張春曉,何 翔,李 磊,劉國強,王 武,杜建國
(總參工程兵科研三所,河南 洛陽 471023)
目前地下工程沖擊隔離防護以被動控制的地板隔震為主[1],通過控制系統(tǒng)諧振頻率(5~10 Hz)及提高系統(tǒng)阻尼比(>0.05)達到隔震目的[2]。一般采用鋼絲繩隔震器、砂隔震墊層或橡膠塊隔震器。鋼絲繩隔震器依靠鋼絲繩股間及絲間滑移、變形、摩擦實現(xiàn)緩沖耗能功能[3],具有大變形軟化、寬頻隔震、大振動空間及耐腐蝕等優(yōu)點[4];砂墊層為利用砂粒間摩擦系數(shù)較高、易于流動特點消耗沖擊震動能量,其橫向隔震性能更優(yōu),更適用隔震;其隔震性能受級配、密實度及含水量影響較大[5];而橡膠塊隔震器據(jù)橡膠材料的黏彈性緩沖耗能,通常用紹爾硬度40~70(對應(yīng)靜態(tài)彈性模量為1.2~3.82 MPa)的天然膠或丁晴膠制成圓柱體與鋼質(zhì)端聯(lián)板硫化黏結(jié)而成,與鋼彈簧并聯(lián)使用。
諸多阻尼中黏彈性阻尼耗能效率較高[6-7]。改性瀝青為典型的黏彈性材料,在其玻璃化溫度范圍內(nèi)其阻尼性能超過天然橡膠,廣泛用于艦船、汽車、高速列車及土木工程減震降噪。黃海生等[8]采用滑石粉、廢舊膠粉、多種化學(xué)外加劑混合改性石油瀝青,與石棉布、玻璃纖維布等模壓成型制成改性瀝青隔震墊,據(jù)配方單位不同,可獲得豎向抗壓強度4.6~9.8 MPa、彈性模量7.3 ~16.5 MPa、阻尼比 0.27 ~0.44 的隔震墊。該系列產(chǎn)品已用于建筑基礎(chǔ)、機器基礎(chǔ)、軌道交通及動力設(shè)備隔震降噪。
本文據(jù)地下工程受沖擊強度與地板隔震系統(tǒng)特點,采用自制高黏彈瀝青材料,通過阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計、模壓成型工藝制作成高黏彈瀝青圓筒式阻尼墊進行室內(nèi)沖擊震動臺試驗。結(jié)果表明,由高黏彈瀝青圓筒式阻尼墊與鋼彈簧構(gòu)成的隔震系統(tǒng)隔震性能優(yōu)異,可作用于地下工程沖擊隔離防護。
阻尼材料的復(fù)模量與沖擊隔離系統(tǒng)諧振頻率密切相關(guān),而損耗因子與系統(tǒng)阻尼比密切相關(guān),表達式[6]為))
地沖擊震動頻率約50~100 Hz,一般在地板隔震系統(tǒng)中頻率比γ=10,因此隔震系統(tǒng)頻率f應(yīng)為5~10 Hz。如隔震墊高度H=13.5 cm,面積A取地板面積的30%,地板隔震系統(tǒng)配重m為400~500kg/m2,諧振頻率取5~10 Hz,據(jù)式(1),配制阻尼材料的復(fù)模量G*應(yīng)取0.2 ~2 MPa。
因黏彈性材料動態(tài)模量為溫度、頻率的函數(shù),應(yīng)考慮高黏彈性瀝青在15℃ ~25℃、5~10 Hz時的復(fù)模量,并盡量提高損耗因子η,為隔震系統(tǒng)提供更高阻尼;亦盡量降低材料在工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)的溫敏性。
石油瀝青在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域的力學(xué)行為介于彈性固體與黏性液體之間,其力學(xué)性質(zhì)兼而有之;溫度較低時轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥怨腆w;溫度較高時轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば砸后w。由于石油瀝青成分較復(fù)雜,其玻璃化溫度非固定值,為一范圍,且各種標(biāo)號瀝青的玻璃化溫度范圍不相同,因此改性劑、增塑劑成為高黏彈瀝青改性的重要組分。
