玻纤增强聚氨酯轨枕在轨道交通领域中的应用

就像汽车进入新能源时代一样，轨道交通正沿着汽车制造行业相同的路径——高速化、安全化、轻量化、环保化的新发展趋势——开启新的生命周期。

为了应对这些发展趋势，不断增加的列车速度和重载轴载使得机车对轨道的振动强度加大，相应地对轨道几何形位、结构部件的破坏风险加大。如砟轨道的道床板结和道砟的速度粉化，使轨道使用寿命缩水，加大了维修力度。而传统的木枕易腐蚀、断裂，使用寿命短，维修养护难。混凝土轨枕重量大、施工难、列车通过时振动大，已不适合大跨度桥梁。

另一方面，铁路车辆在运行过程中会产生滚动噪声和振动。这是由于车轮和轨道运行表面的粗糙度和不平衡造成的。众所周知，钢轨上的表面缺陷，例如封头、波纹和滑波是最常见的干扰源。通过空气和建筑结构传播时，严重危害人体健康，尤其是城市和周边乡镇，因此采取隔音降噪工程是十分必要的。

△ 图源：KRAIBURG PuraSys GmbH & Co. KG

根据材料属性不同，枕木可分为木制枕木、钢筋混凝土枕木、钢制枕木以及聚氨酯枕木等，近年来，随着列车提速要求提升，以及高分子材料学研究深入，玻纤增强聚氨酯微孔弹性体枕木成为枕木行业发展新趋势。被不断加速的轨道系统所采纳，为什么铁路系统偏偏相中这厮？

玻纤增强聚氨酯泡沫

国内外既有案例验证，提高轨道寿命和增加维护间隔的一种方法是在轨道过渡处减少两个轨道结构之间的差异沉降，聚氨酯弹性垫层被用来加固道碴，是降低轮轨相互作用、减缓道砟粉化、减少轨道养护的有效实践路径。同时为了降低铁路噪音，铁路阻尼器在全球范围内被铁路网络公认为符合噪声立法和环境规划法规的一种方法。聚氨酯硬质泡沫弹性垫层是卓越的轨道阻尼器，旨在降低铁路机车车辆产生的噪音，被容易地安装到现有的和新的轨道系统上，所以：

l  硬质聚氨酯泡沫增强道砟比传统无增强道砟沉降量减少60%，对于半增强层的沉降减少了 42%；

l  聚氨酯减震材料在100~400 Hz范围内有明显的降噪效果；

l  在超过 30-50 年的设计寿命中具有出色的保持其弹性和几何形状的能力。

△ 聚氨酯泡沫合成轨枕

聚氨酯硬泡合成轨枕，是由连续玻璃纤维增强聚氨酯发泡拉挤成型工艺制备而成的新型复合轨枕，具有低热膨胀系数和导热系数，高抗震、抗压、抗拉和抗弯强度。复合枕木即使在长期恶劣的天气条件下也能保持良好的电绝缘性和稳定性。

△ 图源：Bayer

聚氨酯硬泡合成枕轨具有两种型号产品，分别为HFFP型铁路钢桥用复合材料桥枕和FFU型一次成型合成轨枕，基于以上强大的性能，可用于城市轨道交通、普通铁路和重载铁路钢桥及道岔区等地段。相比于木制枕木、钢筋混凝土枕木等，聚氨酯泡沫合成轨枕具有显著的减震降噪、持久耐用、低碳环保、性价比高的新时代特性，综合起来对铁路系统的重大作用有：

l  推进轻量化

l  优异的力学性能、弯曲强度与剪切强度

l  低吸水率、高耐候、耐化学腐蚀

l  绝缘性好、绝缘电阻高、无需设置绝缘垫板

l  减震降噪、减少二次空气传播的声音

l  保持轨道位置稳定性、延长产品寿命

l  提高行车舒适性和铁轨安全性、保护道床

l  降低铁路基础设施的维护成本和工作量

l  可进行开槽、打孔等二次加工

l  可回收，环境无污染

l  提高整个铁路系统的安全性

创新的应用场景

随着地铁、电车和轻轨基建的发展，聚氨酯弹性体枕木已成为解决城市交通问题的基本对策，满足了现代运输工具的使用需求，广泛应用于城市轨道交通、普通铁路、重载铁路、高铁正线、车辆段、道岔、桥梁等路段。聚氨酯合成材料在轨道交通上的应用主要集中在聚氨酯轨枕垫板、聚氨酯扣件垫板、聚氨酯枕木以及其他方面。以下是几种新的情景：

△ 玻璃纤维增强聚氨酯复合材料轨枕

Ø  轨道弹性枕垫、条状支撑、点支撑

聚氨酯硬泡沫用于轨道上部结构的弹性元件，以减少机械振动。当平铺在“平板轨道”（质量弹簧系统）时，或连接到板底和锥形灌浆孔时，出色的弹性结构支可减少结构传播和二次空气传播的噪音和振动排放。保护敏感的密封层免受压载石的损坏。

△ 图源：KRAIBURG Relastec

Ø  用于副镇流垫（副道砟垫）

聚氨酯硬泡用于轨道系统下的去耦和保护垫，以助力减少火车车轮随时间的反复冲击，在有砟轨道的情况下，使用寿命因较低且更均匀的负载而延长。同时，它们还保护工程结构和密封件。

