张 勇 刘 志* 张 彬 赵微微 郝林栓 贾积恒

(1.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司 北京 102200) (2.铁科腾跃科技有限公司 河北石家庄 052360)

玻纤增强发泡聚氨酯(Fiber reinforced Foamed Urethane，FFU)合成轨枕由连续玻璃纤维和聚氨酯树脂经发泡拉挤工艺制备而成，主要应用于铁路钢桥明桥面和城市轨道交通，FFU合成轨枕技术的引入是为了解决木枕易腐蚀和开裂、使用寿命短、道钉抗拔力和轨矩保持性能差、优质木材逐年减少的问题。日本于20世纪80年代首次生产了密度相对较低的FFU合成轨枕。我国近几年在FFU合成轨枕的基础上，通过提高产品密度和纤维含量，改进轨枕的结构形式及生产工艺，开发出铁路钢梁用复合材料(HFFP)桥枕，其综合性能得到大幅度提升[1-2]。

本文介绍了聚氨酯泡沫合成轨枕的性能特点和发展，并从工艺控制上探讨了聚氨酯泡沫合成轨枕的生产技术。

1 聚氨酯泡沫合成轨枕发展历程及现状

国内外研制的复合材料轨枕种类很多，投入商业化应用的目前只有聚氨酯泡沫合成轨枕和回收塑料轨枕两种，后者综合性能较差，而聚氨酯泡沫合成轨枕被认为是替代木枕最适合的材料。国内现有的聚氨酯泡沫合成轨枕一般分为城市轨道交通用FFU合成轨枕[3]和铁路钢梁用HFFP桥枕[4]。

FFU合成轨枕最先由日本开发成功，目前日本每年约铺设合成轨枕9万根。国内部分单位引进了国外技术和生产线，如积水(上海)环境科技有限公司将日本积水化学工业株式会社的技术引入国内，中船重工七二五所在日本技术基础上研制成功了国产FFU合成轨枕，并在广州和上海地铁上应用，均取得良好的使用效果[5]。由于FFU合成轨枕在道钉抗拔力、抗弯性能和疲劳性能达不到我国干线铁路现行标准要求，由铁科院组织研发了综合性能更优异的HFFP复合桥枕，可满足现行铁路设计规范最大速度200 km/h、最大轴重270 kN要求，已经在我国京沪三线K483+873桥、胶新线K286+562桥和陇海线K1562+448桥等多个铁路桥梁上应用，使用效果良好。HFFP复合桥枕于2018年通过铁路总公司技术评审，可在全国铁路推广应用。图1和图2为HFFP复合桥枕安装、产品及应用图。

图1 HFFP复合桥枕安装图

图2 HFFP复合桥枕产品及其在陇海线应用案例

2 聚氨酯泡沫合成轨枕的特点及性能

聚氨酯合成轨枕具有比木枕更高的抗弯曲强度、抗压强度及剪切强度，同时弹性模量与木枕接近，具有优异的力学性能和弹性。无论在低温还是高温下使用，均能表现出优异的力学性能，在自然条件下几乎无腐蚀，耐久性极好，使用寿命可达50年。在安装过程中，可以像加工木材一样，对合成轨枕进行二次加工，如刻槽、开孔等。如有破损或加工错误，可以进行修复后再使用。采用木材制作轨枕的过程中，为了提高其耐久性能，通常会使用杂酚油浸泡处理，以达到防腐效果，该化学物质为致癌物，欧盟已经禁止使用。聚氨酯合成轨枕的主要原料为聚氨酯树脂和连续玻璃纤维[6]，在生产过程中几乎无VOC排放，属环境友好型材料。采用聚氨酯合成轨枕的铁路线的行车安全性也比木枕高，这得益于其较大的道钉抗拔力和优异的握钉能力。在使用过程中，由于轨距保持性能好且电气绝缘阻抗高，无需考虑绝缘因素。虽然聚氨酯合成轨枕的价格较高，与木枕相比一次性投入较大，但使用过程中维护成本低，可减轻维护管理的负担，综合经济性好。聚氨酯合成轨枕尺寸可设计性强，能满足各种设计要求。

FFU合成轨枕和HFFP复合桥枕主要性能指标见表1。其中，FFU性能指标按照CJ/T 399—2012标准，HFFP性能指标按照TJ/GW 161—2018标准。

表1 聚氨酯泡沫合成轨枕性能指标

另外，对于耐久性，FFU合成轨枕要求紫外光照射1 000 h后，力学性能保持率≥70%；HFFP复合桥枕要求紫外、盐雾1 000 h、湿热720 h后，力学性能保持率≥80%。

3 聚氨酯泡沫合成轨枕的生产工艺和设备

聚氨酯泡沫合成轨枕连续拉挤生产工艺(图3)包含了集送纱、注胶浸润、模具固化、定长切割等几个主要过程。按照最终产品厚度可分为一体成型工艺和多层粘接成型工艺。一体成型工艺就是一次性拉挤出所需要的产品厚度，而多层粘接工艺则是根据产品最终厚度，先制备出薄片型材并对型材表面打磨，采用胶黏剂将2～4层该薄片型材进行粘接，制备出最终产品。