經(jīng)高速剪切、溶脹發(fā)育后的改性瀝青為分散相共混結(jié)構(gòu)。改性劑摻量較低時為分散相,瀝青為分散介質(zhì);改性劑摻量達到一定比例時兩者形成相互交錯的“黏壺-彈簧”三維結(jié)構(gòu)。環(huán)境溫度低于瀝青的玻璃化溫度時其變?yōu)閺椥阅A枯^高的固體,起填充作用。材料的宏觀力學(xué)性能在一定變形量范圍內(nèi)表現(xiàn)為改性劑的力學(xué)性能,仍具有黏彈性;環(huán)境溫度在瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)其為典型的黏彈性材料,其彈性模量低于改性劑,改性劑起骨架作用,能適當(dāng)提高共混材料彈性模量。
增塑劑為小分子溶劑,起稀釋聚合物作用,也可減小分子鏈間作用力。因此增塑劑在瀝青改性中的作用為:① 保證改性劑充分溶脹;② 提高多相體系相容性;③ 降低聚合物高溫黏度,保證高摻量改性劑改性瀝青的共混工藝能順利完成;④ 降低改性瀝青模量;⑤改善瀝青在一定溫度范圍內(nèi)的溫敏性。
為配制出低溫敏性的高黏彈瀝青,須選用溫敏性低、具有黏彈性的聚合物作為改性劑,選與瀝青、改性劑相容性較好的小分子聚合物作為增塑劑。
SBS為苯乙烯(S)-丁二烯(B)-苯乙烯(S)嵌段共聚物,線型SBS的高分子鏈具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)不同嵌段,包括塑性段B及彈性段S,本身即為較好的阻尼材料。SBS為兩相結(jié)構(gòu),有兩個玻璃化溫度點,分別為-80℃~-70℃及100℃,在地下工程環(huán)境溫度下具有較好的溫敏性調(diào)節(jié)作用。SBS在瀝青熔融狀態(tài)下易分散,吸附瀝青輕質(zhì)組分,實現(xiàn)充分溶脹[9]。因此線型SBS為很好的高黏彈瀝青改性劑。據(jù)試驗,當(dāng)SBS摻量小于20%時瀝青與SBS組成的微觀結(jié)構(gòu)均為海-島結(jié)構(gòu);僅當(dāng)摻量大于20%、SBS溶脹后體積約占總體積40%以上時,才能形成阻尼性能優(yōu)異的相與相半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
芳烴油指分子中含苯環(huán)結(jié)構(gòu)的碳氫化合物,為石油化工的基本產(chǎn)品、基礎(chǔ)原料之一。芳烴油具有良好的橡膠相容性、耐高溫、低揮發(fā)性等特點,能幫助SBS在瀝青中較好混合、分散。據(jù)分子鏈分子量大小,可將瀝青劃分為重組分(瀝青質(zhì)、膠質(zhì))與輕質(zhì)組分(芳香份、飽和份),輕質(zhì)組分起分散、溶解改性劑 SBS作用[10]。對AH-70瀝青,其輕質(zhì)組分約占50% ~55%,未添加芳烴油情況下SBS極限摻量為3%,超過此比例時,其共混物黏度超過改性設(shè)備要求的最高黏度值3000 Pa·s。如繼續(xù)提高SBS摻量須添加芳烴油。據(jù)大量試驗,在3%摻量基礎(chǔ)上每多增加1%的SBS,需增加1%的芳烴油,共混物才能達到改性設(shè)備對黏度的要求。SBS亦可實現(xiàn)較好的分散、溶脹。如繼續(xù)提高芳烴油摻量,會明顯降低共混物的復(fù)模量。
原材料選用浙江鎮(zhèn)海石化的AH-70瀝青(4組分含量)及巴陵石化分公司的YH-791線型SBS及芳烴油,見表1。
表1 AH-70瀝青4組分含量Tab.1 Four components content of AH -70 asphalt
為大幅度降低改性瀝青的溫敏性,使其在10℃ ~35℃內(nèi)具有穩(wěn)定的使用性能,將SBS摻量提高到26%。為降低共混物黏度,保證改性工藝順利進行,多次試驗后將芳烴油摻量確定為外摻30%。具體配比見表2。為對比高黏彈瀝青性能,同時測試汽車瀝青阻尼片材料及膠粉瀝青。
表2 高黏彈瀝青配比(kg)Tab.2 The ratio of high viscoelastic asphalt
