一种盾构隧道隔震用低模量高阻尼橡胶及其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于橡胶材料领域和地铁盾构隧道工程领域，更具体地，涉及一种盾构隧道隔震用低模量高阻尼橡胶及其制备和应用。其结合盾构隧道本身的特点，对盾构隧道隔震层材料及结构进行针对性重新选择和设计，特别选择一种低模量高阻尼橡胶材料作为盾构隧道隔震层，设置于盾构隧道土体和隧道管片之间，该隔震橡胶层能够有效实现对盾构隧道等地下结构的隔震和高阻尼比，同时在一定程度上增强隧道的防水性能，尤其适用于城市地铁盾构隧道的隔震。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道隔震用低模量高阻尼橡胶及其制备和应用
本专利技术属于橡胶材料领域和地铁盾构隧道工程领域，更具体地，涉及一种盾构隧道隔震用低模量高阻尼橡胶及其制备和应用。
技术介绍
随着国内地下空间的开发利用，我国已修建大量地铁隧道，且在建隧道里程仍在高速增长。盾构法具有机械化程度高、对周边环境影响小、施工安全快速等诸多优点，已经成为地铁隧道的主流施工方法。我国地震带分布广泛，特别是已建地铁的众多大城市都位于不同的地震带上。例如，北京、天津等位于华北平原地震带上，广州、厦门等位于华南高烈度地震区，成都、昆明等位于青藏高原地震区。今后若干年内，我国还将处于地铁发展的高峰期，大量地铁盾构隧道不可避免地将会位于高烈度地震区甚至靠近地震断层，面临着严重的震害威胁。同其它类型隧道相比，盾构隧道是用螺栓将预制管片拼装而成的装配式结构，管片之间存在大量接头，使其受力变形特征变得十分复杂。加之盾构隧道穿越的地层条件一般比较复杂，更容易在地震时受到土体的影响，这就加大了盾构隧道抗震设计的难度。目前，国内外盾构隧道抗震方法主要有两种，第一是通过壁后注浆，提高围岩刚度，以减小盾构隧道的地震位移量；第二是设置柔性接头，提高管片变形能力。但是，壁后注浆质量难以保证，注浆压力不易控制；而设置柔性接头，在强地震作用下，可能导致盾构隧道管片的环间变形量过大。市场上传统的对于建筑或桥梁的隔震，通常采用橡胶与钢板的叠合体材料，这种隔震材料不适用于盾构隧道的隔震；另一方面用于建筑或桥梁的传统橡胶隔震材料虽然具有一定的阻尼比，能够提供一定的地震耗能效果，但理论分析表明这种橡胶会导致盾构隧道隔震效果的下降。因此如何获得适用于盾构隧道的隔震层材料以提高盾构隧道的隔震效果，是目前迫切需要解决的技术难题。另外，由于盾构隧道是一种装配式结构，其接头位置也是隧道防水的薄弱部位。在铁路隧道及公路隧道中，主要使用螺栓密封来进行螺栓孔的防水处理。所使用的密封用垫圈有遇水膨胀橡胶圈。但在实际在螺栓拧紧过程中，由于螺栓拧紧量过大或过小，遇水膨胀橡胶圈的性能不能完全发挥，且遇水膨胀材料的耐久性往往不能得到保证。因此，如何提高盾构隧道的防水性能是目前需要解决的另外一个技术难题。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种盾构隧道隔震用低模量高阻尼橡胶及其制备和应用，其结合盾构隧道本身的特点，对盾构隧道隔震层材料及结构进行针对性重新选择和设计，特别选择一种低模量高阻尼橡胶材料作为盾构隧道隔震层，设置于盾构隧道土体和隧道管片之间，该隔震橡胶层能够有效实现对盾构隧道等地下结构较好的隔震效果和高阻尼比，同时在一定程度上增强隧道的防水性能，尤其适用于城市地铁盾构隧道的隔震。为实现上述目的，本专利技术提供了一种用于盾构隧道隔震的低模量高阻尼橡胶，其包括天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶，其剪切模量≤0.5MPa，阻尼系数在150％剪应变时≥10％。优选地，所述橡胶其剪切模量为0.35MPa-0.45MPa，阻尼系数在150％剪应变时≥15％。优选地，所述天然橡胶混炼胶为由天然橡胶生胶与第一配合剂混合后经混炼得到，所述第一配合剂包括活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种。优选地，所述氯化丁基橡胶混炼胶为由氯化丁基橡胶生胶与第二配合剂混合后经混炼得到，所述第二配合剂包括石油树脂、活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种。优选地，所述天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶的重量比为1:2-2:1。进一步优选地，所述天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶的重量比为1:1-1.5:1。优选地，所述橡胶还包括第三配合剂，所述第三配合剂包括炭黑、纳米级硬沥青颗粒、增塑剂、防老剂、抗氧剂、阻尼填料与交联剂中的一种或多种。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的橡胶的制备方法，包括如下步骤：(1)对天然橡胶生胶进行塑炼，控制塑炼温度40-50℃，加入第一配合剂，混炼得到天然橡胶混炼胶；所述第一配合剂包括活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种；(2)对氯化丁基橡胶生胶进行塑炼，控制塑炼温度40-50℃，加入第二配合剂，混炼得到氯化丁基橡胶混炼胶；所述第二配合剂包括石油树脂、活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种；(3)将所述天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶混合后，加入第三配合剂，混合均匀，得到混合混炼胶；所述第三配合剂包括炭黑、纳米级硬沥青颗粒、增塑剂、防老剂、抗氧剂、阻尼填料与交联剂中的一种或多种；(4)将所述混合混炼胶硫化成型，得到所述低模量高阻尼橡胶。优选地，步骤(4)所述硫化成型具体为：将所述混合混炼胶连续进行两次硫化加热，第一次硫化加热温度为160-180℃，加热时间为1.5-2小时；第二次硫化加热温度为150-160℃，加热时间为4-5小时。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的低模量高阻尼橡胶的应用，用于盾构隧道隔震。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种盾构隧道隔震结构体，其包括所述的低模量高阻尼橡胶。优选地，该结构体由外到内依次为土体、隔震层以及隧道管片衬砌；所述隔震层采用的材料为所述的低模量高阻尼橡胶。优选地，所述隔震层的厚度为15cm-30cm。优选地，所述隔震层由若干分段设置的隔震片层依次连接构成，每段所述隔震片层的宽度与所述管片衬砌中每段管片的宽度相同，其宽度为1.2-1.5米。优选地，所述隔震片层之间的环缝与所述管片衬砌的横向接缝交错设置。优选地，所述隔震片层之间的任一个环缝与和其相邻的管片衬砌横向接缝之间的距离为每段管片宽度的一半。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术以氯化丁基橡胶和天然橡胶为生胶基体，获得了一种高阻尼低模量的隔震橡胶，在保证橡胶阻尼性能的同时，控制了橡胶的剪切模量和硬度，特别适合盾构隧道隔震。(2)本专利技术通过在管片外侧设置低模量高阻尼隔震橡胶，使盾构隧道管片衬砌能够更好地适应地震动作用下的地层变形，避免了管片与地下岩层的硬性接触，防止管片变形及接缝张开过大，使管片的内力分布更加均匀，同时通过橡胶的往复变形能够消耗输入到盾构隧道的部分地震动能量。(3)本专利技术提供的低模量高阻尼橡胶材料，易于取得原材料，制造成本可控，同时提高了橡胶在盾构隧道中的隔震效果。(4)本专利技术在橡胶材料制备过程中，通过向生胶基体中添加炭黑和纳米级硬沥青颗粒，保证了在150％应变时其等效阻尼比可以达到15％以上。(5)本专利技术橡胶隔震层在施工中采用分段设置，降低了施工难度，使其施工质量较易控制，确保隧道结构能够达到预期的隔震效果。(6)本专利技术将低模量高阻尼橡胶应用于盾构隧道隔震，实验证明相对于传统的橡胶隔震材料，其隧道管片的最大位移和最大加速度降低约6-8％，最大拉应力和最大剪应力降低10-12％，隔震效果显著提升。(7)本专利技术提供的一种盾构隧道隔震结构，其在隧道管片和土体之间设置由本专利技术提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于盾构隧道隔震的低模量高阻尼橡胶，其特征在于，其包括天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶，其剪切模量≤0.5MPa，阻尼系数在150％剪应变时≥10％。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于盾构隧道隔震的低模量高阻尼橡胶，其特征在于，其包括天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶，其剪切模量≤0.5MPa，阻尼系数在150％剪应变时≥10％。


