[图文]木枕加固、修复与回收方法

2021年9月28日00:00:41
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0 引言

木枕又称枕木,是指由木材制成的铁路轨枕。在过去140年中,木枕的形状基本没有发生变化。目前,全世界已铺设超过25亿根木枕。由于木枕在隧道、桥梁、道岔、减振区段、小曲线半径及工业线路等工况具有技术经济优势,其在北美洲、欧洲及独联体国家,仍是重要的轨枕类型。例如,在美国和加拿大的铁路轨枕中,木枕所占比例超过85%。在木枕铁路的养护维修中,为避免轨道线路力学特性突变,应使用力学性能接近的轨枕更换失效木枕,不宜采用预应力钢筋混凝土枕替换木枕。因此,虽然在全世界铁路轨枕中,木枕所占份额已经停滞,但仍是一种主要的轨枕类型。

在建国以前及建国初期,我国铁路普遍采用木枕。自20世纪50年代起,随着无缝线路和混凝土技术的发展,我国开始研制并大规模使用混凝土枕。虽然在我国铁路轨枕中,木枕所占比例仅为3.6%,但服役数量仍超过1 170万根。取木枕平均服役寿命20年,每年需更换5%,即约58.5万根木枕。考虑到每根木枕体积约0.1 m3,相当于每年消耗5.85万m3 优质木材。另外,废弃木枕含重金属及危险致癌物质,如处理不当会对生态环境(土壤、水体等) 及人类健康构成威胁。因此,延长木枕服役寿命、妥善处理废弃木枕,对我国铁路可持续发展及生态文明建设具有积极意义。

1 木枕失效判定

1. 1 失效标准

木枕失效标准主要有以下几点:

(1) 木枕因腐朽失去承压能力;钉孔腐朽,无处改孔,不能持钉。

(2) 木枕折断或拼接的接合部发生分离,不能保持轨距。

(3) 机械磨损,经削平或去除腐朽木质后,设计时速大于120 km的线路木枕厚度不足140 mm,其他线路木枕厚度不足100 mm。

(4) 劈裂或其他伤损,不能承压、持钉。

1. 2 失效模式

木枕典型失效模式包括:真菌侵蚀、端头开裂、道钉松弛、机械磨蚀等(见图1)。

木枕腐朽是生物作用的过程;机械磨蚀和开裂是列车荷载反复作用,以及干湿和冻融交替的结果。木枕腐朽不但会降低强度,也加剧机械磨蚀和开裂的发展;而木枕的机械磨蚀和开裂又为加速腐朽提供有利条件。因此,要延长木枕服役寿命,应针对这几点进行综合治理。

图1 木枕典型失效模式

2 木枕加固

使用组钉板是延长木枕服役寿命最常见方法之一(见图2)。由于硬木轨枕更易开裂,因此组钉板常用于该类轨枕。在气候干燥的铁路线路,组钉板也适用于软木轨枕,以减少其开裂。组钉板一般由长127~152 mm、宽19 mm的金属片制成,须在一侧进行锐化处理(设置突刺),以便钉入木枕,实现加固。

[图文]木枕加固、修复与回收方法

图2 组钉板

枕端加固钉也是木枕加固的常用手段,主要有S型钉和U型钉(见图3);也有其他型的加固钉设计了分支结构,以便于夹住更多木材纤维。对于截面尺寸较小的轨枕,其每个端头仅需使用1个加固钉;截面尺
寸较大的轨枕,需使用2个加固钉。如果木枕在其截面3个方向都开裂,宜用钢带或铁丝对开裂处进行捆扎。

图3 枕端加固钉

关于木枕加固的时机,目前仍存在争议。作业人员有的在枕木堆放风干过程中钉入组钉板或加固钉;有的在轨枕出现裂缝后进行安装;也有在轨枕风干一段时间后安装,使木材在安装加固装置前稍微干缩。

严格控制木枕含水率,改善其干燥工艺,对于防止木枕开裂尤为重要。相比露天干燥,采用窑内干燥可减少木枕干缩开裂。通过预钻道钉孔,并采用具有较大底面或弹性良好(如合成橡胶) 的轨下垫板,可减轻轨枕磨蚀,延长木枕服役寿命。在安装道钉或维修道钉孔时,可采用硬木材质的衬套,改善道钉锚固区受力状况。另外,采用经表面防腐处理的轨下垫板或经压制的沥青麻布,置于轨下垫板与木枕之间,可防止污物、水、砂等侵入夹缝和钻孔,避免承轨区腐烂。

