既有鐵路木枕替代材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

曾志斌（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081）

特稿

既有鐵路木枕替代材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

曾志斌1，2
（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

在世界各國(guó)鐵路軌枕中木枕所占比例約為90%。木枕容易腐朽和開裂，使用壽命較短，不能滿足車輛軸重日益增大、列車速度不斷提高、運(yùn)輸量日益增長(zhǎng)的需要，因此大量劣化和損傷的木枕需要更換，但是用于制作木枕的優(yōu)質(zhì)木材供應(yīng)量卻持續(xù)下降。采用雜酚油對(duì)木枕進(jìn)行防腐處理不僅污染環(huán)境，而且有害職工健康，因此研究木枕的替代材料成為世界各國(guó)鐵路部門的難題。盡管采用木材、混凝土、鋼等普通材料制作軌枕還是主流，但是復(fù)合材料軌枕逐漸受到世界各國(guó)重視。本文首先介紹采用復(fù)合材料加固既有木枕的研究現(xiàn)狀。其次重點(diǎn)介紹以長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)為代表的玻璃纖維增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯合成軌枕和以短玻璃纖維或無(wú)玻璃纖維增強(qiáng)的回收塑料復(fù)合材料軌枕，并簡(jiǎn)單介紹了其他形式的復(fù)合材料軌枕。最后指出軌枕的抗彎曲和剪切性能、握釘能力、黏結(jié)層的強(qiáng)度、耐久性、壽命周期成本是今后復(fù)合材料軌枕的研究重點(diǎn)。

木枕；替代材料；復(fù)合材料；玻璃纖維增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯合成軌枕；塑料復(fù)合材料軌枕

按照制造材料的不同，鐵路軌枕主要分為木枕、混凝土枕和鋼枕3種。目前世界上正式運(yùn)營(yíng)的鐵路里程約120萬(wàn)km，其中90%的軌枕為木枕，總數(shù)超過25億根。國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）對(duì)歐盟內(nèi)UIC成員國(guó)不同鐵路軌枕占有率（大致覆蓋了歐盟鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的70%）的調(diào)查結(jié)果［1］顯示，木枕、混凝土枕、鋼枕占全部軌枕數(shù)量的百分比分別為48.9%，46.9%和4.2%。根據(jù)2013年《中國(guó)鐵道年鑒》［2］統(tǒng)計(jì)，我國(guó)全路在線軌枕23 899.0萬(wàn)根，其中木枕1 382.8萬(wàn)根，約占5.8%，混凝土枕20 224.9萬(wàn)根，約占84.6%，其他枕2 291.4萬(wàn)根，約占9.6%；正線軌枕17 358.8萬(wàn)根，其中木枕277.5萬(wàn)根，約占1.6%，混凝土枕15 571.3萬(wàn)根，約占89.7%，其他枕1 510.0萬(wàn)根，約占8.7%。盡管木枕的使用歷史悠久且優(yōu)點(diǎn)突出，但是其容易腐朽和開裂等缺點(diǎn)也很明顯，而且優(yōu)質(zhì)木材資源日益稀缺，因此研究木枕的替代材料，以更換大量劣化的木枕，是擺在世界各國(guó)鐵路部門面前的難題。國(guó)內(nèi)外對(duì)采用耐久性更好、強(qiáng)度更高、經(jīng)濟(jì)適用的材料替換劣化和損傷的木枕進(jìn)行的研究和試用主要集中在：①繼續(xù)使用普通軌枕材料，如人工林木材、鋼和預(yù)應(yīng)力混凝土；②采用復(fù)合材料加固既有鐵路木枕；③采用復(fù)合材料（如聚合物混凝土、增強(qiáng)塑料、橡膠和纖維復(fù)合材料等）制成軌枕。

1　鐵路木枕替代材料研究的必要性

木材是一種天然高分子材料，是人類最早應(yīng)用的材料之一。由于以木材為原料制成的木枕具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如形狀簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，彈性好，絕緣性能較好，容易制造和加工，與鋼軌的連接比較簡(jiǎn)便，運(yùn)輸、鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)維修方便等，故木枕一直在世界軌枕市場(chǎng)中占據(jù)顯著位置。但是木枕存在以下缺點(diǎn)：

1）木枕要消耗大量?jī)?yōu)質(zhì)木材，隨著資源日益匱乏，木材原材料供應(yīng)量逐漸減小，從而推高其價(jià)格。

2）制造木枕的木材種類和部位不同，其強(qiáng)度和彈性不完全一致，在機(jī)車車輛作用下會(huì)形成軌道不平順，增大輪軌動(dòng)力作用。

3）在列車荷載的長(zhǎng)期沖擊和碾壓下，木枕易受機(jī)械磨損，從而縮短其使用壽命，并引起線路的彈性不一致。

4）木枕上的道釘孔會(huì)因使用日久而松弛，持釘能力下降；木材有顯著的干燥收縮和遇濕膨脹特性，其變形會(huì)引起軌距和軌向發(fā)生變化，造成行車安全隱患。

5）隨著機(jī)車車輛軸重的增加、列車速度的提高以及運(yùn)量的增加，木枕的強(qiáng)度不足以長(zhǎng)期承受列車運(yùn)行帶來(lái)的巨大應(yīng)力。

6）在露天條件下受環(huán)境和氣候的影響，容易腐朽和開裂，甚至在軌枕中間形成空洞。

7）使用壽命較短，經(jīng)過防腐處理的木枕，使用壽命為15年左右。對(duì)于采用明橋面的鋼橋，在其設(shè)計(jì)使用期內(nèi)，需要多次更換木枕。

8）對(duì)木枕進(jìn)行防腐處理時(shí)化學(xué)防腐劑會(huì)影響自然環(huán)境和員工的健康。

9）盡管養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)單，但是工作量大。為了延長(zhǎng)木枕的使用壽命，需要定期對(duì)木枕進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，采用密封膠封堵裂紋，之后刷涂瀝青。

10）在工廠制造或現(xiàn)場(chǎng)加工（如鉆孔或鑿孔、開槽）過程中，新制木枕容易出現(xiàn)裂紋等缺陷，從而降低木枕的成品率。

按照木枕防腐的工藝要求，木枕必須進(jìn)行高壓油倉(cāng)注油處理?，F(xiàn)在我國(guó)木枕的質(zhì)量參差不齊，不僅存在浸油深度不夠的現(xiàn)象，甚至有些木枕僅僅在表面刷涂了瀝青。另外，還存在尺寸不符合規(guī)范要求的現(xiàn)象。

當(dāng)存在缺陷或者質(zhì)量不合格的木枕投入實(shí)際使用，其劣化速度會(huì)加快，從而增加養(yǎng)護(hù)維修工作量，且使用壽命縮短，即縮短木枕的更換周期。多次更換木枕不僅需要反復(fù)投入人力、物力和財(cái)力，而且會(huì)增加軌道系統(tǒng)的壽命周期成本。