溶脹程度取決于溫度、網(wǎng)鏈長度、溶劑分子尺寸、聚合物與溶劑分子熱力學(xué)相互作用強度等因素。與汽車瀝青阻尼片材料(圖1(b))與膠粉瀝青(圖1(c))相比,高黏彈瀝青(圖1(a))已充分溶脹、交聯(lián),構(gòu)成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因SBS中聚丁二烯鏈段含有雙鍵,其穩(wěn)定性較差,易在高溫、氧化劑作用下交聯(lián);而高黏彈瀝青中含大量增塑劑(芳烴油),會降低溶液濃度,增加鏈段活性,更利于鏈段的氧化交聯(lián)及溶脹。
圖1 兩種改性瀝青電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM of two kind of modified asphalt
因此本文經(jīng)改性機理分析制定的配制路線合理可行。同時證明線型SBS在氧化劑作用下,可充分分散于瀝青輕質(zhì)組分及芳烴油,在氧化劑作用下交聯(lián),并在保溫發(fā)育過程中形成溶脹狀態(tài)。由圖1(a)看出,線型SBS基本能全部吸收瀝青中輕質(zhì)組分形成飽和溶脹狀態(tài),分子束夾雜瀝青質(zhì)纏繞一起,構(gòu)成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。與互穿網(wǎng)絡(luò)(IPN)為分子或分子束互穿結(jié)構(gòu)不同,此為瀝青-高聚物體系中相與相的互穿,可視為半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在變形與彈性恢復(fù)中分子鏈間摩擦、扭轉(zhuǎn)、扯斷,以熱形式消耗大量能量。
黏彈性材料的動力學(xué)性能具有時溫效應(yīng),即受環(huán)境溫度與外界激勵頻率影響非常明顯。因此,采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)對高黏彈瀝青進行材料動力學(xué)分析,測試4個溫度點(10℃、18℃、25℃、35℃)與1~10 Hz頻率范圍內(nèi)的復(fù)模量G*及損耗因子η(η=G″/G')。其中G'為交變應(yīng)力作用下材料儲存、釋放的能量,稱儲能模量;G″為變形中因內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的熱形式散失能量,稱耗能模量;η為材料耗能、儲能相對大小,其值越高表示外力對材料所做功以熱方式消耗的越多。表3~表5分別為高黏彈瀝青、汽車瀝青阻尼片及膠粉瀝青材料動力學(xué)分析試驗結(jié)果。由表3~表5試驗結(jié)果顯示,高黏彈瀝青的復(fù)模量受溫度及加載頻率影響大大降低,損耗因子降幅亦較大。此因溶脹的線型SBS力學(xué)響應(yīng)更偏向彈性而非黏性。同時其亦為溶液,在溶脹的線型SBS中有溶脹力及與之相反的收縮力,該兩種力在最大溶脹程度時達到平衡。與瀝青阻尼片材料及膠粉瀝青相比,高黏彈瀝青的低溫高頻模量大幅降低,如10℃、10 Hz時瀝青阻尼片的復(fù)模量為42.12,膠粉瀝青為34.49 MPa,而高黏彈瀝青2.53,更符合地下工程沖擊隔離防護對阻尼材料動彈模量要求。
表3 高黏彈瀝青動態(tài)力學(xué)分析Tab.3 DMA of high viscoelastic asphalt
表4 汽車瀝青阻尼片材料動態(tài)力學(xué)分析Tab.4 DMA of the asphalt damping plate material
表5 膠粉瀝青材料動態(tài)力學(xué)分析Tab.5 DMA of the rubber powder asphalt
溫敏性是黏彈性材料的重要性能,也是實際工程中需重點關(guān)注、解決的問題。本文未采用針入度溫敏性表征法,而采用剪切模量溫敏性表征法,即建立ln G*-T曲線,將斜率定義為溫敏性系數(shù)K*。與針入度溫敏性表征法不同,采用材料動力學(xué)分析方法所得模量、損耗因子更能反映瀝青材料在工作環(huán)境內(nèi)的阻尼性能,而非物理意義不明確的稠度;材料動力學(xué)分析方法測點更多,人為誤差更小,因此剪切模量溫敏性系數(shù)表征溫敏性亦更精確。
