橡胶桥梁支座胶料配方的设计

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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。
$ B; F0 u$ z$ y' n* f　　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
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
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　配方设计
, G9 j2 x. t9 w7 e+ j( [/ E1. 1　生胶的选择
1 y* d5 B8 O. g* u, j5 L根据产品的综合性能要求, 生胶选定性能优良
的国标1# 天然胶。
1. 2　防护体系的选择
6 I$ e' j4 B: U, M$ L8 ~1 X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。
/ M8 B3 V/ C* i# c. a) h$ Q# Y8 n1. 3　补强填充体系的选择
* K# w+ O: m1 ?$ C9 W7 \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. 4　软化体系的选择
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。
硫化体系的选择要综合考虑以下几点:
a) 天然橡胶本身硫化体系的要求;
* s) ^; `( D. Z, k4 b( v- Yb) 制品物理力学性能的要求;
' p, `* _; A, k1 i  E8 Nc) 胶料与金属骨架粘合性能的要求;
7 `$ F/ m: F7 L% T5 N  L& E) V" Ld) 厚制品硫化工艺性能的要求。
9 c% m! K- j1 j' B  J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
- j" c- i" Y2 u# q4 q8 ~) V2 |: F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。
表1　        不同的配方组成(重量份)
材料名称        1#      2#        3#        4#
# C8 H* f/ ]2 k; l6 \7 j1 V天然橡胶     100. 00  100. 00   100. 00   100. 00
4 v6 f$ R* N2 ~/ n氧化锌        10. 00  10. 00     10. 00    10. 00
/ B$ r, U8 n; ~! J9 z$ F9 W硬脂酸          0. 5    0. 5       0. 5      0. 5
, |% |. j& ]- }& s硫磺           2. 00    2. 5      3. 00     3. 50
促进剂CZ       1. 0   0. 80      0. 80     0. 80
3 D4 ^4 c7 Z, f$ I% Q防老化剂RD    2. 00   2. 00      2. 00     2. 00
5 i. u5 m7 M6 [防老化剂4010NA   2       2           2        2
, C1 E3 A: g& Y4 n防护蜡        0. 50    0. 50      0. 50     0. 50
炭黑         40. 00   40. 00     40. 00     40. 00
氧化铁红     10. 00   10. 00     10. 00     10. 00
, D/ Z3 _; \. \松焦油        6. 00    5. 00      5. 00      5. 00
合计            174    173. 3     173. 8     174. 3
" D; x& p! y3 s8 ^) N( v5 u1 ^2　试验
3 b) X, C* H% V. \2. 1　试验仪器
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。
, _9 @2 T  q0 i) R6 v2. 2　试验结果(见表2)
表2　不同配方试验结果
0 D5 m& n: j5 R; p8 {! a项目标准                 1#       2#        3#        4#
3 T# }/ Y9 v: w! @硫化(条件154℃)ts2ös   152      146       145       140
2 Q5 [" \- \4 A　　            t90 s   445      406       403       335
% }' _" n* a$ c) J. R硬度ö邵尔A60±5         60       62        64        65
3 Y& z9 n" \: h& h5 S拉伸强度öM Pa ≥17. 5   22. 60  23. 41   23. 60     22. 80
扯断伸长率ö% ≥400       540     534       516       535
: T" \' c/ y  ]! \1 y脆性温度ö℃ ≤- 50      - 53    - 54       - 53     - 54
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
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
, j$ W6 B: K( T耐臭氧老化(试验条件: 20×10- 6～ 50×10- 6,
+ h2 P/ c# R  j* k& i& [5 \20 % 伸长, 40 ℃×96 h) 无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂
热空气老化试验(试验条件: 70 ℃×168 h)
　　拉伸强度降低率% < 15 6 9 7 11
　　扯断伸长率降低率% < 20 11 12 9 16
) i" R( T% c  Z　　硬度变化&ouml;邵尔A + 10 + 1 + 2 0 + 2
* s' X3 t- s3 b3 a8 d3 B; r3　分析与讨论
* W0 S! q0 i% {+ A- s1 Da) 试验结果表明, 橡胶强伸性能满足要求。
! l! K- {, ?% y* z. E2 U7 D2 B" Eb) 从胶料与金属骨架材料粘接强度来看, 3# 、
0 C8 {% D' d# j" J) T4# 符合标准要求。
9 W9 R; ~5 f0 Q) h2 Nc) 从热氧、臭氧老化来看, 均符合性能要求。
( K# M9 @& i/ Y8 l+ b/ vd) 从脆性温度来看, 均符合性能要求。
e) 从以上分析得出, 3# 、4# 是合格配方。综合物
理性能、加工性能及成本情况, 最优配方是4# 。
# |' f0 ?! a- M" s7 w% _4　成品制作
a) 胶料的制备根据4# 配方在密炼机里进行混炼。
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。
. E% j# d2 T0 R& O$ o% U# k  J' y' pc) 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。
) @* c9 K/ ^) u' z1 f+ N) I% }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。
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。
5　结论
& m: y% V, b% x: j9 S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。

MDS

好资料、谢楼主！分享了。

海伯龙

LZ成本太高了.您的售价?

橡胶052

隔震支座都是用天然胶做吧，研究支座的胶友都发表点意见吧！
这个我收藏啦！

caisenqun

好文章大家学习.

小城故事

作铅芯橡胶支座的。。。大家做的时候，硫化体系是什么？工艺如何确定？

hsxjltz

桥梁工程橡胶是我衡水的支柱产业

信步悠哉

不错的文章，有个初步的了解

HK110

这种铁路密封和减震好象都是垄断性的吧,无锡美峰橡胶是铁路密封件的唯一指定商,减震就不知道是哪个大公司了,都是有关系滴

liyoncai

谢谢资料，我仔细看了好像你的臭氧达不到吧，20*10-6是20ppm吧，就是说2000pphm