另一個(gè)日益嚴(yán)重的問題是使用化學(xué)防腐劑處理木枕對(duì)環(huán)境和健康的影響。例如，瑞典曾對(duì)鐵路木枕中雜酚油含量與歐盟有關(guān)危險(xiǎn)廢物的條款進(jìn)行過比較研究［3］，歐盟甚至通過立法嚴(yán)格限制使用雜酚油或用雜酚油處理過的木材［1］。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，木枕需要采用特定的處理程序進(jìn)行化學(xué)防腐，甚至將逐步被廢除和更換。

一方面，木枕的保有量巨大，每年都需要更換大量劣化和損傷的木枕。例如，澳大利亞鐵路每年有超過250萬(wàn)根木枕需要維修；印度每年更換約700萬(wàn)根木枕；德國(guó)約1 100萬(wàn)根木枕需要更換［4］；根據(jù)美國(guó)運(yùn)輸部路面運(yùn)輸委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，2012年美國(guó)一級(jí)鐵路更換和增添木枕約1 585萬(wàn)根，約占全部5億根軌枕數(shù)量的3.12%［5］。另一方面，現(xiàn)在全世界鐵路部門都面臨著的最大難題是用于鐵路木枕的優(yōu)質(zhì)木材供應(yīng)量持續(xù)下降。因此，亟需研究鐵路木枕的替代材料。

2　繼續(xù)使用普通軌枕材料

2.1木枕

國(guó)外許多鐵路基礎(chǔ)設(shè)施公司長(zhǎng)期致力于采用混凝土和鋼替換既有鐵路軌道上的木枕，但是在鐵路軌道的維修和施工中超過90%的軌枕還是木枕，采用新木枕替換舊木枕在短期內(nèi)更經(jīng)濟(jì)可行或者更方便。僅僅在2006年，澳大利亞昆士蘭鐵路公司就購(gòu)買了8萬(wàn)根木枕用于軌道維修。長(zhǎng)期以來(lái)，北美一直以木材作為生產(chǎn)軌枕的主要原材料，盡管近些年一些鐵路公司在部分運(yùn)營(yíng)線路上鋪設(shè)混凝土軌枕及其他類型軌枕，但木枕仍然占據(jù)絕大部分。根據(jù)美國(guó)鐵路軌枕協(xié)會(huì)（Rail Tie Association，RTA）統(tǒng)計(jì)，美國(guó)木枕的采購(gòu)量始終保持高水平，2014年北美鐵路購(gòu)買軌枕總數(shù)達(dá)到2 336.6萬(wàn)根，比2013年增長(zhǎng)2.2%，以保證鐵路公司新建鐵路和既有線改造工程建設(shè)，以及線路維修更換軌枕的需求［6］。近年來(lái)，北美木枕制造商致力于擴(kuò)大生產(chǎn)能力和提高產(chǎn)品質(zhì)量；鐵路公司積極采取措施開發(fā)有效的線路維修作業(yè)技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)木枕的保護(hù)和再利用，延長(zhǎng)其使用壽命；美國(guó)聯(lián)邦鐵路局（Federal Railroad Administration，F(xiàn)RA）組織開展改進(jìn)軌枕生產(chǎn)和維修問題的研究，制定了在運(yùn)營(yíng)作用影響條件下木枕的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)對(duì)措施。

美國(guó)曾經(jīng)對(duì)用雜酚油處理過的木枕與其主要替代材料（混凝土和塑料復(fù)合材料）制成的軌枕進(jìn)行過從生產(chǎn)到被廢止并處理的環(huán)境生命周期評(píng)估，內(nèi)容包括從軌枕的生產(chǎn)、服役、直到最終處理的全生命周期成本和生命周期影響評(píng)估（溫室氣體排放，化石燃料和水的使用，以及潛在造成酸化、煙霧、生態(tài)毒性和水體富營(yíng)養(yǎng)化的排放）。每種產(chǎn)品的比較限制在一個(gè)鐵路軌道功能單元（1.61 km）內(nèi)進(jìn)行。結(jié)果表明，使用雜酚油處理過的鐵路木枕使用了較少的化石燃料和水，對(duì)環(huán)境的影響比采用混凝土和塑料復(fù)合材料制造的同類產(chǎn)品低，只有富營(yíng)養(yǎng)化影響指數(shù)比塑料復(fù)合材料枕高［7］。澳大利亞溫室氣體辦公室也報(bào)道混凝土和鋼在生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放量比硬質(zhì)木枕高10～200倍。由于污染環(huán)境和容易引發(fā)癌癥，歐盟通過立法禁止使用雜酚油，因此國(guó)際鐵路聯(lián)盟的歐盟成員正在研究對(duì)木枕進(jìn)行防腐處理的替代產(chǎn)品。

鑒于大直徑原木日益緊缺，為了合理利用資源，美國(guó)曾研制過方螺釘二拼組合枕（Two Pieces Steel Doweled Laminated Crosstie，TPSDLC），即利用方鋼扭制而成的螺釘將預(yù)先鉆好孔并拼合在一起的一對(duì)方木組合起來(lái)，形成機(jī)械鉸拼枕［8］。美國(guó)還在20世紀(jì)70年代中期研制過定向結(jié)構(gòu)板層積復(fù)合枕（Oriented StrandBoardLaminatedCrosstie），又 稱 重 組 枕（Reconstituted Tie或Credrite Tie），或稱再生枕［9］。但是這2種技術(shù)都沒有推廣使用。隨著木材黏合技術(shù)的進(jìn)步，加拿大最近在研究采用低等級(jí)硬質(zhì)木材制作層積軌枕的技術(shù)，在疲勞荷載作用下，其破壞模式表現(xiàn)為層間粘接失效［10］。

所有這些現(xiàn)實(shí)和研究成果都表明，木材依然是替換劣化和損傷木枕的首選材料。但是，森林資源畢竟是有限的，遲早有一天適合制造木枕的優(yōu)質(zhì)木材資源會(huì)枯竭。為了彌補(bǔ)天然硬質(zhì)木材供應(yīng)量的不足，少數(shù)國(guó)家嘗試采用軟質(zhì)木材代替硬質(zhì)木材。軟質(zhì)木材大多來(lái)自種植園，并且是可再生資源，但是其不能像硬質(zhì)木材那樣抵抗軌距的擴(kuò)大和道釘孔的擴(kuò)大。另外，軟質(zhì)木枕也不能像硬質(zhì)木枕那樣有效傳遞荷載至道砟。澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)目前正在實(shí)施一個(gè)研究項(xiàng)目，對(duì)軟木進(jìn)行改造以適合制造鐵路軌枕，現(xiàn)已完成的一系列試驗(yàn)證明軟質(zhì)木材應(yīng)用于鐵路軌枕的可行性，但是這些軌枕只在輕質(zhì)的次要鐵路上試用。巴西也曾用土生土長(zhǎng)在巴西南部鐵路沿線的桉木處理后制造軌枕，桉木能就地連續(xù)再生，不至于因砍伐而破壞森林，但是巴西鐵路公司認(rèn)為桉木只是一種特殊的木材，不能充當(dāng)木枕的替代品［11］。最近巴西還在對(duì)采用重度達(dá)到9.9 kN/m3檸檬桉制成的膠合層積軌枕的性能進(jìn)行深化研究［12］。