3種改性瀝青的溫敏性系數(shù)見表6。由表6看出,高黏彈瀝青溫敏性遠低于另兩種改性瀝青。10 Hz時高黏彈瀝青的K*=0.64,而汽車瀝青阻尼片材料的溫敏性系數(shù)K*=1.25,膠粉瀝青材料的溫敏性系數(shù)K*=1.10。
表6 3種改性瀝青的溫敏性系數(shù)Tab.6 Thermosensitive coefficient of three kinds of modified asphalt
黏韌性可表征高黏彈瀝青在變形較大時的耗能性能,是黏彈性材料的重要性能。試驗按公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTJ052-2000)中瀝青黏韌性試驗方法進行,見圖2。
圖2 高黏彈瀝青黏韌性試驗照片F(xiàn)ig.2 Toughness test photos of high viscoelastic asphalt
3種改性瀝青的荷重-變形曲線見圖3,整個曲線包絡(luò)面積表示黏韌性。經(jīng)計算,高黏彈瀝青的黏韌性為30.2 N·m,汽車瀝青阻尼片材料為 16.04 ~24.55 N·m,而膠粉瀝青為6.81 N·m。與另兩種改性瀝青相比,高黏彈瀝青的載荷-變形曲線具有載荷平臺區(qū)及平臺區(qū)更寬的特點。
圖3 三種改性瀝青的荷重-變形曲線Fig.3 Load-deformation curve of three kind of modified asphalt
按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ052-2000)中瀝青彈性恢復(fù)試驗方法用延度儀測試高黏彈瀝青的遲滯變形恢復(fù)能力(形狀記憶能力)。18℃時將試樣以5 cm/min速度拉伸至10 cm時停止,用剪刀將試樣從中間剪斷,取兩個半截回縮試樣輕輕捋直,測量試樣的殘留長度X。高黏彈瀝青在水中的變形恢復(fù)試驗見圖4。圖4(a)為18℃時拉伸至10 cm照片,圖4(b)為30 s后遲滯變形恢復(fù)情況。變形恢復(fù)率計算式為
圖4 變形恢復(fù)能力試驗照片F(xiàn)ig.4 Displacement restoring capacity test photos
式中:D為試樣變形恢復(fù)率;X為試樣殘留長度。
由試驗結(jié)果知,18℃時高黏彈瀝青變形恢復(fù)率為100%,而瀝青阻尼片材料為91%,膠粉瀝青為49%。主要因網(wǎng)絡(luò)間扯動變形較分子鏈間滑動更易恢復(fù)。
為更大程度提高系統(tǒng)的隔震性能,將瀝青設(shè)計為圓筒形大阻尼隔震墊,主要考慮:① 對圓柱狀隔震墊結(jié)構(gòu),隨壓縮變形增加其剛度漸硬特征表現(xiàn)較明顯,而筒狀結(jié)構(gòu)則在一定程度上削弱此特性;② 隨隔震墊快速變形圓筒中心空氣會通過縫隙被排出或吸入,由于空氣黏滯特性,會增加隔震墊的阻尼性能;③ 端聯(lián)板可方便將隔震墊與結(jié)構(gòu)底板與房間地板連接,使隔震墊既能壓縮也能拉伸,從而增加單次震動能量消耗。
由于黏彈性阻尼材料損耗因子足夠大,其阻尼力足夠,因此對大阻尼隔震墊而言,阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計主要為剛度設(shè)計。
由于高黏彈瀝青易蠕變,需用與鋼彈簧并聯(lián)方式,主要起承重作用。試驗?zāi)P偷母粽鹣到y(tǒng)由4個阻尼墊與16個彈簧(單個鋼彈剛度12000 N/m)組成系統(tǒng)諧振頻率,采用高黏彈瀝青的動態(tài)復(fù)模量G*通過式(1)計算獲得。
系統(tǒng)配重400kg/m2、諧振頻率5 Hz時,可將阻尼墊尺寸設(shè)計成外徑20 cm,內(nèi)徑12 cm,高度13.5 cm。而系統(tǒng)阻尼比ξ由式(2)計算獲得。經(jīng)計算,系統(tǒng)諧振頻率約5 Hz,其中鋼彈簧占系統(tǒng)總剛度的8%,系統(tǒng)阻尼比約 0.2。
