高黏弹沥青阻尼垫研制及其冲击隔离性能试验研究

张春晓，何 翔，李 磊，刘国强，王 武，杜建国

(总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023)

目前地下工程冲击隔离防护以被动控制的地板隔震为主［1］，通过控制系统谐振频率(5～10 Hz)及提高系统阻尼比(＞0.05)达到隔震目的［2］。一般采用钢丝绳隔震器、砂隔震垫层或橡胶块隔震器。钢丝绳隔震器依靠钢丝绳股间及丝间滑移、变形、摩擦实现缓冲耗能功能［3］，具有大变形软化、宽频隔震、大振动空间及耐腐蚀等优点［4］;砂垫层为利用砂粒间摩擦系数较高、易于流动特点消耗冲击震动能量，其横向隔震性能更优，更适用隔震;其隔震性能受级配、密实度及含水量影响较大［5］;而橡胶块隔震器据橡胶材料的黏弹性缓冲耗能，通常用绍尔硬度40～70(对应静态弹性模量为1.2～3.82 MPa)的天然胶或丁晴胶制成圆柱体与钢质端联板硫化黏结而成，与钢弹簧并联使用。

诸多阻尼中黏弹性阻尼耗能效率较高［6－7］。改性沥青为典型的黏弹性材料，在其玻璃化温度范围内其阻尼性能超过天然橡胶，广泛用于舰船、汽车、高速列车及土木工程减震降噪。黄海生等［8］采用滑石粉、废旧胶粉、多种化学外加剂混合改性石油沥青，与石棉布、玻璃纤维布等模压成型制成改性沥青隔震垫，据配方单位不同，可获得竖向抗压强度4.6～9.8 MPa、弹性模量7.3 ～16.5 MPa、阻尼比 0.27 ～0.44 的隔震垫。该系列产品已用于建筑基础、机器基础、轨道交通及动力设备隔震降噪。

本文据地下工程受冲击强度与地板隔震系统特点，采用自制高黏弹沥青材料，通过阻尼结构设计、模压成型工艺制作成高黏弹沥青圆筒式阻尼垫进行室内冲击震动台试验。结果表明，由高黏弹沥青圆筒式阻尼垫与钢弹簧构成的隔震系统隔震性能优异，可作用于地下工程冲击隔离防护。

1 高黏弹沥青材料设计与配制

1.1 材料配制目标

阻尼材料的复模量与冲击隔离系统谐振频率密切相关，而损耗因子与系统阻尼比密切相关，表达式［6］为))

地冲击震动频率约50～100 Hz，一般在地板隔震系统中频率比γ=10，因此隔震系统频率f应为5～10 Hz。如隔震垫高度H=13.5 cm，面积A取地板面积的30%，地板隔震系统配重m为400～500kg/m2，谐振频率取5～10 Hz，据式(1)，配制阻尼材料的复模量G*应取0.2 ～2 MPa。

因黏弹性材料动态模量为温度、频率的函数，应考虑高黏弹性沥青在15℃ ～25℃、5～10 Hz时的复模量，并尽量提高损耗因子η，为隔震系统提供更高阻尼;亦尽量降低材料在工作环境温度范围内的温敏性。

1.2 沥青高黏弹改性机理分析

石油沥青在玻璃化转变温度区域的力学行为介于弹性固体与黏性液体之间，其力学性质兼而有之;温度较低时转变为弹性固体;温度较高时转变为黏性液体。由于石油沥青成分较复杂，其玻璃化温度非固定值，为一范围，且各种标号沥青的玻璃化温度范围不相同，因此改性剂、增塑剂成为高黏弹沥青改性的重要组分。

经高速剪切、溶胀发育后的改性沥青为分散相共混结构。改性剂掺量较低时为分散相，沥青为分散介质;改性剂掺量达到一定比例时两者形成相互交错的“黏壶－弹簧”三维结构。环境温度低于沥青的玻璃化温度时其变为弹性模量较高的固体，起填充作用。材料的宏观力学性能在一定变形量范围内表现为改性剂的力学性能，仍具有黏弹性;环境温度在沥青的玻璃化转变温度范围内其为典型的黏弹性材料，其弹性模量低于改性剂，改性剂起骨架作用，能适当提高共混材料弹性模量。

增塑剂为小分子溶剂，起稀释聚合物作用，也可减小分子链间作用力。因此增塑剂在沥青改性中的作用为:① 保证改性剂充分溶胀;② 提高多相体系相容性;③ 降低聚合物高温黏度，保证高掺量改性剂改性沥青的共混工艺能顺利完成;④ 降低改性沥青模量;⑤改善沥青在一定温度范围内的温敏性。

