賈云帆 徐 艷
(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)
改革開(kāi)放以來(lái),中國(guó)迎來(lái)了飛速發(fā)展的黃金時(shí)期,與此同時(shí)道路交通網(wǎng)絡(luò)逐漸完善,橋梁工程也進(jìn)入了全新的發(fā)展階段,很多大型橋梁工程應(yīng)運(yùn)而生,其中包括很多跨海大橋工程,例如港珠澳跨海大橋、杭州灣跨海大橋、膠州灣跨海大橋、東海大橋等??绾4髽蛴捎谄涮厥獾牡乩砦恢?、特殊的環(huán)境和氣候,因此也有著結(jié)構(gòu)上的特殊性[1-2]:一是地質(zhì)條件復(fù)雜;二是海洋空氣濕度大,氯離子含量高,腐蝕性強(qiáng),因此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn);三是跨度一般較大。作為連接橋跨結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)的重要一環(huán),橋梁支座在其耐腐蝕性、摩擦系數(shù)、耐磨性等性能上面臨著重大的考驗(yàn)。
橋梁支座是連接上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),具有傳力和適應(yīng)變形的功能。雖然支座的體積很小,但是其重要性不可忽視。橋梁支座按照結(jié)構(gòu)可分為板式橡膠支座、盆式橡膠支座、球形鋼支座等,其中球形鋼支座因其具有受力均勻、轉(zhuǎn)動(dòng)量大、各向轉(zhuǎn)動(dòng)性能一致和不存在橡膠老化問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn),在跨海大橋工程中得到了廣泛的運(yùn)用。
高性能的橋梁支座能夠保持上部結(jié)構(gòu)處在合理的受力狀態(tài),保證結(jié)構(gòu)的安全。球型鋼支座通過(guò)不銹鋼板與滑板這對(duì)摩擦副的相對(duì)滑動(dòng)滿足支座的位移要求。摩擦副的選用直接影響了球形鋼支座的性能與尺寸。因此,摩擦副的發(fā)展將改善支座的性能和外觀。
為了提升橋梁的安全性和耐久性,保證結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役壽命的總體目標(biāo),滿足跨海大橋的要求,進(jìn)一步提高支座整體性能,縮小支座的尺寸,使用具有出色的抗壓強(qiáng)度和優(yōu)良的摩擦性能的新型高分子材料作為摩擦副,具有重要的理論研究和工程應(yīng)用價(jià)值。
球鋼支座中運(yùn)用的滑板的種類按照材質(zhì)除了聚四氟乙烯類滑板(PTFE)和超高分子量聚乙烯類滑板(UHMWPE)以外,還有其他工程塑料滑板如尼龍、聚己二酸乙二醇酯、聚己二酸丁二醇酯等。這些材料的摩擦性能較好,但與PTFE 和UHMWPE 相比,耐老化性能和自潤(rùn)滑性能較差,有待改進(jìn)[3]。因此本文主要針對(duì)基于PTFE 和UHMPWE材料的改性化合物。
PTFE 作為支座滑板,具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性、優(yōu)良的耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性,因此被廣泛運(yùn)用到普通橋梁的支座中。但是由于PTFE 仍然存在機(jī)械性能較差、易冷流、耐磨性差等缺陷,在一定程度上限制了它的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)PTFE 的研究重點(diǎn)集中于尋找適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)其進(jìn)行改性,可通過(guò)表面改性、填充改性、共混改性等方法,彌補(bǔ)PTFE自身的缺陷。
張招柱等[4]研究了石墨(GR)、MoS2、CuS 及PbS(添加量均為30vol%)填充的PTFE 復(fù)合材料在干摩擦條件下與GCr15軸承鋼對(duì)摩時(shí)的摩擦磨損性能,發(fā)現(xiàn)添加石墨降低了PTFE 的摩擦系數(shù),添加 MoS2、CuS、PbS 則增大了 PTFE 的摩擦系數(shù);同時(shí)添加MoS2、CuS、PbS及石墨均可將PTFE的磨損量降低2個(gè)數(shù)量級(jí),如表1所示。
