关键词 重组竹轨枕；规范；耐久性；道床阻力；长期蠕变；材料改进；结构优化

1、引言

轨枕的主要功能是将车轮负载从钢轨转移到道床和路基，并将轨道保持在正确的轨距，其性能对于铁路运输系统的安全稳定起着至关重要的作用。传统的轨枕材料包括木材、钢材和混凝土等。木枕因其弹性好和容易加工的特点，曾在铁路运输早期广泛应用。然而，木枕存在易腐蚀、耐久性差等问题，并且随着森林资源的减少，其环境可持续性不足。钢枕虽然具有较高的强度和耐久性，但其重量大、制造成本高，并且在长时间使用中容易产生应力集中问题。混凝土轨枕作为当前主流轨枕材料，具有较高的抗压强度和稳定性，但其热膨胀系数高，重量较大，施工和维护成本较高，且对环境影响较大。所以对具可持续性、成本效益和耐用替代材料的吸引了越来越多的铁路学者进行探索。

竹子以其强度、灵活性和快速生长而闻名，已被广泛应用于建筑和家具制造。通过将竹纤维束浸渍树脂后进行冷压或热压成型，竹材具有优异的力学性能和稳定的尺寸特性，因其独特的纤维结构和强度特性，竹子被认为是一种理想的轨枕材料。例如，竹子的抗压强度可高达100-300 MPa，抗弯强度在100-200 MPa之间，这些性能指标与某些硬木相当，甚至更优。竹子的弹性模量也较高，这意味着它能够在承受载荷时保持较好的形状稳定性。这些特性使得竹子在经过适当的处理和加工后，能够满足铁路轨枕的严格要求。

重组竹轨枕是一种将竹材经物理、化学处理后重组而成的新型复合轨枕。与传统的木枕和混凝土轨枕相比，重组竹轨枕不仅具有较高的抗压强度和耐久性，同时在环保和经济效益方面也表现出色。但是其在实际应用中仍面临着一系列挑战，包括生产工艺的成熟度、标准化问题、以及市场接受度等。例如，重组竹的生产过程中需要精确控制温度、压力和时间，以确保最终产品的质量稳定性和一致性。由于重组竹轨枕是一个相对较新的产品，目前尚缺乏统一的行业标准和规范，这不仅影响了产品的市场推广，也增加了用户的使用风险。

本文通过系统回顾重组竹轨枕的发展与应用，探讨其在铁路基础设施中的潜在价值和实际应用情况，从竹子的可持续性出发，分析其在实际应用中遇到的技术、环境和经济挑战，以及如何通过创新的方法和策略来克服这些挑战，希望为重组竹轨枕的进一步研究和推广提供科学依据和参考。

2、发展与应用

随着时间的推移，重组竹越来越多的应用在铁路建设上，早在2011年于雪斐等提出重组竹材料替代传统轨枕材料，指出重组竹具有较高的物理性能，其中多项指标超过传统木枕，重组竹轨枕的使用寿命比传统木枕更长，且维护费用更低。

Xiao等开发了一种由木材和竹子组合而成的复合铁路轨枕(如图1 所示)。他们研究发现就，当树脂含量为15.5%、密度为0.8 g/cm3、热压时间为0.65 min/mm、热压温度为170℃时，可获得最佳断裂模量值70.08 MPa。Wang等通过对复合材料的性能进行了理论评估，提出了聚氯乙烯、白垩和竹纤维的复合轨枕材料组成的优化问题，并确定最佳材料组成。

图1层压复合轨枕

西南交通大学的赵振航通过对竹基复合轨枕减振机理及应用的研究，发现竹基复合轨枕的模量远小于混凝土轨枕的模量，并且模量随着加载频率的增大而增大。研究表明，在功率流传递过程中，复合轨枕内部消耗明显大于混凝土轨枕，从而减小了功率流的向下传递，对下部结构起到了减振的作用

国内王达等探究了重组竹轨枕在明桥面上替换普通轨枕材料的适用性与可行性，通过Abaqus软件对由5根重组竹轨枕组成的轨排模型进行受力分析，研究了截面尺寸与轨枕间距变化对轨道结构关键受力指标的影响。

竹轨枕在国际铁路行业中的应用取得了显著进展。台湾的Tiebam公司积极致力于竹轨枕的推广与应用，通过持续的创新和测试，表明竹材作为一种可持续的轨枕材料，具有广阔的应用前景。该公司将竹基复合轨枕市场瞄准中东铁路，尤其是沙特铁路建设项目。

