纤维增强复合材料轨枕的技术参数和试验方法

曾志斌

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

根据制造材料不同，铁路轨枕主要分为木枕、混凝土枕和钢枕3种。木枕使用历史悠久，弹性好，但是容易腐朽和开裂，使用寿命短，持钉能力弱，养护维修工作量大，不利于生态环境保护，有害铁路职工健康；混凝土枕使用寿命长，稳定性好，养护维修工作量小，但是质量较大；钢枕材质均匀，弹性较好，使用寿命长，但是容易腐蚀，绝缘性能差，疲劳问题突出。在世界上正式运营的铁路中，木枕占所有轨枕的比例约为90%，总数超过25 亿根；中国铁路主要采用混凝土枕，总数超过3.2 亿根，而木枕仅有约1 000 万根；钢枕主要在德国、英国、巴西等国家使用。

由于制作木枕的优质木材资源日益稀缺，世界各国致力于研究木枕的替代材料，其中复合材料轨枕开始商业化［1］，例如日本研制的连续纤维增强发泡聚氨酯（Fiber-reinforced Foamed Urethane，FFU）合成轨枕和美国以回收塑料为主要原料制作的复合材料轨枕。中国于2004年在广州地铁4号线引进了日本FFU合成轨枕，并颁布标准CJ/T 399—2012《聚氨酯泡沫合成轨枕》［2］。2018 年中国研制成功了适用于干线铁路27 t轴重列车的高密度连续纤维增强发泡聚氨酯（Highdensity Fiber-reinforced Foamed Polyurethane，HFFP）复合材料桥枕［3］，并制定了暂行技术条件［4］，目前正在推广使用。

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer 或Fiber Reinforced Plastic，FRP）是由增强纤维材料（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等）和基体材料（不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯等）经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料，具有轻质、高强、绝缘、抗腐蚀、耐久、材料性能可设计等优点，是一种新型的工程材料，逐渐应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构、地下结构等领域［5］。

轨枕是铁路轨道结构的重要组成部分，主要作用是支承钢轨和有效保持钢轨的几何位置。纤维增强复合材料属于高分子材料，其特性与木材、混凝土、钢材完全不同，纤维增强复合材料轨枕（简称复合材料轨枕）的技术参数和试验方法与木枕、混凝土枕、钢枕也不同，须借鉴世界各地复合材料轨枕的相关规定，结合中国现行铁路规范和标准，研究并制定适用于中国干线铁路的纤维增强复合材料轨枕技术参数和试验方法。

1 复合材料轨枕技术参数综述

1.1 美国复合材料轨枕

美国《Manual for Railway Engineering》［6］（《铁路工程手册》）对工程复合材料轨枕的材料、物理力学性能、试验方法、质量控制、检查识别等进行了详细规定。复合材料轨枕都必须满足表1 的物理力学性能要求。

美国的工程复合材料有2 种，一种是工程聚合物复合材料（Engineering Polymer Composite，EPC），是由聚合物基体材料、增强材料（例如玻璃纤维）和其他改性剂融合在一起的材料；另一种是工程木制品（Engineering Wood Product，EWP），由木板或木条采用结构黏合剂（例如酚醛树脂）黏结在一起。前者的主要成分为消费后回收的高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE），可分为3 类：第1 类是纤维增强聚合物复合材料，由玻璃纤维或其他纤维（包括聚合物纤维）增强的聚合物，也可以增加填充剂和其他改性剂以改善特定的物理力学性能；第2 类是颗粒增强聚合物复合材料，是由增强特定物理力学性能的分散小颗粒改性的聚合物；第3 类是混合复合材料，由2 种不同的增强纤维或其他结构成分（例如混凝土、钢与聚合物组合）结合在一起的复合材料。除室内试验外，还须进行现场试验和加速老化试验。美国在20世纪90 年代早期开发了一种基于经验的测试方法来评估木材或木条的耐候性，但该方法是否适用于复合材料轨枕还须继续研究。

表1 美国复合材料轨枕物理力学性能参数

1.2 日本FFU合成轨枕

FFU 合成轨枕是由日本积水化学工业株式会社于1978 年研制成功的一种复合材料轨枕。日本标准JIS E 1203：2007《合成まくらぎ》［7］（《合成轨枕》）对FFU 合成轨枕的原材料、使用条件、性能要求、试验方法、检验规则等进行了规定。其中，性能要求包括物理力学性能、耐候性、疲劳性能等，见表2。

