橡膠復(fù)合材料在建筑隔震領(lǐng)域的應(yīng)用

趙秀英，王 琪，張 志，曹仁偉，張立群

(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)

1 前 言

我國(guó)地震活動(dòng)具有頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、范圍廣的特點(diǎn)，是一個(gè)震災(zāi)嚴(yán)重的國(guó)家[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地震時(shí)90%的傷亡都是由建筑物的倒塌造成的。因此，增強(qiáng)建筑物的抗震能力是防震減災(zāi)的必要手段。20世紀(jì)80年代，隔震技術(shù)迅速發(fā)展，指的是在結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)之間設(shè)置柔性隔離裝置和阻尼裝置，將地震能量隔離吸收的一種新型抗震技術(shù)。這種技術(shù)應(yīng)用于地震高發(fā)區(qū)的建筑物、橋梁和一些高抗震需求的領(lǐng)域如核設(shè)施、液化氣儲(chǔ)存罐、醫(yī)院、指揮中心等的抗震防護(hù)，可以對(duì)建筑物內(nèi)部的家具裝修、對(duì)位移和加速度非常敏感的儀器設(shè)備和一些無(wú)法固定的非結(jié)構(gòu)件起到很好的保護(hù)作用，現(xiàn)如今已在世界各地大量應(yīng)用，是發(fā)生大型罕見地震事件后避免生命財(cái)產(chǎn)損失的有效技術(shù)[2, 3]。

20世紀(jì)70年代，以天然橡膠為主體材料的疊層橡膠支座的發(fā)展讓隔震成為現(xiàn)實(shí)[4]。80年代早期，橡膠技術(shù)的發(fā)展使得多種合成橡膠和橡膠復(fù)合材料被應(yīng)用于高阻尼橡膠支座[5]。新的隔震技術(shù)的出現(xiàn)也必定伴隨新的橡膠復(fù)合材料的開發(fā)，橡膠復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于隔震領(lǐng)域，是隔震領(lǐng)域不可或缺的重要材料。本文簡(jiǎn)述了隔震技術(shù)的原理與分類，綜述了隔震支座用橡膠復(fù)合材料，包括：?jiǎn)我唤M分橡膠、多元組分橡膠、有機(jī)小分子雜化材料、磁流變彈性體等的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，分析了其優(yōu)點(diǎn)和缺陷，為之后隔震領(lǐng)域用橡膠復(fù)合材料的開發(fā)提供了思路。

2 隔震技術(shù)原理及其分類

隔震技術(shù)是20世紀(jì)80年代快速發(fā)展起來(lái)的一種抗震技術(shù)。對(duì)于中低層結(jié)構(gòu)建筑，其自身的自振周期位于地震能量最大的頻譜段，為降低地震對(duì)建筑物的損害，如圖1a所示，在建筑中設(shè)置隔震層，將建筑物的上部與基礎(chǔ)柔性隔離，延長(zhǎng)自振周期至長(zhǎng)周期(2～4 s)，從而減少上部分建筑物的反應(yīng)加速度，并且通過增大結(jié)構(gòu)的阻尼，有效吸收了地震傳導(dǎo)的能量，因而保證了建筑物的安全[6]。如圖1b所示，不同的地震在低頻段都有較高的反應(yīng)加速度，結(jié)構(gòu)建筑物和隔震建筑物在地震中有不同的震動(dòng)狀態(tài)。固定的結(jié)構(gòu)建筑物自振周期處于低頻段，地震發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)。與之相比，帶有隔震體系的建筑物可以有效降低加速度反應(yīng)和位移反應(yīng)，減少地震對(duì)建筑物的損害。

目前主要研究的隔震技術(shù)體系有：疊層橡膠支座隔震體系、摩擦滑移隔震體系、滾動(dòng)隔震體系、智能隔震體系以及復(fù)合隔震體系[7]。其中建筑中應(yīng)用最多的是疊層橡膠支座隔震體系。

圖1 建筑隔震原理(a)及不同地震的加速度反應(yīng)譜圖(b)[6]Fig.1 Principle schematic of building’s seismic isolation (a) and response acceleration of different earthquakes (b)[6]

