复合铁道枕木以及其生产与使用方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请主张2013年3月13日提交的美国临时申请序列号61/780,738的优先权益， 其全部内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明大体上涉及铁道枕木。更具体地，本发明涉及由新颖的复合材料经非传统 生产方法制造的铁道枕木。所述独特的铁道枕木具有优良的特性并且适合于铁道建造与维 护等多种应用。
【背景技术】
[0004] 铁道枕木(还称为铁路枕木、横枕，或铁路轨枕)是典型地具有均一梯形横截面、用 于支撑铁道轨道的长条形横梁。铁道枕木(RRT)通常垂直于铁轨铺设，以使铁轨保持笔直、 将负荷转移至道碴以及路基并且使铁轨间隔保持正确的轨距。RRT通常用钢筋加强，所述钢 筋嵌埋入RRT中以改良RRT的机械特性以及耐久性。RRT-般采用扣件系统以与铁道轨道紧 固附接。
[0005] 现今制造的大部分RRT由传统混凝土制成。对于指定目的而言，现有混凝土RRT大 多是有效并且可靠的。然而，混凝土 RRT从经济学与环境影响的角度并非是最佳的。现有生 产技术涉及大量能量消耗与二氧化碳排放，导致碳足迹不理想。
[0006] 因此，对于满足或超过传统混凝土 RRT的物理与性能特性、同时能够以低成本、改 善的能量消耗以及较小环境影响大量生产的RRT的新颖材料与生产方法，存在持续性的需 要。
【发明内容】
[0007] 本发明部分地基于出乎意料地发现由新颖复合材料制成的新颖铁道枕木，所述铁 道枕木具有与现有混凝土 RRT相当或超过现有混凝土 RRT的优良物理与性能特性。本发明的 RRT展现优良的耐候性与性能特性，所述性能特性包括韧性、挠性、耐磨性以及耐化学性。本 发明的RRT能够容易地由可以广泛获得的低成本原材料、通过适于大规模生产的方法、设备 需要较少并且能量消耗改善地生产，因此碳足迹合乎需要、环境影响最小。
[0008] 原材料包括变成接合单元的前体材料，诸如微粒娃酸|丐(例如研磨娃灰石）。还提 供流体组分作为反应介质，所述组分包含液态水和/或水蒸汽。生产RRT时，二氧化碳(C0 2) 作为反应性物种而消耗，从而使co2得到净固存。可以利用各种添加剂对所得复合材料的物 理外观以及机械特性进行微调。
[0009] 在一个方面中，本发明大体上涉及一种铁道枕木。铁道枕木具有由复合材料制成 的长条形枕木主体，所述复合材料包括:多个接合单元，其中各个接合单元包含主要含有硅 酸钙的核心、富含二氧化硅的第一层或内层，以及富含碳酸钙的第二层或外层；以及填料颗 粒，所述填料颗粒包含粗糙填料颗粒和/或精细填料颗粒，其中多个接合单元与多个填料颗 粒一起形成一个以上接合基质，并且接合单元与填料颗粒大致均匀地分散于其中并且接合 在一起。
[0010] 在另一个方面中，本发明大体上涉及一种铁道枕木的生产方法。所述方法包括以 下步骤：（a)将微粒组合物与液体组合物混合以形成浆料混合物，其中微粒组合物包含:研 磨娃酸钙以及填料颗粒，所述研磨娃酸钙具有约lym至约1 ΟΟμπι范围内的中值粒径，所述填 料颗粒包含第一粗集料颗粒以及第二细集料颗粒，并且其中液体组合物包含水；（b)将浆料 混合物浇铸于根据铁道枕木所设置的模具中；以及(c)使浇铸混合物在约20°C至约150°C范 围内的温度下、在水与C0 2的气氛下固化约1小时至约80小时，所述气氛具有环境大气压至 高于环境大气压约60psi范围内的压力并具有约10%至约90%范围内的C0 2浓度。
【附图说明】
[0011] 图1(a)至1(c)为根据本发明的示例性实施例的接合单元的截面的示意性说明，所 述截面包括三种示例性核心形态：（a)纤维状，（b)椭圆形，以及(c)等轴晶状。
