CN113310794A - 一种盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及盾构隧道橡胶密封垫领域，具体涉及一种盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，包括：根据不同温度下，模量随时间的增加而减小同时曲线形状仅水平移动的关系，将所述短期应力松弛曲线与所述短期蠕变曲线进行水平移动，得到对应的松弛模量分曲线和蠕变柔量分曲线；根据一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为与在另一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为的关系，将所述松弛模量分曲线进行水平平移得到松弛模量主曲线，将所述蠕变柔量分曲线进行水平平移得到蠕变柔量主曲线；从所述松弛模量主曲线预测EPDM试验样品指定时间的松弛模量数值，从所述蠕变柔量主曲线预测EPDM试验样品指定时间的蠕变柔量。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道橡胶密封垫领域，具体为盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法。
背景技术
近年来，聚合物由于自身优异的弹性性能，被越来越多地应用于工程项目中，如三元乙丙橡胶常用于制造隧道段接头垫片等。但聚合物的时间依赖性在其长期使用的过程中，对于其力学性能的退化有着重要的影响。聚合物时变特性的两种常见形式是蠕变和应力松弛。盾构隧道用乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)橡胶垫片依靠压缩产生回弹，防止地下水渗入隧道。但EPDM的时间依赖性(如应力松弛和蠕变)会在100年的使用寿命内降低垫圈的防水性能。此外，EPDM是一种常见的聚合物，被广泛用作隧道段垫片，是隧道系统中最薄弱的部分。当EPDM橡胶垫片的降解达到一个临界值时，会产生许多潜在的危害，如不均匀沉降和地面塌陷等。因此，长期的应力松弛和蠕变行为对于保证盾构隧道密封橡胶垫片在至少100年的使用过程中的安全至关重要。
经对现有技术的检索发现，中国发明专利申请号为CN201310469697.2，发明名称为：聚合物持久与瞬时极限力学性能预示方法，该专利自述：“现有通过对聚合物进行系列温度下的应力松弛试验、蠕变破坏试验和应力松弛破坏试验，获得短期时间内的松弛模量、破坏时间等数据绘制系列温度下的松弛模量变化，以此来获得聚合物持久与瞬时极限力学性能的方法。”该方法的局限性在于，在聚合物长期力学性能的评估中，仅考虑了应力松弛或蠕变对聚合物力学性能的单独影响，忽视了不同温度、不同应力(应变)下，应力松弛行为(蠕变行为)自身相互作用关系，因而对盾构隧道密封橡胶垫片的长期性状预测存在一定的偏差。因此需要一种能够考虑不同条件下应力松弛行为和蠕变行为自身影响的盾构隧道密封橡胶垫片长期性状确定方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法。通过对EPDM试样进行短期应力松弛与蠕变试验，同时考虑不同温度、不同应力(应变)下，应力松弛(蠕变行为)自身的相互影响，利用TTSSP方法对试验数据进行拟合计算绘制对应的主曲线预测EPDM的长期性状。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，包括如下步骤：
A、对EPDM试验样品进行短期应力松弛试验和短期蠕变试验，得到短期应力松弛曲线和短期蠕变曲线；
B、根据不同温度下，模量随时间的增加而减小同时曲线形状仅水平移动的关系，将所述短期应力松弛曲线与所述短期蠕变曲线进行水平移动，得到对应的松弛模量分曲线和蠕变柔量分曲线；
C、根据一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为与在另一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为的关系，将所述松弛模量分曲线进行水平平移得到松弛模量主曲线，将所述蠕变柔量分曲线进行水平平移得到蠕变柔量主曲线；
D、从所述松弛模量主曲线预测EPDM试验样品指定时间的松弛模量数值，从所述蠕变柔量主曲线预测EPDM试验样品指定时间的蠕变柔量。