2.1 疊層橡膠支座隔震體系

疊層橡膠隔震支座在建筑物和橋梁減震中的應(yīng)用十分廣泛，常用的隔震支座有普通疊層橡膠支座、鉛芯疊層橡膠支座、高阻尼疊層橡膠支座等[9]，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 普通疊層橡膠支座(a)，鉛芯疊層橡膠支座(b)，高阻尼橡膠支座(c)Fig.2 Natural rubber bearings (a), lead rubber bearings (b) and high damping rubber bearings (c)

普通疊層橡膠支座(natural rubber bearings，NRB)是由橡膠層和加強(qiáng)板層層交替經(jīng)高溫、高壓整體硫化粘結(jié)而成[10]。支座受豎向壓力時(shí)，橡膠層的徑向受到加強(qiáng)板的約束減小變形，因此可以提供較大的豎向承載力而不會(huì)產(chǎn)生較大的變形；當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，因?yàn)橄鹉z的柔性，可以有效隔離水平方向上的運(yùn)動(dòng)分量。疊層橡膠支座的橡膠層多為天然橡膠，加強(qiáng)層多為鋼板，為減少成本，有的也使用塑料板或者碳纖維、玻璃纖維增強(qiáng)的塑料板。以天然橡膠為主體材料的普通疊層橡膠支座的等效阻尼比一般在2%～3%之間，因此在國(guó)內(nèi)隔震設(shè)計(jì)中經(jīng)常忽略天然橡膠的粘滯阻尼，在使用過程中配合粘滯阻尼器、粘彈阻尼器或油阻尼器來(lái)提升等效阻尼比，以實(shí)現(xiàn)震動(dòng)過程中的能量吸收[11]。

鉛芯疊層橡膠支座(lead rubber bearings，LRB)是在普通疊層橡膠支座的基礎(chǔ)上插入鉛芯，由于鉛芯的存在，可以提高支座的阻尼性能和初始剛度，提升支座的使用壽命[12]。LRB雖然可以提高天然橡膠支座的等效阻尼比至10%～15%，但鉛芯低溫易結(jié)晶，常規(guī)低周期疲勞作用下，鉛芯會(huì)產(chǎn)生剪切疲勞破壞，經(jīng)測(cè)試，支座經(jīng)5000次小位移疲勞試驗(yàn)后，等效阻尼比下降約25%。并且鉛芯的冶煉、精煉以及使用過程中對(duì)環(huán)境的污染無(wú)法避免，因此制作高阻尼橡膠支座對(duì)環(huán)境和人類生命健康具有現(xiàn)實(shí)意義[13]。

高阻尼橡膠支座(high damping rubber bearings，HDR)結(jié)構(gòu)與普通疊層橡膠支座相同，但普通疊層橡膠支座用天然橡膠，基本不使用補(bǔ)強(qiáng)劑補(bǔ)強(qiáng)，而HDR高阻尼橡膠層的制備是在生膠混入炭黑與其他補(bǔ)強(qiáng)劑，或者各種種類橡膠共混、共聚。對(duì)比普通疊層橡膠支座，等效阻尼比可以提高至12%～20%[14]。由于填料的加入會(huì)讓橡膠復(fù)合材料的硬度和剪切模量上升，很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高阻尼和低剪切模量。

除了上述3種主要橡膠支座，還有厚橡膠層橡膠支座、纖維增強(qiáng)板橡膠支座等有特定功能的支座。厚橡膠層可以產(chǎn)生良好的豎向隔離能力，具有低豎向剛度的橡膠支座，可以降低強(qiáng)震過程中的豎向響應(yīng)加速度，實(shí)現(xiàn)環(huán)境微振動(dòng)水平和豎向同時(shí)隔離，不過該支座僅限于用于低層建筑物[15]。Kelly等[16]將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替換鋼板，開發(fā)出纖維加勁橡膠隔震支座，降低了支座的成本，可以應(yīng)用于廣大的經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)。同時(shí)也有用纖維增強(qiáng)工程塑料板代替鋼板的夾層橡膠隔震支座。

