[发明专利]一种3D打印的复合型混凝土轨道板及其预制方法

说明书

本发明公开了一种3D打印的复合型混凝土轨道板及其预制方法，该轨道板，包括芯层、加强层及加强框，芯层由钢纤维混凝土或素混凝土经3D打印而成，加强层和加强框均由钢纤维混凝土经3D打印而成；预制该轨道板，包括如下步骤：轨道板打印模板的清理及预埋件和套管的安装；轨道板底部承轨台及底部加强层的3D打印；加强框和芯层的3D打印；顶部加强层的3D打印；养护及脱模。采用本申请的预制方法得到的轨道板，以钢纤维混凝土、素混凝土为打印材料采用大型3D打印机分层分块打印而成，无需布置钢筋或预应力筋，能够显著改善混凝土轨道板的抗裂、抗冲击和抗疲劳性能，简化轨道板的生产工艺，降低轨道板的工程造价。

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种3D打印的复合型混凝土轨道板及其预制方法。

背景技术

高速铁路凭借其速度快、运载量大、安全可靠、节能环保、经济实惠等传统铁路无法比拟的优势，在全世界范围内呈现出蓬勃发展的强劲势头。截至2016年年末，我国高速铁路建设和运营里程已达到22,000km，居全世界总量的2/3。与传统的有砟轨道相比,无砟轨道具有轨道稳定性、刚度均匀性和耐久性好、平顺性高、维修工作量小等突出优点，在高速铁路中得到了广泛应用。其中，板式无砟轨道结构具有强度高、弹性好、施工简便、出现病害时维修方便等优点，在世界各国应用较早也较多。它是将钢轨通过多对扣件系统支承在具有一定宽度和长度的钢筋混凝土或预应力混凝土板即轨道板上，轨道板放置在下部基础之上。轨道板是板式轨道结构中关键的结构构件，它直接承受列车荷载及环境作用。轨道板的开裂和破损直接影响高速列车的运营安全。

目前，国内外无砟轨道板大多数采用钢筋混凝土或者预应力混凝土轨道板，例如德国的板，日本的单元板以及我国的CRTSⅠ型、Ⅱ型、Ⅲ型板等轨道板。在混凝土轨道板内布置钢筋或张拉预应力筋，能够发挥钢材受拉性能好和混凝土受压性能好的特性，能够满足列车荷载及环境作用作用下轨道板的承载性能和变形要求，控制轨道板的不开裂或裂缝宽度满足设计要求。然而，由于混凝土的早期收缩、环境作用及列车荷载的反复作用，轨道板内配置钢筋和张拉预应力筋等措施不能有效地阻滞混凝土微裂缝的出现和发展，对轨道结构的耐久性和列车行车安全埋下了安全隐患。此外，传统的混凝土轨道板钢筋加工、绑扎及预应力张拉的工作量较大，生产工艺复杂，生产效率不高，轨道板板厂存在占地面积大，建设成本高，轨道板综合造价高等问题。

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍收缩和塑性变形引起混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性、韧性和耐久性。钢纤维混凝土作为一种重要的改性混凝土，在建筑工程、道路与桥梁工程、水利工程、港口工程及铁道工程等行业得到了广泛的应用。大量的试验研究证明，在混凝土轨枕中掺入钢纤维，能够显著提高轨枕的抗裂性能、抗冲击性能和抗疲劳性能。

3D打印(3DP)是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料等可粘合材料，采用数字技术材料打印机通过逐层打印的方式来构造物体快速成型的新技术。该技术具有制造复杂物品不增加成本、产品多样化不增加成本、无须组装、零时间交付、设计空间无限、零技能制造、不占空间、便携制造、减少废弃副产品、材料无限组合、精确的实体复制等优势。目前，3D打印技术被广泛应用于机械和汽车制造、工业设计、航空航天、牙科和医疗产业、土木工程等领域。3D打印正帮助来自各个行业、具有不同背景和专业技术水平的人用类似的方式减少各行各业主要产品成本、时间和复杂性障碍。

为了改善混凝土轨道板的抗裂、抗冲击和抗疲劳等综合力学性能，简化轨道板的生产工艺，提高生产效率，降低轨道板的制作成本，研发基于3D打印技术的纤维混凝土轨道板制造工艺，能够有效地节省人力物力，降低工程综合造价，具有非常广阔的市场前景。

发明内容