桥梁高阻尼橡胶支座天然橡胶配方研究

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桥梁高阻尼橡胶支座天然橡胶配方研宄以云南东风农场天然橡胶(SWF)为主要原材料，开发出符合我国交通运输行业标准JT/T842一一2012标准相关要求的桥梁高阻尼橡胶支座的配方和基木工艺。并己在四川某制造工程橡胶的企业实现工业化生产。结果表明该配方各项性能优良、工艺性性好，并且原材料成木较低，完全可以在国内同类生产厂家推广。关键词：天然橡胶；桥梁；高阻尼橡胶支座；配方Abstract:Thisstudyisforthedevelopmentoftheformulaandmanufacturingprocessofhigh-dampingbearingpadappliedatthesupportofbridgestructures.ThemainrawmaterialisnaturalrubberfromDongFengFarm(SWF)atYunnanprovince,andhasbeenproducedinSichuan.TheperformanceoftheproductfullymeetstherequirementofindustrialstandardJT/T842–2012,andiscosteffective.Hence,itiscapabletobewidelymanufacturedthroughoutthenation.Keywords:naturalrubber;bridgesupport;highdampingrubberbearingpad;formula桥梁高阻尼橡胶支座安装于桥墩与跨梁之间，主要作用是承受和传递跨梁负荷，同时还能适应因负荷的变化、温度的改变等因素引起的水平位移、角度转变等变形。并且当桥梁遇到地震、海啸等自然灾害时，桥梁高阻尼橡胶支座还要起到吸收由下部构件传导而致的动能，通过橡胶的蠕变将动能转变为热能并消耗掉，减小地震、海啸等能理对跨梁的影响，保证跨梁整体结构安全以及平稳。因此制品要求具有一定的竖向刚度和水平刚度以及较高的阻尼性能。由于桥梁高阻尼橡胶支座长期裸露于空气中，接受阳光、紫外线的照射，还要求制品其有较好的耐天候老化、耐臭氧老化、耐寒、耐潮等要求。笔者从配方设计入手，在保证桥梁高阻尼橡胶支座各项性能要求满足相关标准的前提下使用天然橡胶 做为桥梁高阻尼橡胶支座的主要橡胶材料力求便于加工，成本低廉，以便在路桥行业推广。1.实验部份1.1原材料天然橡胶(SWF)：云南东风农场；顺丁橡胶(BR9000)炭黑(N115)：美国卡博特公司；其他助剂均为市售工业合格品。1.2主要仪器设备BB—4型3.5L密炼机：日本；150mm开炼机：日本；100t双层平板硫化机：宁波千普公司；TH-5000电子橡胶拉力机：江苏天惠试验机械有限公司；热空气老化试验箱(401A):南通中良实验仪器有限公司；橡胶低温脆性实验仪(MZ-4068)：江都明珠实验仪器有限公司；耐臭氧实验机(GX7010)：江都明珠实验仪器有限公司；橡胶邵氏硬度计(TH200):江都明珠实验仪器冇限公司；电液伺服疲劳试验机(N-9000)：深圳南方精科仪器设备有限公司；电伺服动态压剪试验机(丫AW5000KN):济南新三思动态试验技术有限公司。1.3技术要求所研制的桥梁高阻尼橡胶支座配方均以中华人民共和国交通运输行业标准“《公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座》(JT/T842一一2012)”为参照。其主要性能要求见表1、表2。