2.2 其他隔震體系

摩擦滑移隔震技術(shù)是應(yīng)用最早的隔震技術(shù)，基本原理是將上部結(jié)構(gòu)和建筑物基礎(chǔ)隔開，在它們之間設(shè)置滑移面，在發(fā)生地震時(shí)，滑移層與基礎(chǔ)解耦，整體水平滑移并通過摩擦耗能。優(yōu)點(diǎn)為簡(jiǎn)單高效、造價(jià)低，但是滑移層回復(fù)能力差。為了彌補(bǔ)這一缺陷，可以在滑動(dòng)層周圍設(shè)置限位裝置。限位裝置包括由彈簧和阻尼組成的限位器和剛性限位壁，在中小地震作用下，表現(xiàn)為純滑動(dòng)摩擦隔震，在大震或多次地震作用下，限位器的限位功能可以防止滑動(dòng)層的大幅度位移[17]。加州伯克利分校研究了摩擦擺隔震支座(friction pendulum system，F(xiàn)PS)[18]，F(xiàn)PS將傳統(tǒng)滑移平面底座改為曲面底座。該體系具有傳統(tǒng)摩擦隔震系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)底座的弧面保證良好的自動(dòng)復(fù)位功能。

滾動(dòng)隔震技術(shù)是一種水平隔震技術(shù)，在建筑物上部與基礎(chǔ)之間鋪設(shè)一層滑動(dòng)性能好的滾珠或者滾軸。其起到隔離作用的基本原件為雙凹形表面組成的主體和插入的滾珠或滾軸[19]。滾珠或者滾軸只能沿著特定方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)之后產(chǎn)生勢(shì)能，產(chǎn)生像鐘擺一樣的居中效應(yīng)提供復(fù)位能力。研究表明，滾動(dòng)隔震技術(shù)具有穩(wěn)定性好、顯著的隔震效果。但滾動(dòng)隔震技術(shù)的位移能力受到滾動(dòng)表面幾何形狀的限制，而且對(duì)于復(fù)位能力不好的系統(tǒng)，二次地震或者余震讓位移超出閾值，因此需要配合阻尼器使用。

為增加對(duì)地震的響應(yīng)，以抵抗具有大位移和長(zhǎng)周期脈沖的近底層地震導(dǎo)致的基礎(chǔ)隔震裝置的過度應(yīng)變破壞，發(fā)明了可變摩擦阻尼器和磁流變阻尼器，稱為智能隔震體系。該技術(shù)可以實(shí)時(shí)控制基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)的水平剛度(即基礎(chǔ)隔離裝置的剪切特性)，在地震波頻率高峰值時(shí)控制隔震裝置解耦合，保護(hù)建筑物的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部物體。

每一種隔震技術(shù)都有自己的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，在同一隔震結(jié)構(gòu)中利用不同的隔震裝置以并聯(lián)或串聯(lián)的方式組合起來(lái)，并進(jìn)行優(yōu)化，稱為復(fù)合隔震體系。它可以兼收各技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，滿足建筑物隔震需求，應(yīng)用廣泛[20]。

3 隔震用橡膠復(fù)合材料

隔震裝置是隔震層的主要部分，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)隔震的關(guān)鍵裝置，通過采用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者使用新材料能夠讓隔震裝置滿足更高的隔震要求[21, 22]。為了驗(yàn)證新型隔震裝置的實(shí)際施工可行性及其隔震效果，應(yīng)按照我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隔震裝置進(jìn)行測(cè)試。以建筑用高阻尼橡膠支座為例，在進(jìn)行隔震體系設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該按照GB 20688.3—2006《橡膠支座 第3部分：建筑隔震橡膠支座》通過相關(guān)性實(shí)驗(yàn)評(píng)估支座在豎向壓力下的剪切性能、極限性能、拉伸性能、耐久性，比如豎向剛度Kv、水平等效剛度Kh和等效阻尼比heq等[23]。