表1 PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果(速度,1.5 m/s;負(fù)荷,100 N)Table 1 Results of wear test of PTFE composites(speed,1.5 m/s;load,100 N)
王立虎等[5]制備并研究了用于高鐵橋梁支座滑板的石墨烯(Go)和碳纖維(CF)填充PTFE 復(fù)合材料,結(jié)果表明,適量添加Go和CF 能夠有效提高復(fù)合材料試樣的力學(xué)性能和摩擦性能。
V.N.Aderikha等[6]發(fā)現(xiàn),填充了含量為5%的經(jīng)過(guò)超聲波處理的膨脹石墨(EG)的PTFE 復(fù)合材料能夠減少材料的磨損量,并且提高了材料的密度、拉伸屈服強(qiáng)度、拉伸模量,同時(shí)也增大了摩擦系數(shù)。
Zhang 等[7]將用聚苯酯(POB)對(duì)PTFE 進(jìn)行了共混改性并研究了復(fù)合材料的性能,發(fā)現(xiàn)隨著POB 含量的增加,復(fù)合材料的球壓痕硬度和抗壓強(qiáng)度隨之增大,而拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度隨之減小。當(dāng)POB含量為20%時(shí),材料的力學(xué)性能最佳。
Sawyer 等[8]用不同含量的納米氧化鋁顆粒填充的PTFE 進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明,填充納米氧化鋁顆粒會(huì)使材料的摩擦系數(shù)略微增大,當(dāng)納米氧化鋁含量為20%時(shí),耐磨性提升了600 倍,如圖1所示。
圖1 磨損率與填料含量的關(guān)系Fig.1 Relationship between wear rate and content of filler
Han 等[9]研究納米 SiO2填充 PTFE 復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)與常規(guī)顆粒復(fù)合材料相比,硬度增加了12.4%,斷裂伸長(zhǎng)率提高5.9%,拉伸強(qiáng)度略微提高1.8%,并且納米SiO2填料激發(fā)了更有效的抗磨效果。
由此可見(jiàn),改性后的PTFE 材料可以有效改善耐磨性差、機(jī)械性能差等缺陷,進(jìn)一步降低摩擦系數(shù),但依然存在面壓承載力低、剛度低等不足。
UHMWPE 同樣具有摩擦系數(shù)小、磨耗低、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn);與PTFE 相比,具有更強(qiáng)的耐磨性和更高的面壓承載力。但UHMWPE 依然存在許多不足,主要表現(xiàn)在耐溫性能差、面壓承載力依然較低、硬度低、剛度低、導(dǎo)熱性差等。通常PTFE和UHMWPE 的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度分別為30 MPa 和60 MPa,遠(yuǎn)低于鋼材的抗壓強(qiáng)度。因此球鋼支座的平面最小直徑受限于摩擦副材料的抗壓強(qiáng)度(表2),很難進(jìn)一步小型化、輕量化。所以提高摩擦副材料的最大面壓能夠有效減小支座尺寸。要克服這些缺陷,可以通過(guò)改性來(lái)實(shí)現(xiàn)。
表2 不同材料平面板材最小直徑尺寸對(duì)比Table 2 Comparison of minimum diameters of plates of different materials mm
Wannasri 等[10]用 碳 納 米 管 (CNF) 對(duì)UHMWPE 進(jìn)行填充,試驗(yàn)結(jié)果表明,在UHMWPE中添加0.1%~0.5%的CNF 可以提高UHMWPE 的物理機(jī)械和摩擦性能。并在針對(duì)盤(pán)的磨損測(cè)試中,添加0.5%CNF填料可將耐磨性提高至多7倍。
