纖維增強復合材料軌枕的技術參數(shù)和試驗方法

曾志斌

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

根據(jù)制造材料不同，鐵路軌枕主要分為木枕、混凝土枕和鋼枕3種。木枕使用歷史悠久，彈性好，但是容易腐朽和開裂，使用壽命短，持釘能力弱，養(yǎng)護維修工作量大，不利于生態(tài)環(huán)境保護，有害鐵路職工健康；混凝土枕使用壽命長，穩(wěn)定性好，養(yǎng)護維修工作量小，但是質量較大；鋼枕材質均勻，彈性較好，使用壽命長，但是容易腐蝕，絕緣性能差，疲勞問題突出。在世界上正式運營的鐵路中，木枕占所有軌枕的比例約為90%，總數(shù)超過25 億根；中國鐵路主要采用混凝土枕，總數(shù)超過3.2 億根，而木枕僅有約1 000 萬根；鋼枕主要在德國、英國、巴西等國家使用。

由于制作木枕的優(yōu)質木材資源日益稀缺，世界各國致力于研究木枕的替代材料，其中復合材料軌枕開始商業(yè)化［1］，例如日本研制的連續(xù)纖維增強發(fā)泡聚氨酯（Fiber-reinforced Foamed Urethane，F(xiàn)FU）合成軌枕和美國以回收塑料為主要原料制作的復合材料軌枕。中國于2004年在廣州地鐵4號線引進了日本FFU合成軌枕，并頒布標準CJ/T 399—2012《聚氨酯泡沫合成軌枕》［2］。2018 年中國研制成功了適用于干線鐵路27 t軸重列車的高密度連續(xù)纖維增強發(fā)泡聚氨酯（Highdensity Fiber-reinforced Foamed Polyurethane，HFFP）復合材料橋枕［3］，并制定了暫行技術條件［4］，目前正在推廣使用。

纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer 或Fiber Reinforced Plastic，F(xiàn)RP）是由增強纖維材料（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等）和基體材料（不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯等）經過纏繞、模壓或拉擠等成型工藝而形成的復合材料，具有輕質、高強、絕緣、抗腐蝕、耐久、材料性能可設計等優(yōu)點，是一種新型的工程材料，逐漸應用于各種民用建筑、橋梁、公路、海洋、水工結構、地下結構等領域［5］。

軌枕是鐵路軌道結構的重要組成部分，主要作用是支承鋼軌和有效保持鋼軌的幾何位置。纖維增強復合材料屬于高分子材料，其特性與木材、混凝土、鋼材完全不同，纖維增強復合材料軌枕（簡稱復合材料軌枕）的技術參數(shù)和試驗方法與木枕、混凝土枕、鋼枕也不同，須借鑒世界各地復合材料軌枕的相關規(guī)定，結合中國現(xiàn)行鐵路規(guī)范和標準，研究并制定適用于中國干線鐵路的纖維增強復合材料軌枕技術參數(shù)和試驗方法。

1 復合材料軌枕技術參數(shù)綜述

1.1 美國復合材料軌枕

美國《Manual for Railway Engineering》［6］（《鐵路工程手冊》）對工程復合材料軌枕的材料、物理力學性能、試驗方法、質量控制、檢查識別等進行了詳細規(guī)定。復合材料軌枕都必須滿足表1 的物理力學性能要求。

美國的工程復合材料有2 種，一種是工程聚合物復合材料（Engineering Polymer Composite，EPC），是由聚合物基體材料、增強材料（例如玻璃纖維）和其他改性劑融合在一起的材料；另一種是工程木制品（Engineering Wood Product，EWP），由木板或木條采用結構黏合劑（例如酚醛樹脂）黏結在一起。前者的主要成分為消費后回收的高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE），可分為3 類：第1 類是纖維增強聚合物復合材料，由玻璃纖維或其他纖維（包括聚合物纖維）增強的聚合物，也可以增加填充劑和其他改性劑以改善特定的物理力學性能；第2 類是顆粒增強聚合物復合材料，是由增強特定物理力學性能的分散小顆粒改性的聚合物；第3 類是混合復合材料，由2 種不同的增強纖維或其他結構成分（例如混凝土、鋼與聚合物組合）結合在一起的復合材料。除室內試驗外，還須進行現(xiàn)場試驗和加速老化試驗。美國在20世紀90 年代早期開發(fā)了一種基于經驗的測試方法來評估木材或木條的耐候性，但該方法是否適用于復合材料軌枕還須繼續(xù)研究。