滿足這些需求則需要材料兼具高強(qiáng)度、高柔性、高彈性、高阻尼的特點(diǎn)。高柔性是為了保證支座有良好的橫向位移能力和大的位移量，充分起到隔震的效果；而高強(qiáng)度是為了保證橡膠材料在產(chǎn)生大變形時(shí)具有高的抗破壞能力；高彈性既是高柔性的伴生性能，又是支座長(zhǎng)期處于高壓態(tài)下不產(chǎn)生大的永久變形的保證；高阻尼則是為了滿足高性能支座所提出的高度耗能減震的要求。從高分子物理和復(fù)合材料理論進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：材料的高柔性與高強(qiáng)度不易同時(shí)獲得，而高彈性與高阻尼則更是一對(duì)矛盾而難以兼顧。近些年，隔震支座用高性能橡膠復(fù)合材料方面取得了很多優(yōu)秀的研究成果。

3.1 單一組分橡膠在隔震支座中的應(yīng)用

天然橡膠(NR)具有高柔性、高彈性、高拉伸強(qiáng)度、高撕裂強(qiáng)度和易加工性能等優(yōu)點(diǎn)，是隔震支座中應(yīng)用最多的一種橡膠。普通疊層橡膠支座主要采用天然橡膠。NR分子鏈柔順，具有高彈性和低壓縮永久變形性能，有利于減少支座在水平方向上的變形；同時(shí)NR具有拉伸結(jié)晶特性，在高水平形變下，NR可以提供支座高的水平剛度，滿足普通疊層橡膠支座的力學(xué)性能要求。但是NR分子鏈內(nèi)摩擦小，阻尼性能差，對(duì)傳導(dǎo)的地震能量的吸收非常少，因此普通疊層橡膠支座需要配合阻尼器使用。另外NR分子鏈中含有許多雙鍵，耐熱氧老化性能差，需要對(duì)NR制作的支座進(jìn)行防老化處理。趙錄杰[24]將微米級(jí)羰基鐵粉均勻混入NR，制備的橡膠隔震支座與同款未摻雜的隔震支座相比，其阻尼比有了明顯的提升。在低頻條件下阻尼比的提高尤為明顯，其最大增加量可達(dá)68%，有效改善了普通疊層橡膠支座的阻尼性能。胡浩等[25]將碳納米管作為納米阻尼材料與石油樹脂一起加入NR中，大幅度提高了橡膠的阻尼性能。在室溫、應(yīng)變?yōu)?0%～100%、頻率為1 Hz時(shí)，該復(fù)合材料的損耗因子大于0.3，拉伸強(qiáng)度不小于10 MPa，拉斷伸長(zhǎng)率不小于500%，其性能達(dá)到了隔震支座用橡膠材料物理性能的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。王剛鵬等[26]研究了NR/CNTs/炭黑/石油樹脂復(fù)合材料的阻尼性能，其損耗因子在低頻大應(yīng)變下均大于0.3，而且明顯降低了硬度，當(dāng)石油樹脂質(zhì)量份數(shù)在10～30范圍內(nèi)時(shí)，該復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度>10 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率>500%，可選為隔震支座用橡膠材料。

氯丁橡膠(CR)有比NR更好的耐候性和耐化學(xué)腐蝕性能，因此氯丁橡膠支座多用于公路橋梁等地方。沈小俊等[27]研究了鹽凍條件下氯丁橡膠支座的耐壓性能，鹽凍會(huì)導(dǎo)致橡膠支座的局部變形變大，彈性階段縮短，豎向剛度下降，更容易發(fā)生脆性破壞。張延年等[28]研究了熱氧老化作用下氯丁橡膠支座的耐壓性能，結(jié)果表明支座易受熱氧老化的影響，壓縮彈性模量下降，極限抗壓強(qiáng)度下降?？傮w而言，氯丁橡膠支座雖然有不錯(cuò)的機(jī)械性能，但是由于低溫結(jié)晶性和鹽凍或熱氧條件下的老化問題，應(yīng)用較少，而且氯丁橡膠價(jià)格昂貴也限制了進(jìn)一步的應(yīng)用。