[0012] 图2(a)至2(f)为根据本发明的示例性实施例的复合材料的侧视图以及截面视图 的示意性说明，示出（a)稀接合基质中的1D取向纤维状接合单元(接合单元不接触）；（b)稀 接合基质中的2D取向片状接合单元(接合单元不接触）；（c)稀接合基质中的3D取向片状接 合单元(接合单元不接触）；以及(d)稀接合基质中的随机取向片状接合单元(接合单元不接 触），其中复合材料包括接合基质以及填料组分，诸如聚合物、金属、无机颗粒、集料等；（e) 含有接合单元的浓缩接合基质（具有足以建立渗滤网络的体积分数），其中基质呈3D取向； 以及(f)含有随机取向接合单元的浓缩接合基质（具有足以建立渗滤网络的体积分数），其 中可以包括填料组分，诸如聚合物、金属、无机颗粒、集料等。
[0013]图3示意性说明根据本发明的实施例的示例性铁道枕木。
[0014]图4示意性说明根据本发明的实施例的示例性铁道枕木(不含加强筋)的横截面。 [0015]图5为用于浇铸具有后张钢线用孔道的RRT的布置的照片。
[0016]图6示出呈完全固化形式的实际RRT，所述实际RRT具有六个用于后张钢线的Γ直 径孔道孔。
[0017]图7示意性说明根据ASTM G109的腐蚀测试。
【具体实施方式】
[0018]本发明提供具有与现有混凝土 RRT相当或超过现有混凝土 RRT的优良物理以及性 能特性的特殊铁道枕木。本发明的RRT容易地由可以广泛获得的低成本原材料、通过适于大 规模生产的方法、能量消耗改善并且碳足迹更合乎需要地生产。
[0019]可以制造本发明的RRT用于多种铁道轨道，例如重载、轻轨、道岔、高速，以及用于 铁路轨道的工业铁道枕木。RRT可以预张地(或后张地)和预应力地制造，所述RRT的特征为 RRT的负载量以及耐久性提高。
[0020] 本发明的RRT可以大规模生产，与传统混凝土RRT的生产相比，设备需要较少且能 量效率提高。此外，本发明的生产方法消耗大量c〇 2,产生c〇2固存产物，从而使得本发明的生 产方法为碳中性并且在环境上为高效的。
[0021] 本发明的RRT以及用于生产本发明RRT的复合材料展现低热膨胀；因此，本发明的 RRT以及用于生产本发明RRT的复合材料非常适于维持铁轨之间的适当距离。本发明的RRT 以及用于生产本发明RRT的复合材料坚固、坚硬并且耐紫外光、恶劣气候条件、温度波动以 及微生物和昆虫侵蚀，以及延长使用所施加的机械应力。另外，复合材料自身为优良的电绝 缘体并且防止铁轨之间产生电流。此外，本发明的RRT以及用于生产本发明RRT的复合材料 具有耐久性并且展现优良的耐磨特性，同时适合与典型的扣件、螺栓、螺杆、道钉等一起使 用。
[0022]在一个方面中，本发明大体上涉及一种铁道枕木。该铁道枕木具有由复合材料制 成的长条形枕木主体，所述复合材料包括:多个接合单元，其中各个接合单元包含:主要包 含硅酸钙的核心、富含二氧化硅的第一层或内层，以及富含碳酸钙的第二层或外层；以及填 料颗粒，所述填料颗粒包含粗糙填料颗粒和/或精细填料颗粒，其中多个接合单元与多个填 料颗粒一起形成一个以上接合基质，并且接合单元与填料颗粒大致均匀地分散于其中并且 接合在一起。
[0023] 在某些优选实施例中，在用于在其中纵向放置一根以上加强筋的一个以上纵向 (纵长地)布置的孔道(通道）（例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10个孔道）中，长条形枕木主体具有 大致均一横截面(例如梯形）。在某些优选实施例中，RRT的枕木主体内进一步包括一根以上 加强筋（或加强筋(rebar))(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10根加强筋）。加强筋典型地纵向放 置于长条形RRT中。
[0024] 在某些优选实施例中，一根以上加强筋为钢加强筋。在某些优选实施例中，一根以 上加强筋为非钢加强筋。
[0025]对于钢加强筋，其与枕木主体的界面可以夹入pH值高于12的保护材料(例如包含 波特兰水泥衆(Portland cement mortar)的材料），从而阻隔枕木主体与钢加强筋直接接 触。在某些优选实施例中，保护材料为钢加强筋上的保护性覆层，所述保护性覆层选自环氧 树脂以及锌(镀锌钢）。
[0026]在某些实施例中，铁道枕木为预应力式。在某些实施例中，铁道枕木为后张式。在 某些优选实施例中，铁道枕木为预应力式以及后张式。