在2023年10月，荷兰的Dragonwood Rail公司推出了其创新的竹复合轨枕产品，并已成功在荷兰铁路上进行了上道测试，如图2所示。此类竹轨枕主要由竹纤维压缩和粘合制成，利用竹材的高寿命和高环境友好性，显著减少了对森林的破坏及温室气体的排放。

图2荷兰轨道上的竹复合轨枕

荷兰Dragonwood Rail公司的竹轨枕可以用于各种轨道区域，例如桥梁和替换木枕的轨道段，其技术参数如表1，这种竹轨枕适用于车速160 km/h、轴重22.5吨和车速120 km/h、轴重25吨的铁路路段，最大轴重可达37.5吨。其竹轨枕具体的性能如表所示，其抗水性能优越，不会吸水，不易滋生真菌，且不易发生变形、收缩或开裂。其使用寿命预计可达30至40年。

表1Dragonwood Rail公司的竹轨枕性能指标

3、现行规范

复合轨枕作为一种新兴的轨枕形式，发展时间短，相关研究和使用经验相对匮乏。为规范复合轨枕的设计和开发，美国率先制定首部适用于复合轨枕的专项标准。如今，日本、中国、澳大利亚，印度和欧盟地区均已出台复合轨枕相关规范。

2003年，美国铁路工程和维护协会发布的《美国铁路工程和养护协会手册》（AREMA）中规定了美国一级铁路上使用的复合轨枕相关指标，并于2014年进行了更新完善，该标准主要适用于聚合物基质复合轨枕和胶合层复合轨枕。

其中规定了不同类型的工程复合材料轨枕物理和机械性能要求，如表2所示。2014年，印度铁道部编写《复合轨枕临时规范》（RDSO手册），该规范基于印度国内复合轨枕试验数据和使用经验，并大量参考AREMA手册。

表2不同类型复合材料轨枕物理和机械性能要求

在2007年，日本制定了专门针对FFU合成轨枕的工业标准JIS E 1203—2007《合成轨枕由纤维增强泡沫聚氨酯制成》，该标准详细规定了轨枕的尺寸规格、性能和测试方法等。参考此标准，中国在2012年和2019年分别发布了《聚氨酯泡沫合成轨枕》和《铁路钢梁用HFFP复合材料桥枕及配套MQ-1型扣件暂行技术条件》。以上三部仅针对拉挤成型工艺生产的高密度连续玻璃纤维增强发泡聚氨酯复合材料轨枕泡沫聚氨酯复合轨枕。

表3日本和中国复合轨枕性能指标

2020年3月4日，澳大利亚铁路行业安全和标准委员会（RISSB）正式批准发布了AS 1085.22《铁路轨道材料：轨枕替代材料》标准，该标准涵盖除木材、混凝土和钢材之外的所有替代轨枕的材料。标准强调了设计轨枕时需考虑的性能特性，包括耐久性和结构完整性。详细规定了使用替代材料生产铁路轨枕的具体性能标准和测试方法。这包括几何一致性测试，确保轨枕符合设计尺寸；轨座反复负载测试，验证轨枕在长时间负载下的耐久性；以及湿燥阻抗测试等。

在欧盟地区，国际标准化组织自2014年起发布了复合轨枕规范ISO 12856。该规范共分为三个部分：第1部分详细规范了聚合物复合材料轨枕的材料特性；第2部分详细描述了轨枕的测试方法，确保其在铁路中的性能和耐用性；第3部则对复合轨枕的设计进行详细规范，并考虑设计过程中的各种影响因素。

表4欧盟复合轨枕性能

从适用范围看，澳大利亚规范适用最广，涵盖除木材、混凝土和钢材之外的所有替代轨枕的材料，日本和中国规范都仅针对连续玻璃纤维增强的发泡聚氨酯复合轨枕，而AREMA、印度和欧盟规范则适用于各种聚合物基复合轨枕，包括再生塑料复合轨枕，涵盖范围更广。从各国复合轨枕规范中不难发现，不同国家和地区对替代轨枕材料的标准不一，这导致在评估和使用重组竹轨枕时缺乏一致性。例如，AREMA标准要求复合轨枕的最小弹性模量不低于1170Mpa，而日本标准《JIS E 1203—2007》和欧盟标准《ISO 12856》则要求最小值为6000Mpa。

然而，目前，全球范围内对竹基复合轨枕的标准和规范尚不完善，这不仅限制了其国际贸易，也增加了设计和施工的不确定性。例如，美国铁路工程与养护协会（AREMA）的标准中，对竹轨枕的具体要求几乎空白，这使得在不同国家和地区推广使用竹轨枕时，必须面对额外的认证和测试成本。