目前我國(guó)只是在明橋面鋼橋上繼續(xù)使用新制木枕更換劣化和損傷的木枕。

2.2混凝土枕

混凝土枕的優(yōu)點(diǎn)是：材料來(lái)源較廣；能保證尺寸，使軌道彈性均勻，穩(wěn)定性好；不受氣候、腐朽、蟲蛀及火災(zāi)的影響，使用壽命長(zhǎng)；具有較高的道床阻力，有利于提高無(wú)縫線路的橫向穩(wěn)定性；養(yǎng)護(hù)工作量小，損傷率和報(bào)廢率比木枕低?；炷琳淼娜秉c(diǎn)是自重大、彈性差、更換困難等［13］。

混凝土枕因其經(jīng)濟(jì)性、較長(zhǎng)的使用壽命、較低的維修成本等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在國(guó)外鐵路上廣泛使用。我國(guó)鐵路在解放前和建國(guó)初期普遍采用木枕，20世紀(jì)50年代末、60年代初我國(guó)鐵路科技工作者開始研制并推廣使用混凝土枕，目前已遍及全國(guó)各條鐵路，占全部軌枕數(shù)量的百分比接近90%。而且，除明橋面鋼橋外，更換劣化和損傷的木枕幾乎全部采用預(yù)應(yīng)力混凝土枕。

我國(guó)曾于1984年開始研究在明橋面鋼橋上鋪設(shè)預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕的技術(shù)，并于1988年10月首次在長(zhǎng)大線上主梁中心距為2.4 m的沙河橋上鋪設(shè)了79根工字形截面預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕，之后又在湘桂線陽(yáng)江橋和東江橋以及南寧的心墟橋上鋪設(shè)了經(jīng)改進(jìn)后的預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕［14］。但是由于預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕的自重比木枕大、彈性比木枕差等原因，該技術(shù)沒有推廣使用。

2.3鋼枕

現(xiàn)代鋼枕已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的鋼枕，能夠應(yīng)對(duì)重載和不良軌道狀態(tài)。一些鐵路公司認(rèn)為，在新線路上鋪設(shè)鋼枕比混凝土枕或用雜酚油處理過的木枕更經(jīng)濟(jì)，鋼枕已經(jīng)在世界范圍的鐵路系統(tǒng)得到應(yīng)用，包括重載鐵路、一級(jí)鐵路、地方鐵路、短線鐵路、礦山、電氣化客運(yùn)專線等［15］。

巴西一度使用鋼枕來(lái)替代木枕，在鐵路主干線上安裝了大約9.5萬(wàn)根鋼枕。2002年巴西的一家地方鋼鐵工廠向鐵路和地鐵部門交付了15.2萬(wàn)根鋼枕。鋼枕的壽命期望值是50～60年，而用最好的木材或處理過的桉木制成的軌枕，在熱帶氣候環(huán)境下的使用壽命是15年。與木枕相比，使用鋼枕的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)量可節(jié)省20%，因?yàn)樗鼈兣帕械拈g距可以更大一些；重量比木枕和混凝土枕輕。從環(huán)境保護(hù)上講，鋼枕也十分有益，因?yàn)樗捎脧U鋼鐵冶煉制成，鋼枕報(bào)廢后可以廢鋼鐵的價(jià)格銷售或回爐重造。澳大利亞也開發(fā)了擁有世界聲譽(yù)的與鐵路鋼枕設(shè)計(jì)有關(guān)的技術(shù)。

但是鋼枕價(jià)格昂貴，且由于腐蝕問題而用量較少。另一個(gè)問題就是在移動(dòng)列車作用下，鋼枕的緊固孔附近容易產(chǎn)生疲勞裂紋。總體來(lái)說(shuō)，鋼枕不是劣化和損傷木枕的理想替代產(chǎn)品。

3　采用復(fù)合材料加固既有鐵路軌枕

復(fù)合材料是由2種或2種以上不同性能、不同形態(tài)的組分材料通過復(fù)合工藝組合而成的一種多相材料。它既保留了原組分材料的主要特點(diǎn)，又顯示了原組分材料沒有的新性能。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞性能好、破損安全性能高、阻尼減振性能好、加工工藝性好、各項(xiàng)異性和性能的可設(shè)計(jì)性、多種功能性等特點(diǎn)，最早用于軍事工業(yè)，此后，隨著玻璃纖維、樹脂基體和復(fù)合材料成型工藝等技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料不僅在航空航天工業(yè)，而且在各種民用工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，成為重要的工程材料［16］。復(fù)合材料在汽車、火車、輪船等交通工具中的應(yīng)用已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，復(fù)合材料的產(chǎn)品逐年增加，交通運(yùn)輸業(yè)用量所占的比例一直最大。在建筑工業(yè)中，復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于各種輕型結(jié)構(gòu)房屋、大型建筑結(jié)構(gòu)、建筑裝飾等。此外，利用碳纖維復(fù)合材料對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和修補(bǔ)近年來(lái)顯示出較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

復(fù)合材料在鐵路工務(wù)中的一項(xiàng)應(yīng)用是既有木枕的加固，即在木枕表面包裹纖維增強(qiáng)材料（包裹范圍僅限于鋼軌下方的部分木枕），或者在木枕下表面粘貼纖維增強(qiáng)材料。美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)研究了采用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物或GFRP（glass fiber-reinforced plastic）包裹木枕后的性能，結(jié)果表明GFRP-木梁的性能顯著改善；復(fù)合材料增加了木枕的剛度和極限承載力，同時(shí)減小了應(yīng)力，提供了堅(jiān)固的表面以抵抗軌墊板的切割和道砟的磨損。包裹GFRP也改善了木枕對(duì)潮濕的抵抗力［17-18］。美國(guó)位于科羅拉多州的運(yùn)輸技術(shù)中心（Trasportation Technology Center，Inc.，TTCI）于2005年對(duì)通過了3億t重載運(yùn)輸、采用玻璃纖維布包裹的42根實(shí)芯木枕和通過了1.25億t重載運(yùn)輸、采用玻璃纖維布包裹的8根帶金屬蓋板的木枕進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明采用玻璃纖維布包裹的木枕耐久性并不與預(yù)想的一樣，玻璃纖維容易受到損傷，必須另外配置金屬蓋板以改善其耐久性［19］。

