高阻尼橡膠復(fù)合材料在橋梁隔震支座中的應(yīng)用

張 凱，岳 耀，張宏生，趙秀英，張立群*

（1.北京化工大學(xué) 北京市新型高分子材料制備與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.北京化工大學(xué) 北京市先進(jìn)彈性體工程技術(shù)研究中心，北京 100029）

近年來，國內(nèi)地震頻發(fā)[1]，對(duì)橋梁建筑工程結(jié)構(gòu)采取有效的隔震保護(hù)措施變得非常重要。天然橡膠（NR）具有高彈性、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，大部分橡膠隔震支座均使用NR。但由于NR大分子鏈結(jié)構(gòu)非常柔順，其阻尼性能相對(duì)差，不能完全滿足隔震支座用橡膠材料高阻尼性能的要求。目前的解決方案是通過在隔震支座中加注鉛芯材料來提高支座的阻尼性能，而鉛金屬存在著容易污染環(huán)境[2]、地震發(fā)生時(shí)鉛芯易發(fā)生屈服斷裂、壓縮永久變形大等不足。采用具有高阻尼性能的橡膠復(fù)合材料制備的隔震支座具有更好的地震波衰減能力和結(jié)構(gòu)位移控制能力，是新一代隔震支座的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

大量研究表明，丁基橡膠（IIR）、丁腈橡膠（NBR）、氯化丁基橡膠（CIIR）等阻尼性能優(yōu)異，但力學(xué)性能相對(duì)較差，通常并用NR、三元乙丙橡膠（EPDM）等提高其物理性能。楊靜娜[4]研究了NR和NBR不同共混比下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)膠種所占比例不同，則在各自玻璃化轉(zhuǎn)變溫域內(nèi)，有效阻尼效果所占比例則不同。M.C.S.Perera 等[5]研究了NBR和氯化聚乙烯二元共混物，通過動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）儀表征，發(fā)現(xiàn)二者相容性良好，且共混后二者玻璃化轉(zhuǎn)變溫度向中間移動(dòng)，即向高溫方向移動(dòng)，只有一個(gè)阻尼峰值，阻尼溫域變寬。郭大通等[6]研究發(fā)現(xiàn)，加入石油樹脂可以明顯提高CIIR/石油樹脂復(fù)合材料的有效阻尼溫度，拓寬阻尼溫域。

本工作研究4種高阻尼橡膠復(fù)合材料的配方，測(cè)試其力學(xué)性能和阻尼性能，并制成橋梁隔震支座樣品，對(duì)其豎向剛度（KV）、水平等效剛度（Kh）和等效阻尼比（heq）這3個(gè)性能進(jìn)行測(cè)試和比較，篩選出適用于制作橋梁隔震支座的理想材料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NR，1#煙膠片，云南橡膠股份有限公司產(chǎn)品；NBR，牌號(hào)N220S，丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41，日本JSR公司產(chǎn)品；IIR301，加拿大寶蘭山公司產(chǎn)品；受阻酚AO80，日本Asahi Denka公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

1#配方（NBR/AO80復(fù)合材料）：NBR 100，AO80 40，炭黑N330 20，氧化鋅 5，硬脂酸1，硫黃 2，促進(jìn)劑D 1，促進(jìn)劑DTDM 3。

2#配方（NR/NBR/AO80復(fù)合材料）：NR 70，NBR 30，AO80 12，炭黑N330 50，氧化鋅5，硬脂酸 1，硫黃 1.5，促進(jìn)劑D 1，促進(jìn)劑DM 1。

3#配方（CIIR/石油樹脂復(fù)合材料）：CIIR 100，石油樹脂 30，炭黑N330 30，納米氧化鋅7.5，氧化鎂 0.75，硫黃 1.5，促進(jìn)劑DM 2，促進(jìn)劑TMTD 1.5。

4#配方（NR/IIR復(fù)合材料）：NR 80，IIR 20，炭黑N330 40，氧化鋅 3，硬脂酸 1，硫黃1，促進(jìn)劑CZ 1.2，促進(jìn)劑TMTD 1。

1.3 支座制備

按照配方分別制備4種橡膠復(fù)合材料，將薄鋼板和薄混煉膠交替層疊鋪滿模具內(nèi)，在相應(yīng)條件下進(jìn)行硫化，最后進(jìn)行整體的外套裝配，得到高阻尼隔震支座制品，分別記作1#，2#，3#，4#支座。4個(gè)支座均采用HDR 320 mm×420 mm×177 mm的規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，中間共7層橡膠，每層橡膠厚10 mm，鋼板采用300 mm×400 mm規(guī)格。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 物理性能