2.如权利要求1所述的橡胶，其特征在于，其剪切模量为0.35MPa-0.45MPa，阻尼系数在150％剪应变时≥15％。


3.如权利要求1所述的橡胶，其特征在于，所述天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶的重量比为1:2-2:1。


4.如权利要求1至3任一项所述的橡胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对天然橡胶生胶进行塑炼，控制塑炼温度40-50℃，加入第一配合剂，混炼得到天然橡胶混炼胶；所述第一配合剂包括活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种；
(2)对氯化丁基橡胶生胶进行塑炼，控制塑炼温度40-50℃，加入第二配合剂，混炼得到氯化丁基橡胶混炼胶；所述第二配合剂包括石油树脂、活性氧化锌、促进剂、炭黑和硫磺中的一种或多种；
(3)将所述天然橡胶混炼胶和氯化丁基橡胶混炼胶混合后，加入第三配合剂，混合均匀，得到混合混炼胶；所述第三配合剂包括炭黑、纳米级硬沥青颗粒、增塑剂、防老剂、抗氧剂、阻尼填料与交联剂中的一种或多种；
(4)将所述混合混炼胶硫化成型，得到所述低模量高阻尼橡胶。
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【专利技术属性】
技术研发人员：魏威，袁涌，陈健，资道铭，李琛，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42