表1 美國復合材料軌枕物理力學性能參數(shù)

1.2 日本FFU合成軌枕

FFU 合成軌枕是由日本積水化學工業(yè)株式會社于1978 年研制成功的一種復合材料軌枕。日本標準JIS E 1203：2007《合成まくらぎ》［7］（《合成軌枕》）對FFU 合成軌枕的原材料、使用條件、性能要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等進行了規(guī)定。其中，性能要求包括物理力學性能、耐候性、疲勞性能等，見表2。

FFU 合成軌枕的耐候性檢驗采用符合JIS B7753或JIS B7754 規(guī)定的日光碳極弧光燈式耐候性試驗機或氙氣弧光燈式耐候性試驗機。日光碳極弧光燈式耐候性試驗機的照射時間為5 000 h（相當于露天放置約25 年），完成照射后取出試件，測試其彎曲強度、彎曲彈性模量、豎向抗壓強度和黏結剪切強度，容許值分別為≥50 MPa，≥4 200 MPa，≥30 MPa，≥5 MPa（母材破壞）。使用氙氣弧光燈式耐候性試驗機時照射時間縮短2/3。

表2 日本FFU合成軌枕物理力學性能參數(shù)

檢驗FFU合成軌枕的疲勞性能時試件跨距為成品厚度的8 倍，在跨距中心以2～5 Hz 疲勞加載105次。疲勞加載值是產生最大彎曲應力28.0 MPa時的荷載。

1.3 中國聚氨酯泡沫合成軌枕

適用于中國城市軌道交通的CJ/T 399—2012除了將道釘抗拔力規(guī)定為≥40 kN，其他性能要求與日本FFU 合成軌枕完全相同，只是部分技術參數(shù)的試驗方法不同。

2 制定中國干線鐵路復合材料軌枕技術參數(shù)及其試驗方法的基本要求

復合材料屬于多相材料，其物理力學性能受增強材料、基體材料、成型工藝的影響很大。制作軌枕的復合材料物理性能必須滿足絕緣、阻燃、不吸水、線膨脹系數(shù)小等要求，其彎曲、壓縮、剪切強度等力學性能必須足以承受鋼軌傳遞來的列車動荷載。復合材料軌枕必須具備足夠的持釘能力以保持軌距和軌向，而且必須具有足夠的疲勞耐久性，保證在列車動荷載反復作用下軌枕不僅不會出現(xiàn)疲勞裂紋，還能繼續(xù)保持扣件系統(tǒng)的幾何位置。

確定復合材料軌枕技術參數(shù)試驗方法的基本原則是，已有技術標準可供遵循時，不再另行規(guī)定試驗方法。

3 復合材料軌枕的材料物理性能

3.1 密度

密度是指物質每單位體積內的質量，是材料的固有特性，與結構的力學性能有一定的關系，對其進行規(guī)定的主要目的是計算復合材料軌枕的重量。用于橋梁上時，如果軌枕質量過大，一則增加橋梁的二期恒載，二則增加操作工人的勞動強度。

GB/T 1463—2005《纖維增強材料密度和相對密度試驗方法》［8］規(guī)定了采用浮力法和幾何法測試纖維增強材料密度和相對密度的方法，適用于測試板狀、棒狀、管狀和模壓纖維增強塑料試樣的密度和相對密度，但不適用于密度＜1 000 kg/m3的材料。HFFP 復合材料橋枕密度為（1 200±60）kg/m3，采用了該標準。聚氨酯泡沫合成軌枕的表觀總密度為（740±100）kg/m3，采用標準GB/T 6343—2009《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測定》［9］，該標準規(guī)定了測試泡沫塑料及橡膠的表觀總密度和表觀芯密度的試驗方法，適用于模制、自由發(fā)泡或擠出時形成表皮的材料，其中表觀總密度不適用于在模制時未形成表皮的材料，測試方法就是幾何法。2 部測試標準的幾何法相差很小，當纖維增強復合材料軌枕的密度≥1 000 kg/m3時建議采用GB/T 1463—2005 中的幾何法；若密度＜1 000 kg/m3則建議參考采用GB/T 6343—2009。

