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摘要: 以天然橡胶桥梁支座为例, 介绍了橡胶桥梁支座胶料配方的设计原则及试验过程。以该胶料配方制作的橡胶桥梁分别通过了铁道部、交通部检测, 并获得了两部颁发的质量认证, 经过实际应用与考察, 也获得了用户的好评。* q& z/ T" Q* X$ V. G5 l/ Q, Z+ O
国外从50 年代末开始使用橡胶支座, 至60 年代已有许多国家采用。我国于1965 年在上海枫泾及广东、肇庆公路桥安装使用了板式橡胶支座。铁道部门根据使用要求, 经过进一步测定性能后, 于1969年在安徽固镇、京包线也开始使用橡胶支座。近年来, 公路、铁路橡胶支座以其工作性能可靠、结构简单、材料来源充足、加工制造容易、造价低、用钢量少3 r" f A6 E4 N6 |4 e
以及吸收部分振动、减少活载对桥梁结构和墩台的冲击作用等优点, 不仅在中小跨径公路、城市桥梁及铁路桥梁上得到了广泛的应用, 而且在大跨径的桥梁上也得到大量应用。有关设计计算数据已分别列入公路和铁路桥梁设计规范, 并制订了产品系列规格和产品标准, 是铸钢支座的替代产品。橡胶桥梁支座是由不同厚度的橡胶层和加劲钢板平行交替叠加组成。由于加劲钢板的约束, 使橡胶层侧向膨胀受到限制, 从而提高了橡胶支座抗压强度, 使它在承载荷重时有所需的强度, 而在受剪时仍然保持柔性, 以适应桥梁冷热变化及外力所引起的水平移动, 同时在不同载荷下高度变化甚微。支座加劲钢板与橡胶层完全包覆在橡胶中, 使橡胶支座获9 f' q- k! @4 S. n- L. K2 h
得长期的耐天候老化作用, 同时橡胶包覆层还起到弥补桥梁下表面和桥墩凹凸不平的作用等。在使用中, 要求橡胶层材料具有较强的抗拉强度、优良的耐环境老化(热氧、臭氧、低温、外照射等) 性能、较好的抗压缩永久变形能力、与钢板良好的粘合及耐剥离性能。现以天然橡胶支座胶料配方设计为例, 介绍橡胶桥梁支座的胶层配方设计的原则及设计过程(以下“制品”均指橡胶支座)。
! E2 J2 w- n+ \# d1 配方设计
, f. [2 s) ^" \/ }" G0 O1. 1 生胶的选择
5 J$ R6 p5 m2 t5 ?5 k* ]! G根据产品的综合性能要求, 生胶选定性能优良. L, b6 k& K& L$ i. _* X
的国标1# 天然胶。
) ]8 H; @( r. g( l# ]1. 2 防护体系的选择8 N9 l: W! G+ a4 z4 l; i
按照制品的要求, 该产品应具有优良的耐热氧、耐臭氧、耐天候老化能力, 因此, 防护体系应采用物理防老化剂加化学防老化剂协同防护。化学防老化剂选择优良的抗氧化剂RD 及抗臭氧剂4010 协同进行, 总量在2 份~ 3 份为宜。物理防老化剂选择适应温度范围较宽的混合蜡, 用量在0. 5 份~ 1 份。% Y0 b& C v6 ]& A- {4 o
1. 3 补强填充体系的选择
2 }3 N3 A6 C0 }" x4 E" j根据天然橡胶的特性及制品力学性能的要求,同时兼顾胶料金属骨架材料的粘合要求, 补强剂的品种选择炭黑, 用量选定40 份。另外, 为满足粘合的要求, 另填充10 份氧化铁红。1 A" k0 m$ l( E
1. 4 软化体系的选择
4 @' I* D1 ~* y2 k& n根据天然橡胶的特点及加工性能的要求, 同时兼顾低温使用对脆性温度的要求, 软化剂品种选择松焦油, 用量在5 份~ 7 份为宜。; z9 p; Q9 B. @: c' T
硫化体系的选择要综合考虑以下几点:$ x) ^7 z1 ~; _6 j/ `
a) 天然橡胶本身硫化体系的要求;+ b8 `) v8 s6 P0 I
b) 制品物理力学性能的要求;1 p+ P5 T9 w3 q% L5 i! s4 m
c) 胶料与金属骨架粘合性能的要求;- j2 t7 x: h# s& j
d) 厚制品硫化工艺性能的要求。& \% t+ I6 f) s% U. w
根据天然橡胶本身硫化特点, 一般宜选用常规硫化体系, 硫磺的常规用量为2. 5 份~ 3 份, 考虑到与骨架材料的粘合需求, 可适量增加用量; 兼顾到厚制品硫化工艺的要求, 促进剂选用迟效促进剂CZ,以平衡整个硫化体系; 氧化锌选定常规用量5 份, 而/ q- i$ H$ b. ~5 \3 \
硬脂酸的易喷出性使其必定对橡胶与金属骨架材料的粘合有负作用, 适当减少用量, 选定0. 5 份。综合各方面的要求, 该产品的硫化体系应按下列配方进行变量试验: 氧化锌5 份, 硬脂酸0. 5 份,硫磺2 份~ 4. 5 份, 促进剂CZ 与硫磺配合使用。根据上述思路, 拟定如表1 有代表性的配方进行试验。
! D7 R( ^5 h/ t) ^, y0 p W表1 不同的配方组成(重量份)" k, ^2 Z5 p# f9 {) K$ T
材料名称 1# 2# 3# 4#5 s8 k9 d5 p5 i1 G" }* b M
天然橡胶 100. 00 100. 00 100. 00 100. 000 L2 C2 q5 V0 r. u O c: X
氧化锌 10. 00 10. 00 10. 00 10. 00" P% S V. S0 P; d
硬脂酸 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5
- g6 L2 z' f0 o/ u) w5 K: T% t硫磺 2. 00 2. 5 3. 00 3. 50
