復(fù)合鐵道枕木以及其生產(chǎn)與使用方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)主張2013年3月13日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/780,738的優(yōu)先權(quán)益， 其全部?jī)?nèi)容以全文引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明大體上涉及鐵道枕木。更具體地，本發(fā)明涉及由新穎的復(fù)合材料經(jīng)非傳統(tǒng) 生產(chǎn)方法制造的鐵道枕木。所述獨(dú)特的鐵道枕木具有優(yōu)良的特性并且適合于鐵道建造與維 護(hù)等多種應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0004] 鐵道枕木(還稱為鐵路枕木、橫枕，或鐵路軌枕)是典型地具有均一梯形橫截面、用 于支撐鐵道軌道的長(zhǎng)條形橫梁。鐵道枕木(RRT)通常垂直于鐵軌鋪設(shè)，以使鐵軌保持筆直、 將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至道碴以及路基并且使鐵軌間隔保持正確的軌距。RRT通常用鋼筋加強(qiáng)，所述鋼 筋嵌埋入RRT中以改良RRT的機(jī)械特性以及耐久性。RRT-般采用扣件系統(tǒng)以與鐵道軌道緊 固附接。
[0005] 現(xiàn)今制造的大部分RRT由傳統(tǒng)混凝土制成。對(duì)于指定目的而言，現(xiàn)有混凝土RRT大 多是有效并且可靠的。然而，混凝土 RRT從經(jīng)濟(jì)學(xué)與環(huán)境影響的角度并非是最佳的。現(xiàn)有生 產(chǎn)技術(shù)涉及大量能量消耗與二氧化碳排放，導(dǎo)致碳足跡不理想。
[0006] 因此，對(duì)于滿足或超過(guò)傳統(tǒng)混凝土 RRT的物理與性能特性、同時(shí)能夠以低成本、改 善的能量消耗以及較小環(huán)境影響大量生產(chǎn)的RRT的新穎材料與生產(chǎn)方法，存在持續(xù)性的需 要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明部分地基于出乎意料地發(fā)現(xiàn)由新穎復(fù)合材料制成的新穎鐵道枕木，所述鐵 道枕木具有與現(xiàn)有混凝土 RRT相當(dāng)或超過(guò)現(xiàn)有混凝土 RRT的優(yōu)良物理與性能特性。本發(fā)明的 RRT展現(xiàn)優(yōu)良的耐候性與性能特性，所述性能特性包括韌性、撓性、耐磨性以及耐化學(xué)性。本 發(fā)明的RRT能夠容易地由可以廣泛獲得的低成本原材料、通過(guò)適于大規(guī)模生產(chǎn)的方法、設(shè)備 需要較少并且能量消耗改善地生產(chǎn)，因此碳足跡合乎需要、環(huán)境影響最小。
[0008] 原材料包括變成接合單元的前體材料，諸如微粒娃酸|丐(例如研磨娃灰石）。還提 供流體組分作為反應(yīng)介質(zhì)，所述組分包含液態(tài)水和/或水蒸汽。生產(chǎn)RRT時(shí)，二氧化碳(C0 2) 作為反應(yīng)性物種而消耗，從而使co2得到凈固存?？梢岳酶鞣N添加劑對(duì)所得復(fù)合材料的物 理外觀以及機(jī)械特性進(jìn)行微調(diào)。
[0009] 在一個(gè)方面中，本發(fā)明大體上涉及一種鐵道枕木。鐵道枕木具有由復(fù)合材料制成 的長(zhǎng)條形枕木主體，所述復(fù)合材料包括:多個(gè)接合單元，其中各個(gè)接合單元包含主要含有硅 酸鈣的核心、富含二氧化硅的第一層或內(nèi)層，以及富含碳酸鈣的第二層或外層；以及填料顆 粒，所述填料顆粒包含粗糙填料顆粒和/或精細(xì)填料顆粒，其中多個(gè)接合單元與多個(gè)填料顆 粒一起形成一個(gè)以上接合基質(zhì)，并且接合單元與填料顆粒大致均勻地分散于其中并且接合 在一起。