4、潜在问题

4.1耐久性不足

与传统的混凝土轨枕和木枕相比，重组竹轨枕在耐久性方面存在一些亟待解决的问题。耐久性不足的表现主要包括生物降解、机械性能退化以及环境耐受性差等多个方面。

重组竹轨枕的生物降解问题是其耐久性不足的重要表现之一，竹材本身富含纤维素、半纤维素和木质素，这些成分容易被真菌、细菌和昆虫等生物分解。特别是在潮湿环境中，竹材更易受到霉菌和昆虫的侵袭，导致轨枕的抗压强度和弹性模量降低。

此外，重组竹轨枕的机械性能在长时间载荷作用下会逐渐退化。铁路轨枕需要长期承受列车的巨大冲击力和振动，这对材料的抗压强度和抗剪切强度提出了极高的要求。竹材的纤维结构在反复载荷作用下会产生疲劳现象，导致其力学性能逐渐下降，竹材在长时间的使用过程中，可能会出现内部微裂纹扩展和纤维断裂，这进一步加剧了其机械性能的退化。在实际应用中，这种力学性能的退化会导致重组竹轨枕在长期使用中无法有效承载列车的重复载荷，从而增加维护和更换的频率。

重组竹轨枕在环境耐受性方面也存在不足，其对气候变化的敏感性较高，其内部结构和化学成分容易受到外界环境的影响，如温度、湿度、紫外线等。其本身属于有机材料，面对极端环境时，容易发生变形、开裂和腐蚀。竹材中的淀粉和糖类物质容易吸湿和发霉，从而导致材料性能的下降。竹材具有较高的吸湿性，湿度的反复变化会导致竹材膨胀和收缩，这种尺寸变化会导致竹轨枕与钢轨之间的连接不稳定，从而影响轨道的整体稳定性和安全性。在铁路轨道环境中，轨枕也会长时间暴露在阳光下，紫外线的照射会导致竹材中的有机成分发生光解反应，导致其表面颜色变化和材料脆化，长期的紫外线暴露会使竹材表面变得粗糙，并且降低其抗冲。

4.2道床横向阻力较低

轨枕的形状、尺寸、重量、材质等都是影响道床横向阻力的因素，横向阻力的大小直接关系到轨道的稳定性，尤其是在曲线段和桥梁等特殊路段，横向阻力的不足可能导致轨道移位或脱轨事故。复合轨枕以玻璃纤维、聚氨酯、橡塑、树脂等材料为主要成分，具有重量轻、可循环利用等优势。然而，这些材料相较于传统混凝土材料密度较低，表面光滑，导致轨枕与道砟之间的摩擦力不足，横向阻力较低，特别是在道床条件不佳的情况下容易导致轨道失稳。

类似地，重组竹轨枕具有和复合轨枕的轻量化和结构特性也可能导致其在道床中的横向阻力不足。重组竹轨枕虽然具有较高的强度和良好的弹性，但其重量较轻的特点使其在道床中的固定效果相对较差。轨枕的横向移动不仅会影响轨道的平顺性，还可能导致轨道的几何形状发生变化，从而影响列车的行驶安全。

4.3长期蠕变

轨枕在长期荷载作用下的蠕变行为仍是一个亟待研究的重要问题。轨枕的蠕变行为导致轨距的增大和紧固件的松弛，影响轨道几何形状，平顺度和稳定性，增加轨道维护的频率和成本。

重组竹在不同应力水平和环境条件下均会发生蠕变现象，其蠕变行为主要经历三个阶段：初始阶段（瞬态蠕变）、稳定阶段（稳态蠕变）和最后阶段（加速蠕变），如图3所示。在高应力水平和不利环境条件下，重组竹的蠕变变形显著增大，可能导致重组竹材料的失效，严重影响结构的使用性能。

图3蠕变曲线

综合来看，重组竹轨枕在长期荷载作用下不可避免地会产生蠕变变形。这种蠕变行为会影响重组竹轨枕的使用寿命，导致轨道系统整体结构的稳定性下降。

5、改进措施

5.1 材料改性

重组竹轨枕的强度和热稳定性等主要由重组竹基体材料所影响，对重组竹材料进行优化可以直接重组竹轨枕的多方面性能

热处理技术，如炭化处理，通过高温处理使竹材的纤维结构更加紧密，研究表明，经过碳化处理的重组竹材料在真菌侵蚀后的质量损失和力学性能下降均较未处理材料显著减少。碳化也可以固化内部粘合剂，从而提高重组竹的物理、机械和化学性能。