△ 图源：RAIBURG PuraSys

Ø  底板垫

用作中间板，可增加轨道上部结构的弹性。轨道与地面分离，降低了作用在轨道和紧固系统上的高动态力。阻尼性能消除了轨道表面的任何不规则之处，实际上消除了行驶中列车的典型隆隆声。通过减少振动来保护相邻的建筑物和居住区。

Ø  矢量嵌入式轨道系统

微孔聚氨酯泡沫聚合物导轨防护罩，没有空隙空腔，作为嵌入式导轨系统提供了调整导轨防护罩的轮廓和材料密度的机会，以提供牢固的横向支撑和低垂直刚度的最佳组合，以增强振动衰减。

△ 图源：特瑞堡

不断壮大的应用推广

其实聚氨酯硬泡沫用作合成轨枕已不是新鲜事了，在国际市场上，日本、欧洲、北美等国家和地区聚氨酯枕木市场发展较为成熟，在日本，聚氨酯枕木己经三十多年的光荣历史了。相比于成熟的欧洲以及日本市场，我国聚氨酯枕木市场起步正乘风而上。

截止到2021年底，中国高速铁路运营突破4万公里。随着轨道交通市场迅猛发展以及环保监管日益严格，高铁与城市轨道交通行业高速化、安全化、轻量化发展趋势显现，聚氨酯枕木取代木质枕木、钢筋混凝土枕木或将成为今后枕木行业发展新方向。

Ø  应用于城市轨道交通

针对中国铁路过去使用的轨枕（混凝土、木枕）易开裂、寿命短、维修难的问题，国内一些深耕聚氨酯板块的材料生产商已开发出玻璃纤维增强发泡聚氨酯制成的合成树脂轨枕。兼顾了混凝土、木枕的所有优点，同时强化了自己的优势：重量轻，较混凝土轨枕减重约80%；强度高，保持轨距性能好；耐耐酸、耐碱、耐盐雾、紫外线，湿热老化性能好；绝缘、阻燃、防虫害；全寿命周期综合成本低等。目前，已在北上广深以及重要的轨道交通大规模运行的城市得到了较好推广。

△ 正在生产中的玻纤增强聚氨酯轨枕。缓发泡控制技术、阶梯升温固化技术，实现产品发泡固化段阶梯控温，解决了内部开裂问题 图源：洛阳科博思新材料科技有限公司

Ø  应用于桥枕

目前，聚氨酯复合桥枕服务于国内多地的公铁桥段。采用玻璃纤维增强发泡聚氨酯合成的复合桥枕，支撑系统均匀分布火车在一段轨道上行驶时产生的物理力和振动，保证了列车的安全性，对减震降噪起到良好效果。这种新型桥枕使用寿命长达50年，相对传统铁路桥枕15-20年的寿命提高了近3倍。

△ 一桥梁完成复合材料轨枕更换完成。铁路钢梁用聚氨酯合成枕轨复合HFFP复合材料桥枕护标准，为旧路线改造升起提供了便利。 图源：株洲时代新材料科技股份有限公司

Ø  应用于高寒冻土公铁路基

多年冻土和季节冻土地区修筑铁路、公路时，必须采取相应的防冻措施，以免路基因冻胀或融沉损坏而造成巨大损失。冻土路基用聚氨酯合成材料已成为国家标准推广于冻土地区公路、铁路路基，尤其针对青藏线、滇藏线、川藏线等高寒高海拔地区公路和铁路路基。在高海拔地区的城市和乡村，连续玻璃纤维增强聚氨酯合成枕轨耐气候性强、抗断裂和常年高寒，作为振动保护敏感的密封层免受压载石的损坏，满足冻土地区路基工程均匀一致性的技术要求，能够耐受高原地区强紫外线照射，以及区域土壤和施工过程所接触油类的浸渍。

△ 聚氨酯路基板在京沈线朝阳段进行路基防护试验 图源：红宝丽

Ø  应用于欧洲铁路系统

在人口稠密的城市地区，新的公共交通网络发展迅速，这种噪音污染已造成了长期的困扰。十年前，欧洲铁路基建公司 Edilon Sedra 就选择和 Huntsman 展开合作，开发聚氨酯聚合物泡沫弹性垫应用于城市交通网络以减少噪音。这种泡沫作为铁路轨道和轨道之间的“紧固和缓冲机制”。可帮助分散列车运行时带来的各种压力和震动力，从而减少火车经过时巨大的隆隆声干扰，进而增加铁路枕木的生命周期并降低维护成本。这种产品在铁路、有轨电车和地铁公司等客户那里深受欢迎。

△ 图源：SEKISUI

近年来，积水化学株式会社在荷兰开设一家生产工厂，用于生产由长玻璃纤维增强泡沫聚氨酯制成的铁路轨枕用合成木材，以更好的服务欧洲市场。这种聚合物使轻巧，同时具有优良的耐用性、耐候性和可加工性。这将使其FFU铁路轨枕的生产能力比现在扩大1.8倍，并通过消除从日本到欧洲的运输，显著缩短交货时间。聚氨酯部门不断增长的海外市场需求使得SEKISUI在欧洲以及其他地区筹建新的生产工厂，以适应基础设施的改造升级需求。

△ 东京新干线上的FFU 图源：KOMAT Koller Korrosionsschutz GmbH

本文由中国复合材料工业协会收集自网络，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流。