復(fù)合材料的拉伸性能、撕裂強(qiáng)度采用深圳新三思計(jì)量技術(shù)公司生產(chǎn)的CMT4104型電子拉力機(jī)在室溫下按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，拉伸試樣采用啞鈴形，撕裂試樣為直角形。其余物理性能也均按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

1.4.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

采用法國01dB-Metravib公司制造的VA3000型DMA儀測(cè)試試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，試樣尺寸為20 mm×6 mm×2 mm，拉伸模式，溫度為-100～+100 ℃，頻率為1 Hz，應(yīng)變?yōu)?.1%，升溫速率為3 ℃·min-1。

1.4.3 支座性能

高阻尼隔震橡膠支座的性能計(jì)算過程比較復(fù)雜，其中較為重要的幾個(gè)計(jì)算公式如下：

式中，P1和P2分別指第三次循環(huán)的較小壓力和較大壓力；Y1和Y2指第三次循環(huán)的較小位移和較大位移；ΔW代表滯后環(huán)面積，滯回曲線[7]如圖1所示，Q1和Q2分別代表最大剪切力和最小剪切力，X1和X2分別代表最大位移和最小位移。

圖1 橡膠支座剪切滯回曲線

高阻尼橡膠隔震支座的檢測(cè)按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，本試驗(yàn)采用YSZ-3000型壓剪試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的KV，Kh和heq，其中豎向載荷為30 000 kN，水平力為500 kN，試驗(yàn)溫度為23 ℃。

KV的測(cè)試方法：對(duì)試驗(yàn)支座施加豎向載荷至6 MPa（P2）持續(xù)1 min，之后將載荷卸載至1.5 MPa（P1）持續(xù)1 min，重復(fù)4次，測(cè)試第4次加載6和1.5 MPa時(shí)支座的壓縮量，以此來計(jì)算KV。

Kh和heq的測(cè)試方法：先對(duì)試驗(yàn)支座施加豎向載荷6 MPa，保持恒定，之后以0.01 Hz的頻率在水平方向反復(fù)施加載荷11次，使其產(chǎn)生±175%水平位移。取2—11次平均值計(jì)算Kh和heq。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能

4種橡膠復(fù)合材料的物理性能如表1所示。

表1 硫化膠的物理性能

從表1可以看出：NBR/AO80復(fù)合材料與NR/NBR/AO80復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度均達(dá)到20 MPa以上，原因是橡膠基體中的丙烯腈基團(tuán)與AO80中的羥基形成了氫鍵，分子間相互作用力增大，因此定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度比較高[8-9]；CIIR/石油樹脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較低，拉斷伸長率很高，達(dá)到1 000%以上，原因是CIIR中加入石油樹脂以后，使材料的粘度增大、硬度降低，更容易變形；NR/IIR的硬度和定伸應(yīng)力較高，拉斷伸長率較低，說明其在受力情況下不易變形。綜上所述，NR/NBR/AO80復(fù)合材料的硬度、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隔震支座用橡膠材料的力學(xué)性能要求。

2.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

4種橡膠復(fù)合材料的損耗因子（tanδ）與溫度的關(guān)系曲線如圖2所示。對(duì)應(yīng)的阻尼性能數(shù)據(jù)如表2所示。通常情況下，橋梁隔震支座的工作溫度即周圍環(huán)境的溫度大概在-40～+60 ℃之間，DMA曲線在此溫度區(qū)間內(nèi)的積分?jǐn)?shù)值為TA，TA值越大，說明材料在此溫度區(qū)間內(nèi)的阻尼性能越好。

圖2 4種橡膠復(fù)合材料的tanδ-溫度曲線

表2 4種橡膠復(fù)合材料的阻尼性能數(shù)據(jù)

從圖2可以看出：NBR/AO80復(fù)合材料只有1個(gè)阻尼峰，阻尼峰值達(dá)到1.69，結(jié)合表2數(shù)據(jù)，該復(fù)合材料的阻尼溫域（tanδ≥0.3）在5～45 ℃之間，不僅阻尼溫域?qū)?，并且?duì)應(yīng)于常溫區(qū)域，這可能是由于NBR與AO80相容性好，NBR的極性基團(tuán)與AO80的端羥基形成了大量的氫鍵，導(dǎo)致tanδ高和阻尼溫域移向高溫區(qū)[10]；NR/NBR/AO80復(fù)合材料在高低溫區(qū)出現(xiàn)兩個(gè)阻尼峰，分別對(duì)應(yīng)于NR相和NBR相，有效阻尼溫域也相應(yīng)分成兩段，總溫域達(dá)到65 ℃，其中NBR相對(duì)應(yīng)的阻尼峰在常溫區(qū)域；CIIR/石油樹脂復(fù)合材料從低溫到高溫都有較好的阻尼性能，有效阻尼溫域達(dá)到88 ℃，原因是石油樹脂具有增粘效果，使得其與CIIR共混后在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)有較大的滯后導(dǎo)致阻尼溫域變寬；NR/IIR復(fù)合材料只在低溫區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)阻尼峰，有效阻尼溫域只有25 ℃，這可能是由于阻尼性能主要由含量較少的IIR提供，并且NR與IIR的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均在-60 ℃左右。