表1橡胶材料常规物理机械性能 性能 要求拉伸性能拉伸强度（MPa）≥10扯断伸长率（％）G=0.8MPa≥650 G=1.0MPa≥600G=1.2MPa≥550热空气老化性能70°C×168h拉伸强度变化率（％）±15 扯断伸长变化率（％）±20硬度IRHDM作质量控制指标压缩永久变形【70°C×24h，压缩率25%】（％）≤60 剪切性能剪切模量（MPa）0.8，1.0,1.2等效阻尼比（％）12,15,17臭氧老化性能性能变化率(50pphm,30%/40°C×96h)无龟裂 表2高阻尼橡胶支座的性能要求性能要求竖向压缩刚度Kv(kN/mm)Kv±Kv×30%压缩变形量丫(mm) 设计荷载下，不大于橡胶总厚度的7%水平等效刚度Kh(kN/mm)Kh±Kh×15%设计转角θ(rad)≥0.006等效阻尼比ξ12%±(12%×15%) 15%±(15%×15%)17%±(17%×15%)1.4测试标准橡胶测试用混炼胶的制备，混炼，硫化执行ISO2393-1973标准；硫化橡胶拉伸性能测定执行GB/528标准；热空气老化性能中拉伸强度变化率执行GB/T3512标准；热空气老化性能中扯断伸长变化率执行GB/T528标准；压缩永久变形执行GB/T7759标准；剪切模量执行GB/T9870.1标准；等效阻尼比执行GB/T9870.1标准;臭氧老化性能执行GB/T7762标准；竖向压缩刚度，压缩变形试验按GB/T20688.1——2007中6.3.1的试验方法进行；水平等效刚度和等效阻尼比试验按GB/T20688.1——2007中6.3.2的试验方法进行。2结果与讨论2.1配方设计桥梁高阻尼橡胶支座的竖向刚度、水平刚度等力学性能取决于橡胶的弹性模量、制品的几何形状和尺寸。橡胶的弹性模量与橡胶的硬度奋一定关系见图1。图1橡胶硬度与弹性模量关系E—静压缩弹性模量；G—剪切弹性模量随着橡胶硬度的增加，橡胶的弹性模量随之增加。制品在形状和尺、？确定的情况下，设计合理的硬度是满足制品刚度要求较有效的方法。对于提高橡胶阻尼性能的方法0前主要冇：聚合物共混、橡胶与橡胶共 混、橡胶与塑料共混、橡胶与纤维共混、填充剂改性、其他方法。①聚合物共混聚合物共混是提高橡胶材料阻尼性能的主要方法之一，尤其是互穿聚合物网络体系，由于其具冇较好的物理性能，又能提供较宽的阻尼温度范围，越来越受到研宄都的表睐。②橡胶与橡胶共混橡胶的玻璃化温度一般远低于室温，采用橡胶共混来改善阻尼材料的性能是冇限的，因此关于通过橡胶共混来提高高阻尼效果的研宄报道较少。Ismail【1】H等对SBR/ENR共混体系研究发现，该共混体系加入NR后阻尼性能降低，但弹性改善。显然，这是NR玻璃化转变温度低的缘故。ChakritSirisinha等通过控制橡胶共混体系的炭黑粒径及炭黑分散度来提高阻尼。但从阻尼峰值情况来看，效果并不很好。③橡胶与塑料共混橡胶与塑料的玻璃温度相差较大，即橡胶在室温下处于弹性态，而塑料处于玻璃态，通过橡塑共混来讲是比较理想的，H0前人多数阻尼材料采用橡塑共混体系。日本近几年就采用树脂改性NR来制备减震制品[21④橡胶与纤维共混纤维与橡胶共混可提高橡胶材料的阻尼性能。据日本专利报道【2】，采用短纤维增强NR与NR共混，随着短纤维增强NR用量的增大，共混物的tanδ可从0.2提高到0.44。⑤填充剂改性国内外专家的研究表明，填充剂是橡胶本身外，影响胶料动态阻尼特性的显著因素，普通的补强炭黑对提高胶料的粘性阻尼在许多场合未达到令人满意的程度【3】【4】。因此，国内外不少专家近年来十分重视研究用于减震橡胶制品的新型填料。⑥其他方法近年来，利用有机小分子与聚合物形成杂化体得到了高阻尼材料的做法，引起了人们的兴趣与注意，并被认为是开创了制备高性能阻尼材料的新概念、新方法。冇些常被用作光和热稳定剂的小分子能与聚合物形成二元有机杂化体，具有特别优异的阻尼性能。在本次研宄中笔者采用橡胶与橡胶共混来保证制品的耐疲劳性和力学 相关稳定性能，采用橡胶与塑料共混来增加橡胶的阻尼温域，采用填充剂改性以及有机小分子与聚合物形成杂化体的方法来改善橡胶的阻尼性能。2.1.1生胶的选择为获得良好的阻尼性能，生胶的选择很重要。橡胶的动态弹性模量一般是用填充剂和增塑剂来调节，而受生胶的影响较小。损耗系数则主要取决于生胶品种。在常温下，天然橡胶和顺丁橡胶的损耗系数值较小；丁苯橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶的损耗系数值为中等；丁基橡胶和丁腈橡胶的损耗系数值则较大（见表3）。表3橡胶的损耗系数橡胶损耗系数天然橡胶丁苯橡胶氯丁橡胶丁腈橡胶 丁基橡胶0.05〜0.150.15〜0.30.15〜0.30.25—0.40.25〜0.4天然橡胶损耗系较小不利于橡胶的阻尼性能但可通过一系列的改性方法提高天然橡胶的损耗系增加配方的阻尼性能。