为配制出低温敏性的高黏弹沥青，须选用温敏性低、具有黏弹性的聚合物作为改性剂，选与沥青、改性剂相容性较好的小分子聚合物作为增塑剂。

1.3 改性剂与增塑剂选择

SBS为苯乙烯(S)－丁二烯(B)－苯乙烯(S)嵌段共聚物，线型SBS的高分子链具有串联结构不同嵌段，包括塑性段B及弹性段S，本身即为较好的阻尼材料。SBS为两相结构，有两个玻璃化温度点，分别为－80℃～－70℃及100℃，在地下工程环境温度下具有较好的温敏性调节作用。SBS在沥青熔融状态下易分散，吸附沥青轻质组分，实现充分溶胀［9］。因此线型SBS为很好的高黏弹沥青改性剂。据试验，当SBS掺量小于20%时沥青与SBS组成的微观结构均为海－岛结构;仅当掺量大于20%、SBS溶胀后体积约占总体积40%以上时，才能形成阻尼性能优异的相与相半互穿网络结构。

芳烃油指分子中含苯环结构的碳氢化合物，为石油化工的基本产品、基础原料之一。芳烃油具有良好的橡胶相容性、耐高温、低挥发性等特点，能帮助SBS在沥青中较好混合、分散。据分子链分子量大小，可将沥青划分为重组分(沥青质、胶质)与轻质组分(芳香份、饱和份)，轻质组分起分散、溶解改性剂 SBS作用［10］。对AH－70沥青，其轻质组分约占50% ～55%，未添加芳烃油情况下SBS极限掺量为3%，超过此比例时，其共混物黏度超过改性设备要求的最高黏度值3000 Pa·s。如继续提高SBS掺量须添加芳烃油。据大量试验，在3%掺量基础上每多增加1%的SBS，需增加1%的芳烃油，共混物才能达到改性设备对黏度的要求。SBS亦可实现较好的分散、溶胀。如继续提高芳烃油掺量，会明显降低共混物的复模量。

1.4 原材料与配合比

原材料选用浙江镇海石化的AH－70沥青(4组分含量)及巴陵石化分公司的YH－791线型SBS及芳烃油，见表1。

表1 AH－70沥青4组分含量Tab.1 Four components content of AH －70 asphalt

为大幅度降低改性沥青的温敏性，使其在10℃ ～35℃内具有稳定的使用性能，将SBS掺量提高到26%。为降低共混物黏度，保证改性工艺顺利进行，多次试验后将芳烃油掺量确定为外掺30%。具体配比见表2。为对比高黏弹沥青性能，同时测试汽车沥青阻尼片材料及胶粉沥青。

表2 高黏弹沥青配比(kg)Tab.2 The ratio of high viscoelastic asphalt

2 高黏弹沥青微观结构

溶胀程度取决于温度、网链长度、溶剂分子尺寸、聚合物与溶剂分子热力学相互作用强度等因素。与汽车沥青阻尼片材料(图1(b))与胶粉沥青(图1(c))相比，高黏弹沥青(图1(a))已充分溶胀、交联，构成交联网络结构。因SBS中聚丁二烯链段含有双键，其稳定性较差，易在高温、氧化剂作用下交联;而高黏弹沥青中含大量增塑剂(芳烃油)，会降低溶液浓度，增加链段活性，更利于链段的氧化交联及溶胀。

图1 两种改性沥青电镜照片Fig.1 SEM of two kind of modified asphalt

因此本文经改性机理分析制定的配制路线合理可行。同时证明线型SBS在氧化剂作用下，可充分分散于沥青轻质组分及芳烃油，在氧化剂作用下交联，并在保温发育过程中形成溶胀状态。由图1(a)看出，线型SBS基本能全部吸收沥青中轻质组分形成饱和溶胀状态，分子束夹杂沥青质缠绕一起，构成交联网络结构。与互穿网络(IPN)为分子或分子束互穿结构不同，此为沥青－高聚物体系中相与相的互穿，可视为半互穿网络结构，在变形与弹性恢复中分子链间摩擦、扭转、扯断，以热形式消耗大量能量。