3.2 吸水性

吸水性是指材料在水中能吸收水分的性質，屬于物理性質。軌枕吸水量過大，不僅會發(fā)生凍脹現(xiàn)象，影響軌枕的力學性能，而且會增加軌枕的重量，位于橋上時還會增加橋梁的二期恒載，因此必須對其進行規(guī)定。

吸水性可用絕對吸水量、單位表面積吸水量和相對于試樣質量的吸水百分率3種形式表示。復合材料軌枕的孔隙率較小，其吸水量比木枕小很多。聚氨酯泡沫合成軌枕和HFFP 復合材料橋枕均采用單位表面積吸水量表示其吸水性，前者的測試方法與日本標準相同，后者采用標準GB/T 1462—2005《纖維增強塑料吸水性試驗方法》［10］。

3.3 阻燃性

阻燃性是指材料所具有的減慢、終止或防止有焰燃燒的特性。鐵路上一旦發(fā)生火災，軌枕最好不助燃，混凝土枕本身不能燃燒，木枕則易燃。為確保軌道結構安全，對復合材料軌枕增加了阻燃性的要求。目前評價阻燃性常采用氧指數(shù)測定法、水平或垂直燃燒試驗法等。

美國標準UL 94—2016《Test for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances》［11］（《設備和器具部件塑料材料的可燃性能測試》）將設備和器具部件塑料材料的可燃性劃分為12 個等級：

HB，V0，V1，V2，5VA，5VB，VTM0，VTM1，VTM2，HBF，HF1，HF2。其中VTM0，VTM1，VTM2 適用于塑料薄膜；HBF，HF1，HF2 適用于發(fā)泡材料。HB 級采用水平燃燒測試，V0，V1，V2 級采用50 W（20 mm）垂直燃燒測試，5VA 和5VB 采用500 W（125 mm）垂直燃燒測試。阻燃等級由HB，V2，V1，V0，5VA，5VB逐級遞增。

中國標準GB/T 2408—2008《塑料燃燒性能的測定水平法和垂直法》［12］將塑料的燃燒性能分為6 個等級：HB75，HB40，HB，V2，V1，V0。其中HB 表示水平燃燒，V表示垂直燃燒。聚氨酯泡沫合成軌枕和HFFP復合材料橋枕均采用該標準的水平法進行阻燃性試驗，要求在引燃源移去后試樣沒有可見的有焰燃燒，或者試樣出現(xiàn)連續(xù)的有焰燃燒但火焰前端未超過25 mm標線。

3.4 擊穿電壓

擊穿電壓是表征材料絕緣性能的物理參數(shù)，是在該材料上施加高電壓使之失去絕緣性能時的電壓值，為連續(xù)升壓試驗時在規(guī)定的試驗條件下試樣發(fā)生擊穿時的電壓，或者逐級升壓試驗時試樣承受住的最高電壓，即在該電壓下整個試驗時間內試樣不發(fā)生擊穿。材料越厚擊穿電壓越高，但一般不成正比。該參數(shù)與多種因素有關，如試驗環(huán)境、材料厚度、預處理過程等。為了不影響軌道電路，復合材料軌枕必須具有絕緣性能。

聚氨酯泡沫合成軌枕和HFFP 復合材料橋枕均須滿足擊穿電壓不小于20 kV 的要求，采用標準GB/T 1408.1—2006《絕緣材料電氣強度試驗方法第1部分：工頻下試驗》［13］。