[0010] 在另一個(gè)方面中，本發(fā)明大體上涉及一種鐵道枕木的生產(chǎn)方法。所述方法包括以 下步驟：（a)將微粒組合物與液體組合物混合以形成漿料混合物，其中微粒組合物包含:研 磨娃酸鈣以及填料顆粒，所述研磨娃酸鈣具有約lym至約1 ΟΟμπι范圍內(nèi)的中值粒徑，所述填 料顆粒包含第一粗集料顆粒以及第二細(xì)集料顆粒，并且其中液體組合物包含水；（b)將漿料 混合物澆鑄于根據(jù)鐵道枕木所設(shè)置的模具中；以及(c)使?jié)茶T混合物在約20°C至約150°C范 圍內(nèi)的溫度下、在水與C0 2的氣氛下固化約1小時(shí)至約80小時(shí)，所述氣氛具有環(huán)境大氣壓至 高于環(huán)境大氣壓約60psi范圍內(nèi)的壓力并具有約10%至約90%范圍內(nèi)的C0 2濃度。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1(a)至1(c)為根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的接合單元的截面的示意性說(shuō)明，所 述截面包括三種示例性核心形態(tài)：（a)纖維狀，（b)橢圓形，以及(c)等軸晶狀。
[0012] 圖2(a)至2(f)為根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的復(fù)合材料的側(cè)視圖以及截面視圖 的示意性說(shuō)明，示出（a)稀接合基質(zhì)中的1D取向纖維狀接合單元(接合單元不接觸）；（b)稀 接合基質(zhì)中的2D取向片狀接合單元(接合單元不接觸）；（c)稀接合基質(zhì)中的3D取向片狀接 合單元(接合單元不接觸）；以及(d)稀接合基質(zhì)中的隨機(jī)取向片狀接合單元(接合單元不接 觸），其中復(fù)合材料包括接合基質(zhì)以及填料組分，諸如聚合物、金屬、無(wú)機(jī)顆粒、集料等；（e) 含有接合單元的濃縮接合基質(zhì)（具有足以建立滲濾網(wǎng)絡(luò)的體積分?jǐn)?shù)），其中基質(zhì)呈3D取向； 以及(f)含有隨機(jī)取向接合單元的濃縮接合基質(zhì)（具有足以建立滲濾網(wǎng)絡(luò)的體積分?jǐn)?shù)），其 中可以包括填料組分，諸如聚合物、金屬、無(wú)機(jī)顆粒、集料等。
[0013]圖3示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性鐵道枕木。
[0014]圖4示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性鐵道枕木(不含加強(qiáng)筋)的橫截面。 [0015]圖5為用于澆鑄具有后張鋼線用孔道的RRT的布置的照片。
[0016]圖6示出呈完全固化形式的實(shí)際RRT，所述實(shí)際RRT具有六個(gè)用于后張鋼線的Γ直 徑孔道孔。
[0017]圖7示意性說(shuō)明根據(jù)ASTM G109的腐蝕測(cè)試。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明提供具有與現(xiàn)有混凝土 RRT相當(dāng)或超過(guò)現(xiàn)有混凝土 RRT的優(yōu)良物理以及性 能特性的特殊鐵道枕木。本發(fā)明的RRT容易地由可以廣泛獲得的低成本原材料、通過(guò)適于大 規(guī)模生產(chǎn)的方法、能量消耗改善并且碳足跡更合乎需要地生產(chǎn)。
[0019]可以制造本發(fā)明的RRT用于多種鐵道軌道，例如重載、輕軌、道岔、高速，以及用于 鐵路軌道的工業(yè)鐵道枕木。RRT可以預(yù)張地(或后張地)和預(yù)應(yīng)力地制造，所述RRT的特征為 RRT的負(fù)載量以及耐久性提高。
[0020] 本發(fā)明的RRT可以大規(guī)模生產(chǎn)，與傳統(tǒng)混凝土RRT的生產(chǎn)相比，設(shè)備需要較少且能 量效率提高。此外，本發(fā)明的生產(chǎn)方法消耗大量c〇 2,產(chǎn)生c〇2固存產(chǎn)物，從而使得本發(fā)明的生 產(chǎn)方法為碳中性并且在環(huán)境上為高效的。