[0027]如本文所用，术语"预应力式"指向加强筋或钢线施加应力至某种程度并将所述加 强筋或钢线定位于RRT模具中，随后将混凝土放置于RRT模具中并使混凝土固化。
[0028]如本文所用，术语"后张式"指完全固化的RRT从模具中移除之后，向加强筋或钢线 施加应力至某种程度并将所述加强筋或钢线定位于所述完全固化的混凝土 RRT的孔道内。 [0029]可以在浇铸复合材料之前，向钢筋施加预张力。预压缩力可以经由传递长度上的 接合而从钢加强筋传递至靠近RRT末端的复合材料。对于预应力式RRT而言，可以在复合材 料硬化之后，向钢筋（tendon)施加后张力。预压缩力还可以通过锚定装置(位于块体末端） 从钢加强筋传递至复合材料。
[0030] 在某些优选实施例中，RRT的复合材料的特征在于密度为1900kg/m3至2800kg/m3 (例如，约 2000kg/m3、约 2200kg/m3、约 2300kg/m3、约 2400kg/m3、约 2500kg/m3、约 2600kg/m3、 从约2000kg/m3至2600kg/m3)。
[0031] RRT的复合材料展现优良的抗压强度。在某些实施例中，复合材料的特征在于抗压 强度为约40MPa至约150MPa(例如，约40MPa至约120MPa、约40MPa至约lOOMPa、约50MPa至约 150MPa、约60MPa至约 120MPa、约80MPa至约 150MPa、约 1 OOMPa至约 150MPa)。
[0032] RRT的复合材料还展现优良的挠曲强度。在某些实施例中，复合材料的特征在于挠 曲强度为约IMPa至约40MPa (例如，IMPa至约30MPa、IMPa至约25MPa、IMPa至约20MPa、IMPa至 约 15MPa、3MPa至约 1 OMPa、4MPa至约 1 OMPa、4MPa至约 8MPa、6MPa至约 3 OMPa、15MPa 至约 40MPa、约 15MPa至约 3 5MPa、约 15MPa至约 3 OMPa、约 15MPa 至约 2 5MPa、约 15MPa至约 2 OMPa、约 20MPa至约40MPa、约 20MPa至约 35MPa、约 20MPa至约 30MPa)。
[0033] 在某些优选实施例中，RRT的复合材料的特征在于，与传统混凝土铁道枕木相比， 耐磨性提高。在某些优选实施例中，RRT的复合材料的特征在于，与传统混凝土铁道枕木相 比，耐腐蚀性提高。在某些优选实施例中，RRT的复合材料的特征在于，与传统混凝土铁道枕 木相比，抗虫性提高。在某些优选实施例中，RRT的复合材料的特征在于，与传统混凝土铁道 枕木相比，电绝缘性提高。
[0034] 任意适合的硅酸钙可以用作接合单元的前体。如本文所用，术语"硅酸钙"指包含 一组含钙硅化合物中的一种以上的天然存在的矿物质或合成材料，含钙硅化合物包括 CaSi03(还称为"硅灰石"并且有时化学式为CaO · Si02)、Ca2Si〇4(还称为"斜硅灰石"并且有 时化学式为2Ca0 · Si02)、Ca3Si05(还称为"硅酸三钙石"并且有时化学式为3Ca0 · Si02)，所 述材料可以包括一种以上其他金属离子以及氧化物(例如铝、镁、铁或锰氧化物)或其掺混 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镁，所述量的范围为痕量 (1重量％ )至约50重量％以上。
[0035] 应了解，本文公开的组合物以及方法中可以采用硅酸镁代替硅酸钙或除硅酸钙之 外还使用硅酸镁。如本文所用，术语"硅酸镁"指包含一组含镁硅化合物中的一种以上的天 然存在的矿物质或合成材料，含镁硅化合物包括例如Mg 2Si04(还称为"镁橄榄石"）以及 Mg3Si401Q(0H)2(还称为"滑石"），所述材料可以包括一种以上其他金属离子以及氧化物(例 如钙、铝、铁或锰氧化物）或其掺混物，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，所述量的范围为痕量(1重量％ )至约50重量