CN113667292A - 一种聚合物弹性复合材料及公路桥梁伸缩装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及公路桥梁伸缩装置的制造技术领域，具体的说是一种聚合物弹性复合材料及公路桥梁伸缩装置，含有以下组份及其重量百分比：聚合物弹性材料70～95％、增强改性剂5～15％、填充改性剂1～15％。聚合物弹性复合材料具有很好的吸能和能量阻尼特性，可大大降低行驶车辆轮胎在伸缩缝地段冲击荷载的振动和噪声，借助高分子聚合物的材料本身特性，解决现有技术中的全钢制伸缩装置刚性和柔性难以达到平衡兼顾以及制造复杂、成本高、安装维修困难的问题,适应公路桥梁伸缩装置的多方位变形位移以及高耐候和高耐磨性。

Description

一种聚合物弹性复合材料及公路桥梁伸缩装置
技术领域
本发明涉及公路桥梁伸缩装置的制造技术领域，具体的说是一种聚合物弹性复合材料及公路桥梁伸缩装置。
背景技术
公路桥梁伸缩装置是在公路桥梁结构物连接端之间设置的能自由变形的跨缝装置，其功能是使桥梁结构物在气温变化及混凝土或钢材收缩、蠕变位移，以及动荷载等因素的作用下，能够保持自由多维方向的伸缩，以适应公路桥梁结构的各种变形，为一个保障公路桥梁正常运行所必不可少的结构性装置。
公路桥梁伸缩装置除了必须具备使汽车行驶舒适、平顺、低噪音、防水防杂物渗入功能之外，还必须具备经久耐用，安装施工简便易行，维修方便。伸缩装置的材料性能和结构设计，会直接影响到公路桥梁的运营服务质量及使用年限，特别是对于高架公路和长大跨径和连续式长桥，公路桥梁伸缩装置尤其重要，一旦发生病害将改变桥梁正常的受力状态，甚至会威胁到公路桥梁的结构安全、行车安全和桥梁的使用寿命。
现有公路桥梁伸缩装置完全采用单纯钢材制造，特别是较大尺寸公路桥梁伸缩装置，如型钢式伸缩装置、模数式伸缩装置、梳齿板伸缩装置。尽管采用不同机械外形和/或不同机械机构连接设计，但是没有完全解决伸缩装置目前存在的问题,：1、全钢制伸缩装置刚性和柔性难以达到平衡兼顾，增加伸缩装置的柔性，则不能保证伸缩缝的行车安全和保护公路桥梁构件的端部；增加伸缩装置的刚性，则常常导致伸缩装置构件或安装锚固件的断裂损坏；2、现有技术均从伸缩装置连接机构来力图解决，没有从制造材料方面来解决现有问题，如，在伸缩装置钢板或钢梁与固定螺栓之间的连接处，设计为全钢制的各种铰链机构、球支座、铰支座、各种机械组合机构变位箱等等技术措施，但是这些更加复杂的机构装置，导致制造困难和高成本，以及维修更换技术要求高、搬运安装需要起重设备、更换时间长，阻塞交通，带来安全隐患，严重影响交通正常运营，而且野外作业也会受到自然天气而影响到施工质量。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决现有技术中的全钢制伸缩装置刚性和柔性难以达到平衡兼顾以及制造复杂、成本高、安装维修困难的问题，本发明提出一种聚合物弹性复合材料及公路桥梁伸缩装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种聚合物弹性复合材料，含有以下组份及其重量百分比：聚合物弹性材料70～95％、增强改性剂5～15％、填充改性剂1～15％。
优选的，含有以下组份及其重量百分比：聚合物弹性材料80～95％、增强改性剂5～15％、填充改性剂1～10％。
优选的，所述聚合物弹性材料为聚氨酯弹性体、氢化苯乙烯嵌段共聚物弹性体、改性超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、合成橡胶为材质中的一种或多种共混或共聚物。
优选的，所述增强改性剂为纳米炭黑、纳米碳酸钙粉、碳纤维、改性超高分子量聚乙烯纤维、石墨、玻璃微珠中的一种或一种以上混合物。
优选的，填充改性剂是刚玉粉、石英粉或其混合物。