Zhou 等[11]以 PE-g-MAH 為增溶劑,制備了新型UHMWPE/LCP(液晶聚合物)聚合材料,并研究了增容劑對(duì)UHMWPE/LCP復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)和摩擦學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),PE-g-MAH 的使用在一定程度上降低了復(fù)合材料的熔點(diǎn)及其結(jié)晶度,并且有助于大大提高復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度和拉伸模量,有利于提高耐磨性,這與增溶劑交聯(lián)增強(qiáng)作用密切相關(guān)。最佳增溶劑重量為10%。LCP 重量含量在60%以上的UHMWPE/LCP 復(fù)合材料比LCP 含量低的復(fù)合材料擁有更強(qiáng)的各向異性,如圖2 所示,這說(shuō)明LCP 與PE-g-MAH 的含量是影響UHMWPE/LCP 復(fù)合材料性能的兩個(gè)主要因素。
圖2 UHMWPE/LCP復(fù)合材料的磨損率和摩擦系數(shù)隨LCP含量的變化(載荷200 N,滑動(dòng)速度0.856 m/s)Fig.2 The change of wear rate and friction coefficient of UHMWPE/LCP composites with the content of LCP(load 200 N,sliding speed 0.856 m/s)
胡平等[12]使用三氧化二鋁、二氧化硅、碳黑、玻璃微珠作為UHMWPE 填料,制備復(fù)合材料,并對(duì)復(fù)合材料性能進(jìn)行了研究。加入不同種類、不同含量的填料后,UHMWPE 復(fù)合材料的耐磨性和熱變形溫度都產(chǎn)生差異性。顯然,填料的種類和填含量對(duì)改性UHMWPE的性能有影響,并且隨著填料的增加,磨耗值會(huì)出現(xiàn)極小值區(qū)。其中玻璃微珠改善效果最為顯著,可將純UNMWPE 耐磨性提高約40%。
Aliyu 等[13]研究了含量分別為0.1%、0.25%和0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的石墨烯納米片(GNPs)增強(qiáng)的UHMWPE 納米復(fù)合材料的摩擦性能。結(jié)果表明,與純 UHMWPE 相比,UHMWPE/0.25%GNPs(質(zhì)量分?jǐn)?shù))具有最高的耐磨性,磨損率降低了31%。磨損率隨著接觸壓力從8 MPa 增加到20 MPa 線性增加。
康學(xué)勤等[14]研究并比較了納米Fe2O3與微米Fe2O3填充的UHMWPE 基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能,結(jié)果表明示納米Fe2O3填充的UHMWPE 復(fù)合材料比微米Fe2O3填充的UHMWPE 具有更好的減磨和抗磨性。并且隨著填充比例的提高,兩者的磨損機(jī)理也有所差異,前者為黏著磨損-脆性斷裂-塑性變形-犁切;后者的磨損表面均存在犁溝,而且隨著含量的增加,犁溝加寬加深,可以認(rèn)為犁溝是鋼環(huán)表面的微突體和脫落顆粒共同作用的結(jié)果。因此可以看出,填料顆粒粒徑的大小也會(huì)影響改性UHMWPE復(fù)合材料的性質(zhì)。
劉玉峰等[15]采用兩種適用于不同溫度的交聯(lián)體系A(chǔ) 和交聯(lián)體系B 對(duì)UHMWPE 進(jìn)行改性,并對(duì)其性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)表明,交聯(lián)體系的引入在UHMWPE 中形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),能夠顯著提高UHMWPE 的材料模量、承載能力、抗蠕變性、耐熱性并保持良好的沖擊性能。但UHMWPE 的綜合力學(xué)性能與交聯(lián)體系的適用溫度及用量密切相關(guān)。交聯(lián)體系的使用溫度與材料成型溫度大約接近,材料的綜合性能更佳。并且與交聯(lián)體系A(chǔ) 相比,交聯(lián)體系B 改性的UHMWPE 材料的綜合性能,尤其是力學(xué)性能更優(yōu),在承載能力、蠕變性能顯著提高的同時(shí),保持拉伸、沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率基本不變,甚至略有提高。故交聯(lián)體系的種類、含量對(duì)UHMWPE的性能也有影響。