FFU 合成轨枕的耐候性检验采用符合JIS B7753或JIS B7754 规定的日光碳极弧光灯式耐候性试验机或氙气弧光灯式耐候性试验机。日光碳极弧光灯式耐候性试验机的照射时间为5 000 h（相当于露天放置约25 年），完成照射后取出试件，测试其弯曲强度、弯曲弹性模量、竖向抗压强度和黏结剪切强度，容许值分别为≥50 MPa，≥4 200 MPa，≥30 MPa，≥5 MPa（母材破坏）。使用氙气弧光灯式耐候性试验机时照射时间缩短2/3。

表2 日本FFU合成轨枕物理力学性能参数

检验FFU合成轨枕的疲劳性能时试件跨距为成品厚度的8 倍，在跨距中心以2～5 Hz 疲劳加载105次。疲劳加载值是产生最大弯曲应力28.0 MPa时的荷载。

1.3 中国聚氨酯泡沫合成轨枕

适用于中国城市轨道交通的CJ/T 399—2012除了将道钉抗拔力规定为≥40 kN，其他性能要求与日本FFU 合成轨枕完全相同，只是部分技术参数的试验方法不同。

2 制定中国干线铁路复合材料轨枕技术参数及其试验方法的基本要求

复合材料属于多相材料，其物理力学性能受增强材料、基体材料、成型工艺的影响很大。制作轨枕的复合材料物理性能必须满足绝缘、阻燃、不吸水、线膨胀系数小等要求，其弯曲、压缩、剪切强度等力学性能必须足以承受钢轨传递来的列车动荷载。复合材料轨枕必须具备足够的持钉能力以保持轨距和轨向，而且必须具有足够的疲劳耐久性，保证在列车动荷载反复作用下轨枕不仅不会出现疲劳裂纹，还能继续保持扣件系统的几何位置。

确定复合材料轨枕技术参数试验方法的基本原则是，已有技术标准可供遵循时，不再另行规定试验方法。

3 复合材料轨枕的材料物理性能

3.1 密度

密度是指物质每单位体积内的质量，是材料的固有特性，与结构的力学性能有一定的关系，对其进行规定的主要目的是计算复合材料轨枕的重量。用于桥梁上时，如果轨枕质量过大，一则增加桥梁的二期恒载，二则增加操作工人的劳动强度。

GB/T 1463—2005《纤维增强材料密度和相对密度试验方法》［8］规定了采用浮力法和几何法测试纤维增强材料密度和相对密度的方法，适用于测试板状、棒状、管状和模压纤维增强塑料试样的密度和相对密度，但不适用于密度＜1 000 kg/m3的材料。HFFP 复合材料桥枕密度为（1 200±60）kg/m3，采用了该标准。聚氨酯泡沫合成轨枕的表观总密度为（740±100）kg/m3，采用标准GB/T 6343—2009《泡沫塑料及橡胶表观密度的测定》［9］，该标准规定了测试泡沫塑料及橡胶的表观总密度和表观芯密度的试验方法，适用于模制、自由发泡或挤出时形成表皮的材料，其中表观总密度不适用于在模制时未形成表皮的材料，测试方法就是几何法。2 部测试标准的几何法相差很小，当纤维增强复合材料轨枕的密度≥1 000 kg/m3时建议采用GB/T 1463—2005 中的几何法；若密度＜1 000 kg/m3则建议参考采用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质，属于物理性质。轨枕吸水量过大，不仅会发生冻胀现象，影响轨枕的力学性能，而且会增加轨枕的重量，位于桥上时还会增加桥梁的二期恒载，因此必须对其进行规定。

吸水性可用绝对吸水量、单位表面积吸水量和相对于试样质量的吸水百分率3种形式表示。复合材料轨枕的孔隙率较小，其吸水量比木枕小很多。聚氨酯泡沫合成轨枕和HFFP 复合材料桥枕均采用单位表面积吸水量表示其吸水性，前者的测试方法与日本标准相同，后者采用标准GB/T 1462—2005《纤维增强塑料吸水性试验方法》［10］。

3.3 阻燃性

阻燃性是指材料所具有的减慢、终止或防止有焰燃烧的特性。铁路上一旦发生火灾，轨枕最好不助燃，混凝土枕本身不能燃烧，木枕则易燃。为确保轨道结构安全，对复合材料轨枕增加了阻燃性的要求。目前评价阻燃性常采用氧指数测定法、水平或垂直燃烧试验法等。

