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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。# X5 R4 i9 F6 h: g. i
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/ ]! c$ v' h, I* X
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
6 J$ w3 l$ f' v+ X! c6 B3 \$ `/ i2 I, |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)。7 S0 j% a: k' S" s9 `: w8 S
1 配方设计: O0 d1 R6 r. E% h! q4 W1 V
1. 1 生胶的选择6 D$ Q1 y1 y: [ @4 P; l
根据产品的综合性能要求, 生胶选定性能优良$ ~ P; u" z* @- H/ o
的国标1# 天然胶。9 y' ^% @# a" g9 l% Y4 o0 L
1. 2 防护体系的选择. i! o4 Q4 Q r9 E. M! 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。
% r x9 N0 z* V6 j; f1. 3 补强填充体系的选择6 h+ @1 y3 o, V; Q3 c0 ?9 D
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。
9 N9 j, G4 d! h+ k% Q1. 4 软化体系的选择$ G u2 `, s8 O' L% F
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。
7 O }0 r7 P. d& G" U硫化体系的选择要综合考虑以下几点:: }* J( S4 W& m( ?
a) 天然橡胶本身硫化体系的要求;8 @' T( _- A- n
b) 制品物理力学性能的要求;
& `& D) A( V' C. E0 Y8 `% t* y5 fc) 胶料与金属骨架粘合性能的要求;/ Z# V, E5 n7 ]9 K
d) 厚制品硫化工艺性能的要求。
7 |% g6 [. D5 n# T0 a: \/ X. N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! U1 f4 _# o) p' s# L
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。
1 x; i5 D! u. ~3 C$ }! ^表1 不同的配方组成(重量份)
. Z5 J( T8 [4 r6 [8 z" j. p5 o: Z( e材料名称 1# 2# 3# 4#0 l2 A: l1 r ?1 f: j
天然橡胶 100. 00 100. 00 100. 00 100. 00
7 ~3 |# s% [: {+ A氧化锌 10. 00 10. 00 10. 00 10. 00) r8 X3 y1 X# v ]5 T$ f
硬脂酸 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5( M; ?5 g4 X( h$ b. h, X; n% ^
硫磺 2. 00 2. 5 3. 00 3. 50 ^6 Q+ _( w8 O6 D3 d; ^0 l
促进剂CZ 1. 0 0. 80 0. 80 0. 80
K+ Z6 B) N4 p9 s. @9 a& w防老化剂RD 2. 00 2. 00 2. 00 2. 00
; J& J% ?8 a8 \8 V' d防老化剂4010NA 2 2 2 2
+ s* {9 F' Y; m3 p5 Q防护蜡 0. 50 0. 50 0. 50 0. 50
. Q( F' G! s& ~2 [炭黑 40. 00 40. 00 40. 00 40. 00$ t% P2 B8 e* m" ?" f7 {9 m
氧化铁红 10. 00 10. 00 10. 00 10. 00
" Z# L. u! T$ t3 n( R5 [/ v6 h) ?松焦油 6. 00 5. 00 5. 00 5. 00
! f5 F# x/ ], w" u5 x合计 174 173. 3 173. 8 174. 34 k& M: l6 f8 y2 _' G
2 试验
: h1 U! p: }# I( P% O) w2. 1 试验仪器* \9 s1 r- O4 H o
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。/ Y' O+ F& Z; u0 |! @" \
2. 2 试验结果(见表2)$ Z# {. {, e9 O% h# M
表2 不同配方试验结果
% J& B* V2 s c% J项目标准 1# 2# 3# 4#
# w6 ~7 v+ J9 e8 J R9 v硫化(条件154℃)ts2ös 152 146 145 140; X6 I3 E2 ~- V9 |6 v; Z
t90 s 445 406 403 335
! |& m0 e8 a( R& y硬度ö邵尔A60±5 60 62 64 65
* Y6 b6 Y/ w% V: U拉伸强度öM Pa ≥17. 5 22. 60 23. 41 23. 60 22. 80
0 s, F, f% N7 d扯断伸长率ö% ≥400 540 534 516 535
4 O7 e/ q, H" z( R5 r3 n脆性温度ö℃ ≤- 50 - 53 - 54 - 53 - 54( A: T5 p; S2 n; v J/ Q
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: [$ M$ Y/ z8 t
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
! e% m" C O% n; i& T0 h+ J耐臭氧老化(试验条件: 20×10- 6~ 50×10- 6,# N7 S0 _3 }9 m5 v3 y7 v/ |) H
20 % 伸长, 40 ℃×96 h) 无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂
; g2 S% ]# E. L( \) W- S" Y热空气老化试验(试验条件: 70 ℃×168 h); }1 j! Z+ @/ T. b8 o1 m i5 F
拉伸强度降低率% < 15 6 9 7 11
[- m+ {; t! M) B$ ~" w0 X" b$ t 扯断伸长率降低率% < 20 11 12 9 16! J4 j z, t) b
硬度变化ö邵尔A + 10 + 1 + 2 0 + 2
( r6 s4 p* w8 k, }- l; Y9 o3 分析与讨论
- W1 U1 G- e2 y# G+ y8 A% Ea) 试验结果表明, 橡胶强伸性能满足要求。
J1 c1 w# J3 C8 ^& g. vb) 从胶料与金属骨架材料粘接强度来看, 3# 、
5 z0 L" s' H3 u5 X, f1 q4# 符合标准要求。
- ?" J9 H7 G6 U, ^c) 从热氧、臭氧老化来看, 均符合性能要求。9 K7 |0 N% i7 c
d) 从脆性温度来看, 均符合性能要求。, a8 O& @& {5 P, V9 b3 X
e) 从以上分析得出, 3# 、4# 是合格配方。综合物/ }% o* a, I$ T) I
理性能、加工性能及成本情况, 最优配方是4# 。) w% E* `& a8 o* n% r" K
4 成品制作
6 D4 c/ H/ i, a4 [, p6 e8 Y" pa) 胶料的制备根据4# 配方在密炼机里进行混炼。
$ Y: g+ Y3 O8 s- e( T4 I- _! E* ~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。
( `' W6 E4 U# N# J" Wc) 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。
2 L, p9 B$ l: f/ `, ?! U+ @& xd) 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。
% Q$ T. x7 \7 R' p. ^; t/ Ve) 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。" g% ^- f6 e2 O6 R2 V9 z) Q
5 结论7 f$ L" h. h$ r( H8 H7 E9 m
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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