曾志斌

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(hù)維修工作量大，不利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)，有害鐵路職工健康；混凝土枕使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，養(yǎng)護(hù)維修工作量小，但是質(zhì)量較大；鋼枕材質(zhì)均勻，彈性較好，使用壽命長(zhǎng)，但是容易腐蝕，絕緣性能差，疲勞問題突出。在世界上正式運(yùn)營(yíng)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(zhì)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(fù)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(qiáng)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(fù)合材料軌枕。中國于2004年在廣州地鐵4號(hào)線引進(jìn)了日本FFU合成軌枕，并頒布標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)發(fā)泡聚氨酯（Highdensity Fiber-reinforced Foamed Polyurethane，HFFP）復(fù)合材料橋枕［3］，并制定了暫行技術(shù)條件［4］，目前正在推廣使用。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer 或Fiber Reinforced Plastic，F(xiàn)RP）是由增強(qiáng)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(jīng)過纏繞、模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、絕緣、抗腐蝕、耐久、材料性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的工程材料，逐漸應(yīng)用于各種民用建筑、橋梁、公路、海洋、水工結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域［5］。

軌枕是鐵路軌道結(jié)構(gòu)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(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料軌枕（簡(jiǎn)稱復(fù)合材料軌枕）的技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)方法與木枕、混凝土枕、鋼枕也不同，須借鑒世界各地復(fù)合材料軌枕的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合中國現(xiàn)行鐵路規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，研究并制定適用于中國干線鐵路的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料軌枕技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)方法。

1 復(fù)合材料軌枕技術(shù)參數(shù)綜述

1.1 美國復(fù)合材料軌枕

美國《Manual for Railway Engineering》［6］（《鐵路工程手冊(cè)》）對(duì)工程復(fù)合材料軌枕的材料、物理力學(xué)性能、試驗(yàn)方法、質(zhì)量控制、檢查識(shí)別等進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。復(fù)合材料軌枕都必須滿足表1 的物理力學(xué)性能要求。

美國的工程復(fù)合材料有2 種，一種是工程聚合物復(fù)合材料（Engineering Polymer Composite，EPC），是由聚合物基體材料、增強(qiáng)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(jié)構(gòu)黏合劑（例如酚醛樹脂）黏結(jié)在一起。前者的主要成分為消費(fèi)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(qiáng)聚合物復(fù)合材料，由玻璃纖維或其他纖維（包括聚合物纖維）增強(qiáng)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(xué)性能；第2 類是顆粒增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料，是由增強(qiáng)特定物理力學(xué)性能的分散小顆粒改性的聚合物；第3 類是混合復(fù)合材料，由2 種不同的增強(qiáng)纖維或其他結(jié)構(gòu)成分（例如混凝土、鋼與聚合物組合）結(jié)合在一起的復(fù)合材料。除室內(nèi)試驗(yàn)外，還須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和加速老化試驗(yàn)。美國在20世紀(jì)90 年代早期開發(fā)了一種基于經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試方法來評(píng)估木材或木條的耐候性，但該方法是否適用于復(fù)合材料軌枕還須繼續(xù)研究。

表1 美國復(fù)合材料軌枕物理力學(xué)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(xué)工業(yè)株式會(huì)社于1978 年研制成功的一種復(fù)合材料軌枕。日本標(biāo)準(zhǔn)JIS E 1203：2007《合成まくらぎ》［7］（《合成軌枕》）對(duì)FFU 合成軌枕的原材料、使用條件、性能要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等進(jìn)行了規(guī)定。其中，性能要求包括物理力學(xué)性能、耐候性、疲勞性能等，見表2。

FFU 合成軌枕的耐候性檢驗(yàn)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(yàn)機(jī)或氙氣弧光燈式耐候性試驗(yàn)機(jī)。日光碳極弧光燈式耐候性試驗(yàn)機(jī)的照射時(shí)間為5 000 h（相當(dāng)于露天放置約25 年），完成照射后取出試件，測(cè)試其彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、豎向抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)剪切強(qiáng)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(yàn)機(jī)時(shí)照射時(shí)間縮短2/3。

表2 日本FFU合成軌枕物理力學(xué)性能參數(shù)

檢驗(yàn)FFU合成軌枕的疲勞性能時(shí)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(chǎn)生最大彎曲應(yīng)力28.0 MPa時(shí)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(shù)參數(shù)的試驗(yàn)方法不同。