优选的，在步骤C中，所述一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为与在另一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为的关系如公式(2)，(3)所示：
其中C1、C2、C3、C4代表经验常数，T表示参考温度，T0表示当前温度，αT代表位移因子，ε0代表参考应变，αTε代表参考应变下的位移因子，σ0代表参考应力，αTσ代表参考应力下的位移因子。
优选的，在步骤C中，所述松弛模量分曲线进行水平平移得到松弛模量主曲线，通过不同颜色代表恒定应变的数值，不同的图例代表不同的操作温度，以天数为横轴，松弛模量为纵轴所绘制的时间-松弛模量-温度-应变曲线。
优选的，在步骤C中，所述蠕变柔量分曲线进行水平平移得到蠕变柔量主曲线，通过不同颜色代表恒定应力的数值，不同的图例代表不同的操作温度，以天数为横轴，蠕变柔量为纵轴所绘制的时间-蠕变柔量-温度-应力曲线。
优选的，在步骤B中，所述模量随时间的增加而减小同时曲线形状仅水平移动的关系如公式(1)所示：
其中，C1、C2代表经验常数，αT代表位移因子，T1、T2代表两个不同的操作温度。
优选的，在步骤B中，所述松弛模量是指在应力松弛过程中与单位应变相对应的应力，所述松弛模量分曲线是将同一恒定应变条件下，不同操作温度对应的所述短期应力松弛曲线进行水平移动得到的曲线。
优选的，在步骤B中，所述松弛模量分曲线是通过不同的图例代表不同的操作温度，以天数为横轴，松弛模量为纵轴所绘制的时间-松弛模量-温度曲线。
优选的，在步骤B中，所述蠕变柔量是指材料蠕变过程中任意时刻的应变与应力的比值，所述蠕变柔量分曲线是将同一恒定应变条件下，不同操作温度对应的所述短期蠕变曲线进行水平移动得到的曲线。
优选的，在步骤B中，所述蠕变柔量分曲线是通过不同的图例代表不同的操作温度，以天数为横轴，蠕变柔量为纵轴所绘制的时间-蠕变柔量-温度曲线。
优选的，在步骤A中，所述短期应力松弛试验和所述短期蠕变试验通过DMA Q850分析仪器获得实验数据；所述短期应力松弛曲线是在以天数为横轴、松弛模量为纵轴所绘制的时间-松弛模量关系曲线；所述短期蠕变曲线是在以天数为横轴、蠕变柔量为纵轴所绘制的时间-蠕变柔量关系曲线。
与现有技术相比较，实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提出了一种盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法。通过对EPDM试验样品进行短期应力松弛与蠕变试验，提出时间-温度-应变/应力叠加原理(TTSSP)的转换方法，绘制松弛模量主曲线和蠕变柔度主曲线，通过主曲线获得EPDM在指定时间的松弛模量和蠕变柔度，从而精确预测EPDM的粘弹性应力松弛和蠕变行为，方法简单有效。
附图说明
图1为本发明一实施例中的盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法的技术路线图；
图2为本发明一实施例中恒定应变5％条件下的不同温度的短期应力松弛曲线；
图3为本发明一实施例中恒定应力0.6MPa条件下的不同温度的短期蠕变曲线；
图4为本发明一实施例中参考温度为15℃，恒定应变15％条件下的松弛模量分曲线；
图5为本发明一实施例中参考温度为15℃，恒定应力为0.6MPa条件下的蠕变柔量分曲线；
图6为本发明一实施例中参考温度为15℃，恒定应变10％条件下的松弛模量主曲线；
图7为本发明一实施例中参考温度为15℃，恒定应力为1.0MPa条件下的蠕变柔量主曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
结合具体试验对本发明的一种盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法进行说明。本发明提供了一种用于盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，通过对EPDM试验样品进行短期应力松弛与蠕变试验，利用TTSSP方法拟合试验数据并绘制对应的主曲线，从而预测EPDM的长期使用后的松弛模量和蠕变柔量。
实施例
本实施例提供的一种用于盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，所述方法有以下几步构成：
步骤一、制备EPDM试验样品；
