楊 海 盧瑞林 王明星 孫湘民 許雙喜 曹彥海

(中車株洲時代新材料科技股份有限公司 湖南株洲 412007)

聚氨酯泡沫合成軌枕是由日本積水化學(xué)工業(yè)株式會社在1978年率先開發(fā)的一種復(fù)合材料，由連續(xù)玻璃纖維和聚氨酯樹脂經(jīng)發(fā)泡拉擠工藝制備而成。由于其質(zhì)輕且具有良好的物理力學(xué)性能和道釘抗拔性能，已逐漸替代傳統(tǒng)木材，主要應(yīng)用于鐵路鋼梁明橋面及道岔等路段[1-4]。我國于2004年在廣州地鐵4號線首次引進(jìn)聚氨酯泡沫合成軌枕，并于2008年開發(fā)出首批聚氨酯泡沫合成軌枕。

聚氨酯泡沫合成軌枕的應(yīng)用中，產(chǎn)品性能均勻性是重要的技術(shù)衡量指標(biāo)。其中，彎曲強(qiáng)度是所有力學(xué)性能中最重要的指標(biāo)之一。通常在產(chǎn)品不同截面位置取樣，通過測定不同區(qū)域的彎曲強(qiáng)度以評價產(chǎn)品性能均勻性。但不同位置彎曲強(qiáng)度取樣較為繁瑣；同時，彎曲強(qiáng)度的測試也需采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，對于工程應(yīng)用而言，流程過長，操作也較為不便。因此，研究人員需要尋找更方便快捷的方法來評價產(chǎn)品性能的均勻性。

張勇等[5]研究了長玻璃纖維含量對聚氨酯合成軌枕力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨長玻纖含量增加，材料的彎曲強(qiáng)度增加。趙慶波等[6]對連續(xù)玻纖增強(qiáng)聚氨酯樹脂進(jìn)行了性能研究，結(jié)果表明，玻纖含量越高，試樣的彎曲強(qiáng)度就越高。因此，擬通過測定材料不同部位的玻纖含量來評價產(chǎn)品性能均勻性。但玻纖含量的測試需要在高溫下用馬弗爐對樣品進(jìn)行炭化，之后對殘留物進(jìn)行酸洗干燥，其測試也較復(fù)雜，對于工程應(yīng)用而言，此方法的可操作性不強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，玻纖含量越高，產(chǎn)品密度就越大，而密度的測試非?？旖莘奖?。本試驗(yàn)對材料密度與彎曲強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行研究，通過材料密度的離散性分析，表征了產(chǎn)品性能的均勻性并建立離散性指標(biāo)。

1 聚氨酯軌枕樣品的測試

目前合成軌枕主要有低密度和高密度兩類，產(chǎn)品整體密度分別為(0.74±0.10)g/cm3和(1.20±0.06)g/cm3。根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試，選擇由不同配方生產(chǎn)的2種型號的聚氨酯泡沫合成軌枕各1根，其中1＃合成軌枕產(chǎn)品整體密度0.81 g/cm3，長×寬×高為2 500 mm×230 mm×160 mm；2＃合成軌枕產(chǎn)品整體密度1.21 g/cm3，長×寬×高為3 000 mm×260 mm×240 mm。長度方向?yàn)殚L玻纖方向。每根合成枕木取樣時首先用鋸床將產(chǎn)品垂直于玻纖方向的截面按九宮格均勻切割為9個區(qū)域，然后用雕刻機(jī)在每個區(qū)域內(nèi)隨機(jī)取樣1根，樣品尺寸為200 mm×15 mm×10 mm，2種型號產(chǎn)品共取樣18根。根據(jù)樣品質(zhì)量和體積計算密度，每種型號樣品根據(jù)密度從小到大依次進(jìn)行編號。

用ZwickRoell公司的高低溫萬能試驗(yàn)機(jī)，參照GB/T 1449—2005標(biāo)準(zhǔn)對18個樣品進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 2組共18根長條枕木樣品彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，1＃樣品密度范圍為0.68～1.00 g/cm3，彎曲強(qiáng)度范圍為81～183 MPa，2＃樣品密度范圍為1.06～1.45 g/cm3，彎曲強(qiáng)度范圍為176～391 MPa。彎曲強(qiáng)度與密度的相關(guān)性非常明顯，即密度越大彎曲強(qiáng)度越大，這也與預(yù)期結(jié)果一致。原因主要是聚氨酯泡沫合成軌枕為玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料，通過聚氨酯樹脂浸潤玻纖后在發(fā)泡充填型腔，玻纖是靠著聚氨酯發(fā)泡頂起，由于重力作用，產(chǎn)品截面玻纖很難均勻分布，一般底部玻纖含量要高于上部玻纖含量。底部玻纖含量高的地方，密度大，彎曲強(qiáng)度高；反之，軌枕上部玻纖含量低，密度小，彎曲強(qiáng)度較低。

一般通過各個區(qū)域密度最大值、最小值與產(chǎn)品整體密度的差值與整體密度的比值來評價產(chǎn)品密度均勻性。1＃樣品離散性上限為:[(1-0.81)/0.81]×100%＝23.4%，離散性下限為:[(0.69-0.81)/0.81]×100%＝-14.8%；同理2＃樣品離散性上限為19.8%，離散性下限為-12.4%。

