《Case Studies in Construction Materials》：Development and performance evaluation of sustainable polymeric composite sleepers reinforced with recycled thermoplastics and low-CaO magnesia-silicate slag
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本研究针对传统木枕使用寿命短、易生物降解及在长期载荷下开裂等问题，开发了一种由再生低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、短切玻璃纤维(GF)和不锈钢精炼副产品低钙镁硅渣(LC-MSS)制造的可持续聚合物复合轨枕(PCS)。研究表明，该轨枕的弯曲强度(MOR为31.4?MPa)和弯曲模量(MOEb为2.2?GPa)超过AREMA对工程聚合物复合(EPC)轨枕的最低要求；热膨胀系数(CTE)降至83?×?10-6?K-1，显著改善了尺寸稳定性；通过27个周期(1080?h)的热蠕变测试结合Findley幂律模型预测，30年后预紧力仍能保持初始值的73%以上。这些结果为铁路基础设施提供了一种具有结构可靠性、热稳定性和紧固耐久性的低碳替代方案。
在铁路网络中，枕木是承载钢轨、分散列车载荷的关键部件。长期以来，木枕因其良好的绝缘性和易加工性而被广泛应用。然而，木枕的“先天不足”也逐渐暴露：它们容易受到潮湿、真菌和白蚁的侵蚀，使用寿命相对较短；更棘手的是，在反复的列车轮载和环境影响下，木枕容易出现严重的纵向开裂，就像文档中图片所展示的那样 。这不仅影响轨道几何形位，也带来了安全隐患。同时，传统用于防腐的化学药剂（如杂酚油）正面临日益严格的环境限制。因此，寻找一种更耐久、更环保的枕木替代材料，成为了铁路工程领域的一项重要课题。
在此背景下，聚合物复合轨枕应运而生。它主要分为热固性复合轨枕和热塑性复合轨枕两大类。热固性材料性能优异但成本较高，而热塑性材料（如聚乙烯PE、聚丙烯PP）则更具可回收性和成本效益，符合循环经济理念。但“硬币都有两面”，热塑性材料也有自己的“阿喀琉斯之踵”——它们对温度非常敏感。具体来说，纯PP和LDPE的热膨胀系数(CTE)非常高，分别可达81–100?×?10-6?K-1和100–220?×?10-6?K-1，远高于木材（3–5?×?10-6?K-1）和混凝土。这意味着在昼夜或季节温差下，枕木容易发生明显的热胀冷缩，可能导致紧固件预紧力丧失、轨座沉降，甚至轨道错位。此外，热塑性聚合物具有粘弹性，在长期载荷下会产生蠕变变形，进一步威胁紧固系统的长期稳定性。如何攻克这些热机械性能瓶颈，是推广再生热塑性复合轨枕必须解决的难题。
为了解决上述问题，韩国铁道研究院的Jihwan Kim研究员开展了一项旨在提升再生塑料基复合轨枕结构可靠性与长期耐久性的研究。该研究的核心思路是通过功能材料设计与扩展性能评估相结合。在材料层面，研究人员系统优化了复合材料的配方。他们创新性地采用了一种不锈钢精炼的工业副产品——低钙镁硅渣(LC-MSS)作为无机填料。与常用的碳酸钙、硅灰石等填料相比，LC-MSS具有低吸湿性和更优的机械性能。同时，他们采用了再生LDPE和PP的混合基体，结合短切玻璃纤维(GF)和相容剂，以期在刚度、强度和韧性之间取得最佳平衡。在性能验证层面，研究不仅进行了全尺寸的结构性能测试，还特别强调了长期耐久性评估，通过扩展的热循环蠕变测试来预测紧固系统在数十年服务期内的表现。这项研究成果最终发表在国际期刊《Case Studies in Construction Materials》上。
为开展这项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：1. 材料复合与加工：通过高速混合、双螺杆熔融共混和连续挤出工艺制造复合材料及全尺寸轨枕。2. 全尺寸结构性能测试：依据AREMA、ISO 12856-2等国际标准，对轨枕进行三点弯曲、轨座压缩和螺钉拉拔测试。3. 长期热蠕变测试：在气候箱中对带紧固系统的轨枕试件进行长达27个周期（1080小时）的温湿度循环，模拟服役环境。4. 蠕变行为建模：使用基于位移的Findley幂律方程对测试数据进行拟合，预测长期变形。5. 微观结构表征：利用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDS)分析填料分散、纤维分布及界面结合情况。
研究结果
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4.1. 弯曲性能