3.5 表面電阻率

表面電阻率是表示物體表面形成的電荷移動或電流流動難易程度的物理量，與材料的表面性質有關，受周圍氣體介質的溫度、相對濕度等因素影響大。為了不影響軌道電路，復合材料軌枕的表面電阻率必須足夠大。

聚氨酯泡沫合成軌枕和HFFP 復合材料橋枕均規(guī)定表面電阻率≥1×105，采用標準GB/T 31838.3—2019《固體絕緣材料介電和電阻特性第3 部分：電阻特性（DC方法）表面電阻和表面電阻率》［14］。

3.6 平均線膨脹系數(shù)

平均線膨脹系數(shù)是單位長度的材料在某一溫度區(qū)間內溫度每升高1 ℃的平均伸長量。規(guī)定線膨脹系數(shù)的主要目的是防止復合材料軌枕在溫差作用下熱脹或冷縮而導致軌距超標，從而威脅行車安全。

日本FFU 合成軌枕和中國聚氨酯泡沫合成軌枕沒有平均線膨脹系數(shù)的規(guī)定，HFFP 復合材料橋枕規(guī)定平均線膨脹系數(shù)≤1×10-5/℃，該值與鋼材的線膨脹系數(shù)1.2×10-5/℃和混凝土的線膨脹系數(shù)1.0×10-5～1.5×10-5/℃非常接近，比美國復合材料軌枕規(guī)定的最大值1.35×10-4/℃小一個數(shù)量級。

HFFP 復合材料橋枕采用GB/T 2572—2005《纖維增強塑料平均線膨脹系數(shù)試驗方法》［15］測試其線膨脹系數(shù)。

3.7 表面硬度

表面硬度是指物體表面抵抗變形或損傷的能力。規(guī)定表面硬度的主要目的是防止在列車動荷載作用下扣件系統(tǒng)的鐵墊板邊緣陷入復合材料軌枕表面。

表征復合材料軌枕表面硬度的指標可以采用巴柯爾硬度（硬度值不小于20）、邵氏硬度和洛氏硬度，分別采用GB/T 3854—2017《增強塑料巴柯爾硬度試驗方法》［16］、GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計測定壓痕硬度（邵氏硬度）》［17］和GB/T 3398.2—2008《塑料硬度測定第2 部分：洛氏硬度》［18］進行測試。

聚氨酯泡沫合成軌枕沒有表面硬度的規(guī)定，HFFP復合材料橋枕規(guī)定表面硬度為邵氏硬度≥50 HD。

4 復合材料軌枕的材料力學性能

4.1 彎曲強度和彎曲彈性模量

彎曲強度是指材料在彎曲荷載作用下破裂或達到規(guī)定彎矩時能承受的最大應力，彎曲彈性模量是指材料在彈性極限內抵抗彎曲變形的能力。鐵路線上的軌枕鋪設于道砟之上，受道砟厚度、彈性不均勻等因素影響，在列車動荷載作用下承受彎矩作用。鋼梁明橋面上的橋枕直接支撐在縱梁或主梁之上，在列車動荷載作用下呈現(xiàn)四點彎曲狀態(tài)。復合材料軌枕必須具有足夠的彎曲強度和彎曲彈性模量以抵抗列車動荷載作用。

GB/T 3356—2014《定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗方法》［19］適用于連續(xù)纖維增強聚合物基復合材料層合板彎曲性能的測定，也適用于其他聚合物基復合材料彎曲性能的測定；GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》［20］適用于測定纖維增強塑料的彎曲強度、彎曲彈性模量、規(guī)定撓度下的彎曲應力及荷載-撓度曲線。2 個標準的測試原理差別不大，但是前者對層合板更有針對性，且試樣厚度最大值為6 mm。聚氨酯泡沫合成軌枕的彎曲強度和彎曲彈性模量測試采用前者，HFFP 復合材料橋枕采用后者。

4.2 壓縮強度

壓縮強度表征材料抵抗壓縮荷載而不失效的能力。復合材料軌枕必須具有足夠的抗壓強度，以承受通過扣件系統(tǒng)的鐵墊板傳遞來的列車動荷載產生的壓應力。聚氨酯泡沫合成軌枕和HFFP 復合材料橋枕的壓縮強度均采用GB/T 1448—2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》［21］測試。