优选的，还包括以下组份中的一种或两种以上组份：成核剂0.1～4％、熔点调节剂0.1～3％、塑化流变剂0.01～2％。
优选的，所述的成核剂是苯甲酸钠或/和硬脂酸钙；所述的熔点调节剂是线性聚乙烯或/和聚丙烯；所述的塑化流变剂是石蜡油或/和C15～C30饱和脂肪醇。
机理说明：
聚氨酯弹性体：是由异氰酸酯与短链二醇扩链剂以及二异氰酸酯与长链多元醇反应形成的硬链段和软链段交替序列组成的嵌段共聚物。由于硬、软段的配比可以在很大范围内调整，通过改变反应化合物的比例，结构和/或分子量，可以将聚氨酯的分子结构微调到所需的材料最终性能，可实现高回弹力，良好的压缩形变，以及低温柔韧性、抗冲击，抗磨，抗撕裂，耐候，耐化学品腐蚀性能，具有广泛的硬度和高弹性，可以弥补橡胶和工程硬塑料之间的材料差距。选用聚氨酯弹性体作为聚合物弹性材料，是由于聚氨酯弹性体的突出优点是高强度和高弹性，即在满足强度性能要求的同时，断裂伸长率很高，柔韧性很好，可以避免应力集中而产生的裂纹，同时聚氨酯弹性体突出的耐磨性，使其可以解决桥梁伸缩缝装置长期使用情况下的磨耗要求。
氢化苯乙烯嵌段共聚物弹性体：是苯乙烯(S)-乙烯(E)/丁烯(B)-苯乙烯(S)构成嵌段共聚物，它将苯乙烯热塑特征和乙烯-丁烯共聚的弹性体特征结合在同一聚合物中，其分子构型为A-B-A型的三嵌段共聚物。当氢化苯乙烯嵌段共聚物弹性体受热，温度超过聚苯乙烯的玻璃化转变温度时，聚苯乙烯相软化，在剪切下发生流动而可以进行加工；当模塑成型的制品冷却后，聚苯乙烯相区变硬并具有强度；能够改善聚合物弹性材料的压缩永久变形，耐磨性和低温柔韧性，并且还具有优异的耐臭氧、耐氧化、耐紫外线和耐候性能。
改性超高分子量聚乙烯：是分子量150万－900万的无支链的超长大分子线性聚乙烯，由于分子链均由为化学键能很强的碳饱和键组成，不易分解断裂，所以具有超强的耐磨性、自润滑性，强度比较高、化学性质稳定、抗老化性能强，用来作为增强改性剂，可使其硬度、刚度、蠕变性、弯曲强度、热变形温度得以较好地改善。
纳米炭黑：主要功能是补强，提高抗紫外光降解能力、耐磨性、使用温度。
纳米碳酸钙粉、碳纤维：用于提高拉伸强度、抗挠曲强度、硬度及耐磨性。
刚玉粉、石英粉、石墨和玻璃微珠：提高硬度、刚度和耐温性、降低摩擦系数，从而进一步提高自润滑性。
一种公路桥梁伸缩装置，包括跨缝用的夹芯层复合板，所述夹芯层为钢板或钢格栅，所述夹芯层上部设置有表层，所述表层采用上述聚合物弹性复合材料制成。
优选的，所述夹芯层下部设置底层，所述底层以聚脲、聚氨酯、环氧树脂为材质制成，或采用上述聚合物弹性复合材料为材质制成。
本发明的有益效果如下：
1.本发明所述的一种聚合物弹性复合材料，提高了聚合物材料体系中的多维度长分子链物理缠绕度和交联度，以及有机材料体系与无机增强材料的粘结性、密实性、耐化学品性以及韧性、耐磨性，又提高了耐老化性，使其发挥各自组份材料的性能优势，得到综合性能优异的高分子复合材料，成为新型公路桥梁伸缩装置的专用材料。
2.本发明所述的一种聚合物弹性复合材料，能够在低温环境下具有很好的耐低温弹性；常温环境下在保持其弹性基本不变的同时，有很好的粘弹性，即具有很好的吸能和能量阻尼特性，降低行驶车辆轮胎在伸缩缝地段冲击荷载的振动和噪声；高温环境下也具有很好的耐高温弹性。
3.本发明所述的一种公路桥梁伸缩装置，借助高分子聚合物的材料本身特性，适应多方位的变形以及高耐候和高耐磨性，除具有普通伸缩缝的竖向刚度与压缩变形，且能承受垂直荷载及适应梁端转动外，还可利用高分子聚合物的柔性，及其低摩擦系数，可使公路桥梁上部构造多向位移较容易，特别是这种复合材料还可有效吸收行车所产生的冲击荷载，具有能量阻尼功能，大大降低车辆通过伸缩缝的行车噪声，尤其适用于模块化公路桥梁构件，大跨度桥梁、简支梁连续板桥和多跨连续梁桥等公路桥梁的安装使用。