[0021] 本發(fā)明的RRT以及用于生產(chǎn)本發(fā)明RRT的復(fù)合材料展現(xiàn)低熱膨脹；因此，本發(fā)明的 RRT以及用于生產(chǎn)本發(fā)明RRT的復(fù)合材料非常適于維持鐵軌之間的適當(dāng)距離。本發(fā)明的RRT 以及用于生產(chǎn)本發(fā)明RRT的復(fù)合材料堅(jiān)固、堅(jiān)硬并且耐紫外光、惡劣氣候條件、溫度波動(dòng)以 及微生物和昆蟲(chóng)侵蝕，以及延長(zhǎng)使用所施加的機(jī)械應(yīng)力。另外，復(fù)合材料自身為優(yōu)良的電絕 緣體并且防止鐵軌之間產(chǎn)生電流。此外，本發(fā)明的RRT以及用于生產(chǎn)本發(fā)明RRT的復(fù)合材料 具有耐久性并且展現(xiàn)優(yōu)良的耐磨特性，同時(shí)適合與典型的扣件、螺栓、螺桿、道釘?shù)纫黄鹗?用。
[0022]在一個(gè)方面中，本發(fā)明大體上涉及一種鐵道枕木。該鐵道枕木具有由復(fù)合材料制 成的長(zhǎng)條形枕木主體，所述復(fù)合材料包括:多個(gè)接合單元，其中各個(gè)接合單元包含:主要包 含硅酸鈣的核心、富含二氧化硅的第一層或內(nèi)層，以及富含碳酸鈣的第二層或外層；以及填 料顆粒，所述填料顆粒包含粗糙填料顆粒和/或精細(xì)填料顆粒，其中多個(gè)接合單元與多個(gè)填 料顆粒一起形成一個(gè)以上接合基質(zhì)，并且接合單元與填料顆粒大致均勻地分散于其中并且 接合在一起。
[0023] 在某些優(yōu)選實(shí)施例中，在用于在其中縱向放置一根以上加強(qiáng)筋的一個(gè)以上縱向 (縱長(zhǎng)地)布置的孔道(通道）（例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10個(gè)孔道）中，長(zhǎng)條形枕木主體具有 大致均一橫截面(例如梯形）。在某些優(yōu)選實(shí)施例中，RRT的枕木主體內(nèi)進(jìn)一步包括一根以上 加強(qiáng)筋（或加強(qiáng)筋(rebar))(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10根加強(qiáng)筋）。加強(qiáng)筋典型地縱向放 置于長(zhǎng)條形RRT中。
[0024] 在某些優(yōu)選實(shí)施例中，一根以上加強(qiáng)筋為鋼加強(qiáng)筋。在某些優(yōu)選實(shí)施例中，一根以 上加強(qiáng)筋為非鋼加強(qiáng)筋。
[0025]對(duì)于鋼加強(qiáng)筋，其與枕木主體的界面可以?shī)A入pH值高于12的保護(hù)材料(例如包含 波特蘭水泥衆(zhòng)(Portland cement mortar)的材料），從而阻隔枕木主體與鋼加強(qiáng)筋直接接 觸。在某些優(yōu)選實(shí)施例中，保護(hù)材料為鋼加強(qiáng)筋上的保護(hù)性覆層，所述保護(hù)性覆層選自環(huán)氧 樹(shù)脂以及鋅(鍍鋅鋼）。
[0026]在某些實(shí)施例中，鐵道枕木為預(yù)應(yīng)力式。在某些實(shí)施例中，鐵道枕木為后張式。在 某些優(yōu)選實(shí)施例中，鐵道枕木為預(yù)應(yīng)力式以及后張式。
[0027]如本文所用，術(shù)語(yǔ)"預(yù)應(yīng)力式"指向加強(qiáng)筋或鋼線施加應(yīng)力至某種程度并將所述加 強(qiáng)筋或鋼線定位于RRT模具中，隨后將混凝土放置于RRT模具中并使混凝土固化。
[0028]如本文所用，術(shù)語(yǔ)"后張式"指完全固化的RRT從模具中移除之后，向加強(qiáng)筋或鋼線 施加應(yīng)力至某種程度并將所述加強(qiáng)筋或鋼線定位于所述完全固化的混凝土 RRT的孔道內(nèi)。 [0029]可以在澆鑄復(fù)合材料之前，向鋼筋施加預(yù)張力。預(yù)壓縮力可以經(jīng)由傳遞長(zhǎng)度上的 接合而從鋼加強(qiáng)筋傳遞至靠近RRT末端的復(fù)合材料。對(duì)于預(yù)應(yīng)力式RRT而言，可以在復(fù)合材 料硬化之后，向鋼筋（tendon)施加后張力。預(yù)壓縮力還可以通過(guò)錨定裝置(位于塊體末端） 從鋼加強(qiáng)筋傳遞至復(fù)合材料。
