废轮胎胶粉用于建筑物抗震
北京橡胶工业研究设计院 董诚春
一、概述
地震是一种突发性，频率高，难以预测的自然灾害，其危害性远远大于洪水，干旱及台风等灾害。全球平均每年可测到的地震次数超过500万次，其中7级以上的地震有17次，8级以上的地震有11次，有震级记录以来，级别最高是1960年5月22日发生在智利的大地震，震级达8.9级，释放的能量相当于10万颗1945年投到广岛的原子弹。地震引发的海啸以800km/h的速度横扫太平洋列岛，将巨大的舰船抛向空中，毁坏了大批港口设施，数十万人伤亡。1976年7月28日我国唐山大地震，震级达7.8，死亡24.24万人，重伤16.64万人，矿井倒塌，城市被毁。1995年1月17日日本阪神地区发生7.2级地震，死亡5千余人，伤3万余人，经济损失960多亿美元。2008年5月12日我国汶川大地震，震级达8.0级，死亡6万9千余人，失踪1万8千余人，37万4千余人受伤，震中房屋几乎全倒塌，公路，铁路及桥梁严重被毁。
更可怕的是地震引起的次级灾害，其损失往往超过地震本身所造成的损失，如美国旧金山大地震引起的大火烧了3天3夜，火灾损失是地震的十倍以上。日本关东大地震，房屋倒塌80%，引起了200多起火灾，死亡15万余人，其中90%是被烧死的。我国汶川大地震引起的山体滑坡，造成200多处堰塞湖，最大的是唐家山，档水数千亿立方米，我国动用了大量的人力物力及炸药，才排除了险情。如果不及时排除，将造成比地震更严重的损失。
二、建筑物抗震发展史
建筑物如何抗震，古今中外采用的方法不少，大体上不外乎两种，一为刚法，就是大大增加建筑物结构的刚度，我国在唐山大地震后, 对许多建筑物进行了加固，就是采用刚法，这对于强度不高的地震有一定的效果，但对于高级别地震，则无济于事，增加建筑物结构刚度，造价高，技术上很难实现，经济上也不合理。二为柔法，就是大大降低建筑物的刚度以减小地震对建筑物的加速度反应降低地震荷载，但如果－味降低刚度，使建筑物变形过大，将影响其正常使用，这个方法实施起来难度很大。
实践中发现建筑物基础隔震是最有效的方法，所谓基础隔震，就是在建筑物结构底部与基础之间设置隔离层。使上部结构与固结于地基中的基础面分隔开，阻隔或减小地震波向上传递，使输入能量被隔离层吸收，从而保护建筑物的安全。常有这种情况，地震过后，框架结构的房屋倒了，而农村在基础下铺有－层芦苇的土房，却安然无恙或损坏较轻。
最早提出基础隔震概念的是日本学者河合浩藏，他在1891年发表在建筑杂志上的论文，提出要建一种“地震时不受大震的房屋”，他的方法是在地基上横竖交错摆放几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在基础上建房，采用较低的建筑物高度和三角形平面，将建筑物周围挖空，这样就可以隔断或减小地震波向建筑物的传递。
最早注册建筑物抗震技术专利是英国人J.A.Calantarients, 他于1909年首次提出以滑石或云母为基础隔震层，地震时建筑物可以滑动的方案。
以上两种方案，虽然不完善，但己包含基础隔震的概念。只是所用隔震材料有缺陷。
1923年东京大地震，幸免于难的为数极少的西式建筑物中，有一座“帝国饭店“，其基础竟是落在烂泥之上的，设计师就是考虑借淤泥来隔地震的。
我国以砂子作隔震材料，已建了几栋房屋试用。
用橡胶作为基础隔震材料始于20世纪60年代，1965年瑞士帮南斯拉夫重建被地震破坏的贝斯特洛奇小学，首次用橡胶作隔震支座，当时未使用夹层钢板，竖向刚度小是一大缺点。70年代初，新西兰学者R.T.Skiner等率先开发出铅芯橡胶支座，1984年建成的四层惠灵顿政府办公大楼，是世界上首座以铅芯橡胶支座作隔震材料的建筑物。随后美、英、法、日、意等国陆续建成400栋以铅芯橡胶支座作隔震材料的建筑物。
