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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。" D4 z# g( z. W/ T( J' E
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
/ ?% q, ~4 R) O* c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
2 p9 u3 g0 S2 X( c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)。
1 j F! K0 b0 d1 配方设计
2 d% O6 ~# Y9 L# L' D0 W& Z, \1. 1 生胶的选择 m& O9 p% v, k, F4 g0 K
根据产品的综合性能要求, 生胶选定性能优良( n: s: }2 |0 p6 q0 Q. c O( @
的国标1# 天然胶。
) r' E% z/ b" E5 z1. 2 防护体系的选择' b- T. Y- g% @3 \$ q" @# G
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。
# H9 n7 w7 e9 o$ o7 G1. 3 补强填充体系的选择
& S2 {' `" @- K; J, a& b) {( |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。& g- U1 p2 @$ _ U+ m
1. 4 软化体系的选择
' y) p1 p! N4 I/ o1 f6 i; p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。
' |/ _4 b; A2 ?" m硫化体系的选择要综合考虑以下几点:
3 x, l `. |/ u/ j2 _0 va) 天然橡胶本身硫化体系的要求; ~8 j% I% X5 B P# d( J
b) 制品物理力学性能的要求;2 z4 l; W$ K& P* N! u( e
c) 胶料与金属骨架粘合性能的要求;
, G6 y/ J- b- e- vd) 厚制品硫化工艺性能的要求。
* ~' G' U5 q1 ~) 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 O( M; e! F4 h
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。+ {9 F$ n: d6 r
表1 不同的配方组成(重量份)/ G d" t4 e' x2 |( V5 r1 [
材料名称 1# 2# 3# 4#
# q; a0 h# A3 W( k. Z天然橡胶 100. 00 100. 00 100. 00 100. 006 P* r0 ^7 y* M8 j$ p/ E
氧化锌 10. 00 10. 00 10. 00 10. 00
; |) M+ m7 _0 I) { q5 a( s硬脂酸 0. 5 0. 5 0. 5 0. 50 p, p. U6 r1 e' Q3 w' C8 K7 i
硫磺 2. 00 2. 5 3. 00 3. 50
3 Q% a- |5 T# V: ^9 x促进剂CZ 1. 0 0. 80 0. 80 0. 80# Q" a5 C$ k+ b! ?
防老化剂RD 2. 00 2. 00 2. 00 2. 00* n. y) }& u k4 u9 T% q1 Y* Y
防老化剂4010NA 2 2 2 2+ c9 s7 |: ?8 ~0 Q
防护蜡 0. 50 0. 50 0. 50 0. 50
8 [" v4 s Z' a! X# L8 U' Y/ H$ `% ?炭黑 40. 00 40. 00 40. 00 40. 00
" a$ d- G) O; J' q/ k氧化铁红 10. 00 10. 00 10. 00 10. 00
: Q/ z W; W) K% i& g1 [7 T) k松焦油 6. 00 5. 00 5. 00 5. 005 |' I. B1 |0 u
合计 174 173. 3 173. 8 174. 3
j6 D5 H3 w& s+ a+ {$ S7 {2 试验
" X& t \( X% w8 X4 Z2. 1 试验仪器& P0 L, l3 { W( Z, y3 ~1 V8 K
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。. x" K4 [" x8 e( i) w
2. 2 试验结果(见表2)
# N, ?0 \7 f" l9 _表2 不同配方试验结果
4 K6 Y# K( t0 J+ |% ?项目标准 1# 2# 3# 4#1 r2 X- i, ~4 N
硫化(条件154℃)ts2ös 152 146 145 140$ ~( P v0 @0 I3 \0 T. |0 I1 }
t90 s 445 406 403 335
* h7 u S- Z( {1 z# s硬度ö邵尔A60±5 60 62 64 65' e v1 D; i& q3 m9 Y/ {0 W3 M
拉伸强度öM Pa ≥17. 5 22. 60 23. 41 23. 60 22. 80
! {9 m7 `$ r9 O8 o; e2 ~扯断伸长率ö% ≥400 540 534 516 5355 [ O$ K0 Q& z# v9 T/ J' z4 O+ c
脆性温度ö℃ ≤- 50 - 53 - 54 - 53 - 54& f2 x7 T- ?+ K
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
! W, B8 w) P. ~% A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
8 t" G% M f! W9 M耐臭氧老化(试验条件: 20×10- 6~ 50×10- 6,; @" A& ~1 O2 A! V, y; m( Z
20 % 伸长, 40 ℃×96 h) 无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂) c$ ~6 G: [% Q' T3 _
热空气老化试验(试验条件: 70 ℃×168 h): o8 A: F8 z+ O1 [ |
拉伸强度降低率% < 15 6 9 7 11
: I5 h1 t* g5 i0 p 扯断伸长率降低率% < 20 11 12 9 16
( C- Q, X6 Q2 m- ^1 E b2 f G 硬度变化ö邵尔A + 10 + 1 + 2 0 + 2
% C" j. X# |: v3 分析与讨论
1 y/ j+ B% H! K2 c: [$ ra) 试验结果表明, 橡胶强伸性能满足要求。4 M% z2 h k: A' Z: h2 D2 r, Z5 i
b) 从胶料与金属骨架材料粘接强度来看, 3# 、
, i2 `. G/ h4 a( ]2 r" C0 q4# 符合标准要求。
: L- B0 J& ~# Bc) 从热氧、臭氧老化来看, 均符合性能要求。
! o5 w+ b( u/ ~& N5 X5 Pd) 从脆性温度来看, 均符合性能要求。
, J( b# k2 ^- y; De) 从以上分析得出, 3# 、4# 是合格配方。综合物
2 T% Y3 T* M, ]! J) A* G) `" a理性能、加工性能及成本情况, 最优配方是4# 。6 x1 [7 s$ _ t8 s& f
4 成品制作
' S7 n' n% c! d& z4 a2 T% f j8 Wa) 胶料的制备根据4# 配方在密炼机里进行混炼。
- ?8 h k4 y+ V* g1 ~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。# f* [4 V8 \4 C8 P# o+ F; t
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。) b- m0 U* T3 J$ G; H
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。# g6 z9 P0 D& ?3 Q: h. E: V
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。& P: \9 @- J6 w8 {4 @- `) j3 x
5 结论
, u! U1 p# t! K5 t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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