與NR相比，丁腈橡膠(NBR)的耐低溫性差、分子鏈柔順性稍低，阻尼性能好。袁涌等[29]在NBR中添加濕式云母粉和納米級(jí)硬瀝青顆粒，制備了具有較高豎向承載能力和水平變形能力的復(fù)合材料，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)呈現(xiàn)良好的可復(fù)位性，其中濕式云母粉與常規(guī)的炭黑填充劑相比，能夠有效提高NBR的耐曲撓性能和耐熱老化性能，適用于環(huán)保型超高阻尼隔震橡膠支座并且使用壽命更長(zhǎng)。

其他的橡膠材料也有在隔震裝置上使用，但是由于它們大多是某種特性突出，而綜合性能不佳，很少單獨(dú)在隔震裝置上使用。例如氯化丁基橡膠(CIIR)，阻尼性能優(yōu)異，但是機(jī)械性能和加工性能差，單獨(dú)在隔震裝置上使用不能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隔震支座性能的要求。郭大通等[30]將石油樹脂(PR)加入CIIR中，PR作為阻尼功能助劑，PR/CIIR復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和壓縮模量逐漸減小，拉斷伸長(zhǎng)率和壓縮永久變形逐漸增大。PR/CIIR復(fù)合材料的有效阻尼溫域移向高溫區(qū)并有效拓寬，tanδ≥0.3的阻尼溫域?qū)捰?0.7 ℃增大到93.5 ℃，阻尼性能得到明顯改善，所制備的高阻尼成品支座樣品的等效阻尼比為18.2%，超過了15%的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 多元組分橡膠在隔震支座中的應(yīng)用

結(jié)合NR可以拉伸結(jié)晶、強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，張宏生[31]將NR與具有高阻尼特性的丁基橡膠(IIR)共混制備兼?zhèn)鋬烧邇?yōu)點(diǎn)的橡膠復(fù)合材料并應(yīng)用于高阻尼橡膠支座。采用IIR的預(yù)硫化工藝，解決了NR/IIR復(fù)合材料的硫化交聯(lián)不能同步的問題，NR/IIR混合體系的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)得到改善，制備了比未預(yù)硫化體系物理機(jī)械性能更好的復(fù)合材料。鐘樞等[32]制備了NR/CIIR橡膠復(fù)合材料并應(yīng)用于橋梁支座，依據(jù)JT/T4-2004《公路橋梁板式橡膠支座標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試，結(jié)果顯示完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該橡膠支座在較大的剪切應(yīng)力和壓力下沒有發(fā)生任何損壞。張保生[33]等將溴化丁基橡膠(BIIR)與NR共混制備了NR/BIIR復(fù)合材料，并研究了不同填料對(duì)共混物物理性能、老化和阻尼性能的影響，結(jié)果顯示炭黑N330填充橡膠共混物物理性能最佳，但抗老化和阻尼性能下降；采用云母粉部分代替炭黑能顯著提高耐熱氧老化性能，這對(duì)于提高支座的使用壽命有重要意義。

Qin等[34]通過在NR中并用不同環(huán)氧度的環(huán)氧化天然橡膠(ENR，環(huán)氧度分別為25%，40%，50%)來(lái)擴(kuò)大NR的阻尼溫度范圍。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和制備過程如圖3a所示，NR和3種ENR按一定順序排列，制得NR/ENR-25/ENR-40/ENR-50四元層狀梯度材料，層狀梯度材料之間相對(duì)較窄的Tg差異和NR與ENR之間的高相容性是復(fù)合材料性能優(yōu)異的主要原因。圖3b表明3種不同環(huán)氧度的ENR的存在可以有效地拓寬NR的有效阻尼溫度范圍，并且圖3c顯示層數(shù)為32時(shí)，四元層狀梯度材料的tanδ值峰值可高達(dá)1.815，有效阻尼溫度范圍為-24.8～44.9 ℃，具有最佳的阻尼性能。牛凱晶等[35]研究了NR/NBR/ENR三元橡膠復(fù)合材料性能以及在隔震支座的應(yīng)用，以NR為連續(xù)相，NBR為分散相，ENR為相容劑，降低了NBR的聚集，提高了NR和NBR之間的相容性，在ENR含量達(dá)到10%時(shí)相容性最佳，并且測(cè)試NR/NBR/ENR-50的拉伸強(qiáng)度是22.84 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為652%，tanδ大于0.3的阻尼溫域在20 ℃左右，阻尼性能優(yōu)異，并且由于NR和ENR的結(jié)晶性能，在大應(yīng)變下，結(jié)晶程度增大，擁有較高的力學(xué)性能，適用于高阻尼橡膠支座。

