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。
　　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
0 Q) D( C- M* _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)。
: V' O' l1 p( {$ i+ o( }1　配方设计
1. 1　生胶的选择
根据产品的综合性能要求, 生胶选定性能优良
) @) |- N( s5 i  z的国标1# 天然胶。
1. 2　防护体系的选择
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。
% L  s) O+ F$ i; i8 Z9 H1. 3　补强填充体系的选择
5 z# |( m3 [4 T9 D; A# d0 W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。
) n. u4 e& f' B5 X2 J1. 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;
+ e7 c! k5 p! l, xb) 制品物理力学性能的要求;
* K6 G6 `9 w4 S  ^0 Jc) 胶料与金属骨架粘合性能的要求;
: @7 G, b) s# Z' Dd) 厚制品硫化工艺性能的要求。
: W6 k2 }8 G, }; R; ~5 c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
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。
" _' k8 i8 g4 c& P5 a9 W) |; s表1　        不同的配方组成(重量份)
材料名称        1#      2#        3#        4#
% j$ f1 y' F4 w. N& ]' ]天然橡胶     100. 00  100. 00   100. 00   100. 00
/ `! ]; Z3 `' @( i$ s: ~% V" Z, {氧化锌        10. 00  10. 00     10. 00    10. 00
硬脂酸          0. 5    0. 5       0. 5      0. 5
% \! ~- ^. |3 b% d( H0 G- |5 @8 U硫磺           2. 00    2. 5      3. 00     3. 50
促进剂CZ       1. 0   0. 80      0. 80     0. 80
8 v7 J9 N5 b' r9 X1 {防老化剂RD    2. 00   2. 00      2. 00     2. 00
防老化剂4010NA   2       2           2        2
防护蜡        0. 50    0. 50      0. 50     0. 50
$ ?; z( l5 U  q; l& y炭黑         40. 00   40. 00     40. 00     40. 00
氧化铁红     10. 00   10. 00     10. 00     10. 00
9 f8 B+ U" c* s' J. w松焦油        6. 00    5. 00      5. 00      5. 00
合计            174    173. 3     173. 8     174. 3
, u' K- a4 y) g1 M, E% r: Q+ \2　试验
# r- x& B% i( e! a2. 1　试验仪器
2 r. B/ K7 ~5 Y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。
2. 2　试验结果(见表2)
表2　不同配方试验结果
, W& Q  r6 _' N: l# y项目标准                 1#       2#        3#        4#
硫化(条件154℃)ts2ös   152      146       145       140
8 o% i- l# [3 E　　            t90 s   445      406       403       335
硬度ö邵尔A60±5         60       62        64        65
1 W% L! Q" f; g; h$ U2 v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
0 W2 j9 N5 t  c$ }$ O3 W  D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
$ C1 P# r5 B+ l, c) a1 Y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
& K* t9 ]6 M' F, @6 q耐臭氧老化(试验条件: 20×10- 6～ 50×10- 6,
/ y5 h% ~& F( R" m20 % 伸长, 40 ℃×96 h) 无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂
- f& m- _! l) \" c: t7 ]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
. O: W$ C; S( ~" H; y　　硬度变化&ouml;邵尔A + 10 + 1 + 2 0 + 2
3　分析与讨论
+ s0 c5 l" J& T! E" ]% j: P9 a6 D# fa) 试验结果表明, 橡胶强伸性能满足要求。
b) 从胶料与金属骨架材料粘接强度来看, 3# 、
$ T; d! r6 B9 o+ }9 u4# 符合标准要求。
c) 从热氧、臭氧老化来看, 均符合性能要求。
d) 从脆性温度来看, 均符合性能要求。
1 t0 }$ }# w/ B+ J- le) 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# 。
4　成品制作
1 b+ @& Z2 D# H* O3 G6 M. E, ]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。
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。
9 \2 W! V4 E& }# R6 i5 ~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。
4 _. i- ^/ w9 l" B9 D, k  Ge) 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。
/ R( `" f# }7 O5　结论
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