2 制定中國干線鐵路復(fù)合材料軌枕技術(shù)參數(shù)及其試驗(yàn)方法的基本要求

復(fù)合材料屬于多相材料，其物理力學(xué)性能受增強(qiáng)材料、基體材料、成型工藝的影響很大。制作軌枕的復(fù)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(qiáng)度等力學(xué)性能必須足以承受鋼軌傳遞來的列車動(dòng)荷載。復(fù)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(dòng)荷載反復(fù)作用下軌枕不僅不會(huì)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(fù)合材料軌枕技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)方法的基本原則是，已有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可供遵循時(shí)，不再另行規(guī)定試驗(yàn)方法。

3 復(fù)合材料軌枕的材料物理性能

3.1 密度

密度是指物質(zhì)每單位體積內(nèi)的質(zhì)量，是材料的固有特性，與結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有一定的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行規(guī)定的主要目的是計(jì)算復(fù)合材料軌枕的重量。用于橋梁上時(shí)，如果軌枕質(zhì)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(dòng)強(qiáng)度。

GB/T 1463—2005《纖維增強(qiáng)材料密度和相對(duì)密度試驗(yàn)方法》［8］規(guī)定了采用浮力法和幾何法測(cè)試?yán)w維增強(qiáng)材料密度和相對(duì)密度的方法，適用于測(cè)試板狀、棒狀、管狀和模壓纖維增強(qiáng)塑料試樣的密度和相對(duì)密度，但不適用于密度＜1 000 kg/m3的材料。HFFP 復(fù)合材料橋枕密度為（1 200±60）kg/m3，采用了該標(biāo)準(zhǔn)。聚氨酯泡沫合成軌枕的表觀總密度為（740±100）kg/m3，采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6343—2009《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測(cè)定》［9］，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測(cè)試泡沫塑料及橡膠的表觀總密度和表觀芯密度的試驗(yàn)方法，適用于模制、自由發(fā)泡或擠出時(shí)形成表皮的材料，其中表觀總密度不適用于在模制時(shí)未形成表皮的材料，測(cè)試方法就是幾何法。2 部測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的幾何法相差很小，當(dāng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料軌枕的密度≥1 000 kg/m3時(shí)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(zhì)，屬于物理性質(zhì)。軌枕吸水量過大，不僅會(huì)發(fā)生凍脹現(xiàn)象，影響軌枕的力學(xué)性能，而且會(huì)增加軌枕的重量，位于橋上時(shí)還會(huì)增加橋梁的二期恒載，因此必須對(duì)其進(jìn)行規(guī)定。

吸水性可用絕對(duì)吸水量、單位表面積吸水量和相對(duì)于試樣質(zhì)量的吸水百分率3種形式表示。復(fù)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(fù)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(cè)試方法與日本標(biāo)準(zhǔn)相同，后者采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1462—2005《纖維增強(qiáng)塑料吸水性試驗(yàn)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(zāi)，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(jié)構(gòu)安全，對(duì)復(fù)合材料軌枕增加了阻燃性的要求。目前評(píng)價(jià)阻燃性常采用氧指數(shù)測(cè)定法、水平或垂直燃燒試驗(yàn)法等。

美國標(biāo)準(zhǔn)UL 94—2016《Test for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances》［11］（《設(shè)備和器具部件塑料材料的可燃性能測(cè)試》）將設(shè)備和器具部件塑料材料的可燃性劃分為12 個(gè)等級(jí)：

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(jí)采用水平燃燒測(cè)試，V0，V1，V2 級(jí)采用50 W（20 mm）垂直燃燒測(cè)試，5VA 和5VB 采用500 W（125 mm）垂直燃燒測(cè)試。阻燃等級(jí)由HB，V2，V1，V0，5VA，5VB逐級(jí)遞增。

中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2408—2008《塑料燃燒性能的測(cè)定水平法和垂直法》［12］將塑料的燃燒性能分為6 個(gè)等級(jí)：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(fù)合材料橋枕均采用該標(biāo)準(zhǔn)的水平法進(jìn)行阻燃性試驗(yàn)，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(biāo)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(shí)的電壓值，為連續(xù)升壓試驗(yàn)時(shí)在規(guī)定的試驗(yàn)條件下試樣發(fā)生擊穿時(shí)的電壓，或者逐級(jí)升壓試驗(yàn)時(shí)試樣承受住的最高電壓，即在該電壓下整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)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(guān)，如試驗(yàn)環(huán)境、材料厚度、預(yù)處理過程等。為了不影響軌道電路，復(fù)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(fù)合材料橋枕均須滿足擊穿電壓不小于20 kV 的要求，采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1408.1—2006《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法第1部分：工頻下試驗(yàn)》［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(dòng)或電流流動(dòng)難易程度的物理量，與材料的表面性質(zhì)有關(guān)，受周圍氣體介質(zhì)的溫度、相對(duì)濕度等因素影響大。為了不影響軌道電路，復(fù)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(fù)合材料橋枕均規(guī)定表面電阻率≥1×105，采用標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度的材料在某一溫度區(qū)間內(nèi)溫度每升高1 ℃的平均伸長(zhǎng)量。規(guī)定線膨脹系數(shù)的主要目的是防止復(fù)合材料軌枕在溫差作用下熱脹或冷縮而導(dǎo)致軌距超標(biāo)，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(fù)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(fù)合材料軌枕規(guī)定的最大值1.35×10-4/℃小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