3 高黏弹性沥青主要性能

3.1 材料动态力学分析

黏弹性材料的动力学性能具有时温效应，即受环境温度与外界激励频率影响非常明显。因此，采用动态剪切流变仪(DSR)对高黏弹沥青进行材料动力学分析，测试4个温度点(10℃、18℃、25℃、35℃)与1～10 Hz频率范围内的复模量G*及损耗因子η(η=G″/G')。其中G'为交变应力作用下材料储存、释放的能量，称储能模量;G″为变形中因内部摩擦产生的热形式散失能量，称耗能模量;η为材料耗能、储能相对大小，其值越高表示外力对材料所做功以热方式消耗的越多。表3～表5分别为高黏弹沥青、汽车沥青阻尼片及胶粉沥青材料动力学分析试验结果。由表3～表5试验结果显示，高黏弹沥青的复模量受温度及加载频率影响大大降低，损耗因子降幅亦较大。此因溶胀的线型SBS力学响应更偏向弹性而非黏性。同时其亦为溶液，在溶胀的线型SBS中有溶胀力及与之相反的收缩力，该两种力在最大溶胀程度时达到平衡。与沥青阻尼片材料及胶粉沥青相比，高黏弹沥青的低温高频模量大幅降低，如10℃、10 Hz时沥青阻尼片的复模量为42.12，胶粉沥青为34.49 MPa，而高黏弹沥青2.53，更符合地下工程冲击隔离防护对阻尼材料动弹模量要求。

表3 高黏弹沥青动态力学分析Tab.3 DMA of high viscoelastic asphalt

表4 汽车沥青阻尼片材料动态力学分析Tab.4 DMA of the asphalt damping plate material

表5 胶粉沥青材料动态力学分析Tab.5 DMA of the rubber powder asphalt

3.2 温敏性

温敏性是黏弹性材料的重要性能，也是实际工程中需重点关注、解决的问题。本文未采用针入度温敏性表征法，而采用剪切模量温敏性表征法，即建立ln G*－T曲线，将斜率定义为温敏性系数K*。与针入度温敏性表征法不同，采用材料动力学分析方法所得模量、损耗因子更能反映沥青材料在工作环境内的阻尼性能，而非物理意义不明确的稠度;材料动力学分析方法测点更多，人为误差更小，因此剪切模量温敏性系数表征温敏性亦更精确。

3种改性沥青的温敏性系数见表6。由表6看出，高黏弹沥青温敏性远低于另两种改性沥青。10 Hz时高黏弹沥青的K*=0.64，而汽车沥青阻尼片材料的温敏性系数K*=1.25，胶粉沥青材料的温敏性系数K*=1.10。

表6 3种改性沥青的温敏性系数Tab.6 Thermosensitive coefficient of three kinds of modified asphalt

3.3 黏韧性

黏韧性可表征高黏弹沥青在变形较大时的耗能性能，是黏弹性材料的重要性能。试验按公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ052－2000)中沥青黏韧性试验方法进行，见图2。

图2 高黏弹沥青黏韧性试验照片Fig.2 Toughness test photos of high viscoelastic asphalt

3种改性沥青的荷重－变形曲线见图3，整个曲线包络面积表示黏韧性。经计算，高黏弹沥青的黏韧性为30.2 N·m，汽车沥青阻尼片材料为 16.04 ～24.55 N·m，而胶粉沥青为6.81 N·m。与另两种改性沥青相比，高黏弹沥青的载荷－变形曲线具有载荷平台区及平台区更宽的特点。

图3 三种改性沥青的荷重－变形曲线Fig.3 Load-deformation curve of three kind of modified asphalt

3.4 变形恢复能力

按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052－2000)中沥青弹性恢复试验方法用延度仪测试高黏弹沥青的迟滞变形恢复能力(形状记忆能力)。18℃时将试样以5 cm/min速度拉伸至10 cm时停止，用剪刀将试样从中间剪断，取两个半截回缩试样轻轻捋直，测量试样的残留长度X。高黏弹沥青在水中的变形恢复试验见图4。图4(a)为18℃时拉伸至10 cm照片，图4(b)为30 s后迟滞变形恢复情况。变形恢复率计算式为

图4 变形恢复能力试验照片Fig.4 Displacement restoring capacity test photos

式中:D为试样变形恢复率;X为试样残留长度。

由试验结果知，18℃时高黏弹沥青变形恢复率为100%，而沥青阻尼片材料为91%，胶粉沥青为49%。主要因网络间扯动变形较分子链间滑动更易恢复。

4 阻尼结构设计

4.1 高黏弹沥青阻尼垫外形设计

为更大程度提高系统的隔震性能，将沥青设计为圆筒形大阻尼隔震垫，主要考虑:① 对圆柱状隔震垫结构，随压缩变形增加其刚度渐硬特征表现较明显，而筒状结构则在一定程度上削弱此特性;② 随隔震垫快速变形圆筒中心空气会通过缝隙被排出或吸入，由于空气黏滞特性，会增加隔震垫的阻尼性能;③ 端联板可方便将隔震垫与结构底板与房间地板连接，使隔震垫既能压缩也能拉伸，从而增加单次震动能量消耗。