在本实施例中，所述EPDM试验样品是将生胶、炭黑、碳酸钙、300#石蜡油、氧化钙、硫磺、硬脂酸、氧化锌等组分按一定比例混合预处理后，进行原位预硫化和压缩成型，并在室温下保存24小时，最终将其切成哑铃型试样。
本实施例中，所述生胶重量为100phr，采用3092M。
本实施例中，所述炭黑重量为70phr，采用N550，325目筛余物≤0.1％。
本实施例中，所述碳酸钙为轻质碳酸钙重量为20phr，其平均粒径为1250目。
本实施例中，所述300#石蜡油重量为60phr，运动粘度(40℃)68～75m2/s，密度0.85kg/m3，
本实施例中，所述氧化钙重量为1phr，含量≥85％，平均粒度为2500目。
本实施例中，所述硬脂酸重量为1phr，密度0.94kg/m3，熔点59.4℃。
本实施例中，所述氧化锌重量为5phr，由间接法制备的活性氧化锌，含量≥99.7％。
步骤二、对EPDM试验样品进行短期应力松弛试验和短期蠕变试验，得到短期应力松弛曲线和短期蠕变曲线；
在本实施例中，所述短期应力松弛试验是采用DMA Q850分析仪器，用上下夹具将EPDM试样放入样品夹中，将操作温度分别设定为15、25、35、45、55℃。在每个操作温度下，施加应力至5％恒定应变水平并保持20分钟，随后释放应力并保持20分钟，记录数据并绘制5％恒定应变条件下的不同温度的短期应力松弛曲线。重复上述过程得到10％，15％恒定应变条件下的不同温度的短期应力松弛曲线，如图2所示。
在本实施例中，所述短期蠕变试验是采用DMA Q850分析仪器，用上下夹将EPDM样品放入样品夹中，将操作温度分别设定为15、25、35、45、55℃。在每个操作温度下，施加0.6MPa恒定应力并保持20分钟，随后释放应力并保持20分钟。记录数据并绘制恒应力为0.6MPa条件下的不同温度的短期蠕变曲线。重复上述过程得到恒应力为1.0MPa、1.5MPa条件下的不同操作温度的短期蠕变曲线，如图3所示。
步骤三、采用TTSP方法得到松弛模量分曲线和蠕变柔量分曲线；
在本实施例中，采用TTSP方法基于不同温度下，模量随时间的增加而减小同时曲线形状仅水平移动的原理，如公式(1)所述。将上述绘制的恒定应变15％条件下，不同温度的短期应力松弛曲线进行水平移动得到对应的松弛模量分曲线，如图4所示；将上述绘制的恒定应力1.0MPa条件下，不同温度的短期蠕变曲线进行水平移动得到蠕变柔量分曲线，如图5所示。
其中，C1、C2代表经验常数，αT代表位移因子，T1、T2代表温度(单位为K)
步骤四、采用TTSSP方法得到EPDM试验样品指定时间的松弛模量与蠕变柔量；
在本实施例中，采用TTSSP方法通过改变试验数据，本申请发明人经过长期研究发现，在一个温度或应力/应变下的蠕变/应力松弛行为与在另一个温度或应力/应变下的蠕变/应力松弛行为有关，即根据一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为与在另一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为的关系，来对长期性状进行预测，如公式(2)，(3)所述。将操作温度15℃，恒定应变10％设定为参考量，将通过TTSP方法得到的不同应变条件松弛模量分曲线进行水平平移得到松弛模量主曲线，如图6所示；将操作温度15℃，恒定应力1.0MPa设定为参考量，将通过TTSP方法的得到的不同恒定应力的蠕变柔量分曲线进行水平平移得到蠕变柔量主曲线，如图7所示。从两条主曲线上可以同时考虑不同条件下应力松弛和蠕变行为自身的相互影响，预测EPDM试验样品在100年使用寿命后，松弛模量较原始试样的松弛模量减少了59.8％，蠕变柔量较原始试样的蠕变柔量增加了108.7％。
其中C3、C4代表经验常数，T表示参考温度，T0表示当前温度，αT代表位移因子，ε0代表参考应变，αTε代表参考应变下的位移因子，σ0代表参考应力，αTσ代表参考应力下的位移因子。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、对EPDM试验样品进行短期应力松弛试验和短期蠕变试验，得到短期应力松弛曲线和短期蠕变曲线；
B、根据不同温度下，模量随时间的增加而减小同时曲线形状仅水平移动的关系，将所述短期应力松弛曲线与所述短期蠕变曲线进行水平移动，得到对应的松弛模量分曲线和蠕变柔量分曲线；