2 模型建立

表1的數(shù)據(jù)表征了密度與彎曲強(qiáng)度之間具有很大的關(guān)聯(lián)性，即材料密度越大，彎曲強(qiáng)度也越大。因此，要保證成品性能的均勻，產(chǎn)品各區(qū)域的密度要控制越均勻越好。但是，對于聚氨酯泡沫合成軌枕而言，通過聚氨酯樹脂與玻纖浸潤均勻，并最終在型腔中發(fā)泡充填飽滿，其各區(qū)域密度不可能完全均勻，但密度的離散性范圍目前并沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。若能根據(jù)樣品密度直接預(yù)估出樣品的彎曲強(qiáng)度，則密度離散性就容易從定性指標(biāo)轉(zhuǎn)為定量指標(biāo)。本研究根據(jù)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對材料彎曲強(qiáng)度和密度關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，建立了彎曲強(qiáng)度σ與密度ρ的數(shù)學(xué)關(guān)系模型σ＝180ρ2，彎曲強(qiáng)度和密度的單位分別為MPa和g/cm3。

根據(jù)建立的模型，得到彎曲強(qiáng)度實(shí)測值與模型擬合預(yù)測值對應(yīng)關(guān)系見圖1。

圖1 彎曲強(qiáng)度實(shí)測值與模型擬合預(yù)測值對比

通過圖1可以看出，實(shí)測值與模型擬合預(yù)測值具有很好的吻合性。

3 模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性，重新選取一根聚氨酯泡沫合成軌枕，產(chǎn)品整體密度1.14 g/cm3，產(chǎn)品尺寸3 000 mm×260 mm×240 mm，在成品截面不同位置隨機(jī)取樣10個。測試得到彎曲強(qiáng)度實(shí)測值與模型預(yù)測值對比結(jié)果見表2。

表2 不同密度的裁取樣品彎曲強(qiáng)度實(shí)測值及模型預(yù)估值的對比

通過表2可以看出，彎曲強(qiáng)度模型預(yù)測值與實(shí)測值具有很好的吻合性，單根樣品的彎曲強(qiáng)度最大誤差為6.97%，而考慮到單根樣品制樣、尺寸測量及檢測存在的誤差，若采用平均密度進(jìn)行預(yù)估，其偏差只有1.08%，準(zhǔn)確度高達(dá)98.92%。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)研究得到的彎曲強(qiáng)度與密度關(guān)系模型，通過密度就可以預(yù)估出樣品的彎曲強(qiáng)度，這對于產(chǎn)品性能的均勻性評價具有重要意義。同時，也容易將密度離散性從定性指標(biāo)轉(zhuǎn)為定量指標(biāo)。

目前鐵路鋼梁用HFFP復(fù)合材料橋枕(鐵標(biāo)TJ/GW 161—2019)的彎曲強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)≥200 MPa，根據(jù)公式σ＝180ρ2，密度最小區(qū)域需≥1.05 g/cm3。該標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品整體密度指標(biāo)(1.20±0.06)g/cm3，則密度的離散性下限為[(1.05-1.20)/1.2]×100%＝-12.5%。考慮到彎曲強(qiáng)度實(shí)際測試時是以5個樣品不同位置隨機(jī)取樣求平均，5個樣品原則上不能都在同一個位置取樣，因此5個樣品不可能都是最低密度區(qū)域取樣，故將密度離散性下限指標(biāo)定為-15%；換言之，將密度離散性下限控制在-15%以內(nèi)，則產(chǎn)品本體隨機(jī)取樣進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測試都可以保證通過。對于密度離散性上限，由于密度越高，產(chǎn)品彎曲強(qiáng)度越高，從性能測試上考慮密度離散性上限不需控制，但考慮到產(chǎn)品整體密度的均勻性，故將產(chǎn)品整體密度離散性指標(biāo)定為±15%。

試驗(yàn)以密度離散性指標(biāo)±15%為指導(dǎo)，對成型工藝不斷進(jìn)行優(yōu)化，最終優(yōu)化后的的產(chǎn)品密度均勻性可以控制在±10%以內(nèi)。選取一根優(yōu)化后的復(fù)合材料軌枕，產(chǎn)品整體密度1.21 g/cm3，產(chǎn)品尺寸3 000 mm×260 mm×240 mm。對優(yōu)化后的產(chǎn)品截面不同區(qū)域隨機(jī)取樣，取樣位置分別為產(chǎn)品截面的左上、左下、右上、右下及中心位置，測試項(xiàng)目包括彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度，產(chǎn)品不同區(qū)域隨機(jī)取樣力學(xué)性能測試結(jié)果如表3所示。

表3 一根合成枕木產(chǎn)品中5個不同位置隨機(jī)取樣力學(xué)性能測試結(jié)果

測試結(jié)果顯示各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)離散性較小，檢測結(jié)果均一性較好。

5 結(jié)論與展望

(1)建立了彎曲強(qiáng)度與密度的數(shù)學(xué)關(guān)系模型σ＝180ρ2。根據(jù)該模型的密度進(jìn)行預(yù)測，其彎曲強(qiáng)度最大誤差為6.97%，而采用10個樣品的密度平均值進(jìn)行預(yù)估，則預(yù)估準(zhǔn)確度可達(dá)98.92%。

(2)根據(jù)密度可以預(yù)估樣品的彎曲強(qiáng)度，為密度離散性從定性轉(zhuǎn)為定量提供了理論基礎(chǔ)。結(jié)合產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求，將密度離散性指標(biāo)定為±15%。根據(jù)該指標(biāo)，對成型工藝優(yōu)化后最終將產(chǎn)品密度離散性控制在±10%以內(nèi)。優(yōu)化后的產(chǎn)品不同區(qū)域隨機(jī)取樣，彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度的檢測結(jié)果離散性較小，均一性較好。

(3)研究結(jié)果對于聚氨酯泡沫合成軌枕的質(zhì)量檢測、評估及優(yōu)化均有重要實(shí)踐意義。由于不同的材料、成型工藝等可能會有一定差異，該方法只適用于工程應(yīng)用的初步判定，產(chǎn)品最終合格性判定還是需以實(shí)驗(yàn)室測試為準(zhǔn)。