HFFP 復(fù)合材料橋枕采用GB/T 2572—2005《纖維增強(qiáng)塑料平均線膨脹系數(shù)試驗(yàn)方法》［15］測(cè)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(dòng)荷載作用下扣件系統(tǒng)的鐵墊板邊緣陷入復(fù)合材料軌枕表面。

表征復(fù)合材料軌枕表面硬度的指標(biāo)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(qiáng)塑料巴柯爾硬度試驗(yàn)方法》［16］、GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計(jì)測(cè)定壓痕硬度（邵氏硬度）》［17］和GB/T 3398.2—2008《塑料硬度測(cè)定第2 部分：洛氏硬度》［18］進(jìn)行測(cè)試。

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

4 復(fù)合材料軌枕的材料力學(xué)性能

4.1 彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量

彎曲強(qiáng)度是指材料在彎曲荷載作用下破裂或達(dá)到規(guī)定彎矩時(shí)能承受的最大應(yīng)力，彎曲彈性模量是指材料在彈性極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力。鐵路線上的軌枕鋪設(shè)于道砟之上，受道砟厚度、彈性不均勻等因素影響，在列車動(dòng)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(dòng)荷載作用下呈現(xiàn)四點(diǎn)彎曲狀態(tài)。復(fù)合材料軌枕必須具有足夠的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量以抵抗列車動(dòng)荷載作用。

GB/T 3356—2014《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)方法》［19］適用于連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層合板彎曲性能的測(cè)定，也適用于其他聚合物基復(fù)合材料彎曲性能的測(cè)定；GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》［20］適用于測(cè)定纖維增強(qiáng)塑料的彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、規(guī)定撓度下的彎曲應(yīng)力及荷載-撓度曲線。2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試原理差別不大，但是前者對(duì)層合板更有針對(duì)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(qiáng)度和彎曲彈性模量測(cè)試采用前者，HFFP 復(fù)合材料橋枕采用后者。

4.2 壓縮強(qiáng)度

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

4.3 剪切強(qiáng)度

剪切強(qiáng)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(zhì)木材制成，這些木材的剪切強(qiáng)度比其他木材高?；炷琳硗ㄟ^配筋提高剪切強(qiáng)度。同理，復(fù)合材料軌枕也必須具有足夠的剪切強(qiáng)度。

中國聚氨酯泡沫合成軌枕剪切強(qiáng)度的測(cè)試方法與日本標(biāo)準(zhǔn)相同，HFFP 復(fù)合材料橋枕的剪切強(qiáng)度采用GB/T 1450.1—2005《纖維增強(qiáng)塑料層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》［22］測(cè)試。

4.4 黏結(jié)剪切強(qiáng)度

當(dāng)采用黏結(jié)劑將多塊復(fù)合材料板材黏結(jié)在一起制成復(fù)合材料橋枕時(shí)，板材之間的剪切強(qiáng)度不能弱于母材。如果采用一次性整體成型制成復(fù)合材料軌枕，則沒有該技術(shù)參數(shù)。中國沒有針對(duì)板材黏結(jié)在一起測(cè)試剪切強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，只能參考GB/T 1450.1—2005。

4.5 沖擊韌性

沖擊韌性的實(shí)際意義在于揭示材料的變脆傾向，反映材料對(duì)外來沖擊荷載的抵抗能力。為了防止復(fù)合材料軌枕在列車動(dòng)荷載作用下發(fā)生脆性破壞，有必要對(duì)其沖擊韌性進(jìn)行規(guī)定。中國沒有關(guān)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(shù)參數(shù)。HFFP 復(fù)合材料橋枕采用GB/T 1451—2005《纖維增強(qiáng)塑料簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊韌性試驗(yàn)方法》［23］測(cè)試沖擊韌性，該標(biāo)準(zhǔn)適用于測(cè)試?yán)w維增強(qiáng)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?qǐng)?zhí)行。