C、根据一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为与在另一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为的关系，将所述松弛模量分曲线进行水平平移得到松弛模量主曲线，将所述蠕变柔量分曲线进行水平平移得到蠕变柔量主曲线；
D、从所述松弛模量主曲线预测EPDM试验样品指定时间的松弛模量数值，从所述蠕变柔量主曲线预测EPDM试验样品指定时间的蠕变柔量。
2.根据权利要求1所述盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，其特征在于，在步骤C中，所述一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为与在另一个温度或应力下的应力松弛行为或应变下的蠕变行为的关系如公式(2)，(3)所示：
其中C1、C2、C3、C4代表经验常数，T表示参考温度，T0表示当前温度，αT代表位移因子，ε0代表参考应变，αTε代表参考应变下的位移因子，σ0代表参考应力，αTσ代表参考应力下的位移因子。
3.根据权利要求1所述盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，其特征在于，在步骤C中，所述松弛模量分曲线进行水平平移得到松弛模量主曲线，通过不同颜色代表恒定应变的数值，不同的图例代表不同的操作温度，以天数为横轴，松弛模量为纵轴所绘制的时间-松弛模量-温度-应变曲线。
4.根据权利要求1所述盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，其特征在于，在步骤C中，所述蠕变柔量分曲线进行水平平移得到蠕变柔量主曲线，通过不同颜色代表恒定应力的数值，不同的图例代表不同的操作温度，以天数为横轴，蠕变柔量为纵轴所绘制的时间-蠕变柔量-温度-应力曲线。
5.根据权利要求1所述盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，其特征在于，在步骤B中，所述模量随时间的增加而减小同时曲线形状仅水平移动的关系如公式(1)所示：
其中，C1、C2代表经验常数，αT代表位移因子，T1、T2代表两个不同的操作温度。
6.根据权利要求1所述盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，其特征在于，在步骤B中，所述松弛模量是指在应力松弛过程中与单位应变相对应的应力，所述松弛模量分曲线是将同一恒定应变条件下，不同操作温度对应的所述短期应力松弛曲线进行水平移动得到的曲线。
7.根据权利要求6所述盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，其特征在于，在步骤B中，所述松弛模量分曲线是通过不同的图例代表不同的操作温度，以天数为横轴，松弛模量为纵轴所绘制的时间-松弛模量-温度曲线。
8.根据权利要求1所述盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，其特征在于，在步骤B中，所述蠕变柔量是指材料蠕变过程中任意时刻的应变与应力的比值，所述蠕变柔量分曲线是将同一恒定应变条件下，不同操作温度对应的所述短期蠕变曲线进行水平移动得到的曲线。
9.根据权利要求8所述盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，其特征在于，在步骤B中，所述蠕变柔量分曲线是通过不同的图例代表不同的操作温度，以天数为横轴，蠕变柔量为纵轴所绘制的时间-蠕变柔量-温度曲线。
10.根据权利要求8所述盾构隧道橡胶密封垫的长期性状确定方法，其特征在于，在步骤A中，所述短期应力松弛试验和所述短期蠕变试验通过DMA Q850分析仪器获得实验数据；所述短期应力松弛曲线是在以天数为横轴、松弛模量为纵轴所绘制的时间-松弛模量关系曲线；所述短期蠕变曲线是在以天数为横轴、蠕变柔量为纵轴所绘制的时间-蠕变柔量关系曲线。
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2021
- 2021-04-30 CN CN202110481078.XA patent/CN113310794A/zh active Pending
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