4.3 剪切強度

剪切強度是指材料承受剪力的能力。木枕主要采用松木、杉木、樺木、桉木等優(yōu)質木材制成，這些木材的剪切強度比其他木材高。混凝土枕通過配筋提高剪切強度。同理，復合材料軌枕也必須具有足夠的剪切強度。

中國聚氨酯泡沫合成軌枕剪切強度的測試方法與日本標準相同，HFFP 復合材料橋枕的剪切強度采用GB/T 1450.1—2005《纖維增強塑料層間剪切強度試驗方法》［22］測試。

4.4 黏結剪切強度

當采用黏結劑將多塊復合材料板材黏結在一起制成復合材料橋枕時，板材之間的剪切強度不能弱于母材。如果采用一次性整體成型制成復合材料軌枕，則沒有該技術參數(shù)。中國沒有針對板材黏結在一起測試剪切強度的標準，只能參考GB/T 1450.1—2005。

4.5 沖擊韌性

沖擊韌性的實際意義在于揭示材料的變脆傾向，反映材料對外來沖擊荷載的抵抗能力。為了防止復合材料軌枕在列車動荷載作用下發(fā)生脆性破壞，有必要對其沖擊韌性進行規(guī)定。中國沒有關于木枕或混凝土枕沖擊韌性的規(guī)定，聚氨酯泡沫合成軌枕也沒有該技術參數(shù)。HFFP 復合材料橋枕采用GB/T 1451—2005《纖維增強塑料簡支梁式沖擊韌性試驗方法》［23］測試沖擊韌性，該標準適用于測試纖維增強塑料有缺口試樣的沖擊韌性，無缺口試樣的沖擊韌性可參照執(zhí)行。

4.6 蠕變速率

蠕變速率是指材料在蠕變試驗中單位時間的蠕變變形。制作復合材料軌枕的基體材料一般為樹脂，須規(guī)定蠕變速率，以防軌枕在長期荷載作用下發(fā)生蠕變變形。聚氨酯泡沫合成軌枕沒有該技術參數(shù)。HFFP 復合材料橋枕采用JC/T 778—2010《玻璃纖維增強塑料板材和蜂窩夾層結構彎曲蠕變試驗方法》［24］測試蠕變速率。

4.7 耐候性

復合材料軌枕作為一種新型軌枕，必須具有足夠的耐候性，以保證具有足夠的使用壽命。自然環(huán)境的變化對復合材料的影響體現(xiàn)在紫外線、鹽霧、濕熱、酸或堿、高低溫等方面。測試材料的耐候性一般是先將試樣置于專用設備內經過一定時間的加速老化，取出后按照相應標準測試其力學性能。聚氨酯泡沫合成軌枕采用GB/T 14522—2008《機械工業(yè)產品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗方法熒光紫外燈》［25］進行連續(xù)1 000 h耐紫外線老化后再測試其材料力學性能。HFFP 復合材料橋枕分別進行3 種加速老化后再測試力學性能，即采用GB/T 16422.3—2014《塑料實驗室光源暴露試驗方法第3 部分：熒光紫外燈》［26］進行連續(xù)1 000 h 耐紫外線老化、采用GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》［27］的中性鹽霧試驗（NSS）方法進行連續(xù)1 000 h 鹽霧老化、采用GB/T 2573—2008《玻璃纖維增強塑料老化性能試驗方法》［28］的濕熱試驗方法進行連續(xù)720 h濕熱老化。