[0030] 在某些優(yōu)選實(shí)施例中，RRT的復(fù)合材料的特征在于密度為1900kg/m3至2800kg/m3 (例如，約 2000kg/m3、約 2200kg/m3、約 2300kg/m3、約 2400kg/m3、約 2500kg/m3、約 2600kg/m3、 從約2000kg/m3至2600kg/m3)。
[0031] RRT的復(fù)合材料展現(xiàn)優(yōu)良的抗壓強(qiáng)度。在某些實(shí)施例中，復(fù)合材料的特征在于抗壓 強(qiáng)度為約40MPa至約150MPa(例如，約40MPa至約120MPa、約40MPa至約lOOMPa、約50MPa至約 150MPa、約60MPa至約 120MPa、約80MPa至約 150MPa、約 1 OOMPa至約 150MPa)。
[0032] RRT的復(fù)合材料還展現(xiàn)優(yōu)良的撓曲強(qiáng)度。在某些實(shí)施例中，復(fù)合材料的特征在于撓 曲強(qiáng)度為約IMPa至約40MPa (例如，IMPa至約30MPa、IMPa至約25MPa、IMPa至約20MPa、IMPa至 約 15MPa、3MPa至約 1 OMPa、4MPa至約 1 OMPa、4MPa至約 8MPa、6MPa至約 3 OMPa、15MPa 至約 40MPa、約 15MPa至約 3 5MPa、約 15MPa至約 3 OMPa、約 15MPa 至約 2 5MPa、約 15MPa至約 2 OMPa、約 20MPa至約40MPa、約 20MPa至約 35MPa、約 20MPa至約 30MPa)。
[0033] 在某些優(yōu)選實(shí)施例中，RRT的復(fù)合材料的特征在于，與傳統(tǒng)混凝土鐵道枕木相比， 耐磨性提高。在某些優(yōu)選實(shí)施例中，RRT的復(fù)合材料的特征在于，與傳統(tǒng)混凝土鐵道枕木相 比，耐腐蝕性提高。在某些優(yōu)選實(shí)施例中，RRT的復(fù)合材料的特征在于，與傳統(tǒng)混凝土鐵道枕 木相比，抗蟲(chóng)性提高。在某些優(yōu)選實(shí)施例中，RRT的復(fù)合材料的特征在于，與傳統(tǒng)混凝土鐵道 枕木相比，電絕緣性提高。
[0034] 任意適合的硅酸鈣可以用作接合單元的前體。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"硅酸鈣"指包含 一組含鈣硅化合物中的一種以上的天然存在的礦物質(zhì)或合成材料，含鈣硅化合物包括 CaSi03(還稱為"硅灰石"并且有時(shí)化學(xué)式為CaO · Si02)、Ca2Si〇4(還稱為"斜硅灰石"并且有 時(shí)化學(xué)式為2Ca0 · Si02)、Ca3Si05(還稱為"硅酸三鈣石"并且有時(shí)化學(xué)式為3Ca0 · Si02)，所 述材料可以包括一種以上其他金屬離子以及氧化物(例如鋁、鎂、鐵或錳氧化物)或其摻混 物，或者可以包括一定量的呈天然存在的形式或合成形式的硅酸鎂，所述量的范圍為痕量 (1重量％ )至約50重量％以上。
[0035] 應(yīng)了解，本文公開(kāi)的組合物以及方法中可以采用硅酸鎂代替硅酸鈣或除硅酸鈣之 外還使用硅酸鎂。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"硅酸鎂"指包含一組含鎂硅化合物中的一種以上的天 然存在的礦物質(zhì)或合成材料，含鎂硅化合物包括例如Mg 2Si04(還稱為"鎂橄欖石"）以及 Mg3Si401Q(0H)2(還稱為"滑石"），所述材料可以包括一種以上其他金屬離子以及氧化物(例 如鈣、鋁、鐵或錳氧化物）或其摻混物，或可以包括一定量的呈天然存在的形式或合成形式 的娃酸1丐，所述量的范圍為痕量(1重量％ )至約50重量