侵蝕條件下天然橡膠橋梁支座膠料拉伸性能的研究

劉艮春，王恒宜，陳榮華

（江蘇托普輪胎股份有限公司，江蘇 鹽城 224400）

我國橋梁建設(shè)行業(yè)不斷發(fā)展，目前已經(jīng)在國際上處于領(lǐng)先地位。橡膠支座在橋梁建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，其已經(jīng)逐漸成為公路橋梁、鐵路橋梁以及其他橋梁的重要組成部分[1-3]。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，多種樣式、大跨度、更為現(xiàn)代化的新型橋梁不斷被建造出來[4-5]，對橋梁支座的耐久性能和承載能力等的要求也不斷提高。天然橡膠（NR）作為應(yīng)用廣泛的橡膠橋梁支座原材料，研究其在不同環(huán)境中的性能顯得尤為重要[3，6-9]。

本工作針對NR橋梁支座的使用條件進行凍融、鹽凍、熱老化以及酸腐蝕試驗，研究NR在不同侵蝕條件下的拉伸性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

NR，STR20，泰國進口產(chǎn)品。硫酸，pH值為4.5，蘇州斌順化工有限公司產(chǎn)品。硝酸，pH值為4.5；亞硝基硫酸，pH值為4.5，常州百運渡化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

NR 100，炭黑N550 35，氧化鋅 5，氧化鎂 6，石蠟 1，增塑劑DOP 10，防老劑RD 1.5，防老劑4010 1，硫黃 1.3，促進劑TMTD 1.3。

1.3 主要設(shè)備和儀器

1.7 L哈克密煉機，北京化工大學產(chǎn)品；QLB-400×400×2型平板硫化機，青島亞東橡膠機械集團有限公司產(chǎn)品；SK-189型開煉機和TS2008b型拉力試驗機，南京橡塑機械廠有限公司產(chǎn)品；JCZDR-6型全自動低溫凍融試驗機，撫順鑫源機電儀器廠產(chǎn)品；GT-7017-NM型熱氧老化試驗箱，東北電力股份有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

混煉工藝：預熱哈克密煉機，初始溫度為60℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為80 r·min-1，加入生膠和小料→1 min→加入1/2炭黑→40 s→加入剩余1/2炭黑→40 s→7 min（每隔1 min提壓砣排氣）→排膠。開煉機輥距調(diào)為1 mm，加入膠料，薄通后加硫黃和促進劑，打卷過輥7次，調(diào)整輥距后下片。

膠料采用平板硫化機硫化，硫化條件為150℃×15.36 min。

用裁刀和裁片機對硫化膠片進行裁剪，對試片分別進行凍融、鹽凍、熱老化以及酸腐蝕處理。

1.5 性能測試

拉伸應(yīng)力按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》進行測定，大啞鈴形試樣（長度為150 mm，厚度為2 mm），拉伸速率為500 mm·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融條件

公路橋梁多位于野外，經(jīng)常受到寒冷天氣的影響，例如我國北方地區(qū)冬季氣溫較低，降雪概率較大，中午隨著氣溫升高，雪慢慢融化，就會形成凍融循環(huán)，持續(xù)的凍融循環(huán)會影響橋梁橡膠支座的性能。為此采用凍融試驗箱模擬凍融循環(huán)變化過程（交替的冰凍和融化），將試樣放入凍融試驗箱進行快速凍融處理[4，6]。不同凍融次數(shù)下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線如圖1所示。

圖1 不同凍融次數(shù)下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線

從圖1可以看出：未凍融處理膠料的拉伸應(yīng)力最高，最大值達9.9 MPa；隨著凍融次數(shù)的增加，膠料的拉伸應(yīng)力逐漸降低，凍融60次時，膠料的最大拉伸應(yīng)力為9.6 MPa，較未凍融處理膠料的最大拉伸應(yīng)力下降3.03%。

2.2 鹽凍條件

為研究我國北方公路和鐵路橋梁的橡膠支座在鹽凍環(huán)境下的力學性能，對試片進行鹽凍處理，即將試片放在鹽水以及凍融試驗箱中進行鹽凍循環(huán)處理[2]。不同鹽凍次數(shù)下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線如圖2所示。

圖2 不同鹽凍次數(shù)下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線

從圖2可以看出，鹽凍處理對膠料的拉伸應(yīng)力影響不大，當鹽凍次數(shù)達到60時，膠料的最大拉伸應(yīng)力為9.5 MPa，較未鹽凍處理膠料的最大拉伸應(yīng)力下降4.1%。