吳結(jié)義等[36]將少量順式-聚異戊二烯(TPI)與NR并用，研究發(fā)現(xiàn)，隨著TPI用量的增加，硫化膠的壓縮疲勞溫升和壓縮永久變形逐漸降低，屈撓疲勞壽命增加了26%，并且硫化膠的靜剛度增大。應(yīng)用于隔震支座橡膠層，可以改善普通疊層橡膠支座的初始剛度和阻尼性能。曾令子[37]等在NR/順丁橡膠(BR)共混物中添加高阻尼石油樹脂、鎂、補(bǔ)強(qiáng)劑等，得到的NR/BR橡膠復(fù)合材料，在-65～68 ℃超過110 ℃的寬溫域范圍內(nèi)具有高阻尼性能，并且拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)支座的要求，適用于公路、橋梁高阻尼橡膠隔震支座。

圖3 四元層狀梯度阻尼材料的制備過程(a)，不同混合比的NR/ENR-25/ENR-40/ENR-50層狀梯度阻尼材料的tanδ-T曲線(b)，不同層數(shù)NR/ENR-25/ENR-40/ENR-50層狀梯度阻尼材料的tanδ-T曲線(c)[34]Fig.3 Preparation of layered gradient damping material (a), tanδ-T curves of NR/ENR-25/ENR-40/ENR-50 blends with different blend ratios (b), tanδ-T curves of NR/ENR-25/ENR-40/ENR-50 layered gradient damping materials with different number of layers (c)[34]

3.3 有機(jī)小分子雜化技術(shù)應(yīng)用于高阻尼橡膠支座

近年來(lái)，有研究發(fā)現(xiàn)在聚合物共混體系中加入小分子有機(jī)化合物，如受阻酚類抗氧化劑(AO-60、AO-80)或受阻胺類材料(如DZ)可以有效提高橡膠復(fù)合材料的阻尼性能和阻尼溫域。對(duì)AO-80/氯化聚乙烯(CPE)體系研究表明，受阻酚有3種相結(jié)構(gòu)，即非晶相、高度有序相和室溫下的結(jié)晶相，如圖4a所示，在復(fù)合體系中，一部分受阻酚溶解到基質(zhì)中，大部分形成AO-80富集域，并且在AO-80和CPE間形成分子間氫鍵。從圖4b動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)圖可以清晰看到兩個(gè)損耗峰，證明體系中分相和添加AO-80帶來(lái)的優(yōu)異的阻尼性能。這是由于在AO-80自身的玻璃化轉(zhuǎn)變和分子間氫鍵斷裂的二級(jí)轉(zhuǎn)變，可以讓復(fù)合材料有良好的阻尼性能和形狀記憶效應(yīng)[38]。

圖4 CPE/AO-80分子鏈形態(tài)的示意圖(a)及tanδ-T曲線(b)[38]Fig.4 Schematic illustration of CPE/AO-80 molecular chain morphology (a) and curves of tanδ-T (b)[38]