综上所述,木枕的加固方法大同小异,但加固装置的尺寸、形状存在一定差异,导致加固效果参差不齐,影响木枕服役寿命。另外,部分国外厂家对素枕进行表面微创针刺处理(见图4),处理后防腐剂浸渍
深度更深、浸渍更均匀、作业耗时更短,服役寿命进一步延长。该技术成本低、效果好,可在我国铁路木枕制造中推广采用。

图4 表面微创针刺处理

3 木枕修复

为了有效延长木枕服役寿命,解决轨距变宽,木枕、岔枕和桥枕道钉孔尺寸扩张,道钉松弛等问题,可采用国外一些新型修复方法。

3. 1 复合材料道钉孔修复衬套

在轨距变宽时,通常会立即采用硬木材质衬套对轨枕进行维修。但是,硬木材质衬套难以长久牢固地固定道钉,经过一段时间,轨距会重新变宽;恶劣气候(雨、雪、温差等) 也导致木制衬套加速劣化。采用俄罗斯Форснаб 公司的复合材料道钉孔修复衬套,可在一定程度上解决以上问题(见图5)。

图5 复合材料道钉孔修复衬套

如图所示,该衬套是一种特殊设计的套筒,由2个半筒构成。套筒内空间用于安装螺纹道钉。衬套内设有肋条,可防止道钉松动,提高道钉在木轨中的锚固稳定性。道钉插入后,在衬套整个长度上扩撑(类似膨胀管),从而增加与道钉孔的接触面积,提高锚固强度。安装时,先在木枕中钻出所需尺寸的孔洞,对其清洁后插入衬套,再将螺纹道钉旋入衬套。该衬套具有良好的温度适应性,可在-60~+60 ℃正常使用。

3. 2 木枕修复剂

对于既有木枕裂缝的修复,我国一般采用防腐浆膏掺以麻筋填塞,并配以铁丝绑扎的传统方法。该方法可填充裂缝,阻止裂缝内发生腐烂或蛀蚀,但不能实现裂缝的恢复和粘结。采用俄罗斯Форснаб公司的ДСРⅢ木枕修复剂,可延长木枕服役寿命,降低铁路运维成本(见图6)。该修复剂由组分A和组分B构成,组分A为聚醚、催化剂、以及交联剂和稳定剂等的混合物,组分B为聚合物异氰酸酯。2种组分通过混合器发生化学反应,并在较短时间后硬化,形成密度接近硬木的固体。

图6 ДСРⅢ木枕修复剂

ДСРⅢ木枕修复剂可在不拆卸轨底板的情况下,快速修复木枕和复合轨枕扣件紧固孔,也可用于修复木枕裂缝,并保证粘结强度不低于木材本身。欧亚经济联盟及俄罗斯相关测试表明,该产品在铁路和地铁中使用性能良好,具有良好的经济效益。

3. 3 道钉孔修复套装

由于木枕更换价格昂贵、耗时较长,一般只在道钉孔失效时才进行更换,使轨道稳定性变差。采用荷兰Railpro公司开发的一款道钉孔修复套装,修复过度扩张的木枕道钉孔,可大大延长木枕服役寿命(见图7)。该产品主要成分为专业粘结剂ThreadFix,可用于木材的强力粘结,且不粘结道钉。应用道钉孔修复套装,可在不损伤轨枕的前提下,实现螺纹道钉的重复安装拆卸。其最具创新性的部分是道钉孔矫正衬套,可提供受力均匀的道钉孔,确保螺钉的竖直拧入。

[图文]木枕加固、修复与回收方法

图7 道钉孔修复套装

将道钉孔清理干净后,将衬套插入,对道钉进行润滑,再注入粘结剂,插入道钉,10 min后旋出道钉,即在轨枕内形成可反复使用的道钉孔,建立轨枕和道钉的牢固连接,15 min即可修复失效道钉孔,大大缩短了木枕修复时间。