5 復合材料軌枕的成品力學性能

5.1 道釘抗拔力

扣件系統(tǒng)都是通過道釘將鐵墊板固定于軌枕上。道釘抗拔力是指道釘將扣件系統(tǒng)的鐵墊板緊固于軌枕上的能力，世界各國都規(guī)定了道釘?shù)淖钚】拱瘟ΑＨ毡疽?guī)定FFU 合成軌枕的道釘和螺栓的最小抗拔力分別為15 kN 和30 kN［7］，美國規(guī)定復合材料軌枕的道釘和螺栓的最小抗拔力為22.2 kN［6］，中國規(guī)定聚氨酯泡沫合成軌枕的螺紋道釘?shù)淖钚】拱瘟?0 kN，測試方法與日本相同［2］。中國現(xiàn)行鐵路標準規(guī)定預埋件的最小抗拔力為60 kN，所有類型的復合材料軌枕都應滿足此要求［4］。HFFP 復合材料橋枕可采用螺紋道釘，也可預埋套管，最小抗拔力均為60 kN，測試采用GB/T 37330—2019《有砟軌道軌枕混凝土枕》附錄A規(guī)定的方法［29］。

5.2 疲勞性能

軌枕的疲勞性能是指軌枕在列車動荷載循環(huán)多次作用下保持不破壞的能力。木枕由于其固有的缺點，疲勞性能較差，須定期養(yǎng)護維修甚至更換。混凝土枕軌下截面正彎矩區(qū)和枕中截面負彎矩區(qū)均需通過200萬次疲勞試驗以檢驗其疲勞性能。

日本FFU 合成軌枕和中國聚氨酯泡沫合成軌枕均采用板材檢驗軌枕的疲勞性能，支點間距為板材厚度的8倍，疲勞循環(huán)次數(shù)為105次。該方法有一些不足之處，主要涉及三個方面。①若軌枕由多塊板材黏結而成，該試驗方法不能反映板材之間黏結面的疲勞性能。②這種試驗方法沒有反映軌枕受力的實際情況。普通線路上的軌枕疲勞性能試驗時支點間距為60 cm；鋼梁上的橋枕支撐在縱梁或主梁上，在列車動荷載作用下處于四點彎曲狀態(tài)，支點間距應為縱梁或主梁的間距。③疲勞循環(huán)次數(shù)只有105次，與軌枕正常使用期間承受的列車動荷載循環(huán)次數(shù)相距甚遠。因此，對于復合材料軌枕的疲勞性能檢驗，建議采用實際軌枕成品。若使用在普通線路上，建議參考TB/T 1878—2002《預應力混凝土枕疲勞試驗方法》［30］。若使用在鋼梁明橋面上，建議采用四點彎曲試驗方法，支點間距為縱梁或主梁的間距。HFFP 復合材料橋枕采用了四點彎曲試驗方法。

5.3 極限承載力

軌枕的極限承載力反映了其抵抗活載的最大能力。由于木材種類不同，木枕的極限承載力差異很大。TB/T 1878—2002 規(guī)定混凝土枕的破壞強度應不低于設計破壞強度的80%。日本FFU 合成軌枕和中國聚氨酯泡沫合成軌枕的極限承載力均≥170 kN，試件尺寸為1 400 mm（長）×200 mm（寬）×140 mm（厚），支點間距1 120 mm，在跨中加載。與疲勞試驗方法相同，這種試驗方法沒有反映軌枕成品的實際情況。建議復合材料軌枕的極限承載力試驗裝置與疲勞試驗相同。

6 結論

在綜述國內外復合材料軌枕技術參數(shù)及其試驗方法基礎上，根據(jù)復合材料軌枕的材料特性以及中國現(xiàn)行鐵路標準的相關規(guī)定，從必要性出發(fā)，提出了適用于中國干線鐵路復合材料軌枕的18個技術參數(shù)。

①物理性能：密度、吸水量、阻燃性、擊穿電壓、表面電阻率、平均線膨脹系數(shù)、表面硬度。

②材料力學性能：彎曲強度、彎曲彈性模量、豎向壓縮強度、剪切強度、黏結剪切強度、沖擊韌性、蠕變速率、耐候性。

③成品力學性能：道釘抗拔力、抗彎曲荷載、疲勞性能。

本著已有標準可供遵循時，不再另行規(guī)定試驗方法的原則，研究提出了各技術參數(shù)的試驗方法。

這些技術參數(shù)和試驗方法都體現(xiàn)在HFFP 復合材料橋枕中，也可應用于其他類型的復合材料橋枕。