4.本发明所述的一种公路桥梁伸缩装置，通过分层复合材料结构，赋予聚合物桥梁伸缩装置完全不同于全钢材制伸缩装置的优秀性能，如聚合物伸缩装置本体具有很高的柔韧性，适应桥梁构件多向变位要求，抗冲击、耐老化、有效吸收行车所产生的冲击荷载，而且自重轻而无需起重设备就可搬运、安装维修简便。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是实施例一种聚合物弹性复合材料的DMA分析图；
图2是实施例一种聚合物弹性复合材料的DSC分析图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例一：
一种聚合物弹性复合材料，取聚氨酯弹性体83份，高密度聚乙烯5份，纳米炭黑2份和碳纤维3.5份，纳米碳酸钙粉4.3份，玻璃微珠1.2份，硬脂酸钙0.3份，饱和脂肪醇0.7份，充分搅拌混合均匀热压成型后即可得到。聚氨酯弹性体中，二异氰酸酯优选二苯基甲烷二异氰酸酯、多苯基多亚甲基多异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯，长链多元醇优选聚碳酸酯多元醇、聚四氢呋喃醚二醇和聚丙二醇醚。
然后以该聚合物弹性复合材料为表层或底层，用弹性聚合物胶粘剂和金属锚栓紧固件与钢板或钢格栅叠加复合组装即可得到一种聚合物复合材料制备的公路桥梁伸缩装置。
为表征所述聚合物弹性复合材料具有能量阻尼功能，本发明进行该材料的动态力学分析DMA(Dynamic MechanicalAnalysis)，用DMA-Q800型热力学分析仪，简支梁三点弯曲加载模式，-50℃至160℃范围，升温速度3℃/min进行扫描检测，实施例一种所述的聚合物弹性复合材料的DMA测试曲线如图1所示。
储能弹性模量(Storage modulus)代表材料的弹性大小；耗能弹性模量(LossModulus)代表材料的粘性大小。从所述复合材料DMA曲线可以看到：
在低温-50～0℃阶段，耗能弹性模量变化较小，Tan Delta曲线为一平缓区段，由此可见所述复合材料具有很好的耐低温弹性。以所述复合材料制造的公路桥梁伸缩缝装置，特别适合北方高寒地区的高速公路桥梁。
在通常伸缩缝应用温度，即从低温度到常温范围-50～60℃，所述复合材料性能保持稳定。温度25℃，储能弹性模量和耗能弹性模量达到平衡点。
在温度25～60℃时，对比该新纳米聚合物复合材料的储能弹性模量和耗能弹性模量曲线的变化斜率，可以看出所述材料的弹性变化较小，但是所述材料的粘性迅速增加，表明所述材料在保持其弹性基本不变的同时，有很好的粘弹性，即具有很好的吸能和能量阻尼特性。与全钢材料制造的伸缩装置完全不同，可以作为能量阻尼材料，大大降低行驶车辆轮胎在伸缩缝地段冲击荷载的振动和噪声。所述材料DMA分析结果，从材料本质表征了，采用该新纳米聚合物复合材料制造的桥梁伸缩缝装置，具有很好的吸能降噪特性。
在温度50℃时，所述材料仍约有875MPa的储能弹性模量。表明所述复合材料也具有很好的耐高温弹性。当温度上升到达131.89℃，所述复合材料才开始发生玻璃转化永久变形的相变状态。以所述复合材料制造的桥梁伸缩装置，也适合南方炎热地区的高速公路桥梁伸缩缝。
DMA分析测试结果表明，所述复合材料的动态力学性能与线性粘弹性，具有很好的材料性能稳定性和吸能降噪特性，以及伸缩装置的多向变位跟随性能。
为更进一步表征本发明结果，对于所述实施例所述的聚合物弹性复合材料，进行了差示扫描量热分析DSC(Differential Scanning Calorimetry)，测试结果如图2所示。
差示扫描量热分析DSC结果曲线表明，所述复合材料是由无定形组分和结晶形态组分共存的复合材料体系，各组分有着很好的相容性，其材料性能在温度0～100℃范围，曲线呈现平缓水平，材料性能保持稳定；材料开始发生相变的玻璃化转变过程的拐点温度为128.23℃和127.67℃，与动态力学分析DMA所得到的玻璃化温度Tg＝131.89℃非常相近，均在130℃左右范围。通过差示扫描量热分析，也相应佐证了动态力学分析结果的有效性，以及可达到预期的伸缩装置专用材料的需要，既要具有高弹性体要求，又要具有较高Tg的技术要求。