图3 聚氨酯泡沫合成轨枕生产工艺图

3.1 主要设备

与传统拉挤聚氨酯复合材料设备不同，聚氨酯泡沫合成轨枕的主要生产设备为聚氨酯高压发泡机和双履带(钢带)层压机，前者主要是将聚氨酯组合料进行混合并注射，实现玻璃纤维的均匀浸润；后者是连续牵引的同时进行模压固化。除此之外，还需用砂光机对制品进行打磨定尺，在确保尺寸的同时有利于涂装。对于多层粘接成型工艺，还需要压力机施加压力，确保层间粘接牢固。

3.2 工艺流程

3.2.1 多层粘接成型工艺

多层粘接成型工艺生产的板材截面积较小，一般为(230±10) mm×(70±10) mm，产品密度为740 kg/m3时，需要的玻璃纤维数量为600～800根。玻璃纤维通过导纱装置进入浸胶槽，高压发泡机将聚氨酯组合料均匀地注射到玻璃纤维表面，并由人工或机械揉搓的方式使玻璃纤维得到充分的浸润，此过程为开放式浸胶。浸润后的玻璃纤维进入双履带层压机模腔中，在(60±20)℃的温度下发泡固化成型，再依次经过自动切割机定长切割、砂光机打磨定厚、结构胶粘接并压合固化、侧面定宽打磨和表面涂装制备而成。此工艺生产效率低，且多层粘接存在开裂风险，有被一体成型工艺取代的趋势。

3.2.2 一体成型工艺

一体成型工艺制备的合成轨枕截面积相对较大，宽度为230～300 mm、厚度为140～300 mm。该工艺需要的玻璃纤维数量较多，例如常规截面尺寸230 mm×140 mm、密度740 kg/m3的FFU合成轨枕，需要1 200～1 500根玻璃纤维；而截面尺寸240 mm×240 mm、密度1 200 kg/m3的HFFP复合桥枕，则需要约4 500根的玻璃纤维，常规的导纱装置无法满足，需要进行特殊设计，纱房一般设置成双层或多层，并且同比例设置备用纱团，整个系统占地空间较大。在玻璃纤维浸润区域，采用封闭式浸润系统，无需人工辅助；由低频振动、超声、高压等装置集成的自动浸润系统可以减少劳动力，提高浸润效率，保证产品质量。浸润后的玻璃纤维有序进入双履带(钢带)层压机模腔中，连续拉挤固化成型。出模定长切割后，对表面进行打磨处理后涂装完成。该工艺自动化程度高，生产效率高且成本低，质量稳定。

3.2.3 一体成型技术的问题分析

首先，在聚氨酯固化过程中可能会出现烧芯现象，这是因为聚氨酯是热的不良导体，发泡过程内部温度过高，中心温度无法及时传导，导致中心区域材料炭化。可通过对聚氨酯配方的优化，调整反应速率及放热量，同时借助玻璃纤维对部分热量的吸收和传导，降低放热量，减少烧芯概率。

其次，合成轨枕出模后，内部会出现裂纹现象。这可能是因为产品出模前表面已固化，内部未完全固化，出模后模压消失，内部继续发泡产生应力；并且产品出模冷却过程中，内外温差较大，产生不同的收缩应力。可通过加长层压机的长度，保证出模前产品固化充分或调整聚氨酯后固化时间，在保持线速度的情况下，确保产品出模前完全固化。

一体成型工艺所需玻璃纤维数量是粘接成型工艺的3倍以上，浸润不充分的情况下会有干纱现象发生。可通过降低聚氨酯组合料的黏度，并且适当延长组合料起发时间来控制。更重要的是该工艺改进了浸润工艺，降低人工干预而产生的不确定性；另外工艺采用自动浸润装置，由相关的辅助浸润设备配合机械手，实现多层分散浸润，通常控制纱房温度为(25±2)℃，相对湿度低于50%。

4 展望

聚氨酯泡沫合成轨枕作为替代木枕的新型轨枕，具有轻质高强、弹性好和轨矩保持性能优良的特点，在我国已经形成了城市轨道交通用FFU合成轨枕和铁路桥梁用HFFP复合桥枕两个标准产品，均得到了广泛的应用。在生产技术上，逐渐由多层粘接成型工艺向一体成型工艺迈进，生产工艺的改进也更有利于聚氨酯泡沫合成轨枕综合性能的提升和更大范围的推广应用。我国既有铁路钢梁木枕保有量约55万根需要进行维修和替换，再加上逐年新修建的铁路钢桥，在未来5～10年期间，将为聚氨酯泡沫合成轨枕的规模化应用提升巨大的市场容量。