美国标准UL 94—2016《Test for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances》［11］（《设备和器具部件塑料材料的可燃性能测试》）将设备和器具部件塑料材料的可燃性划分为12 个等级：

HB，V0，V1，V2，5VA，5VB，VTM0，VTM1，VTM2，HBF，HF1，HF2。其中VTM0，VTM1，VTM2 适用于塑料薄膜；HBF，HF1，HF2 适用于发泡材料。HB 级采用水平燃烧测试，V0，V1，V2 级采用50 W（20 mm）垂直燃烧测试，5VA 和5VB 采用500 W（125 mm）垂直燃烧测试。阻燃等级由HB，V2，V1，V0，5VA，5VB逐级递增。

中国标准GB/T 2408—2008《塑料燃烧性能的测定水平法和垂直法》［12］将塑料的燃烧性能分为6 个等级：HB75，HB40，HB，V2，V1，V0。其中HB 表示水平燃烧，V表示垂直燃烧。聚氨酯泡沫合成轨枕和HFFP复合材料桥枕均采用该标准的水平法进行阻燃性试验，要求在引燃源移去后试样没有可见的有焰燃烧，或者试样出现连续的有焰燃烧但火焰前端未超过25 mm标线。

3.4 击穿电压

击穿电压是表征材料绝缘性能的物理参数，是在该材料上施加高电压使之失去绝缘性能时的电压值，为连续升压试验时在规定的试验条件下试样发生击穿时的电压，或者逐级升压试验时试样承受住的最高电压，即在该电压下整个试验时间内试样不发生击穿。材料越厚击穿电压越高，但一般不成正比。该参数与多种因素有关，如试验环境、材料厚度、预处理过程等。为了不影响轨道电路，复合材料轨枕必须具有绝缘性能。

聚氨酯泡沫合成轨枕和HFFP 复合材料桥枕均须满足击穿电压不小于20 kV 的要求，采用标准GB/T 1408.1—2006《绝缘材料电气强度试验方法第1部分：工频下试验》［13］。

3.5 表面电阻率

表面电阻率是表示物体表面形成的电荷移动或电流流动难易程度的物理量，与材料的表面性质有关，受周围气体介质的温度、相对湿度等因素影响大。为了不影响轨道电路，复合材料轨枕的表面电阻率必须足够大。

聚氨酯泡沫合成轨枕和HFFP 复合材料桥枕均规定表面电阻率≥1×105，采用标准GB/T 31838.3—2019《固体绝缘材料介电和电阻特性第3 部分：电阻特性（DC方法）表面电阻和表面电阻率》［14］。

3.6 平均线膨胀系数

平均线膨胀系数是单位长度的材料在某一温度区间内温度每升高1 ℃的平均伸长量。规定线膨胀系数的主要目的是防止复合材料轨枕在温差作用下热胀或冷缩而导致轨距超标，从而威胁行车安全。

日本FFU 合成轨枕和中国聚氨酯泡沫合成轨枕没有平均线膨胀系数的规定，HFFP 复合材料桥枕规定平均线膨胀系数≤1×10-5/℃，该值与钢材的线膨胀系数1.2×10-5/℃和混凝土的线膨胀系数1.0×10-5～1.5×10-5/℃非常接近，比美国复合材料轨枕规定的最大值1.35×10-4/℃小一个数量级。

HFFP 复合材料桥枕采用GB/T 2572—2005《纤维增强塑料平均线膨胀系数试验方法》［15］测试其线膨胀系数。

3.7 表面硬度

表面硬度是指物体表面抵抗变形或损伤的能力。规定表面硬度的主要目的是防止在列车动荷载作用下扣件系统的铁垫板边缘陷入复合材料轨枕表面。

表征复合材料轨枕表面硬度的指标可以采用巴柯尔硬度（硬度值不小于20）、邵氏硬度和洛氏硬度，分别采用GB/T 3854—2017《增强塑料巴柯尔硬度试验方法》［16］、GB/T 2411—2008《塑料和硬橡胶使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）》［17］和GB/T 3398.2—2008《塑料硬度测定第2 部分：洛氏硬度》［18］进行测试。