基础隔震设计的两个杰出范例如下：
1、1994年1月17日，美国洛杉矶大地震，南加利福尼亚大学校医院，由于使用了橡胶隔震支座，没有受到破坏，隔震效果良好，然而附近类似的建筑物受到严重破坏。
2、1995年1月17日, 日本阪神地区大地震，地震前建造了两座三层钢筋混凝土结构的楼房，一座为办公楼，另一座为实验楼。办公楼按传统抗震设计，未安装减震装置；实验楼安装叠层橡胶支座减震。地震时测得地面震动峰值加速度为0.278g, , 支座上部建筑物结构震动峰值加速度为0.151g,，屋顶加速度为0.202g,。邻近办公楼屋顶加速度为0.985g,, 几乎高出5倍，地震后内部设施凌乱，书架倾斜，物品散落，天棚坠落；实验楼安然无恙，减震效果极好。震后当年日本就新建了87座安装有叠层橡胶支座的棱房，第二年建了217栋。
以上实例说明，应用橡胶钢板叠层支座为隔震元件建的房屋，能有效抗御大的地震灾害，避免生命财产的巨大损失。日本是采用橡胶钢板叠层支座隔震最多的国家，至2005年己建成1600栋房屋，我国己建成570栋房屋。
我国是地球上地震多发国家之一，20世纪每年平均发生5级以上地震20次，6级以上4次，7级以上，每3年2次，我国陆地面积占全球陆地面积的1/14，每年地震发生的次数，却占1/3。20世纪，全球地震死亡120万人，我国就有60万，占1/2，建国以来死亡28万人（不包括2008年5月12日汶川大地震）。我国国土面积一半处于地震活跃区，开展隔震技术的研究对保护人民生命财产安全有重大现实意义。目前已先后在西昌、乌鲁木齐、张家口及天津等地建成一批用橡胶钢板叠层支座为隔震元件的建筑物，今后还将会有更多的这类隔震建筑物建成投入使用。
三、橡胶支座隔震原理
橡胶支座隔震的原理是在建筑物基础上安装橡胶支座，利用橡胶支座的水平柔性变形，吸收或消耗地震能量，阻止或减小地震能量向上部结构传递，以减轻地震对上部结构的反应。据有关资料报道，安装橡胶支座的建筑物，地震对该建筑物的破坏能量可降低1/3～1/5。
四、橡胶钢板叠层支座的结构
橡胶钢板叠层支座是由多层橡胶片与多层钢板交替叠合经模压硫化而成，见图1，为了便于安装施工，在其上下有金属法兰盘，产品呈圆柱状，直径为500～1600mm, 高度为200～500mm,,每层胶片厚度为5～10mm, 钢板厚度为2～5mm,有20～40层胶片与钢板叠合而成。日本已制订橡胶钢板叠层支座的技术标准，要求橡胶与钢板粘结牢固，橡胶的耐老化性能，通常要求达到60年以上，其规格由建筑设计师提出，由橡胶制品厂生产，安装于建筑物与基础之间，当受到地震波冲击时，橡胶产生横向变形，但受钢板约束，不会产生巨大的位移，形成竖向刚、横向柔的特性，竖向刚可确保有承载力，能支承建筑物的重量，横向柔使之有一定的变形能力，当大地震发生时，橡胶可吸收或减弱地震波的能量，因此，可减轻地震波对建筑物的损坏或完全无损。
关于橡胶钢板叠层支座的耐久性，英国于1957年在桥墩下安装了橡胶钢板叠层支座，于37年后取出两个进行检测，发现其压缩刚度变化仅为5%和15%，剪切刚度变化仅为7%，氧化仅发生在离表面10~20mm很小的范围内，据此推断，按当年的橡胶配方及生产工艺制造的产品，可以满足60年的使用寿命。现代的橡胶配方及生产工艺，又有了突飞猛进，笔者认为80年的使用寿命也不会有问题，因现代开发研制成功的高分子材料及防老剂有了极大进展，现在如用三元乙丙橡胶或丁基橡胶，其耐老化性能至少超过当时使用的天然橡胶一倍以上。
图1 橡胶钢板叠层支座基本结构示意图
示意图说明：
