大先增大后減小，因此玄武巖纖維混凝土存在一個合理的纖維摻量范圍[7]。

圖1 玄武巖纖維力學性能試驗結果圖

玄武巖纖維復合筋是將玄武巖連續纖維通過拉擠成型的一種新型復合材料，與普通鋼筋相比，具有高強度、高絕緣性、輕質量、耐腐蝕等優勢，玄武巖纖維復合筋的強度約為普通鋼筋的2倍，彈性模量為40 GPa，密度約為普通鋼筋的1/4，玄武巖纖維復合筋與普通鋼筋的對比如表3所示。由于高分子材料本身特性的影響，玄武巖纖維復合筋與水泥基材料的粘結度沒有普通鋼筋好。玄武巖纖維布具有很大的抗拉強度，可粘結在混凝土表面用于結構補強及加固。

表3 玄武巖纖維復合筋與普通鋼筋的性能對比表

由于玄武巖纖維及其復合材料具有高強、高耐久性、溫度適應范圍廣等顯著特點，在道路工程、隧道工程、建筑工程、巖土工程和市政工程等交通土建工程中已有應用實例，如河北張石高速公路行唐縣西陽莊大橋的南北兩端，采用玄武巖纖維復合筋增強路面，開發了連續配筋施工技術，實現了真正的無焊接接點，減少水泥路面板塊的收縮裂縫，同時也解決了北方冬雪天氣時，高速路面除冰鹽對鋼筋的腐蝕問題，提高了高速公路路面的質量和耐久性。2007年，蘭州地震局采用玄武巖纖維復合筋取代鋼筋用于天水地震臺建設工程，解決了地震臺建筑材料無磁性的要求。2016年成都綠地中心基坑邊坡采用了玄武巖纖維增強筋，可解決傳統鋼筋錨桿易腐蝕的問題。玄武巖纖維混凝土的耐候性強于普通混凝土，天津市利用玄武巖纖維混凝土管道對污水處理系統輸水管道進行了優化。

鑒于玄武巖纖維產品的優點及其在交通土建工程中的應用現狀，考慮鐵路軌道結構及相關部件都是水泥基材料，因此玄武巖纖維在鐵路軌道工程的應用值得研究。

2 玄武巖纖維在鐵路軌道中的應用現狀

鐵路軌道主要是由鋼筋混凝土材料組成的復合結構物，承受反復的列車荷載、環境荷載和腐蝕環境作用等耦合荷載，對鐵路軌道結構的強度、抗沖擊、抗裂、耐腐蝕等都提出了較高的要求。玄武巖纖維的優點正好與鐵路軌道工程結構的上述要求契合，因此相關研究人員開始研究玄武巖纖維在鐵路軌道中的應用。

玄武巖纖維在鐵路軌道工程中的應用目前正處于起步階段，在鐵路軌道的軌枕和軌道板上進行了應用初探。胡顯奇[8]等研究了玄武巖纖維用于鐵路軌枕和軌道板的可能性，測試了摻玄武巖纖維后混凝土構件的力學性能、工作性和耐久性，并試制了兩塊玄武巖纖維混凝土軌道板應用于武廣客運專線試驗段，目前應用效果良好，結果表明：以普通硅酸鹽水泥替代超細水泥的混凝土配合比可以達到無砟軌道結構混凝土早期強度的要求，摻加玄武巖纖維摻合料可進一步提高其抗折強度及強韌性，同時不破壞軌道絕緣性能。楊堃[9]也對玄武研纖維軌枕的性能、制造等進行了闡述，認為玄武巖纖維軌枕具有更好的耐久性、絕緣性和彈性。黃欣[10]等針對CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板，設計了玄武巖纖維復合筋軌道板，并測試了玄武巖纖維復合筋與混凝土的粘結能力和抗彎性能。楊洋[11-16]等針對無砟軌道軌道板的絕緣性能要求，提出了采用玄武巖纖維復合筋替代普通鋼筋，并測試了玄武巖纖維復合筋軌道板的絕緣性能、力學性能和疲勞性能，認為玄武巖纖維復合筋軌道板能滿足軌道電路和力學性能要求。馮照平[17]等對玄武巖纖維復合筋無砟軌道板進行了數值仿真和試驗驗證研究，認為玄武巖纖維復合筋軌道板具有較好的延性和承載能力。陳鯉波[18]則研究了玄武巖纖維布和纖維復合筋在高速鐵路人行道蓋板中的應用，并測試了含玄武巖纖維布和纖維筋人行道蓋板的強度。

近年來，隨著玄武巖纖維產業的快速發展，針對玄武巖纖維材料本身出臺了一些標準，然而玄武巖纖維在鐵路中的應用目前尚無專門的技術標準，僅在TB 1042-2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》中規定應對纖維的雜質含量、長度、直徑、長徑比、抗拉強度、彈性模量等指標進行檢測。