聚氨酯泡沫合成轨枕没有表面硬度的规定，HFFP复合材料桥枕规定表面硬度为邵氏硬度≥50 HD。

4 复合材料轨枕的材料力学性能

4.1 弯曲强度和弯曲弹性模量

弯曲强度是指材料在弯曲荷载作用下破裂或达到规定弯矩时能承受的最大应力，弯曲弹性模量是指材料在弹性极限内抵抗弯曲变形的能力。铁路线上的轨枕铺设于道砟之上，受道砟厚度、弹性不均匀等因素影响，在列车动荷载作用下承受弯矩作用。钢梁明桥面上的桥枕直接支撑在纵梁或主梁之上，在列车动荷载作用下呈现四点弯曲状态。复合材料轨枕必须具有足够的弯曲强度和弯曲弹性模量以抵抗列车动荷载作用。

GB/T 3356—2014《定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验方法》［19］适用于连续纤维增强聚合物基复合材料层合板弯曲性能的测定，也适用于其他聚合物基复合材料弯曲性能的测定；GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》［20］适用于测定纤维增强塑料的弯曲强度、弯曲弹性模量、规定挠度下的弯曲应力及荷载-挠度曲线。2 个标准的测试原理差别不大，但是前者对层合板更有针对性，且试样厚度最大值为6 mm。聚氨酯泡沫合成轨枕的弯曲强度和弯曲弹性模量测试采用前者，HFFP 复合材料桥枕采用后者。

4.2 压缩强度

压缩强度表征材料抵抗压缩荷载而不失效的能力。复合材料轨枕必须具有足够的抗压强度，以承受通过扣件系统的铁垫板传递来的列车动荷载产生的压应力。聚氨酯泡沫合成轨枕和HFFP 复合材料桥枕的压缩强度均采用GB/T 1448—2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》［21］测试。

4.3 剪切强度

剪切强度是指材料承受剪力的能力。木枕主要采用松木、杉木、桦木、桉木等优质木材制成，这些木材的剪切强度比其他木材高。混凝土枕通过配筋提高剪切强度。同理，复合材料轨枕也必须具有足够的剪切强度。

中国聚氨酯泡沫合成轨枕剪切强度的测试方法与日本标准相同，HFFP 复合材料桥枕的剪切强度采用GB/T 1450.1—2005《纤维增强塑料层间剪切强度试验方法》［22］测试。

4.4 黏结剪切强度

当采用黏结剂将多块复合材料板材黏结在一起制成复合材料桥枕时，板材之间的剪切强度不能弱于母材。如果采用一次性整体成型制成复合材料轨枕，则没有该技术参数。中国没有针对板材黏结在一起测试剪切强度的标准，只能参考GB/T 1450.1—2005。

4.5 冲击韧性

冲击韧性的实际意义在于揭示材料的变脆倾向，反映材料对外来冲击荷载的抵抗能力。为了防止复合材料轨枕在列车动荷载作用下发生脆性破坏，有必要对其冲击韧性进行规定。中国没有关于木枕或混凝土枕冲击韧性的规定，聚氨酯泡沫合成轨枕也没有该技术参数。HFFP 复合材料桥枕采用GB/T 1451—2005《纤维增强塑料简支梁式冲击韧性试验方法》［23］测试冲击韧性，该标准适用于测试纤维增强塑料有缺口试样的冲击韧性，无缺口试样的冲击韧性可参照执行。

4.6 蠕变速率

蠕变速率是指材料在蠕变试验中单位时间的蠕变变形。制作复合材料轨枕的基体材料一般为树脂，须规定蠕变速率，以防轨枕在长期荷载作用下发生蠕变变形。聚氨酯泡沫合成轨枕没有该技术参数。HFFP 复合材料桥枕采用JC/T 778—2010《玻璃纤维增强塑料板材和蜂窝夹层结构弯曲蠕变试验方法》［24］测试蠕变速率。

4.7 耐候性

复合材料轨枕作为一种新型轨枕，必须具有足够的耐候性，以保证具有足够的使用寿命。自然环境的变化对复合材料的影响体现在紫外线、盐雾、湿热、酸或碱、高低温等方面。测试材料的耐候性一般是先将试样置于专用设备内经过一定时间的加速老化，取出后按照相应标准测试其力学性能。聚氨酯泡沫合成轨枕采用GB/T 14522—2008《机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候老化试验方法荧光紫外灯》［25］进行连续1 000 h耐紫外线老化后再测试其材料力学性能。HFFP 复合材料桥枕分别进行3 种加速老化后再测试力学性能，即采用GB/T 16422.3—2014《塑料实验室光源暴露试验方法第3 部分：荧光紫外灯》［26］进行连续1 000 h 耐紫外线老化、采用GB/T 10125—2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》［27］的中性盐雾试验（NSS）方法进行连续1 000 h 盐雾老化、采用GB/T 2573—2008《玻璃纤维增强塑料老化性能试验方法》［28］的湿热试验方法进行连续720 h湿热老化。