室內(nèi)沖擊試驗在我所爆炸沖擊震動防護試驗室進行,試驗設(shè)備為爆炸沖擊震動模擬試驗臺,見圖5。試驗臺平面尺寸1.2 m ×1.7 m,最大承載力2 t,沖擊波形近似單次半正弦波。
圖5 爆炸沖擊震動模擬試驗臺Fig.5 Blast vibration simulation test bench
本文進行溫度10℃、18℃及25℃的室內(nèi)沖擊震動試驗,整個試驗?zāi)P蜑? m2,隔震原件共由4個瀝青阻尼墊(外徑20 cm,內(nèi)徑12 cm,高13.5 cm)與16個彈簧構(gòu)成,配重由上層鋼板提供,質(zhì)量400kg,與隔震原件通過螺桿緊密連接,見圖6。在沖擊臺及配重鋼板上分別均勻布設(shè)6個加速度傳感器,見圖7。試驗結(jié)果見表7。部分試驗的沖擊、響應(yīng)加速度時程曲線見圖8、圖9。
圖6 室內(nèi)沖擊震動試驗照片F(xiàn)ig.6 The impact vibration test indoor
圖7 加速度測點布置平面示意圖Fig.7 plane sketch of the arrangement of acceleration measuring point
表7 室內(nèi)沖擊震動試驗結(jié)果Tab.7 Shock vibration test results indoor
由圖8看出,室內(nèi)沖擊震動試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果基本相同,即隔震系統(tǒng)諧振頻率為4~6 Hz,阻尼比為0.2~0.26,加速度隔震率為45% ~72%(主要受沖擊震動強度影響,沖擊震動強度越高隔震率越高,反之越低)。由此證明,本文阻尼墊設(shè)計方法具有一定正確性。而測量結(jié)果顯示,溫度較低時系統(tǒng)諧振頻率較高,阻尼比較低,與高黏彈瀝青不同時溫條件下具有不同的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。而表3中高黏彈瀝青在10℃ ~35℃、5.62 Hz內(nèi)的儲能模量范圍 0.28 ~1.95 MPa,低溫高頻時模量較高,高溫低頻時模量較低。由從震動響應(yīng)曲線看出,25℃時震動周次為3~4,10℃時震動周次為2,此因高黏彈瀝青阻尼墊阻尼比較高(普通隔震系統(tǒng)阻尼比為0.05~0.1),能量消耗快,大幅減少震動周次,即減少工程內(nèi)部人員與設(shè)備的累積損傷。圖8(b)0.6 ~0.8 s與圖9(b)0.3 ~0.4 s時均出現(xiàn)滯后性響應(yīng),可能由瀝青材料的黏彈性(即應(yīng)變滯后于應(yīng)力)引起。
圖8 25℃實測加速度時程曲線Fig.8 The measured acceleration time history curve at 25℃
圖9 10℃實測加速度時程曲線Fig.9 The measured acceleration time history curve at 10℃
(1)針對地下工程遭受沖擊震動、地板隔震系統(tǒng)對阻尼材料低模量、高阻尼要求特點,通過瀝青高黏彈改性機理分析,采用線型SBS、芳烴油及氧化劑共混改性方法,制備溫敏性低、黏韌性好、彈性恢復(fù)率高、具有出相與相半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高黏彈瀝青材料。
(2)通過阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計及室內(nèi)沖擊震動試驗等方法,成功研制出高黏彈瀝青圓筒式阻尼墊。該阻尼墊與鋼彈簧并聯(lián)用于地下工程沖擊隔離防護時,系統(tǒng)隔震率可達70%,阻尼比高達0.26,可大幅減少地板震動周次、降低工程內(nèi)部人機累積損傷。
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