澳大利亞的Humpreys和Francey對(duì)用纖維增強(qiáng)材料修復(fù)鐵路木枕進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明采用纖維增強(qiáng)材料加固處理后能顯著提高木枕的承載能力，但是也受到剝離應(yīng)力、水平剪切應(yīng)力和纖維復(fù)合材料層過早剝離的限制［20］。澳大利亞南昆士蘭大學(xué)還研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料岔枕的發(fā)展，上下表面為碳纖維層壓板的單板層積材（Laminated Veneer Lumber，LVL）包裹三向玻璃纖維。研究結(jié)果表明，盡管其替代鐵路軌枕的思路可行，但是作為木材的單板層積材還存在一些維護(hù)上的問題。木材是一種可生物降解的材料，需要持續(xù)的維護(hù)［21］。

4　復(fù)合材料軌枕的研究和應(yīng)用

復(fù)合材料除了在加固既有鐵路軌枕中得到應(yīng)用外，還可直接采用復(fù)合材料制成鐵路軌枕。目前國(guó)內(nèi)外的復(fù)合材料軌枕主要分為2大類［22］：①以長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料軌枕，如日本研制的聚合物合成軌枕（FFU）已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，印度和我國(guó)研制的玻璃鋼軌枕正在試用；②用短玻璃纖維或無(wú)玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料軌枕，如已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用的美國(guó)塑料軌枕。

4.1FFU（Fibre-reinforced Foamed Urethane）合成軌枕

FFU意思是纖維增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯，是由日本積水化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社開發(fā)的一種合成木材［23］。FFU合成木材是一種與天然木材特性相似的材料，與木材一樣容易處理和加工，而且具有和天然木材相近的質(zhì)量密度，但是比后者的使用壽命長(zhǎng)，其耐候性也較好［24］。FFU具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗腐蝕、防水、易于加工等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鐵路結(jié)構(gòu)、供水和排水系統(tǒng)、土木工程、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域。

FFU合成軌枕（FFU Synthetic Sleepers）是由拉擠或擠壓成型制造出來(lái)的。玻璃纖維在聚氨酯里發(fā)泡，然后在高溫下硬化，產(chǎn)生一種高等級(jí)、非多孔的材料，能抵抗列車遺留在軌道上的化學(xué)物質(zhì)的腐蝕。

1978年日本積水化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)了第一根FFU合成軌枕，日本鐵路綜合技術(shù)研究所在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證后，在羽越線的三面川橋和山陽(yáng)線的關(guān)門隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。1985年FFU合成軌枕成為日本國(guó)有鐵路（Japanese National Railways，JNR）批準(zhǔn)的產(chǎn)品。之后，F(xiàn)FU合成軌枕在日本被廣泛應(yīng)用，特別是在道岔和橋梁上，以及其他必須將維修時(shí)間間隔最大化的區(qū)段。1989年，列車運(yùn)行速度為270 km/h的東海道新干線使用了FFU合成軌枕。

1991年日本鐵路綜合技術(shù)研究所對(duì)使用10年的FFU合成軌枕進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明軌枕幾乎沒有劣化。1996年再次進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明50年FFU合成軌枕的強(qiáng)度褪化與15年舊木枕相似［23-24］。2007年，日本正式實(shí)施FFU合成軌枕國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，見文獻(xiàn)［25］。

FFU合成軌枕在日本以外的第一個(gè)用戶是臺(tái)灣地區(qū)，1999年動(dòng)工修建的臺(tái)灣高速鐵路在其車輛基地使用了FFU合成軌枕［26］。

2004年奧地利維也納利尼恩（Wiener Linien）在更換U4號(hào)地鐵跨越維也納河的佐拉米橋（Zollamt Bridge）上的軌枕時(shí)使用了FFU合成軌枕，這是其首次在歐洲應(yīng)用。同年，在跨越多瑙河的弗洛里茨多夫橋（Floridsdorf Bridge）上鋪設(shè)了僅100 mm高的 FFU合成軌枕。此后，奧地利又陸續(xù)在跨Wien河的U4's橋、維也納 Hackingerstrasse橋、跨Inn河的Karwendel橋、跨越多瑙河的Ostbahn橋等橋梁上鋪設(shè)了FFU合成軌枕。2008年Wiener Linien開始一項(xiàng)長(zhǎng)期計(jì)劃，用FFU合成軌枕更換已經(jīng)在其路網(wǎng)上使用的由其他合成材料制成的軌枕。2005年奧地利聯(lián)邦鐵路（?BB）首次在維也納跨越一條道路的 Hackingerstrasse鐵路橋上采用FFU合成軌枕，積累經(jīng)驗(yàn)之后，2007年采用FFU合成軌枕更換了位于因斯布魯克跨越 Inn河的Karwendel橋上的軌枕，2009年更換了維也納跨越多瑙河的Ostbahn橋上的軌枕［27］。

FFU合成軌枕在德國(guó)的第一次應(yīng)用是2008年，奧鋼聯(lián)（Voestalpine）在靠近勒沃庫(kù)森的Bayer化學(xué)園區(qū)的工業(yè)鐵路專用線上安裝了一組74 m道岔，使用了136根軌枕。2009年 FFU合成軌枕獲得了德國(guó)聯(lián)邦鐵路局（EBA）的認(rèn)證。2008年FFU合成軌枕通過了塞爾維亞國(guó)家鐵路的審批。奧地利格拉茨工業(yè)大學(xué)（Graz University of Technology）對(duì)明橋面鋼橋上的FFU合成軌枕和岔枕進(jìn)行了LCC分析，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)（Technische Universit?t München）按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)FFU合成軌枕進(jìn)行了試驗(yàn)研究［28］。

美國(guó)諾?？四戏借F路公司 （Norfolk Southern Corporation，NS）對(duì)日本FFU合成軌枕進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證后，2011年12月在西弗吉尼亞州靠近普林斯頓的一座明橋面鋼橋上試鋪了FFU合成軌枕，美國(guó)鐵路運(yùn)輸技術(shù)中心（Transportation Technology Center，Inc.，TTCI）一直在監(jiān)測(cè)這些軌枕的性能，包括軌枕?yè)隙群蛙壘啵?9］。TTCI除了在實(shí)驗(yàn)室對(duì)FFU合成軌枕進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究外，還在位于美國(guó)科羅拉多州普韋布洛的加速運(yùn)營(yíng)測(cè)試研究室（Facility for Accelerated Service Testing，F(xiàn)AST）的鋼橋上試鋪了2類木枕的替代軌枕，以進(jìn)行對(duì)比分析。一類是分別由南方黃松（southern yellow pine）、花旗松（Douglas fir）實(shí)芯鋸材、白橡木（white oak）和花旗松（Douglas fir）膠合層積材制成的木枕；另一類是FFU合成軌枕。