上述木枕修复产品尚未在我国广泛应用,如能实现国产化,将降低我国木枕及复合轨枕的运维成本,促进我国铁路基础设施可持续发展。

4 木枕回收

在木枕线路养护维修作业中,需持续更换、回收旧枕木。由于木枕由杂酚油等防腐剂处理,并时常被喷洒除草剂、杀菌剂和农药,对环境构成威胁。克罗地亚一项研究表明,经杂酚油处理的木枕,其铜、锌元素浓度分别是农用地土壤最大允许浓度的66 倍、21倍,铬元素含量超出允许上限值66%,汞和镍元素也达到允许上限值。因此,必须对废弃木枕进行妥善处理。目前,木枕回收的处理方式主要有以下3种:

(1) 用作户外家具、栅栏等非承力或装饰性构件进行回收。但是,随着木枕对环境与人体的危害被研究和发现,该方式已被欧盟委员会明令禁止。

(2) 破碎回收,用作复合材料填料。伊朗一项研究表明,采用经机械破碎后的废弃木枕为填料的水泥基复合材料,其物理力学性能与采用纯净木粉/纤维为填料的复合材料接近。因此,经破碎回收的木枕,可作为生产水泥基及树脂基复合材料的填料加以利用。

(3) 焚烧发电。由于木枕热值高达16 580 kJ/kg,在受控条件和严格环境监管下正确处理,可产生巨大能量。废弃木枕在热解炉中低温热解发电,其处理步骤通常分为3步:废弃木枕破碎、填充床热解及金属元素分离。自2003年6月30日起,欧盟委员会将经过杂酚油或铜铬砷(CCA) 处理的废弃木枕归类为危险废弃物,禁止对其进行露天焚烧。因此,英国建造了主要通过燃烧废弃轨枕获取能源的专用发电厂。该发电厂通过英国环境署审查、监控和许可,与英国铁路网公司紧密合作,已依据《垃圾焚化指令》回收超过350万根废弃木枕。在欧洲大陆,建有多座环保处理废弃木枕的发电厂,每年可焚烧处理超过25万t废旧木枕。

我国木枕使用规模相对有限,且木枕多分布于偏远地区,运输成本较高,因此并未建设专门用于焚烧木枕的发电厂。专用发电厂的技术关键,是研发针对木枕中有害物质的净化设备,如果能实现其小型化,且有合适的工厂选址,并可获得持续充足的废弃木枕或废弃防腐木材,能产生良好经济效益,则可考虑使项目落地。综合考虑,废弃木枕在我国更适宜回收作为建材生产原材料,该模式无需大量资金设备投入,更符合我国国情。

5 结论

木枕是铁路最早采用的一种轨枕,由于各国国情的差异,导致木枕在不同国家有不同地位。我国是铁路大国,服役木枕数量庞大,废弃木枕的不当处理可能引发生态问题。延长木枕服役寿命、妥善处理废弃木枕,对我国铁路可持续发展和生态文明建设具有积极意义。通过对木枕加固、修复及回收技术的梳理,得出以下结论:

(1) 木枕典型失效模式包括真菌侵蚀、端头开裂、道钉松弛及机械磨蚀。木枕腐朽、机械磨蚀和开裂,三者互为因果,为延长木枕服役寿命,应针对这几点进行综合治理。

(2) 除组钉板、S型钉、U型钉、钢带、大底面轨底板、木制道钉孔修复衬套、合成橡胶轨底板等传统手段外,也可采用复合材料道钉孔修复衬套、木枕修复剂等新方法,延长木枕服役寿命,降低成本。对于木枕加固修复设备,各国大同小异,但我国尚无复合材料销钉及道钉孔修复剂等产品,值得进行国产化推广应用。

(3) 废弃木枕回收途径包括用作户外非承力或装饰性构件、复合材料填料及焚烧发电。废弃木枕具有很高热值,其在热解炉中的处理步骤包括破碎、填充床热解和金属元素分离等。

(4) 在木枕回收的诸多途径中,破碎回收作为建材生产原材料最符合我国国情,而建立木枕专业焚烧厂需要进行技术攻关、场地选址及可行性分析等,不易获得良好的经济效益。

(5) 再生塑料复合轨枕研制和维修可参考木枕。

文章来源:

【原文名称】木枕加固、修复与回收技术进展研究

【作者】 王创; 井国庆; 康德拉申科·瓦列里·伊万诺维奇; 黄兴启;

【机构】 俄罗斯交通大学道路建筑与结构学院; 北京交通大学土木建筑工程学院; 山东高速铁建装备有限公司;

【文献出处】 中国铁路 ,China Railway , 编辑部邮箱 ,2021年07期

 

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