如前所述,改性PITE/UHMWPE 材料的摩擦系數(shù)和耐磨性能受到填料種類、填料含量、填料顆粒粒徑、交聯(lián)體系等因素的影響,但材料性能與影響因素之間具體存在何種相關(guān)關(guān)系尚不明確,仍需進(jìn)一步研究。
表3 為基于前人所作的研究得到的部分高分子材料的性能比較,但是由于其測(cè)試方法、試件尺寸、試驗(yàn)條件以及試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?,所測(cè)得的性能指標(biāo)無(wú)法直接相互進(jìn)行比較,僅作為初步比選的依據(jù)[16]。
表3 部分高分子材料性能指標(biāo)對(duì)比Table 3 Comparison of performance of some polymer materials
經(jīng)過(guò)對(duì)比可以看出,兩種材料沒(méi)有改性前:UHMWPE 的摩擦系數(shù)小于PTFE,磨損量也遠(yuǎn)小于PTFE,因此具有比PTFE 更好的摩擦性能。改性后的材料中,二氧化鉬填充的UHMWPE在摩擦系數(shù)大幅下降的同時(shí),磨損量也減少了50%,具有成為球鋼支座的摩擦副材料的潛力。
如前文所述,目前已經(jīng)有研究者進(jìn)行了不同種類改性UHMWPE材料的研究,并且進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試和摩擦學(xué)測(cè)試。但是,不同研究者所選取的試驗(yàn)試樣的尺寸大小不一,例如張招柱等[4]試驗(yàn)試樣的尺寸為12.3 mm×12.3 mm×18.9 mm 的立 方 體 ,V. N. Aderikha 等[6]試 驗(yàn) 試 樣 為 直 徑40 mm高度40 mm的圓柱體,Sawyer等[8]采用的試驗(yàn)試樣為6.4 mm×6.4 mm×12.7 mm 的立方體。此外,大多數(shù)材料的摩擦學(xué)性能測(cè)試是在小荷載作用下進(jìn)行的,測(cè)試方法也不統(tǒng)一,因此其測(cè)試條件并不滿足橋梁工程支座的測(cè)試要求,不同材料的性能無(wú)法直接比較。
因此首先需要尋找一套統(tǒng)一的測(cè)試方法和測(cè)試指標(biāo)用于測(cè)試新型材料的性能,并且滿足橋梁工程支座的要求,來(lái)驗(yàn)證新型高分子材料能否應(yīng)用于橋梁工程支座。
本文以UHMPWE/MoS2材料為例作為高性能球鋼支座的摩擦副材料,對(duì)高性能球鋼支座進(jìn)行測(cè)試方案設(shè)計(jì)。
通過(guò)試驗(yàn),研究采用UHMPWE/MoS2材料作為摩擦滑板材料的高性能球鋼支座的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)和使用指標(biāo)、UHMPWE/MoS2材料的耐磨性是否滿足當(dāng)前要求,驗(yàn)證高性能球鋼支座的適用性。
(1)研究UHMPWE/MoS2材料的摩擦性能和磨損程度等。
(2)在此基礎(chǔ)上,開(kāi)展高性能球鋼支座各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)測(cè)試,以確定是否滿足當(dāng)前該類支座的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。
試驗(yàn)研究包括以下材料:
(1)四種噸位分別為 200 t、400 t、600 t 和1 000 t的球鋼支座;
(2)厚度為1 mm的UHMPWE/MoS2材料。