從表2還可以看出：NBR/AO80與CIIR/石油樹脂復(fù)合材料的TA值最大，說明其在此溫度區(qū)間具有優(yōu)異的阻尼性能；NBR/AO80，CIIR/石油樹脂這兩種橡膠復(fù)合材料的有效阻尼溫域可以很好地覆蓋橋梁隔震支座的工作溫度范圍；NR/NBR/AO80在高低溫區(qū)各出現(xiàn)一個(gè)阻尼峰，NBR相提供的阻尼峰落在支座的工作溫域內(nèi)，但由于NBR所占比例較小，導(dǎo)致TA值較小；NR/IIR復(fù)合材料由于NR和IIR的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均在-60 ℃左右，導(dǎo)致其有效阻尼溫域也在較低溫度區(qū)。

2.3 支座性能

橡膠支座是橋梁上端結(jié)構(gòu)和橋墩之間的連接樞紐，需要具有一定的承載力，而且豎向變形不可過大，即要求有一定的KV。KV定義為設(shè)計(jì)豎向承受力與豎向變形量之比。Kh代表地震時(shí)支座上部移動(dòng)時(shí)抗破壞的能力，Kh越大，支座抗破壞的能力就越強(qiáng)。heq代表地震時(shí)支座吸收耗散地震波的能力，heq越大，隔震支座耗散地震波的能力就越強(qiáng)。因此，橋梁支座的KV、Kh和heq是檢驗(yàn)其是否合格的3個(gè)基本指標(biāo)。支座的性能參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 支座的性能參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，2#支座各項(xiàng)性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橋梁隔震支座的要求，其他3個(gè)支座均不能完全滿足橋梁隔震支座的性能要求。2#支座與1#支座相比，KV和Kh高于1#支座，但heq明顯低于1#支座，原因是NBR的物理性能不如NR，但阻尼性能優(yōu)于NR，結(jié)合表1，NR/NBR/AO80復(fù)合材料的定伸應(yīng)力低于NBR/AO80復(fù)合材料，這也導(dǎo)致了2#支座的水平等效剛度高于1#支座。同理，由于CIIR與IIR有著相似的物理性能，并且石油樹脂起到增粘的作用，因此3#支座的KV和Kh低于4#支座。后兩者h(yuǎn)eq的差異主要由兩方面因素導(dǎo)致，其一，4#支座中IIR與NR并用，勢(shì)必會(huì)降低復(fù)合材料的阻尼性能；其二，石油樹脂會(huì)提高CIIR的阻尼性能。

橡膠支座的剪切力-位移試驗(yàn)曲線見圖3。

滯回曲線包圍的面積表示產(chǎn)品剪切過程中對(duì)能量的耗散效果，反映了材料阻尼性能。滯回曲線的面積越大，代表該樣品的阻尼性能越好，耗能能力越強(qiáng)。由Kh和heq的計(jì)算公式可知，支座滯回曲線的面積與Kh和heq的乘積成正比關(guān)系，結(jié)合表3數(shù)據(jù)及圖3可看出：1#和2#支座的Kh和heq的乘積大于3#和4#支座，故1#和2#支座的滯回曲線面積較大，剪切耗能效果優(yōu)于3#和4#支座；1#支座的滯回曲線面積大于2#支座，3#支座的滯回面積大于4#支座，原因是1#和3#支座的heq遠(yuǎn)高于2#和4#支座。但支座的heq越大，也就說明其剛度越小，找到剛度與heq之間的最佳平衡點(diǎn)，才能使橡膠支座滿足橋梁隔震的要求。

圖3 橡膠支座的剪切力-位移試驗(yàn)曲線

3 結(jié)論

（1）NBR/AO80和NR/NBR/AO80復(fù)合材料的硬度、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率滿足橋梁隔震支座用橡膠材料的要求。

（2）NBR/AO80，NR/NBR/AO80 和CIIR/石油樹脂復(fù)合材料的阻尼溫域分別為5～45，-16～+15和-51～+37 ℃，在與支座的工作環(huán)境溫度相匹配的溫域內(nèi)表現(xiàn)出良好的阻尼性能。

（3）應(yīng)用NR/NBR/AO80復(fù)合材料制備的橡膠支座樣品，其KV、Kh和heq符合橋梁支座用橡膠材料國家標(biāo)準(zhǔn)要求，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。