侵蚀条件下天然橡胶桥梁支座胶料拉伸性能的研究

刘艮春，王恒宜，陈荣华

（江苏托普轮胎股份有限公司，江苏 盐城 224400）

我国桥梁建设行业不断发展，目前已经在国际上处于领先地位。橡胶支座在桥梁建设中发挥着重要的作用，其已经逐渐成为公路桥梁、铁路桥梁以及其他桥梁的重要组成部分[1-3]。随着我国经济的快速发展，多种样式、大跨度、更为现代化的新型桥梁不断被建造出来[4-5]，对桥梁支座的耐久性能和承载能力等的要求也不断提高。天然橡胶（NR）作为应用广泛的橡胶桥梁支座原材料，研究其在不同环境中的性能显得尤为重要[3，6-9]。

本工作针对NR桥梁支座的使用条件进行冻融、盐冻、热老化以及酸腐蚀试验，研究NR在不同侵蚀条件下的拉伸性能。

1 实验

1.1 主要原材料

NR，STR20，泰国进口产品。硫酸，pH值为4.5，苏州斌顺化工有限公司产品。硝酸，pH值为4.5；亚硝基硫酸，pH值为4.5，常州百运渡化工有限公司产品。

1.2 配方

NR 100，炭黑N550 35，氧化锌 5，氧化镁 6，石蜡 1，增塑剂DOP 10，防老剂RD 1.5，防老剂4010 1，硫黄 1.3，促进剂TMTD 1.3。

1.3 主要设备和仪器

1.7 L哈克密炼机，北京化工大学产品；QLB-400×400×2型平板硫化机，青岛亚东橡胶机械集团有限公司产品；SK-189型开炼机和TS2008b型拉力试验机，南京橡塑机械厂有限公司产品；JCZDR-6型全自动低温冻融试验机，抚顺鑫源机电仪器厂产品；GT-7017-NM型热氧老化试验箱，东北电力股份有限公司产品。

1.4 试样制备

混炼工艺：预热哈克密炼机，初始温度为60℃，转子转速为80 r·min-1，加入生胶和小料→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提压砣排气）→排胶。开炼机辊距调为1 mm，加入胶料，薄通后加硫黄和促进剂，打卷过辊7次，调整辊距后下片。

胶料采用平板硫化机硫化，硫化条件为150℃×15.36 min。

用裁刀和裁片机对硫化胶片进行裁剪，对试片分别进行冻融、盐冻、热老化以及酸腐蚀处理。

1.5 性能测试

拉伸应力按照GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》进行测定，大哑铃形试样（长度为150 mm，厚度为2 mm），拉伸速率为500 mm·min-1。

2 结果与讨论

2.1 冻融条件

公路桥梁多位于野外，经常受到寒冷天气的影响，例如我国北方地区冬季气温较低，降雪概率较大，中午随着气温升高，雪慢慢融化，就会形成冻融循环，持续的冻融循环会影响桥梁橡胶支座的性能。为此采用冻融试验箱模拟冻融循环变化过程（交替的冰冻和融化），将试样放入冻融试验箱进行快速冻融处理[4，6]。不同冻融次数下胶料的拉伸应力-伸长量曲线如图1所示。

图1 不同冻融次数下胶料的拉伸应力-伸长量曲线

从图1可以看出：未冻融处理胶料的拉伸应力最高，最大值达9.9 MPa；随着冻融次数的增加，胶料的拉伸应力逐渐降低，冻融60次时，胶料的最大拉伸应力为9.6 MPa，较未冻融处理胶料的最大拉伸应力下降3.03%。

2.2 盐冻条件

为研究我国北方公路和铁路桥梁的橡胶支座在盐冻环境下的力学性能，对试片进行盐冻处理，即将试片放在盐水以及冻融试验箱中进行盐冻循环处理[2]。不同盐冻次数下胶料的拉伸应力-伸长量曲线如图2所示。

图2 不同盐冻次数下胶料的拉伸应力-伸长量曲线

从图2可以看出，盐冻处理对胶料的拉伸应力影响不大，当盐冻次数达到60时，胶料的最大拉伸应力为9.5 MPa，较未盐冻处理胶料的最大拉伸应力下降4.1%。

2.3 热老化条件

为了研究公路桥梁的橡胶支座在受到高温气候变化时的力学性能变化，采用高温试验箱模拟热老化过程，将试样放在高温试验箱中进行热老化循环处理。不同热老化时间下胶料的拉伸应力-伸长量曲线如图3所示。