我國(guó)于2004年在廣州地鐵4號(hào)線首先引進(jìn)FFU合成軌枕［30］，經(jīng)過幾年的運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)，使用效果滿足設(shè)計(jì)要求。但是在使用初期，運(yùn)營(yíng)部門反映合成軌枕的質(zhì)量較輕，道床阻力較小，在道床狀況不好的地段軌道穩(wěn)定性略顯不足，增加了養(yǎng)護(hù)工作量。后來(lái)在合成軌枕兩端增加垂直方向的鋼板深入到碎石道床中，增加軌枕抗橫向滑動(dòng)的能力，還采用了地錨拉桿等措施，基本解決了軌道問題［31］。2007年中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所開始研究開發(fā)FFU合成軌枕，并申請(qǐng)了國(guó)家專利［32］，2008年3月12日生產(chǎn)了首批合成軌枕，交付廣州地鐵5號(hào)線使用。之后又用于南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋輕軌線路。經(jīng)過在城市軌道交通線上試鋪，廣州市地下鐵道總公司等單位編制了《聚氨酯泡沫合成軌枕》（CJ/T 399—2012）標(biāo)準(zhǔn)［33］，規(guī)定了城市軌道交通用聚氨酯泡沫合成軌枕的原材料及合成軌枕使用條件、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、產(chǎn)品標(biāo)識(shí)和合格證、包裝、運(yùn)輸、貯存，適用于采用連續(xù)拉擠成型工藝制備的聚氨酯泡沫合成軌枕的生產(chǎn)和檢驗(yàn)。2014年，成都鐵路局在滬昆上行線新水花大橋64 m下承式栓焊鋼桁梁上采用幾何尺寸為 260 mm×260 mm× 3 000 mm的FFU合成軌枕替代劣化的木枕。這是我國(guó)鐵路干線首次應(yīng)用FFU合成軌枕［34］。

目前FFU合成軌枕已經(jīng)被世界很多國(guó)家使用或者研究。截至2012年，F(xiàn)FU合成軌枕已經(jīng)累計(jì)鋪設(shè)超過210萬(wàn)根，累計(jì)里程1 300 km。

4.2復(fù)合材料塑料軌枕

近年來(lái)，我國(guó)合成樹脂和塑料加工工業(yè)迅速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2011年我國(guó)塑料制品就達(dá)到5 501萬(wàn)t，其應(yīng)用遍及社會(huì)的各個(gè)角落，極大地推進(jìn)了社會(huì)進(jìn)步和技術(shù)發(fā)展。塑料制品廣泛應(yīng)用的同時(shí)也帶來(lái)了一系列問題，如被社會(huì)高度關(guān)注的白色污染。廢物回收、變廢為寶是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展的主要課題。處理廢舊塑料最有效的途徑是回收綜合利用，將廢舊塑料作為基礎(chǔ)材料，輔以其他增強(qiáng)填料，制成各種復(fù)合材料產(chǎn)品［35］。

美國(guó)于20世紀(jì)90年代中期研制成功一種新型的鐵路軌枕——復(fù)合材料塑料軌枕。其以廢塑料、廢輪胎、廢油漆及其他工業(yè)廢渣等難以降解的高分子廢棄物為主要原料，輔以化學(xué)添加劑及其他固化劑，塑化混合后連續(xù)擠出而制成。該產(chǎn)品能高效、綜合地利用塑料廢棄物，避免了對(duì)樹木的砍伐。根據(jù)美國(guó) TieTek LLC公司的統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)3 300根軌枕（約 1英里或1.61 km的軌道）需要消耗2萬(wàn)個(gè)塑料瓶、900萬(wàn)個(gè)塑料袋和10 000條廢舊汽車輪胎［36］。美國(guó) TTCI在FAST環(huán)形線上對(duì)復(fù)合材料塑料軌枕進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)之后［37］，開始廣泛推廣使用。最近美國(guó)伊利諾大學(xué)芝加哥分校按照美國(guó)鐵路工程和維護(hù)協(xié)會(huì)（American RailwayEngineeringandMaintenanceAssociation，AREMA）推薦的試驗(yàn)方法研究了這種高密度聚乙烯軌枕，結(jié)果表明在荷載作用下其呈現(xiàn)脆性斷裂的破壞模式，在斷裂前沒有觀察到開裂現(xiàn)象［38］。

德國(guó)和奧地利正在合作研究利用混合廢塑料生產(chǎn)鐵路軌枕的技術(shù)，并在奧地利建立了生產(chǎn)線，對(duì)其生產(chǎn)的樣品進(jìn)行了道釘拔出試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)等［39］。韓國(guó)也研發(fā)了由廢舊輪胎生產(chǎn)的膠粉與沙子、水泥混合，用模型壓制成鐵路軌枕的技術(shù)。我國(guó)在山西中南部鐵路上試鋪了約2 km長(zhǎng)的復(fù)合材料塑料軌枕。

目前，復(fù)合材料塑料軌枕已經(jīng)在加拿大、墨西哥、巴西、澳大利亞、印度等國(guó)家批量應(yīng)用，累計(jì)在世界幾千公里鐵路線上鋪設(shè)了幾百萬(wàn)根。

4.3玻璃鋼（GFRP）軌枕

玻璃鋼是以玻璃纖維及其制品（玻璃布、帶、氈、紗等）為增強(qiáng)材料，以合成樹脂作為基體的一種復(fù)合材料，學(xué)名又稱玻璃纖維增強(qiáng)塑料（簡(jiǎn)稱玻璃鋼、GFRP）。玻璃纖維、合成樹脂及其界面稱為玻璃鋼復(fù)合材料的3大要素。玻璃纖維是采用玻璃球通過高溫熔融拉絲形成的，是玻璃鋼復(fù)合材料的主要成分，也是玻璃鋼中的主要承力部分。其不僅能夠提高玻璃鋼的強(qiáng)度和彈性模量，而且能減少收縮變形，提高沖擊強(qiáng)度。合成樹脂是玻璃鋼的基體，松散的玻璃纖維靠其粘接成整體。樹脂主要起傳遞應(yīng)力的作用，即對(duì)玻璃鋼的強(qiáng)度起重要作用，尤其是對(duì)抗壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切強(qiáng)度的作用更為顯著。玻璃鋼集中了玻璃纖維和合成樹脂的特性，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、電絕緣性好、能透過電磁波、隔音、減震、耐瞬時(shí)高溫?zé)g等特點(diǎn)。

印度于1997年由其科學(xué)技術(shù)部的技術(shù)信息、預(yù)測(cè)與評(píng)估委員會(huì)（Technology Information，F(xiàn)orecasting and Assessment Council，TIFAC）立項(xiàng)研發(fā)木枕和鋼枕的替代材料，1998年生產(chǎn)了第一批12根FRP軌枕樣品，提交給印度研究設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)組織（Research Designs and Standards Organization，RDSO）進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試，結(jié)果顯示其承受200萬(wàn)次疲勞循環(huán)荷載作用后依舊狀態(tài)良好。2000年RDSO又訂制了40根FRP軌枕，2001年進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并先后在北方鐵路的 Najimabad橋和東南鐵路的Chengail橋上試鋪［40］。

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院從2007年開始進(jìn)行GFRP軌枕的研究，并申請(qǐng)了國(guó)家專利“玻璃鋼軌枕及其制造方法”［41-42］，研制了TPDS專用玻璃鋼軌枕和 GFRP軌枕2種新產(chǎn)品［43］。2010年與上海鐵路局科研所聯(lián)合研究了GFRP軌枕在有砟橋上的應(yīng)用問題［44］，并于2013年在上海鐵路局一條支線鐵路混凝土橋（有砟軌道）上進(jìn)行了試鋪。