全尺寸三点弯曲试验表明，开发的PCS具有一致的载荷-挠度响应，平均极限载荷为79.0?kN。计算得出的平均弯曲模量(MOEb)为2209?MPa，平均断裂模量(MOR)为31.44?MPa，均超过了AREMA手册对工程聚合物复合(EPC)轨枕的规定要求（MOEb: 1034–1723?MPa, MOR最小值: 17.28?MPa）。载荷-挠度曲线呈现出先线性后逐渐软化的特征，表明材料具有渐进式损伤和延性破坏机制，而非脆性断裂。对失效试件的断口形貌观察也证实了以韧性撕裂为主的破坏模式，没有出现脆性断裂或层间剥离。
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4.2. 轨座压缩行为
在最大444.8?kN的垂向压缩载荷下，PCS试件的弹性变形在2.71至3.31?mm之间，永久变形在0.74至0.93?mm之间，分别远低于AREMA允许的6.4?mm和3.2?mm限值。载荷-位移曲线显示初始非线性后进入稳定准线性阶段，卸载后表现出明显的弹性恢复。计算得到的轨座压缩模量(MOEc)在696-741?MPa之间，与常规木枕的报道范围（650–800?MPa）相当，显示了良好的轨座刚度。
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4.3. 螺钉拉拔阻力
螺钉拉拔试验采用了阶梯式加载协议。在22.2?kN (AREMA)、30.0?kN (ISO 12856-2)和60.0?kN (EN 13481-2过载参考水平)的保载阶段，载荷保持稳定，未见明显下降，表明在服务级和验证载荷条件下，螺钉-基体界面负载传递稳定，无渐进损伤。最终拉拔失效载荷在85.35至93.59?kN之间，平均值超过90?kN，显著高于相关标准的最低要求，安全裕度约为3.0–4.1。失效形态显示为螺钉逐渐轴向拔出，伴有周围基体的局部塑性变形，属于以基体屈服控制的渐进式失效，有利于操作安全。
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4.4. 热循环下螺钉的永久变形
对紧固系统进行了扩展的热循环蠕变测试（27个周期，1080小时）。结果表明，在持续的预紧力和循环温湿度作用下，装配间隙的蠕变位移随时间单调增加，但速率逐渐降低，符合粘弹性材料的蠕变行为特征。测试结束后，累计蠕变位移有限（TC-01: 0.404?mm, TC-02: 0.302?mm），对应的残余预紧力分别为初始值的89.5%和92.4%。利用Findley幂律模型对数据进行拟合后外推，预测30年服务期内的蠕变变形将小于1.0?mm，残余预紧力可保持初始值的73%以上，显示了良好的长期紧固稳定性。
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4.5. SEM和EDS观测
扫描电镜观察显示，短切玻璃纤维在LDPE/PP基体中分布均匀，嵌入良好，纤维拔出较少，表明相容剂促进了有效的纤维-基体界面结合，这是高弯曲强度的微观基础。而LC-MSS颗粒也呈现均匀分散，但其与聚合物基体的界面处观察到间隙和部分脱粘，表明界面粘附有限。尽管如此，LC-MSS颗粒通过其刚性对周围聚合物链运动的约束，有效地提高了复合材料的整体刚度和抗蠕变能力。EDS分析确认了颗粒富含Si、Mg、O而低Ca的成分，与LC-MSS的特性一致 。
研究结论与意义
本研究成功开发并评估了一种基于再生LDPE/PP、短切玻璃纤维(GF)和低钙镁硅渣(LC-MSS)的可持续聚合物复合轨枕(PCS)。主要结论如下：该PCS在弯曲强度、弯曲模量上均满足并超过了AREMA标准对工程聚合物复合(EPC)轨枕的要求，轨座压缩刚度与常规木枕相当，显示了充足的结构承载能力。其螺钉拉拔阻力远高于国际标准，证实了强大的锚固能力。通过掺入GF和LC-MSS，材料的热膨胀系数(CTE)被显著降低至83?×?10-6?K-1，尽管仍高于木材或混凝土，但已低于AREMA为EPC轨枕设定的上限，在轨道轨距控制和紧固性能的框架下是可接受的。尤为重要的是，扩展的热蠕变测试结合Findley模型预测表明，该紧固系统在30年等效时间内能保持73%以上的初始预紧力，展现了优异的长期锚固耐久性。微观结构分析揭示了玻璃纤维和LC-MSS的分工协同增强机制：GF通过有效界面结合主导强度，而LC-MSS主要通过约束基体运动来提升刚度、抗蠕变和尺寸稳定性。
这项研究的意义在于，它为实现铁路基础设施的低碳化与循环经济提供了一条切实可行的技术路径。所开发的PCS充分利用了再生塑料和工业副产品，不仅减少了环境负担和原材料成本，还通过精心的材料设计和严格的性能验证，确保了产品在结构、热机械和长期耐久性方面的可靠性。研究成果支持该PCS作为传统木枕的可行替代品，尤其适用于中低速线路、工业站场、编组站及次要线路等场景，在这些领域，其优异的耐久性、紧固可靠性和潜在的低维护需求具有显著优势。当然，研究也指出了未来的改进方向，例如通过优化LC-MSS-基体界面来进一步提升力学性能，以及需要通过现场长期暴露试验和热力耦合模型来更全面地评估其在复杂实际服役环境下的表现。