并且天然橡胶具奋非常优异的加工工艺性能，良好的机械性能，在应力-应变的低应变重要区域具奋高弹性和低滞后损耗生热低和蠕变性能好，还具冇好的耐撕裂、耐屈挠和耐磨耗性能，同吋拥有非常宽的使用温域（-40°C〜60°C因此笔者决定使用天然橡胶做为主体材料并用小量顺丁橡胶和塑料研制桥梁高阻尼橡胶支座。2.1.2补强体系补强体系对橡胶阻尼性能和耐疲劳性能等方面奋重要影响。一般来说，动态弹性模量和损耗系数会随补强填充剂的用量的增大而增加，冋吋对振幅的依赖性也增大。填充剂的种类不同，对动态弹性模量和损耗系数的影响也不M）。在等量配合条件下，炭黑粒径越小，补强效果越大，动态弹性模量越高。炭黑粒径越大，则冋弹性越高。损耗系数值越小。除炭以外的填充剂如白炭黑、碳酸钙、碳酸镁、陶土等，其补强性较差，对损耗系数的增加比炭黑小。因此决定采用细粒子炭黑N115做为本次研究的补强填充剂。2.1.3硫化体系 硫化体系对橡胶阻尼性能、动态弹性模量、损耗系数、生热和疲劳性能影响很大。一般天然橡胶使用硫黄硫化为了保证制品的交链密度以及老化性能的要求本研宄采用半有效硫化体系。同吋桥梁高阻尼橡胶支座属于厚制模压制品，就充分考虑胶料在硫化过程中的充模以及硫化平坦性，所以决定采用中性的次磺酰胺类与噻唑类促进剂并用。2.1.4软化体系桥梁高阻尼橡胶支座的结构开式是层胶支座，即需要与钢板进行热硫化粘结。因在软化体系采用能增加橡胶与金属粘结性能的凡士林和工艺加工性能优良的机械汕并用。2.1.5阻尼改性体系本研宄主要采用有机小份子与天然橡胶形成杂化体的方法来提高配方的阻尼性能。阻尼助剂NT636是一种细小的有机小分子。在配方中随着NT636用量的增加，硫化的混炼用的阻尼性能会得到极人的提高，因此本研究采用冇机小分NT636来提高配方的阻尼性能。2.2制品的基本配方及性能综上所述，在生胶、硫化体系、补强体系、软化体系、阻尼改性体系基本确定的情况下，进一步优化整体配合，制定出了桥梁高阻尼橡胶支座的基本配方，具体见表4。表4天然橡胶高阻尼配方材料 质量份 NR（东风SWF）75BR900020LDPE 氧化锌硬脂酸存机小分子10炭黑 软化剂20硫化剂防老剂 按照表4配方研制的混炼胶料的性能见表5。表5配方物理机械性能硬度IRHD62拉伸强度（MPa） 18.3 扯断伸长率（％）650热空气老化拉伸强度变化率（％）-8%扯断伸长变化率（％）-12% 硬度+5压缩永久变形（％）20%臭氧老化无龟裂剪切性能 剪切模量(MPa)1.02等效阻尼比(％)15.62.3成品力试验基本配方性能达到JT/842-2012相关要求后笔者用75L密炼机进行放大试验，并使用400t单层硫化机制成HDR(I)620×236的桥梁高阻尼支座，通过电伺服动态压剪试验机(YAW5000KN)进行力学性能试验。结果见表6,图2。表6成品力学性能试验结果 设讣参数实验结果竖向刚度（kN/mm）924958水平等效刚度（kN/mm）2.35 等效阻尼比（％）1515.6压缩变形量（mm）6.72 从表6和图2可以看出成品各项力学性能均满足标准jT/T842——2012的相关要求说明该配方完全能够用于桥梁高阻尼橡胶支座的生产。3结论⑴实验中使用的材料实验实现国产化。⑵实验确定了桥梁高阻尼橡胶支座的基本配方，各项性能达到了交通运输行业标准《公路桥梁高阻尼橡胶支座》(jT/T842—一2012)的要求(3)经过在四川某制造工程橡胶的企业工业化生产证明。确定该配方各项性能优良、工艺性性好，并且原材料成本较低，完全可以在国内冋类生产厂家推广。参考文献：【1】IsmailH,SuzaimahS.Styrenebutadienerubber,2000,19:879-888.【2】王作龄.日本减震橡胶制品专利集锦【j】.世界橡胶工业，2001,28(1)：27-32.【3】E。I。BucklerandL.M.Kristensen.RubberAge.99(3),66(1967). 【4】J.C.Snowdon.J.AcoustSocAmer.35(6),321(1964).