由于黏弹性阻尼材料损耗因子足够大，其阻尼力足够，因此对大阻尼隔震垫而言，阻尼结构设计主要为刚度设计。

4.2 系统刚度设计与阻尼比预估

由于高黏弹沥青易蠕变，需用与钢弹簧并联方式，主要起承重作用。试验模型的隔震系统由4个阻尼垫与16个弹簧(单个钢弹刚度12000 N/m)组成系统谐振频率，采用高黏弹沥青的动态复模量G*通过式(1)计算获得。

系统配重400kg/m2、谐振频率5 Hz时，可将阻尼垫尺寸设计成外径20 cm，内径12 cm，高度13.5 cm。而系统阻尼比ξ由式(2)计算获得。经计算，系统谐振频率约5 Hz，其中钢弹簧占系统总刚度的8%，系统阻尼比约 0.2。

5 室内冲击试验

室内冲击试验在我所爆炸冲击震动防护试验室进行，试验设备为爆炸冲击震动模拟试验台，见图5。试验台平面尺寸1.2 m ×1.7 m，最大承载力2 t，冲击波形近似单次半正弦波。

图5 爆炸冲击震动模拟试验台Fig.5 Blast vibration simulation test bench

本文进行温度10℃、18℃及25℃的室内冲击震动试验，整个试验模型为1 m2，隔震原件共由4个沥青阻尼垫(外径20 cm，内径12 cm，高13.5 cm)与16个弹簧构成，配重由上层钢板提供，质量400kg，与隔震原件通过螺杆紧密连接，见图6。在冲击台及配重钢板上分别均匀布设6个加速度传感器，见图7。试验结果见表7。部分试验的冲击、响应加速度时程曲线见图8、图9。

图6 室内冲击震动试验照片Fig.6 The impact vibration test indoor

图7 加速度测点布置平面示意图Fig.7 plane sketch of the arrangement of acceleration measuring point

表7 室内冲击震动试验结果Tab.7 Shock vibration test results indoor

由图8看出，室内冲击震动试验结果与数值计算结果基本相同，即隔震系统谐振频率为4～6 Hz，阻尼比为0.2～0.26，加速度隔震率为45% ～72%(主要受冲击震动强度影响，冲击震动强度越高隔震率越高，反之越低)。由此证明，本文阻尼垫设计方法具有一定正确性。而测量结果显示，温度较低时系统谐振频率较高，阻尼比较低，与高黏弹沥青不同时温条件下具有不同的力学性质有关。而表3中高黏弹沥青在10℃ ～35℃、5.62 Hz内的储能模量范围 0.28 ～1.95 MPa，低温高频时模量较高，高温低频时模量较低。由从震动响应曲线看出，25℃时震动周次为3～4，10℃时震动周次为2，此因高黏弹沥青阻尼垫阻尼比较高(普通隔震系统阻尼比为0.05～0.1)，能量消耗快，大幅减少震动周次，即减少工程内部人员与设备的累积损伤。图8(b)0.6 ～0.8 s与图9(b)0.3 ～0.4 s时均出现滞后性响应，可能由沥青材料的黏弹性(即应变滞后于应力)引起。

图8 25℃实测加速度时程曲线Fig.8 The measured acceleration time history curve at 25℃

图9 10℃实测加速度时程曲线Fig.9 The measured acceleration time history curve at 10℃

6 结论

(1)针对地下工程遭受冲击震动、地板隔震系统对阻尼材料低模量、高阻尼要求特点，通过沥青高黏弹改性机理分析，采用线型SBS、芳烃油及氧化剂共混改性方法，制备温敏性低、黏韧性好、弹性恢复率高、具有出相与相半互穿网络结构的高黏弹沥青材料。

(2)通过阻尼结构设计及室内冲击震动试验等方法，成功研制出高黏弹沥青圆筒式阻尼垫。该阻尼垫与钢弹簧并联用于地下工程冲击隔离防护时，系统隔震率可达70%，阻尼比高达0.26，可大幅减少地板震动周次、降低工程内部人机累积损伤。

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