表面处理主要是通过涂覆或喷涂防护涂层，提高竹材的耐磨性和抗紫外线能力。常见的表面处理方法包括聚氨酯涂层、环氧树脂涂层和纳米涂层等。聚氨酯涂层可以使重组竹的表面硬度和抗冲击性能显著提升，同时增强了其防水和防紫外线能力。而环氧树脂涂层因其优良的粘结性能和耐化学腐蚀性能，被广泛应用于重组竹材料的表面处理。实验结果显示，环氧树脂涂层能够有效阻隔外界湿气和化学物质对竹材的侵蚀，显著延长其使用寿命。

无机胶具有耐高温、耐腐蚀等优点，而聚氨酯胶则因其柔韧性和粘接强度高而广受欢迎。研究比较了两种胶粘剂在重组竹中的应用，发现无机胶在高温环境下表现更佳，而聚氨酯胶在常温和低温环境中粘接强度更高，适用于不同的使用场景。

化学处理是关键的一环。例如，硼硼酸盐是一种常用的防腐剂，其通过渗透进入竹材内部，形成有效的防腐层。研究表明，硼酸盐处理后的竹材，其防虫和防腐性能显著提升，渗透深度可达2-3毫米，有效延长了重组竹的使用寿命。

5.2结构优化

对重组竹轨枕的结构优化也是提高轨枕道床横向阻力的重要方法，可参考已有轨枕的研究，对重组竹轨枕进行加宽或者增加某些设计可增加重组竹轨枕的道床横向阻力。如，Zarembski提出提高增加轨枕的长度或高度、增加底座或侧面摩擦表面来提高道床横向阻力。轨枕的异型设计也能有效的提升轨枕的道床横向阻力，如Y型轨枕，梯形轨枕，翼型轨枕，摩擦型轨枕，如图4所示。

图4新型轨枕设计

摩擦型轨枕因其显著的横向阻力提升效果而受到广泛关注，摩擦型轨枕通过在轨枕底部设计特殊的纹理来增加轨枕与道床之间的摩擦力，从而提高横向阻力，，研究表明摩擦型轨枕可以提高道床横阻力70%左右。郭云龙等在研究中设计了三种不同箭头型凹槽的摩擦型轨枕，结果显示这些轨枕可以最少提高7%的横向阻力，最高提升21%。

在多层薄板叠加的层压结构中，可以有效地减少材料内部的微观空隙，这种结构大幅降低了水分和其他腐蚀性物质的渗透。这不仅显著提升了轨枕的防水性能，而且延长了其使用寿命。此外，通过增加外层材料的硬度，可以提高轨枕的表面耐磨性和抗冲击性，这一点对于承受高速或重载条件的轨枕至关重要。在层间结构的设计中，通过科学安排竹片的排列方向、层数和厚度，并配合适当的压力和热处理，可以形成坚固且性能均衡的层压结构。南昆士兰大学的研究显示（如图5所示），不同层间薄板的排列组合方式也会对轨枕的整体性能产生显著影响这种细致的工艺优化为提升轨枕质量提供了重要的方法论支持。

图5薄板的不同排列方式

6、结论与展望

重组竹轨枕的研究和开发揭示了其在铁路基础设施中的巨大潜力。竹材作为一种环境友好和可持续的资源，经过适当的处理和技术创新，可以满足铁路轨枕的严格要求。在物理和机械性能方面，重组竹轨枕展示了优越的抗压强度和抗弯能力，与传统材料如木材和混凝土相比，具有明显的优势。此外，其环保和经济效益也为铁路行业提供了新的材料选择。

然而，重组竹轨枕的应用还面临一些挑战。其中包括耐久性不足、道床横向阻力较低以及长期蠕变、等问题。针对这些问题，研究者们已经探索并实施了多种方法以增强竹轨枕的性能。如通过对重组竹材料的改进（化学处理、表面出来和热处理）提高竹轨枕的耐久性，通过优化结构设计提升道床横向阻力，以及通过胶合层压来提升轨枕的机械性能。这些改进措施共同提高了竹轨枕的整体性能，使其更加适用于现代铁路系统的需求。

随着环保意识的提高和可持续发展需求的增加，重组竹轨枕有望在全球铁路行业中得到更广泛的应用。但由于发展年限较短，实际应用经验较为缺乏，未来的研究应重点关注以下几个方面：

1. 轨枕的长期性能：重组竹轨枕在长期服役中道钉抗拔强度的变化、疲劳荷载下各层间的黏结强度等问题。

2. 标准化与规范制定：制定统一的行业标准和规范，以确保重组竹轨枕在全球范围内的质量一致性和市场接受度，引导重组竹轨枕设计和制造技术系统提升

3. 环境与经济效益评估：深入评估重组竹轨枕的环境和经济效益，通过生命周期分析（LCA）和成本效益分析（CBA），量化其在环保和经济方面的优势，为决策者提供科学依据

                                                                作者：张家硕

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