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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。
% F; w) H3 i' q' N! u6 r 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
2 E* }; \, b6 D2 D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
& x- j+ e: D6 Q# f [/ L& D$ W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)。
- u( V s: v" E2 W1 配方设计
# y* d% \8 K+ ]6 O9 z* p1. 1 生胶的选择
' P& H1 W+ B& u* c' q* r) e根据产品的综合性能要求, 生胶选定性能优良) H7 y9 n ~4 `/ F
的国标1# 天然胶。
' L+ o; x: G+ }1. 2 防护体系的选择
" M0 }5 `, d- s* ]% x& b0 A9 z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。4 F/ Z1 F4 B& J9 T# i- I6 x- z' V
1. 3 补强填充体系的选择) j6 P- w! ?) f* h9 h) C
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。: P5 {2 C4 n* X& E
1. 4 软化体系的选择8 q+ p- l/ f/ P4 |
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。
- j4 e" Q+ @: n' G$ V硫化体系的选择要综合考虑以下几点:# E/ W3 k& q6 A; m
a) 天然橡胶本身硫化体系的要求;
/ P9 }7 m; q T8 X6 Ob) 制品物理力学性能的要求;
' a- U! ?: [6 _, g; s( Sc) 胶料与金属骨架粘合性能的要求;
) j) J4 N- H2 u1 t, Nd) 厚制品硫化工艺性能的要求。
8 C" B* u* e3 i& S% x4 t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
0 u% x+ |, h0 z4 R) p' p# i. N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。
" m9 ?% J1 f" B1 u表1 不同的配方组成(重量份)
; K5 U3 v J( r: x材料名称 1# 2# 3# 4#
$ G' R9 _; P7 x3 y6 M天然橡胶 100. 00 100. 00 100. 00 100. 00
& K& b; Z6 u1 Y3 a/ V氧化锌 10. 00 10. 00 10. 00 10. 00
q+ N/ [$ Y" a& a5 g# z$ x硬脂酸 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5
9 m" K3 S" ]6 r; n硫磺 2. 00 2. 5 3. 00 3. 50
9 j: B% }! a" u J7 \' ~- v9 o促进剂CZ 1. 0 0. 80 0. 80 0. 80
; s+ s u- N' L防老化剂RD 2. 00 2. 00 2. 00 2. 00
% ?/ h/ j8 ^& ~7 Q4 e3 @1 E防老化剂4010NA 2 2 2 2
5 B0 N* G1 E' Q! S: y防护蜡 0. 50 0. 50 0. 50 0. 50
7 O- E; ?3 o4 i. v2 [6 `6 A炭黑 40. 00 40. 00 40. 00 40. 00
; O6 k4 k8 J' T5 ?: E6 g8 }; g1 X氧化铁红 10. 00 10. 00 10. 00 10. 00' \- Y" u+ ~3 s! J. i
松焦油 6. 00 5. 00 5. 00 5. 00
5 {/ O. L' e2 l+ D# ~合计 174 173. 3 173. 8 174. 3
& @+ q q i3 K* Q0 o0 h; n" `: p2 试验
/ e4 f' w9 M4 ~3 F/ }2. 1 试验仪器
+ q* }6 u0 }! U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。% ~& k# C2 {/ v& E' ?. m& l7 F
2. 2 试验结果(见表2)6 z9 K0 t8 ~7 V: H. X$ g. v7 S. Q
表2 不同配方试验结果( ]; M) q4 ?1 {' u# E, g
项目标准 1# 2# 3# 4#
& C7 w) x- }0 d3 s) h硫化(条件154℃)ts2ös 152 146 145 140
6 R0 j& ^! u& A. U' g t90 s 445 406 403 3352 v8 c4 y7 u( c2 C6 h0 X5 G
硬度ö邵尔A60±5 60 62 64 65
* d) V; Z. V" p拉伸强度öM Pa ≥17. 5 22. 60 23. 41 23. 60 22. 802 ^9 i) ?6 K7 L/ W- ] q
扯断伸长率ö% ≥400 540 534 516 535
. S) }5 j+ l8 e% U* g2 r/ R脆性温度ö℃ ≤- 50 - 53 - 54 - 53 - 543 ? S' B& d" ?! G
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- n$ i: D6 ^! D- C& ~5 n
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
1 _- D5 H1 Z$ `& d3 a& F% ~. c耐臭氧老化(试验条件: 20×10- 6~ 50×10- 6,
3 M* K! h. b$ {- `1 w20 % 伸长, 40 ℃×96 h) 无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂5 P6 x( Z6 ?( f
热空气老化试验(试验条件: 70 ℃×168 h)
& e0 m i0 g% C 拉伸强度降低率% < 15 6 9 7 11
/ k% M& J6 s; l$ z 扯断伸长率降低率% < 20 11 12 9 16
" R- i" v% L. K. Z 硬度变化ö邵尔A + 10 + 1 + 2 0 + 2$ c! C0 d8 N( G
3 分析与讨论
- @8 x) Q) a# qa) 试验结果表明, 橡胶强伸性能满足要求。9 m# S+ I5 C& S6 C1 [- I7 f$ g
b) 从胶料与金属骨架材料粘接强度来看, 3# 、+ n: w$ o4 ~: E- H! _8 n
4# 符合标准要求。1 D1 H- c9 |% ~
c) 从热氧、臭氧老化来看, 均符合性能要求。
5 S3 ^" e, f+ E! }; J% Md) 从脆性温度来看, 均符合性能要求。
% h8 y/ n. E0 j _e) 从以上分析得出, 3# 、4# 是合格配方。综合物
5 ^9 g" c, _3 |3 ?) z理性能、加工性能及成本情况, 最优配方是4# 。* @( R& j* L. n' x8 l2 S
4 成品制作7 u$ }0 i1 @: v: J- n' Z
a) 胶料的制备根据4# 配方在密炼机里进行混炼。3 f0 u9 E9 F* S+ |0 P: M- K
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。$ b: E% J& p0 i6 m: e1 Q& g0 W
c) 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。& t% r8 C& J2 ]2 w
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。; ~, M; K' j4 n7 M
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。
* E0 ?( b+ [) I- y! r5 f5 结论
8 k; g! c% u3 c1 X8 B+ Q h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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