[发明专利]耐久性铁路轨枕

说明书

一种铁路轨枕，由具有以下特征的工程胶凝复合(ECC)材料构成：(1)ECC的拉伸延展性最小为2％，(2)完全不存在碱硅酸反应(ASR)，(3)ECC的高的耐疲劳性，是普通混凝土的至少五倍，(4)ECC的自愈合能力只需要水和空气，(5)ECC定制以实现轨枕中较低的刚度(普通混凝土的刚度的60％)和座中较高的耐磨性(普通混凝土的耐磨性的三倍)。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年2月11日提交的美国临时申请第62/114712号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开内容涉及铁路轨枕，并且更具体地，涉及由自愈合工程胶凝复合材料(self-healing engineeredcementitous composite)制成的铁路轨枕。

背景技术和发明内容

本部分提供了与本公开内容相关的背景信息，其不一定是现有技术。本部分还提供了本公开内容的一般概述，而不是全面披露其全部范围或其所有特征。

铁路轨枕是铁路轨道基础设施的组成部分。其通常嵌入石渣路基并且轨道位于轨枕的顶上。轨枕之间的间距为约0.5米，因此每公里轨道可以有多达2000个轨枕。历史上，铁路轨枕是由木材制成的。然而，由于木材轨枕的耐久性有限以及合适品质的硬木的可得性降低，倾向于向用钢(即，内部加强构件)加强或预加应力的混凝土轨枕转变。

20世纪60年代早期，预应力混凝土铁路轨枕首次在北美安装。虽然混凝土轨枕的设计使用期限被认为是大约50年，但是自从混凝土轨枕开始出现以来，广泛报道了其过早失效。例如，Amtrak在1997年安装了118000个混凝土轨枕，只持续了4年就需要更换。

轨枕的过早失效降低了轨道品质，导致铁路公司频繁且昂贵的维护，以及对于用户而言可靠性较低的铁路服务。2012年，美国的铁路公司总计投资了224亿美元以对铁路网络进行维护和使其现代化。然而，尽管有这些巨额投资，美国的铁路基础设施的现状最近也被美国土木工程师协会(American Society of CivilEngineers)评为C+级，表明需要进一步的投资以确保铁路处于维修良好的状态。

预应力混凝土铁路轨枕的过早失效是由许多因素引起的。严酷的环境条件，例如冻融循环和化学侵蚀(包括碱硅酸反应(ASR)和延迟的钙矾石形成)，导致了大到足以引起混凝土开裂的内部压力。此外，铁路轨道上的超载和加速引起轨座(railseat)劣化，导致轨道下的混凝土轨枕的磨损和开裂。

上述失效机理的严重性因混凝土的脆性而增大，这使得轨枕倾向于具有大的裂缝宽度。开裂通过产生有害物质穿透表面并腐蚀预应力钢的路径而降低轨枕的耐久性，并且通过对轨枕的机械性能产生负面影响而降低回弹性。反复的维修和更换由于浪费的资源和能量的量而使得混凝土铁路轨枕无法持续。因此，开发可以控制损坏并随后进行自行修复的铁路轨枕将能够实现更耐久、回弹且可持续的铁路运营和服务。

目前的铁路轨枕是由预应力混凝土制成的。在过去的十多年中，已经变得清楚的是，这种轨枕的耐久性显著低于预期，导致需要铁路线的反复更换和相关的不期望停机时间。缺乏耐久性的根源是两个主要机理：(a)混凝土的ASR和脆性剥落以及后续的预应力钢的腐蚀，(b)钢轨下的低耐磨性。不良劣化的严重性驱使一些铁路公司(包括Amtrak)考虑回归使用更传统的木轨枕，尽管其具有缺点(腐烂和缺乏优质木)。预应力混凝土轨枕的未预料到的短使用寿命是全球铁路行业问题。虽然已被认识到至少十年，但是尚未找到解决方案。