目前,針對(duì)應(yīng)用到球鋼支座摩擦副中的新型高分子材料滑板,尚無(wú)統(tǒng)一的檢測(cè)方法和指標(biāo)方法。與我國(guó)《橋梁支座用高分子材料滑板》(JT/T 901—2014)[17]對(duì) 滑 板 摩 擦 性 能 的 測(cè) 試 相 比 ,《Structural bearings-Part 2:Sliding elements》(BS EN 1337-2:2004)[18]中給出的滑板摩擦性能測(cè)試更為完善,分為短期摩擦測(cè)試和長(zhǎng)期摩擦測(cè)試。其中短期摩擦測(cè)試適用于工廠生產(chǎn)產(chǎn)品控制,長(zhǎng)期摩擦測(cè)試適用于正式生產(chǎn)前的型式試驗(yàn)(表4),因此長(zhǎng)期摩擦測(cè)試與本文的測(cè)試目的更匹配。然而,長(zhǎng)期摩擦測(cè)試步驟較為復(fù)雜,耗費(fèi)時(shí)間,可操作性較低。如前文所述,摩擦副的豎向承載力是重要性能指標(biāo)之一,但《Structural bearings-Part 2:Sliding elements》中卻缺少對(duì)摩擦副滑板豎向承載力的規(guī)定。
表4 歐洲規(guī)范短期、長(zhǎng)期摩擦測(cè)試比較Table 4 Comparison of short-term and long-term friction tests in European Standard
因此本文以《橋梁支座用高分子材料滑板》(JT/T 901—2014)為 基 準(zhǔn) ,結(jié) 合《Structural bearings-Part2: Sliding elements》 《Structural bearings-Part7:Spherical and cylindrical PTFE bearings》[19]中相關(guān)的測(cè)試條件確定試驗(yàn)方案,擬定檢測(cè)項(xiàng)目如表5所示。
表5 支座檢測(cè)項(xiàng)目Table 5 Bearing test items
2.5.1 試件
將UHMPWE/MoS2材料制備成如圖3 所示的試件。
圖3 滑板摩擦系數(shù)試驗(yàn)用試件(單位:mm)Fig.3 Test piece for coefficient of friction test(Unit:mm)
2.5.2 試驗(yàn)方法
(1)試驗(yàn)時(shí)試件表面涂滿5201-2 硅脂;采用雙剪試驗(yàn)方式,試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4,滑板摩擦系數(shù)試驗(yàn)條件見(jiàn)表6;
表6 滑板摩擦系數(shù)試驗(yàn)條件Table 6 Test conditions for coefficient of frictions
圖4 滑板摩擦試驗(yàn)裝置Fig.4 Friction test equipment
(2)每個(gè)噸位的支座進(jìn)行三次測(cè)試,滑板靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)分別取測(cè)量結(jié)果的平均值。
2.6.1 試件
滑板線磨耗率試驗(yàn)用試件與摩擦系數(shù)試件一致,如圖3所示。
2.6.2 試驗(yàn)方法
(1)試驗(yàn)前先將試件表面儲(chǔ)脂坑內(nèi)涂滿硅脂,放置24 h,隨后仔細(xì)擦去硅脂,在干燥皿中放置24 h,用精度1/1 000 g天平稱試件質(zhì)量,作為試件原始質(zhì)量W0,單位為克(g);
(2)用千分尺測(cè)量試件直徑,計(jì)算試件表面積A(應(yīng)扣除儲(chǔ)脂坑面積),單位為平方毫米(mm2);
(3)按GB/T 1033.1 測(cè)定試件密度ρ,單位為克每立方厘米(g/mm3)。
(4)滑板線磨耗率試驗(yàn)按雙剪試驗(yàn)方案進(jìn)行,如圖4所示;試驗(yàn)條件見(jiàn)表7;
表7 滑板線磨耗率試驗(yàn)條件Table 7 Test conditions for line rate of wear
(5)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)記錄摩擦系數(shù)隨摩擦距離增加的變化情況,繪制摩擦系數(shù)-摩擦距離曲線;