A- w$ |1 W! J促进剂CZ 1. 0 0. 80 0. 80 0. 80' P; O5 T0 ]6 D9 X, m2 }$ K, ~
防老化剂RD 2. 00 2. 00 2. 00 2. 002 G9 f* {+ O, P6 o
防老化剂4010NA 2 2 2 2) m2 a. G) B9 w: ^0 _. _
防护蜡 0. 50 0. 50 0. 50 0. 50* [+ {7 \0 q6 V+ \) g
炭黑 40. 00 40. 00 40. 00 40. 000 @/ |1 h8 m: W6 K
氧化铁红 10. 00 10. 00 10. 00 10. 00
& E2 r" t4 ]! n! d# o% l松焦油 6. 00 5. 00 5. 00 5. 00# K- ~9 t$ \4 o# Y1 E& }7 y
合计 174 173. 3 173. 8 174. 39 Y4 R& t! ]2 f& E3 N# L
2 试验
" S9 P/ S7 w4 r4 p9 Z+ x. r2. 1 试验仪器* A9 i2 Q8 L* V7 a" c6 E
拉力试验机; 硬度计; 厚度计; 切片机; 脆性温度仪; 老化箱; 硫化仪; 压力试验机。# t* L9 h4 o9 l# q5 w7 [9 S3 P
2. 2 试验结果(见表2)
* X- u3 \' b6 j5 P+ V( [表2 不同配方试验结果$ n0 b4 c0 L. w( `
项目标准 1# 2# 3# 4#7 m! C; S( b0 G& v% b/ j5 u& q
硫化(条件154℃)ts2ös 152 146 145 140$ _0 b8 [9 H) }7 r; O9 c1 N: D
t90 s 445 406 403 335
( I! ?; _; x1 U6 m; v硬度ö邵尔A60±5 60 62 64 65$ L6 _3 s+ j+ O
拉伸强度öM Pa ≥17. 5 22. 60 23. 41 23. 60 22. 80
" K: z, _# j. v+ k8 t扯断伸长率ö% ≥400 540 534 516 535
5 I4 `$ u5 ~% z# a, Z! [脆性温度ö℃ ≤- 50 - 53 - 54 - 53 - 54* c) ]: i4 N6 i* S+ C
橡胶与钢板的粘接剥离强度ö kN ·m - 1 > 7 5. 2 6. 8 11. 0 17. 6
' U' p: @( y1 n" m橡胶与四氟的粘接剥离强度ö kN ·m - 1 > 4 3. 5 4. 0 4. 5 7. 0/ r3 {- W6 S+ l/ d& z
耐臭氧老化(试验条件: 20×10- 6~ 50×10- 6,+ J/ B1 N0 v& W b# D% ^
20 % 伸长, 40 ℃×96 h) 无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂
' t9 N' h) h8 O! U热空气老化试验(试验条件: 70 ℃×168 h)" i: N- Y8 k$ s( |
拉伸强度降低率% < 15 6 9 7 11- l& h1 E8 H) r" q* V
扯断伸长率降低率% < 20 11 12 9 16+ y2 J! B5 K, C9 e
硬度变化ö邵尔A + 10 + 1 + 2 0 + 2# `- O; z( y j% L
3 分析与讨论- T0 N; s c+ |- p$ C. S p
a) 试验结果表明, 橡胶强伸性能满足要求。' k+ {1 h4 Z0 x% f/ @) t ~
b) 从胶料与金属骨架材料粘接强度来看, 3# 、
1 H9 R! {5 E- `2 V4# 符合标准要求。
7 M: S8 v0 T! O; ]# V* b Tc) 从热氧、臭氧老化来看, 均符合性能要求。
4 e) ~9 d2 X& k' Vd) 从脆性温度来看, 均符合性能要求。
1 z& M1 w8 `3 ^; r* A+ a! B7 ^$ _e) 从以上分析得出, 3# 、4# 是合格配方。综合物' E$ ]0 ?" w0 e7 S
理性能、加工性能及成本情况, 最优配方是4# 。, z" s8 P7 K+ [ W
4 成品制作: S7 \9 m! K2 d1 P* Y& O
a) 胶料的制备根据4# 配方在密炼机里进行混炼。( H" x4 k0 r" A& |2 h" {
b) 用此配方制作制品时, 必须清除附着在加劲钢板骨架材料表面的油、锈、水、污等。
- ?3 @* t4 u! J* Cc) 在加劲钢板骨架材料表面涂刷胶粘剂时, 西德技术生产的胶粘剂、美国技术生产的开姆洛克胶粘剂CH250 和CH220 及国产胶粘剂列可钠21 均有很强的适应性。应选择成本最低的列。) h* z0 P; F8 h/ E4 p- Z0 F9 c
d) 按照上述优选配方4# , 我们选定硫化条件进行了成品试验, 同时考察了生产工艺性能, 表明成品制作顺利, 工艺性能良好, 满足批量生产要求。' n4 P# \+ i, W, a7 H) l S
e) 产品分别送到铁道部、交通部进行检验, 均通过两部认证, 并取得合格证。
7 u9 [: P0 ]6 z, W+ G& s$ ?. u5 O5 结论
0 m2 N7 v/ x# { s7 W该天然橡胶配方制作的减震制品具有成本低、性能优良的特点, 实际应用表明, 具有良好的社会、经济效益。 |
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