4.6 蠕變速率

蠕變速率是指材料在蠕變?cè)囼?yàn)中單位時(shí)間的蠕變變形。制作復(fù)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(zhǎng)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(shù)參數(shù)。HFFP 復(fù)合材料橋枕采用JC/T 778—2010《玻璃纖維增強(qiáng)塑料板材和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)彎曲蠕變?cè)囼?yàn)方法》［24］測(cè)試蠕變速率。

4.7 耐候性

復(fù)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(duì)復(fù)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(cè)試材料的耐候性一般是先將試樣置于專用設(shè)備內(nèi)經(jīng)過一定時(shí)間的加速老化，取出后按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試其力學(xué)性能。聚氨酯泡沫合成軌枕采用GB/T 14522—2008《機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗(yàn)方法熒光紫外燈》［25］進(jìn)行連續(xù)1 000 h耐紫外線老化后再測(cè)試其材料力學(xué)性能。HFFP 復(fù)合材料橋枕分別進(jìn)行3 種加速老化后再測(cè)試力學(xué)性能，即采用GB/T 16422.3—2014《塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法第3 部分：熒光紫外燈》［26］進(jìn)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(yàn)鹽霧試驗(yàn)》［27］的中性鹽霧試驗(yàn)（NSS）方法進(jìn)行連續(xù)1 000 h 鹽霧老化、采用GB/T 2573—2008《玻璃纖維增強(qiáng)塑料老化性能試驗(yàn)方法》［28］的濕熱試驗(yàn)方法進(jìn)行連續(xù)720 h濕熱老化。

5 復(fù)合材料軌枕的成品力學(xué)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?。日本?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(fù)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(cè)試方法與日本相同［2］。中國現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定預(yù)埋件的最小抗拔力為60 kN，所有類型的復(fù)合材料軌枕都應(yīng)滿足此要求［4］。HFFP 復(fù)合材料橋枕可采用螺紋道釘，也可預(yù)埋套管，最小抗拔力均為60 kN，測(cè)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(dòng)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(diǎn)，疲勞性能較差，須定期養(yǎng)護(hù)維修甚至更換?；炷琳碥壪陆孛嬲龔澗貐^(qū)和枕中截面負(fù)彎矩區(qū)均需通過200萬次疲勞試驗(yàn)以檢驗(yàn)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(yàn)軌枕的疲勞性能，支點(diǎn)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(gè)方面。①若軌枕由多塊板材黏結(jié)而成，該試驗(yàn)方法不能反映板材之間黏結(jié)面的疲勞性能。②這種試驗(yàn)方法沒有反映軌枕受力的實(shí)際情況。普通線路上的軌枕疲勞性能試驗(yàn)時(shí)支點(diǎn)間距為60 cm；鋼梁上的橋枕支撐在縱梁或主梁上，在列車動(dòng)荷載作用下處于四點(diǎn)彎曲狀態(tài)，支點(diǎn)間距應(yīng)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(dòng)荷載循環(huán)次數(shù)相距甚遠(yuǎn)。因此，對(duì)于復(fù)合材料軌枕的疲勞性能檢驗(yàn)，建議采用實(shí)際軌枕成品。若使用在普通線路上，建議參考TB/T 1878—2002《預(yù)應(yīng)力混凝土枕疲勞試驗(yàn)方法》［30］。若使用在鋼梁明橋面上，建議采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，支點(diǎn)間距為縱梁或主梁的間距。HFFP 復(fù)合材料橋枕采用了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)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(qiáng)度應(yīng)不低于設(shè)計(jì)破壞強(qiáng)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(zhǎng)）×200 mm（寬）×140 mm（厚），支點(diǎn)間距1 120 mm，在跨中加載。與疲勞試驗(yàn)方法相同，這種試驗(yàn)方法沒有反映軌枕成品的實(shí)際情況。建議復(fù)合材料軌枕的極限承載力試驗(yàn)裝置與疲勞試驗(yàn)相同。

6 結(jié)論

在綜述國內(nèi)外復(fù)合材料軌枕技術(shù)參數(shù)及其試驗(yàn)方法基礎(chǔ)上，根據(jù)復(fù)合材料軌枕的材料特性以及中國現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，從必要性出發(fā)，提出了適用于中國干線鐵路復(fù)合材料軌枕的18個(gè)技術(shù)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(xué)性能：彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、豎向壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、黏結(jié)剪切強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變速率、耐候性。

③成品力學(xué)性能：道釘抗拔力、抗彎曲荷載、疲勞性能。

本著已有標(biāo)準(zhǔn)可供遵循時(shí)，不再另行規(guī)定試驗(yàn)方法的原則，研究提出了各技術(shù)參數(shù)的試驗(yàn)方法。

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