图3 不同热老化时间下胶料的拉伸应力-伸长量曲线

从图3可以看出，热老化对胶料拉伸应力的影响较大，随着热老化时间的延长，胶料的拉伸应力降低幅度增大，热老化60 d时，胶料的最大拉伸应力降至8.9 MPa，较未热老化胶料的最大拉伸应力下降10.1%。这表明在我国南方湿热环境中，公路和铁路桥梁的橡胶支座要做好热老化防护，防止其性能受损。

2.4 强酸腐蚀条件

为了研究公路桥梁的橡胶支座在酸雨频繁环境中的力学性能，将试样分别浸泡在pH值为4.5的硫酸、硝酸、亚硝基硫酸中进行20，40和60 d快速腐蚀[5]。

2.4.1 硝酸

不同硝酸腐蚀时间下胶料的拉伸应力-伸长量曲线如图4所示。

图4 不同硝酸腐蚀时间下胶料的拉伸应力-伸长量曲线

从图4可以看出，随着硝酸腐蚀时间的延长，胶料的拉伸应力逐渐降低，当硝酸腐蚀60 d时胶料的最大拉伸应力为8.3 MPa，较未腐蚀胶料的最大拉伸应力下降16.2%，因此硝酸腐蚀对胶料的性能影响较大，需要采取防护措施避免NR桥梁支座被硝酸腐蚀。

2.4.2 硫酸

不同硫酸腐蚀时间下胶料的拉伸应力-伸长量曲线如图5所示。

从图5可以看出，随着硫酸腐蚀时间的延长，胶料的拉伸应力有所下降，硫酸腐蚀60 d后胶料的最大拉伸应力为8.2 MPa，比未腐蚀胶料的最大拉伸应力降低17.2%，可见硫酸腐蚀对桥梁支座胶料的性能影响巨大，必须严加防护。

图5 不同硫酸腐蚀时间下胶料的拉伸应力-伸长量曲线

2.4.3 亚硝基硫酸

不同亚硝基硫酸腐蚀时间下胶料的拉伸应力-伸长量曲线如图6所示。

从图6可以看出，随着亚硝基硫酸腐蚀时间的延长，胶料的拉伸应力有所下降，亚硝基硫酸腐蚀60 d后胶料的最大拉伸应力为8.5 MPa，比未腐蚀胶料的最大拉伸应力降低14.1%，可见亚硝基硫酸对NR桥梁支座的腐蚀较为严重。

图6 不同亚硝基硫酸腐蚀时间下胶料的拉伸应力-伸长量曲线

3 结论

通过冻融、盐冻、热老化、强酸腐蚀条件下NR桥梁支座胶料的拉伸性能试验，得出以下结论。

（1）随着冻融次数的增加，胶料的拉伸应力有不同程度的下降，但是冻融循环后胶料的拉伸应力降幅不大，冻融60次后胶料的最大拉伸应力相对于未冻融处理胶料的最大拉伸应力下降3.03%，NR桥梁支座胶料的抗冻融能力较强。

（2）经过60次盐冻循环后，胶料的最大拉伸应力相对于未盐冻处理胶料的最大拉伸应力下降4.1%，NR桥梁支座胶料的抗盐冻能力较强。

（3）随着热老化时间的延长，胶料的拉伸应力有不同程度的下降，变化幅度较大，热老化60 d后胶料的最大拉伸应力降至8.9 MPa，相对于未热老化胶料的最大拉伸应力下降10.1%。因此在我国南方湿热环境中要做好对NR桥梁支座的热老化防护。

（4）经过强酸腐蚀后，胶料的拉伸性能下降幅度较大，硝酸腐蚀60 d后胶料的最大拉伸应力降低16.2%，硫酸腐蚀60 d后降低17.2%，亚硝基硫酸腐蚀60 d后降低14.1%。因此对于酸雨较为频繁的环境应该加强对NR桥梁支座的保护和检查。