实施例二：
一种聚合物弹性复合材料，取超高分子量聚乙烯80份，氢化苯乙烯嵌段共聚物弹性体6份，纳米炭黑2份，改性超高分子量聚乙烯纤维4份，刚玉粉3份，石英粉3份，苯甲酸钠0.2份，线性聚乙烯1.8份，充分搅拌混合均匀热压成型即可。
实施例三：
一种聚合物弹性复合材料，取聚氨酯弹性体88份，纳米炭黑2份，碳纤维3份，纳米碳酸钙粉2份，玻璃微珠3份，线性聚乙烯1.7，饱和脂肪醇0.3，充分搅拌混合均匀热压成型即可。
实施例四：
一种聚合物弹性复合材料，取氢化苯乙烯嵌段共聚物弹性体66份，超高分子量聚乙烯23份，改性超高分子量聚乙烯纤维6份，石墨2份，聚丙烯2份，石蜡油1份，充分搅拌混合均匀热压成型即可。
实施例五：
一种聚合物弹性复合材料，取合成橡胶87份，纳米炭黑5份，碳纤维3.5份，玻璃微珠2份，硬脂酸钙1.5份，线性聚乙烯0.5份，石蜡油0.5份，充分搅拌混合均匀热压成型即可。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种聚合物弹性复合材料，其特征在于，含有以下组份及其重量百分比：聚合物弹性材料70～95％、增强改性剂5～15％、填充改性剂1～15％。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物弹性复合材料，其特征在于，含有以下组份及其重量百分比：聚合物弹性材料80～95％、增强改性剂5～15％、填充改性剂1～10％。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物弹性复合材料，其特征在于，所述聚合物弹性材料为聚氨酯弹性体、氢化苯乙烯嵌段共聚物弹性体、改性超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、合成橡胶为材质中的一种或多种共混或共聚物。
4.根据权利要求1所述的一种聚合物弹性复合材料，其特征在于，所述增强改性剂为纳米炭黑、纳米碳酸钙粉、碳纤维、改性超高分子量聚乙烯纤维、石墨、玻璃微珠中的一种或一种以上混合物。
5.根据权利要求1所述的一种聚合物弹性复合材料，其特征在于，所述填充改性剂是刚玉粉、石英粉或其混合物。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种聚合物弹性复合材料，其特征在于，还包括以下组份中的一种或两种以上组份：成核剂0.1～4％、熔点调节剂0.1～3％、塑化流变剂0.01～2％。
7.根据权利要求1所述的一种聚合物弹性复合材料，其特征在于，所述的成核剂是苯甲酸钠或/和硬脂酸钙；所述的熔点调节剂是线性聚乙烯或/和聚丙烯；所述的塑化流变剂是石蜡油或/和C15～C30饱和脂肪醇。
8.一种公路桥梁伸缩装置，包括跨缝用的夹芯层，所述夹芯层为钢板或钢格栅，其特征在于，所述夹芯层上部设置有表层，所述表层采用权利要求1-7任意一项所述聚合物弹性复合材料制成。
9.根据权利要求8所述的一种公路桥梁伸缩装置，其特征在于，所述夹芯层下部设置底层，所述底层以聚脲、聚氨酯、环氧树脂为材质制成，或采用权利要求1-7任意一项所述的聚合物弹性复合材料为材质或制成。
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CN115359663A (zh) * 2022-10-21 2022-11-18 四川省公路规划勘察设计研究院有限公司 山区公路灾害路段抗灾韧性计算方法、装置以及电子设备
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