(6)線磨耗率試驗(yàn)結(jié)束后,應(yīng)仔細(xì)擦去試件表面硅脂,在干燥皿中停放24 h,用精度1/1 000 g天平稱試件質(zhì)量,作為試驗(yàn)后試件質(zhì)量W,單位為克(g);
(7)線磨耗率由試驗(yàn)前后試件質(zhì)量損失按下式計(jì)算確定。
式中:η為線磨耗率,μm/km;W 為磨耗后試件質(zhì)量,g;W0為磨耗前試件質(zhì)量,g;ρ為試件密度,g/mm3;A為試件滑動(dòng)表面積,mm2;L為累計(jì)滑動(dòng)距離,km。
2.7.1 試件
豎向承載力試驗(yàn)用試件與摩擦系數(shù)試件一致,如圖3所示。
2.7.2 試驗(yàn)方法
(1)將試件置于試驗(yàn)機(jī)的承載板上,試件中心與承載板中心位置對(duì)準(zhǔn),偏差小于1%的球型支座的直徑。試驗(yàn)荷載為支座豎向承載力的1.5倍。加載至設(shè)計(jì)承載力的0.5%后,校核承載板四邊的位移傳感器和千分表,確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行預(yù)壓。加載設(shè)置如圖5所示。
圖5 豎向承載力試驗(yàn)Fig.5 Vertical bearing capacity test
(2)預(yù)壓。將支座豎向設(shè)計(jì)承載力以連續(xù)均勻的速度加滿,反復(fù)3次。
(3)正式加載。將試驗(yàn)荷載由0 至試驗(yàn)荷載均勻分為10 級(jí)。試驗(yàn)時(shí)以設(shè)計(jì)承載力的0.5%作為初始荷載,然后逐級(jí)加載。每級(jí)荷載穩(wěn)壓2 min后,記錄位移傳感器和千分表數(shù)據(jù),直至試驗(yàn)荷載,穩(wěn)壓3 min后卸載。加載過(guò)程反復(fù)3次。
(3)豎向壓縮變形分別取4 個(gè)位移傳感器的平均值,繪制荷載-變形曲線。
2.7.3 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
在豎向設(shè)計(jì)荷載作用下,1 000~5 000 kN 支座豎向壓縮變形不應(yīng)大于4 mm,在1.5 倍豎向設(shè)計(jì)荷載作用下,支座無(wú)損傷,或者在豎向設(shè)計(jì)荷載作用下,支座的壓縮變形不應(yīng)大于支座總高度的1%。
耐濕熱老化試驗(yàn)用試件與摩擦系數(shù)測(cè)試試件一致,如圖3所示。將試樣放在溫度85 ℃、相對(duì)濕度95%的調(diào)溫調(diào)濕箱中老化。老化一定時(shí)間后,進(jìn)行前文所述的滑板摩擦系數(shù)試驗(yàn)、滑板線磨耗率試驗(yàn)和豎向承載力試驗(yàn),測(cè)量性能隨濕熱老化時(shí)間的變化。
近年來(lái),人們對(duì)新材料的研究不斷深入,對(duì)PTFE 和UHMWPE 材料的改性方法不斷完善,大大提高了材料的力學(xué)性能和摩擦性能,使得材料在不同領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但是橋梁支座對(duì)摩擦副有特殊的要求,需要其在高壓的環(huán)境下工作,并且直接與外界接觸,同時(shí)其較高的維護(hù)成本也要求支座具有優(yōu)秀的耐磨性。因此如果要將新型改性PTFE 和改性UHMPWE 材料應(yīng)用到橋梁支座中,還需要進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)進(jìn)行性能測(cè)試,以確保其擁有足夠的可靠度和安全性。本文在充分比較兩種改性材料的力學(xué)性能和摩擦性能的基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)支座檢測(cè)規(guī)范,提出針對(duì)摩擦副采用新型高分子材料的橋梁球鋼支座的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì),為新材料的應(yīng)用和發(fā)展提供統(tǒng)一的性能參數(shù)和測(cè)試方法。