4.4其他復(fù)合材料軌枕

1）纖維增強(qiáng)聚合物混凝土軌枕

澳大利亞南昆士蘭大學(xué)圖文巴分校聯(lián)合澳大利亞的鐵路企業(yè)進(jìn)行了一些采用新型纖維復(fù)合材料軌枕取代既有鐵路線上劣化硬質(zhì)木枕的研究和開發(fā)項(xiàng)目，產(chǎn)品之一就是纖維增強(qiáng)聚合物混凝土軌枕。其設(shè)計(jì)考慮了軌枕只在2根鋼軌下面受力的特點(diǎn)，采用有限元分析輔助設(shè)計(jì)［45］，具有較大的橫向移動(dòng)抗力和良好的電氣絕緣性能，配備標(biāo)準(zhǔn)扣件，鋼軌下面可以不用墊板。這種軌枕正在澳大利亞昆士蘭鐵路公司和美國(guó)聯(lián)合太平洋鐵路公司試用。

2）纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)

2011年澳大利亞南昆士蘭大學(xué)圖文巴分校研究了采用膠合層壓復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)（glue-laminated composite sandwich structures）制作鐵路岔枕的技術(shù)，采用3種不同的設(shè)計(jì)方案制作了足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)其抗彎曲和剪切能力進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，采用膠合層壓夾層結(jié)構(gòu)制造的岔枕與既有木質(zhì)岔枕的機(jī)械性能基本一致，可以作為鐵路岔枕的替代材料［46-47］。2012年12月120根這樣的岔枕交付臺(tái)灣地區(qū)使用。

采用這種玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物軌枕沒有展現(xiàn)出塑性特性，可能會(huì)在輕微預(yù)警之后破壞。當(dāng)在道床上使用時(shí)這通常不是主要問題，因?yàn)殚_裂后的軌枕還能繼續(xù)為鋼軌提供一定的支撐。但是作為橋枕時(shí)，這可能是一個(gè)嚴(yán)重的問題，因?yàn)橐坏┢涫⒉辉倌苤武撥?。為此，澳大利亞南昆士蘭大學(xué)圖文巴分校研制了一種混合聚合物軌枕，在軌枕內(nèi)部特定位置設(shè)置了鋼筋，從而能在軌枕失效前提供足夠的警告。2007年11月澳大利亞鐵道公司（Australian Railway Transportation Company，ARTC）在獵人谷的一座鐵路橋上安裝了22根這樣的橋枕。

3）粉煤灰基地質(zhì)聚合物復(fù)合材料

2012年澳大利亞新南威爾士大學(xué)采用粉煤灰基地質(zhì)聚合物復(fù)合材料（Fly Ash-Based Geopolymer Composite）作為鐵路軌枕的替代材料，對(duì)其原材料物理和力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)采用這種材料制作的足尺模型梁進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。結(jié)果表明其滿足美國(guó) AREMA（American Railway Engineering and Maintenance-of-way Association）對(duì)復(fù)合材料鐵路軌枕的最小撓曲要求，與既有鐵路軌枕相比也具有滿意的性能，可以作為鐵路軌枕的替代材料［48］。

4）工程用天然橡膠

泰國(guó)是世界最大的天然橡膠生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，泰國(guó)交通運(yùn)輸部成立了一個(gè)專門委員會(huì)研究天然橡膠的工程應(yīng)用，其中一種可能就是利用橡膠復(fù)合材料制作鐵路軌枕［49］。

5）以木質(zhì)剩余物為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料

1992年俄羅斯沃羅涅日（Воронеж）林業(yè)工程技術(shù)研究院В.И.Харчевников教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開始研究以木屑為主要原料制作復(fù)合材料軌枕的技術(shù)，1994年取得成功后申請(qǐng)了俄羅斯發(fā)明專利。這種復(fù)合材料軌枕的主要原料是木材加工中的廢棄物，其來(lái)源和樹種不限，經(jīng)過8個(gè)月試用，效果較好。1995年開始在沃羅涅日、葉列茨（Елец）和利佩茨克（Липесцк）鐵路分局的36條鐵路線上試鋪，并進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)未見異常［50］。

我國(guó)東北林業(yè)大學(xué)肖生苓教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)致力于研究以木質(zhì)剩余物為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料軌枕［51-53］，共擬定4種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，均選用酚醛樹脂作為基體材料，木質(zhì)剩余物為增強(qiáng)材料，工業(yè)高爐灰渣為填充材料，并對(duì)各組分的作用進(jìn)行了定性分析。

6）整體包覆式再生橡塑復(fù)合材料

我國(guó)青島頤安泰投資管理有限公司研制開發(fā)了整體包覆式再生橡塑復(fù)合軌枕，由內(nèi)芯和包覆層外殼組成，經(jīng)專用設(shè)備整體一次成型。其中內(nèi)芯結(jié)構(gòu)分為W槽型內(nèi)芯結(jié)構(gòu)和木芯型結(jié)構(gòu)，包覆層外殼是利用廢輪胎、廢塑料等高分子廢棄物經(jīng)特殊工藝處理后制成的。這種軌枕已通過美國(guó)交通運(yùn)輸技術(shù)中心（TTCI）的產(chǎn)品檢驗(yàn)和測(cè)試，也滿足美國(guó)AREMA的要求，已向美國(guó)、印度、智利等國(guó)家出口［54］。

7）重組竹（木）材料

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所對(duì)采用重組竹（木）材料替代傳統(tǒng)鐵路軌枕材料進(jìn)行了探索性研究。重組竹是一種資源節(jié)約型材料，是將竹子疏解成簾狀，即不打亂竹纖維的排列方向，保留竹材的基本特性，進(jìn)而重新組成具有高強(qiáng)度的重組板材。重組竹具有較好的物理力學(xué)性能，其多數(shù)指標(biāo)可和普通刨花板和定向刨花板媲美，靜曲強(qiáng)度、彈性模量達(dá)到或超過木材［55］。這種技術(shù)的研究還處于起步階段。

5　結(jié)語(yǔ)

世界各國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)管理部門每年需要花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)更換劣化的木枕。采用何種材料新制軌枕替換既有劣化和損傷的木枕，國(guó)情不同采用的方案也不同，但是出發(fā)點(diǎn)都是投入成本的核算。例如美國(guó)木枕價(jià)格遠(yuǎn)低于混凝土枕［56］，因此以新制木枕為主；我國(guó)則正好相反，木枕價(jià)格遠(yuǎn)高于混凝土枕，因此幾乎全部采用混凝土枕替換普通線路上的木枕。