2.3 熱老化條件

為了研究公路橋梁的橡膠支座在受到高溫氣候變化時的力學性能變化，采用高溫試驗箱模擬熱老化過程，將試樣放在高溫試驗箱中進行熱老化循環(huán)處理。不同熱老化時間下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線如圖3所示。

圖3 不同熱老化時間下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線

從圖3可以看出，熱老化對膠料拉伸應(yīng)力的影響較大，隨著熱老化時間的延長，膠料的拉伸應(yīng)力降低幅度增大，熱老化60 d時，膠料的最大拉伸應(yīng)力降至8.9 MPa，較未熱老化膠料的最大拉伸應(yīng)力下降10.1%。這表明在我國南方濕熱環(huán)境中，公路和鐵路橋梁的橡膠支座要做好熱老化防護，防止其性能受損。

2.4 強酸腐蝕條件

為了研究公路橋梁的橡膠支座在酸雨頻繁環(huán)境中的力學性能，將試樣分別浸泡在pH值為4.5的硫酸、硝酸、亞硝基硫酸中進行20，40和60 d快速腐蝕[5]。

2.4.1 硝酸

不同硝酸腐蝕時間下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線如圖4所示。

圖4 不同硝酸腐蝕時間下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線

從圖4可以看出，隨著硝酸腐蝕時間的延長，膠料的拉伸應(yīng)力逐漸降低，當硝酸腐蝕60 d時膠料的最大拉伸應(yīng)力為8.3 MPa，較未腐蝕膠料的最大拉伸應(yīng)力下降16.2%，因此硝酸腐蝕對膠料的性能影響較大，需要采取防護措施避免NR橋梁支座被硝酸腐蝕。

2.4.2 硫酸

不同硫酸腐蝕時間下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著硫酸腐蝕時間的延長，膠料的拉伸應(yīng)力有所下降，硫酸腐蝕60 d后膠料的最大拉伸應(yīng)力為8.2 MPa，比未腐蝕膠料的最大拉伸應(yīng)力降低17.2%，可見硫酸腐蝕對橋梁支座膠料的性能影響巨大，必須嚴加防護。

圖5 不同硫酸腐蝕時間下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線

2.4.3 亞硝基硫酸

不同亞硝基硫酸腐蝕時間下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著亞硝基硫酸腐蝕時間的延長，膠料的拉伸應(yīng)力有所下降，亞硝基硫酸腐蝕60 d后膠料的最大拉伸應(yīng)力為8.5 MPa，比未腐蝕膠料的最大拉伸應(yīng)力降低14.1%，可見亞硝基硫酸對NR橋梁支座的腐蝕較為嚴重。

圖6 不同亞硝基硫酸腐蝕時間下膠料的拉伸應(yīng)力-伸長量曲線

3 結(jié)論

通過凍融、鹽凍、熱老化、強酸腐蝕條件下NR橋梁支座膠料的拉伸性能試驗，得出以下結(jié)論。

（1）隨著凍融次數(shù)的增加，膠料的拉伸應(yīng)力有不同程度的下降，但是凍融循環(huán)后膠料的拉伸應(yīng)力降幅不大，凍融60次后膠料的最大拉伸應(yīng)力相對于未凍融處理膠料的最大拉伸應(yīng)力下降3.03%，NR橋梁支座膠料的抗凍融能力較強。

（2）經(jīng)過60次鹽凍循環(huán)后，膠料的最大拉伸應(yīng)力相對于未鹽凍處理膠料的最大拉伸應(yīng)力下降4.1%，NR橋梁支座膠料的抗鹽凍能力較強。

（3）隨著熱老化時間的延長，膠料的拉伸應(yīng)力有不同程度的下降，變化幅度較大，熱老化60 d后膠料的最大拉伸應(yīng)力降至8.9 MPa，相對于未熱老化膠料的最大拉伸應(yīng)力下降10.1%。因此在我國南方濕熱環(huán)境中要做好對NR橋梁支座的熱老化防護。

（4）經(jīng)過強酸腐蝕后，膠料的拉伸性能下降幅度較大，硝酸腐蝕60 d后膠料的最大拉伸應(yīng)力降低16.2%，硫酸腐蝕60 d后降低17.2%，亞硝基硫酸腐蝕60 d后降低14.1%。因此對于酸雨較為頻繁的環(huán)境應(yīng)該加強對NR橋梁支座的保護和檢查。