3 玄武巖纖維在鐵路軌道中的應用前景及存在問題

鐵路軌道不僅直接承受列車動荷載，還承受溫度、雨水、紫外線等環境荷載，為保證信號的傳輸，鐵路軌道還需具有絕緣性能。然而，鐵路軌道在服役過程中出現了諸如混凝土開裂、絕緣性能降低等病害，為此國內外研究人員一直在探尋解決上述問題的措施。根據我國中長期鐵路網規劃，到2025年，鐵路網規模將達到17.5萬km，其中高速鐵路里程將達到 3.8萬km，因此玄武巖纖維及其制品的優異性能，在鐵路軌道的混凝土及復合材料制品中具有廣闊的應用前景。

玄武巖纖維混凝土具有高強度，良好的抗沖擊性能、動態能量耗散性能，同時還可以減小溫度荷載產生的裂縫寬度，有利于提高無砟軌道構件耐久性，增強軌道結構整體剛度，可利用玄武巖纖維混凝土制造混凝土軌枕或合成軌枕、軌道板、道床板和底座板。玄武巖纖維還具有耐高溫、耐腐蝕、耐生物侵蝕等性能，玄武巖纖維布可用于無砟軌道的養護維修及加固，降低環境對無砟軌道材料的影響，延長無砟軌道的服役壽命。

玄武巖纖維具有良好的電絕緣性能，采用玄武巖復合鋼筋代替軌道板和道床板內的鋼筋，可提高軌道的電氣絕緣性能[19]。為了提高扣件系統的耐久性和電絕緣性能，采用加玄武巖纖維的聚酰胺材料可提高軌距擋板的絕緣性能，因此可利用玄武巖纖維摻加其他復合材料生產扣件系統零部件，從而提高扣件系統的耐久性和絕緣性能。

盡管玄武巖纖維在鐵路軌道工程中具有良好的應用前景，但仍存在如下問題：

(1)基礎研究嚴重缺乏

無論是玄武巖纖維混凝土，還是玄武巖纖維復合制品，要應用于鐵路軌道工程均需開展相關材料與構件的基礎研究工作。盡管目前各高校和企業針對玄武巖纖維混凝土和玄武巖纖維復合筋開展了一些基礎研究，但不夠全面，應在研究玄武巖纖維材料、玄武巖纖維混凝土和玄武巖纖維復合制品的基本性能和耐久性的基礎上，開展玄武巖纖維改性與復合材料優化研究并開展構件的基本力學性能和耐久性研究，奠定玄武巖纖維及其混制品的理論基礎，建立理論體系。

(2)玄武巖纖維在鐵路軌道中的應用研究處于起步階段

鐵路軌道工程作為支撐列車安全運行的基礎，服役環境復雜多變，在開展玄武巖纖維在鐵路軌道工程中的應用研究時，應充分考慮鐵路軌道工程的受力特點和服役環境，如列車重復荷載、溫度、環境侵蝕等耦合荷載作用及無砟軌道板的電氣絕緣性，從微觀、細觀和宏觀不同維度，對玄武巖纖維及其復合材料力學性能(移動、沖擊、疲勞荷載作用等)、耐久性能(高溫、低溫、水損壞、凍融等)等基本性質開展系統深入研究，建立適用于鐵路軌道工程的設計理論和方法。

(3)尚無針對鐵路軌道工程的玄武巖纖維標準體系

目前現有的玄武巖纖維標準僅針對材料本身，且嚴重缺失。在鐵路軌道工程中使用玄武巖纖維材料及相關產品，必須建立相關行業的設計、施工、檢測驗收及運營標準，目前此部分標準尚屬空白。

4 結論

玄武巖纖維及其混制品具有高強度、耐腐蝕等優異性能，目前在國防軍工、航天航空、土木建筑工程等領域應用，但在鐵路軌道工程中的應用還處于起步階段。本文總結了玄武巖纖維及其混制品在鐵路軌道工程的應用現狀及存在的不足，為滿足玄武巖纖維及其混制品在鐵路軌道工程中的應用，應從以下幾個方面開展研究：

(1)加強玄武巖纖維及其混制品的基礎理論研究

玄武巖纖維及其混制品已在鐵路軌道工程中有了應用初探，但基礎理論研究嚴重滯后。為科學應用玄武巖纖維及其混制品，應加強玄武巖纖維及其混制品在不同荷載、環境下的基本力學性能研究，完善玄武巖纖維及其混制品理論體系。

(2)加強應用研究

結合鐵道軌道工程的受力特點和服役環境，開展玄武巖纖維及其混制品的力學性能、結構設計理論和設計方法研究，并進行試驗驗證，確保玄武巖纖維及其制品滿足鐵路軌道工程的應用要求。

(3)加快標準體系建立

產品的應用必須有相關標準作為指導，因此應結合鐵路軌道工程的特點，盡快建立適用于鐵路軌道工程的玄武巖纖維及其混制品標準體系，從而指導玄武巖纖維及其制品的應用。