盡管國(guó)外鐵路運(yùn)營(yíng)管理部門在制定鐵路軌枕的維修策略時(shí)，木枕還是占據(jù)重要地位，但是在木枕的使用現(xiàn)狀和可持續(xù)發(fā)展方面還是形成了共識(shí)，就是木枕使用壽命短，森林資源日益貧乏，能夠適合制作木枕的優(yōu)質(zhì)木材資源逐漸緊缺。另外，木枕需要采用雜酚油進(jìn)行防腐處理，隨著世界各國(guó)對(duì)自然環(huán)境和工人身體健康的日益重視，雜酚油將逐漸退出木枕市場(chǎng)。因此，研究木枕的替代材料成為國(guó)外鐵路運(yùn)營(yíng)管理部門的緊迫課題，可再生的軟質(zhì)木材、混凝土、鋼和復(fù)合材料都是研究對(duì)象。其中采用復(fù)合材料加固或新制鐵路軌枕成為最活躍的研究方向。

采用復(fù)合材料加固木枕能有效改善木枕的受力性能，但是實(shí)際試用時(shí)出現(xiàn)纖維增強(qiáng)材料開裂和剝離等問題，因此這種模式還有待繼續(xù)深化研究。

近20年來(lái)，許多國(guó)家都在研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合材料軌枕，因此新制復(fù)合材料軌枕形式多種多樣，而且隨著技術(shù)的進(jìn)步還將有更多的形式。復(fù)合材料軌枕的增強(qiáng)材料包括玻璃纖維、廢舊塑料、木質(zhì)剩余物、層壓板、天然橡膠、重組竹、農(nóng)作物秸桿等，基體材料包括聚氨酯、酚醛樹脂等。按照組分材料的分布可分為勻質(zhì)復(fù)合材料軌枕（如FFU軌枕、GFRP軌枕等）和非勻質(zhì)復(fù)合材料軌枕（如纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)軌枕、整體包覆式再生橡塑復(fù)合材料軌枕等）。按照截面形式可分為實(shí)芯復(fù)合材料軌枕（如FFU軌枕）和空心復(fù)合材料軌枕（如GFRP軌枕）。迄今為止，實(shí)際應(yīng)用的只有日本研制的玻璃纖維增強(qiáng)發(fā)泡聚氨酯合成軌枕和美國(guó)研制的回收塑料復(fù)合材料軌枕，其他形式的復(fù)合材料軌枕處于研發(fā)和試用過程中。

從國(guó)外研制復(fù)合材料軌枕的歷程和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，多數(shù)都是從橋枕和岔枕入手，然后推廣至普通線路。研究?jī)?nèi)容主要集中在軌枕的抗彎曲和抗剪切性能、握釘能力、黏結(jié)層的強(qiáng)度、耐久性等方面，降低復(fù)合材料軌枕的成本也是需要解決的難題之一。

［1］International Union of Railways（UIC）.SUWOS-Sustainable Wooden Railway Sleepers［R］.Pairs：UIC，2013.

［2］鐵道部檔案史志中心.中國(guó)鐵道年鑒2013［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

［3］THIERFELDER T，SANDSTR?M E.The Creosote Content of Used Railway Crossties as Compared with European Stipulations for Hazardous Waste［J］.Science of the Total Environment，2008，402（1）：106-112.

［4］MANALO A，ARAVINTHAN T，KARUNASENA W，et al.A Review of Alternative Materials for Replacing Existing Timber Sleepers［J］.Composite Structures，2010，92（3）：603-611.

［5］GAUNTT J.A Tale of Two Realities Market Forces Collide，Conflict：Search for Equilibration［J］.Crossties，2013（9/10）：6，8，10-11.

［6］NORRELL F.Crosstie Forecast Changes：Looking Up for 2014 &2015.［J］.Crossties，2013（9/10）：6.

［7］BOLIN C A，SMITH S T.Life Cycle Assessment of Creosote-Treated Wooden Railroad Crossties in the US with Comparisons to Concrete and Plastic Composite Railroad Crossties ［J］.Journal of Transportation Technologies，2013（3）：149-161.

［8］HOWE J P，KOCH P.Dowel-laminated Crossties-performance in Service，Technology of Fabrication，and Future Promise ［J］.Forest Products Journal，1976，26（5）：23-30.

［9］郭惠平.我國(guó)鐵路軌枕的現(xiàn)代化及其展望［J］.林產(chǎn)工業(yè)，1998，25（3）：4-6.

［10］GONG M，DELAHUNTY S，CHUI Y H，et al.Use of Low Grade Hardwoods for Fabricating Laminated Railway Ties ［J］.Construction and Building Materials，2013，41（41）：73-78.

［11］李玲桂.巴西鐵路試用不同材料的軌枕［J］.鐵道知識(shí)，2004（4）：20.

［12］CARRASCO E V M，PASSOS L B，MANTILLA J N R.Structural Behavior Evaluation of Brazilian Glulam Wood Sleepers When Submitted to Static Load［J］.Construction and Building Materials，2013，26（1）：334-343.

［13］郝瀛.鐵道工程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.

［14］魏齊威，安湘英，仲新華.鋼橋明橋面用預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕的研究［J］.鐵道建筑，2002（12）：8-12.

［15］Wikipedia.Concrete Sleeper［EB/OL］.［2016-06-18］. http：//en.wikipedia.org/wiki/Concrete_sleeper.

［16］王汝敏，鄭水蓉，鄭亞萍.聚合物基復(fù)合材料［M］.2版.北京：科學(xué)出版社，2011.

［17］QIAO P Z，DAVALOS J F，ZIPFEL M G.Modelling and Optimal Design of Composite Reinforced Wood Railroad Crosstie ［J］.Composite Structures，1998，41（1）：87-96.

［18］DAVALOS J F，ZIPFEL M G，QIAO P Z.Feasibility Study of Prototype GFRP-reinforced Wood Railroad Crosstie［J］.Composite Structures，1999，3（2）：92-99.

［19］LOPRESTI J.Fiberglass Wrapped Tie Performance Evaluation Report［R］.American：Transportation Technology Center，Inc.，2005.

［20］HUMPHREYS M F，F(xiàn)RANCEY K L.An Investigation into the Rehabilitation of Timber Structures with FibreComposite Materials［C］//Proceedings of Developments in Mechanics of Structures and Materials.Perth，Western Australia，2004：1317-1322.

［21］MANALO A，ARAVINTHAN T，KARUNASENA W.Fibre Composite Sandwich Beam：An Alternative to Railway Turnout Sleeper？［C］//Southern Region Engineering Conference，Toowoomba，Australia，2010.

［22］ERP G V，MCKAY M.Recent Australian Developments in Fibre Composite Railway Sleepers［J］.Electronic Journal of Structural Engineering，2013，13（1）：62-66.

［23］Sekisui Chemical Co.，Ltd.Products：Fibre-Reinforced Foamed Urethane［EB/OL］.［2016-06-15］.http：//www.sekisui.co. jp/index.html.

［24］長(zhǎng)藤敬晴，阿部則次.合成まくらぎ15年の経験［J］.鉄道総研報(bào)告，1997，11（2）：43-48.