Zhao 等[39-42]將受阻酚AO-60加入NBR基體中，結(jié)果表明在加入AO-60后，NBR分子鏈與AO-60形成氫鍵并構(gòu)成超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，AO-60富集相中分子間氫鍵的裂解在高溫區(qū)還引起兩個(gè)副損耗峰，有效提高了NBR的阻尼溫域。之后為改善NBR與AO-60相容性問題，加入溴化酚醛樹脂用來(lái)交聯(lián)NBR，改善了相容性。AO-60的大量加入可以提高NBR的阻尼性能，但AO-60大量富集形成的晶區(qū)會(huì)降低NBR的力學(xué)性能。向平等[43, 44]在NBR/AO-60體系中引入塑料相PVC，加入適當(dāng)比例的PVC，減少AO-60的用量，橡膠復(fù)合材料形成海島結(jié)構(gòu)，連續(xù)相為NBR，分散相為PVC/AO-60，共混物的阻尼溫域?qū)挷⑶伊W(xué)性能優(yōu)良。張耿[45]在NBR中添加不同含量的受阻酚AO-70小分子，通過分子模擬進(jìn)行理論計(jì)算，AO-70添加量為109份時(shí)，體系的阻尼性能提高了66.9%，與DMA測(cè)試結(jié)果相同。楊靜娜等[46]制備了NR/NBR/AO-80橡膠復(fù)合材料，綜合力學(xué)性能優(yōu)異，如圖5所示，NR為連續(xù)相，NBR/AO-80為分散相，呈橢圓型分散在連續(xù)相中，NR相可以拉伸結(jié)晶，NBR/AO-80相可以拉伸取向，拉伸強(qiáng)度20 MPa以上，拉斷伸長(zhǎng)率700%，而且該復(fù)合橡膠相比于天然橡膠材料具有高阻尼性能，tanδ大于0.3的溫域變寬且往室溫方向移動(dòng),且阻尼性能隨著剪切頻率上升。為提高NR與NBR相容性，添加了環(huán)氧度為35%的ENR，結(jié)果表明，添加量為14份時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能最好。張凱等[47]使用NR/NBR/AO-80橡膠復(fù)合材料制備了支座并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試，結(jié)果顯示，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度大于20 MPa，拉斷伸長(zhǎng)率大于500%，KV、Kh和heq符合橋梁支座用橡膠材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。宋洪松等[48, 49]研究了不同丙烯腈含量的NBR與不同受阻酚共混制備的復(fù)合材料的性能，發(fā)現(xiàn)AO-60、AO-80與不同丙烯晴含量的NBR相容性不同，并影響阻尼性能和力學(xué)性能。趙秀英等[50]制備了炭黑增強(qiáng)的受阻酚AO-80/CIIR/NBR復(fù)合材料，結(jié)果表明AO-80與CIIR/NBR共混膠相容性良好，材料有兩個(gè)阻尼峰，NBR相阻尼峰向高溫方向移動(dòng)且最大損耗因子從1.24提高至2.02，損耗峰面積不斷擴(kuò)大，復(fù)合材料顯示優(yōu)異的阻尼性能。同時(shí)由于炭黑的加入，雖然會(huì)導(dǎo)致阻尼性能一定程度下降，但會(huì)很大幅度增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，可以應(yīng)用于高阻尼橡膠隔震支座領(lǐng)域。

圖5 NR/NBR/AO-80復(fù)合材料拉伸過程中的結(jié)構(gòu)示意圖(a)，不同配比NR/NBR/AO-80復(fù)合材料的AFM照片(b)[46]Fig.5 Schematic diagram of structure change of the NR/NBR/AO-80 composites during stretch(a)，AFM images of NR/NBR/AO-80 composites with different blends ratios (b)[46]

3.4 磁流變彈性體在隔震支座中的應(yīng)用

磁流變彈性體(magnetorheological elastomer，MRE)是一類新型的磁流變智能材料，是將磁流液的液態(tài)母體用彈性體材料代替，制備磁性粒子分散在彈性體中的復(fù)合材料[51, 52]。MRE基體通常是天然橡膠或硅橡膠。在制造過程中，需要使用膠乳狀的天然橡膠或者加熱將硅膠硫化成橡膠狀。硅橡膠具有良好的耐極端溫度，能夠在-55～300 ℃的溫度范圍內(nèi)良好服役。在極端溫度下，拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度和壓縮形變可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)橡膠。硅油通常用作MRE的添加劑，當(dāng)硅油分子進(jìn)入基體時(shí)，基體分子之間的間隙增加，分子的粘連減少，提高了基體的塑性和流動(dòng)性[53, 54]。