5 复合材料轨枕的成品力学性能

5.1 道钉抗拔力

扣件系统都是通过道钉将铁垫板固定于轨枕上。道钉抗拔力是指道钉将扣件系统的铁垫板紧固于轨枕上的能力，世界各国都规定了道钉的最小抗拔力。日本规定FFU 合成轨枕的道钉和螺栓的最小抗拔力分别为15 kN 和30 kN［7］，美国规定复合材料轨枕的道钉和螺栓的最小抗拔力为22.2 kN［6］，中国规定聚氨酯泡沫合成轨枕的螺纹道钉的最小抗拔力为40 kN，测试方法与日本相同［2］。中国现行铁路标准规定预埋件的最小抗拔力为60 kN，所有类型的复合材料轨枕都应满足此要求［4］。HFFP 复合材料桥枕可采用螺纹道钉，也可预埋套管，最小抗拔力均为60 kN，测试采用GB/T 37330—2019《有砟轨道轨枕混凝土枕》附录A规定的方法［29］。

5.2 疲劳性能

轨枕的疲劳性能是指轨枕在列车动荷载循环多次作用下保持不破坏的能力。木枕由于其固有的缺点，疲劳性能较差，须定期养护维修甚至更换。混凝土枕轨下截面正弯矩区和枕中截面负弯矩区均需通过200万次疲劳试验以检验其疲劳性能。

日本FFU 合成轨枕和中国聚氨酯泡沫合成轨枕均采用板材检验轨枕的疲劳性能，支点间距为板材厚度的8倍，疲劳循环次数为105次。该方法有一些不足之处，主要涉及三个方面。①若轨枕由多块板材黏结而成，该试验方法不能反映板材之间黏结面的疲劳性能。②这种试验方法没有反映轨枕受力的实际情况。普通线路上的轨枕疲劳性能试验时支点间距为60 cm；钢梁上的桥枕支撑在纵梁或主梁上，在列车动荷载作用下处于四点弯曲状态，支点间距应为纵梁或主梁的间距。③疲劳循环次数只有105次，与轨枕正常使用期间承受的列车动荷载循环次数相距甚远。因此，对于复合材料轨枕的疲劳性能检验，建议采用实际轨枕成品。若使用在普通线路上，建议参考TB/T 1878—2002《预应力混凝土枕疲劳试验方法》［30］。若使用在钢梁明桥面上，建议采用四点弯曲试验方法，支点间距为纵梁或主梁的间距。HFFP 复合材料桥枕采用了四点弯曲试验方法。

5.3 极限承载力

轨枕的极限承载力反映了其抵抗活载的最大能力。由于木材种类不同，木枕的极限承载力差异很大。TB/T 1878—2002 规定混凝土枕的破坏强度应不低于设计破坏强度的80%。日本FFU 合成轨枕和中国聚氨酯泡沫合成轨枕的极限承载力均≥170 kN，试件尺寸为1 400 mm（长）×200 mm（宽）×140 mm（厚），支点间距1 120 mm，在跨中加载。与疲劳试验方法相同，这种试验方法没有反映轨枕成品的实际情况。建议复合材料轨枕的极限承载力试验装置与疲劳试验相同。

6 结论

在综述国内外复合材料轨枕技术参数及其试验方法基础上，根据复合材料轨枕的材料特性以及中国现行铁路标准的相关规定，从必要性出发，提出了适用于中国干线铁路复合材料轨枕的18个技术参数。

①物理性能：密度、吸水量、阻燃性、击穿电压、表面电阻率、平均线膨胀系数、表面硬度。

②材料力学性能：弯曲强度、弯曲弹性模量、竖向压缩强度、剪切强度、黏结剪切强度、冲击韧性、蠕变速率、耐候性。

③成品力学性能：道钉抗拔力、抗弯曲荷载、疲劳性能。

本着已有标准可供遵循时，不再另行规定试验方法的原则，研究提出了各技术参数的试验方法。

这些技术参数和试验方法都体现在HFFP 复合材料桥枕中，也可应用于其他类型的复合材料桥枕。