［25］日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(huì).JIS E1203：2007合成まくらぎSynthetic sleepers—Made from Fiber Reinforced Foamed Urethane［S］.日本規(guī)格協(xié)會(huì)，2007.

［26］TAKAI H，SATO Y，SATO K.Japanese Twenty Five Years Experiences and Standardization of Synthetic Sleeper［C］// Proceedings of the 7th World Congress on Railway Research （WCRR2006），Montréal，Canada，2006.

［27］KOLLER G.The Use of Sleepers Made of FFU Synthetic Wood in Europe［J］.RTR，2009（2）：28-32.

［28］KOLLER G.FFU Synthetic Sleepers Offer Material Gains［J］. Railway Gazette International，2010，166（8）：42-43.

［29］OTTER D，PATTON R D，JOY R B.Developments in Alternative Bridge Ties for Open Deck Steel Bridges［C］//2012 Annual Conference&Exposition，Chicago，IL.，American，2012.

［30］魏軍.廣州地鐵4號(hào)線直線電機(jī)軌道工程施工技術(shù)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007（7）：46-48.

［31］楊新民，張立國(guó)，張慶.合成樹脂軌枕的應(yīng)用研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009（6）：15-17.

［32］喬冬平，鄭勁東，金小衛(wèi).一種新型合成枕木：中國(guó)，CN101314931A［P］.2008-12-03.

［33］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJ/T 399—2012聚氨酯泡沫合成軌枕［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［34］成都鐵路局工務(wù)處，成都鐵路工務(wù)有限公司，西南交通大學(xué)，等.鐵路橋梁明橋面合成軌枕研究［R］.成都：成都鐵路局工務(wù)處，2014.

［35］王守琛.新型高聚物復(fù)合材料軌枕成型技術(shù)的研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2012.

［36］TieTek LLC.The Market Leader in Composite Ties［EB/OL］. ［2016-06-15］.http：//www.tietek.net

［37］AXION International，Inc.ECOTRAX Composite Railroad Ties ［EB/OL］.［2016-06-15］.http：//www.axionintl.com

［38］LOTFY I，F(xiàn)ARHAT M，ISSA M A，et al.Flexural Behavior of High-density Polyethylene Railroad Crossties［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F-Journal of Rail and Rapid Transit，2016，230（3）：813-824.

［39］SALLES A C N，WOIDASKY J，GR?BE G.Polymer Railway Sleeper：One Alternative for the Plastic Waste Final Destination［C］//Plastic Europe，IdentiPlast 2010，London：2010.

［40］Permali Wallace Pvt.Ltd.FRP Composite Sleepers for Application on Rail Tracks Girder Bridges［EB/OL］.［2006-06-20］.From：http：//www.permaliwallace.com

［41］凌烈鵬，馮毅杰，李家林.異型玻璃鋼軌枕的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2012（7）：112-114.

［42］凌烈鵬，李家林，馮毅杰，等.玻璃鋼軌枕及其制造方法：中國(guó)，CN101289826［P］.2008-10-22.

［43］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.特殊地段合成軌枕（玻璃鋼枕）的研究［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2007.

［44］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.既有線特殊地段（有砟橋）合成軌枕試驗(yàn)研究［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2010.

［45］AWAD Z K，YUSAF T.Fibre Composite Railway Sleeper Design by Using FE Approach and Optimization Techniques［J］. Structural Engineering and Mechanics，2012，41（2）：231-242.

［46］MANALO A.Behaviour of Fibre Composite Sandwich Structures：A Case Study on Railway Sleeper Application［D］.Australia：University of Southern Queensland，2011.

［47］MANALO A，ARAVINTHAN T.Behaviour of Full-scale Railway Turnout Sleepers from Glue-laminated Fibre Compo-site Sandwich Structures［J］.Journal of Composites for Construction，2012，16（6）：724-736.

［48］FERDOUS W.Static Flexural Behaviour of Fly Ash-Based Geopolymer Composite Beam：An Alternative Railway Sleeper ［D］.Australia：University of New South Wales，2012.

［49］PATTAMAPROM C，DECHOJARASSRI D，SIRISINHA C，et al.Natural Rubber Composites for Railway Sleepers：A Feasi-bility Study［R］.Thailand：Thammasat University，2005.

［50］肖生靈.我國(guó)鐵路軌枕使用現(xiàn)狀及軌枕材料發(fā)展趨勢(shì)的研究［J］.森林工程，2005，21（4）：50-52.

［51］肖生苓，陳玉霄.鐵路軌枕復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.森林工程，2006，22（5）：48-50.

［52］肖生苓，陳玉霄.鐵路軌枕復(fù)合材料組分的分析［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34（6）：90-91.

［53］肖生苓，陳玉霄.鐵路軌枕復(fù)合材料組分特性及對(duì)整體性能影響的分析［J］.森林工程，2007，23（1）：85-87.

［54］袁強(qiáng)，慕海濱.整體包覆式再生橡塑復(fù)合軌枕的創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)輪胎資源綜合利用，2008（7）：38-40.

［55］于雪斐，劉雷，于文吉.重組竹（木）材料替代傳統(tǒng)軌枕材料的探討［J］.木材加工機(jī)械，2011（6）：40-43.

［56］The Railway Tie Association.Cost Comparison of Alternate Crosstie Materials［R］.American：The Railway Tie Association，2006.

（責(zé)任審編李付軍）

Research Status and Development Trend of Alternative Materials of Exiting Wooden Sleepers

ZENG Zhibin1，2
（1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China）

W ooden sleepers occupied about 90%of the railway sleepers in the world.T hey have the problems including corrosion，cracking，and short service life.T hus，they can not meet the requirements of heavier vehicle axle loads，faster running train and growing volume of transport.Numerous deteriorating and damaged wooden sleepers need to be replaced while the supply of high-quality timbers for manufacturing wooden sleepers declines.W ooden sleepers'anti-corrosion treatment with creosote results in pollution and is harmful to the health of workers.An alternative materials of wooden sleepers become urgent for railway department all over the world.Currently，wood，concrete and steel are the main materials for sleepers.Composite sleeper has been attractive in recent years.In this paper，the research status of composite materials to reinforce the existing wooden sleepers is introduced.It focuses on the fiber-reinforced foamed urethane synthetic sleepers as the representative of the long glass fiber reinforced composite sleepers and the recycled plastic composite sleepers as the representative of the short glass fiber reinforced composite sleepers，and introduces briefly the other forms of composite sleepers.Finally，it is pointed out that the resistance to bending and shear，the screw-holding ability，the strength of bonding layer，the durability，and the life cycle cost of the composite sleepers require further investigation.

W ooden sleeper；Alternative material；Composite sleeper；Fibre-reinforced foamed urethane synthetic sleepers；Plastic composite sleeper

U213.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.01

1003-1995（2016）08-0001-09

2016-06-18；

2016-06-29

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金（2013YJ025）

曾志斌（1969— ），男，研究員，碩士。