Tian 等[55]采用一種SI-69改性的SrFe12O19納米粒子填充NBR制備了新型永磁橡膠復(fù)合材料。永磁性橡膠復(fù)合材料顯示出高拉伸強(qiáng)度(約15.8 MPa)和邵氏A硬度(約77)，表明磁性SrFe12O19納米粒子可提高橡膠的機(jī)械性能。此外，永磁性橡膠復(fù)合材料由于基于永久磁場(chǎng)的脈沖力而在寬頻率范圍內(nèi)具有高損耗因子并且具有高負(fù)載量，這為將其作為用于隔振器的新型智能集成材料提供了潛力。

Li等[56]利用硅橡膠、378364型硅油和C3518型羰基鐵顆粒制備MRE材料并進(jìn)行一系列測(cè)試，結(jié)果表明軟磁共振材料在0.44 T的磁場(chǎng)下剪切模量增加了1300%。將材料引入疊層橡膠支座，并設(shè)計(jì)了新的制造工藝，以改善疊層MRE隔離器中的磁場(chǎng)。對(duì)這種新型高度可調(diào)MRE基座隔離器進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果和隨后的分析表明，新型MRE基座隔離器具有顯著的適應(yīng)能力，即當(dāng)施加的電流從0.0 A切換到3.0 A時(shí)，它增加高達(dá)1479%的剪切應(yīng)力和1630%的剛度。這種新型MRE基座隔離器在將來(lái)可以實(shí)現(xiàn)真正的自適應(yīng)基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)，以可靠和高效的方式對(duì)抗任何類型的地震。

3.5 其他橡膠復(fù)合材料

Zhao[57]在天然橡膠中添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的滑動(dòng)環(huán)(SR)材料，并采用環(huán)氧度50%的ENR制備NR/ENR/SR橡膠復(fù)合材料，材料的結(jié)構(gòu)如圖6a所示，圖6b展示了SR在天然橡膠支座中起到的作用。對(duì)復(fù)合材料的硫化特性、力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率均符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，損耗因子在標(biāo)準(zhǔn)形變和頻率范圍內(nèi)均符合要求，為制備高阻尼橡膠支座打下了基礎(chǔ)。

圖6 滑環(huán)材料的“滑輪效應(yīng)”(a)和天然橡膠/滑動(dòng)環(huán)復(fù)合材料高阻尼支座的設(shè)計(jì)理念(b)[57]Fig.6 “Pulley effect” illustration of slide-ring materials (a) and design concept of high damping natural rubber/slide-ring composites (b)[57]

Tsang 等[58]關(guān)注發(fā)展中國(guó)家建筑物隔震需求，提出了基于橡膠-土壤混合(rubber-soil mixtures, RSM)的替代隔震方案，圍繞典型建筑物(10層、40 m寬)填埋10 m左右的RSM層，該方案具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過一系列的數(shù)值模擬和參數(shù)分析，結(jié)果顯示RSM層可以將水平和垂直的地面加速度降低60%～70%和80%～90%，并且為降低成本，可以使用廢舊輪胎，有效消耗世界各地廢舊輪胎。但是RSM法存在著土壤共振、液化、地面沉降和橡膠污染等問題，并不能作為隔震的有效方案，只能是不發(fā)達(dá)區(qū)域的低成本可選方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于具有獨(dú)特的粘彈性，橡膠復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于建筑隔震支座。隔震支座的相關(guān)國(guó)際或國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)橡膠復(fù)合材料的阻尼性能、物理機(jī)械性能也提出了一系列的指標(biāo)需求。 然而針對(duì)這一領(lǐng)域需求的橡膠復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備方面的研究不夠系統(tǒng)和廣泛。對(duì)隔震支座用橡膠復(fù)合材料研究，未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和解決以下問題：平衡高柔性和高強(qiáng)度、高彈性和高阻尼，獲得綜合性能優(yōu)異的橡膠復(fù)合材料；減少或不再使用鉛金屬，研發(fā)多系列的新型無(wú)鉛隔震支座并實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化；結(jié)合有限元等仿真手段，研究?jī)?yōu)化隔震支座的結(jié)構(gòu)。這一領(lǐng)域的工作，對(duì)于研發(fā)創(chuàng)制新型隔震支座，提高建筑隔震能力，保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全意義重大。