1 -- 黑色为橡胶， 2 -- 上下为厚钢板，3 -- 中间为薄钢板。
注：1、规格由建筑设计师提供。
2、此图自上至下在横线上写1，2，3。
五、废轮胎胶粉用于建筑物抗震
废轮胎制成的胶粉、胶粒可用于建筑物抗震，从建筑物抗震发展史可知，历史上用烂泥、芦苇、砂子等作为隔震材料起到了一定的抗震作用，例如，1923年东京大地震，当时帝国饭店没有倒塌，其原因是基础落在烂泥之上，设计师就是考虑借淤泥来隔地震的。笔者认为用废橡胶粉作隔震材料必定优于烂泥、芦苇、砂子等材料。据悉; 韩国近年己用不同粒径的胶粉与聚氨酯粘合剂混合，再模压硫化制成立方体或圆柱体，见图2和图3，安装在桥墩与基础之间作隔震元件，效果良好。因此，笔者建议我国再生胶及橡胶制品企业与建筑设计及桥梁设计院联合共同开发研制应用胶粉作为桥墩及建筑物的隔震材料。一方面胶粉作为普通民用建筑物的隔震材料造价低廉，另一方面可大量消耗废轮胎等橡胶制品，减少对环境的污染，更重要的是可减少因地震造成的损失。其方案如下：
图2 立方体胶粉隔震元件示意图
注：规格由建筑设计师提供。
图3 圆柱体胶粉隔震元件示意图
注：规格由建筑设计师提供。
废轮胎胶粉可以下两种形式作房屋和桥墩减震：
1、以不同粒径的胶粉替代烂泥、芦苇、砂子等摊铺在基础之下作为隔震材料可建农村平房及三层以下楼房，其摊铺胶粉的厚度及面积由建筑设计师确定。
2、以不同粒径的胶粉制成圆柱体（见图3）或立方体（见图2）的隔震元件，替代价格昂贵的橡胶钢板叠层支座，安装于基础与普通民用建筑物之间。制法如下：
①配方：
配方A：
未脱硫胶粉 100,聚氨酯粘合剂 25~30。搅拌均匀即可装模硫化。
配方B：
已脱硫胶粉（连续塑化机脱硫） 100,促进剂 1.5·2.5，硫磺 2.0~3.0，防老剂 2.0~3.0，增粘剂（松焦油） 5~10，填料（轻钙或陶土） 适量。
以上原料经搅拌均匀后挤出成型，再装模用平板硫化机硫化。
注：配方A生产工艺简单，但成本高于配方B，而且配方B的耐老化性能优于配方A。
②硫化：根据产品的规格选择平板硫化机并确定硫化条件。
注：1、产品规格由建筑设计师提供。
2、配方A需用柱塞式模具硫化，因胶粉疏松体积大，密度小，装模体积大，经压缩后达到成品的体积。
六、结语
1、地震是最严重的自然灾害，桥梁及房屋抗震尤为重要，可减少人民生命财产损失。
2、普通民用房屋，建议采用胶粉及其制品作隔震材料，一方面造价低廉，另一方面可大量消耗废轮胎等橡胶制品，减少对环境的污染，更重要的是可减少因地震造成人的生命及财产的损失。
3、废轮胎等橡胶制品经破碎研磨成胶粉，其用量最大的领域，就是作为建筑物的隔震材料及改性沥青修建公路，铁路等领域。
主要参考文献
1、吕百龄主编，实用橡胶手册，吕百龄编第25章，1067~1076，化学工业出版社，2001。
2、董诚春编著，废橡胶资源综合利用，第五章，165~185，化学工业出版社，2005。
3、董诚春编著，废轮胎回收加工利用，化学工业出版社，2008。
4、阴朝民，建国后地震造成28万人死亡，中国新闻网，2008-07-19。
5、刘世平，建筑减震橡胶发展动向，中国橡胶，2008，14，7～9
6、刘祖立，新型建筑物抗震体系，内部文献总结，未公开发表。
作者简介∶ 董诚春 男 北京橡胶工业研究设计院高级工程师(已退休)，从事各种橡胶制品及废橡胶综合利用的研究开发工作，在橡胶专业期刊上发表论文有六十余篇，参加合编了六本橡胶专业书籍的有关章节，独自编著了《废橡胶资源综合利用》及《废轮胎回收加工利用》。
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