A neoprén (polikloroprén) egy szintetikus gumi, amelyet széles körben alkalmaznak hídkészülékekben, nyomási hézagtömítésekben és alátétlemezekben az időjárás- ózon- olaj- és mérsékelt hőmérséklet-állósága miatt. A neoprén öregedése – repedezés, merevedés, maradó alakváltozás – kulcsfontosságú vizsgálati megállapítás. Ismerteti a neoprén tulajdonságait, az alátétlemez-specifikációkat, a károsodási mechanizmusokat és a vizsgálati szempontokat.
A neoprén a polikloroprén (CR) kereskedelmi neve, a szintetikus gumik egy családjának, amelyeket klórprenek (2-klór-1,3-butadién) emulziós polimerizációjával állítanak elő. A DuPont tudósai találták fel 1930-ban, mint az első kereskedelmileg sikeres szintetikus elasztomert, a neoprént az olajálló gumi alternatíva iránti igényre válaszul fejlesztették ki. A polikloroprén molekulaszerkezetére jellemző, hogy minden monomeregységhez egy klóratom kapcsolódik, ami biztosítja az anyag jellegzetes vegyszerállósági tulajdonságait. A polimer gerincét túlnyomórészt transz-1,4-polikloroprén konfigurációs egységek alkotják, ahol a klóratomok polaritást hoznak létre, csökkentve az anyag reakciókészségét az ózonnal és szénhidrogén olajokkal szemben.
A neoprén fizikai és mechanikai tulajdonságai kivételesen alkalmassá teszik hídcsapágy alkalmazásokhoz. A hídcsapágyakban használt neoprén vegyületek jellemzően 50 és 70 közötti Shore A keménységet mutatnak, az AASHTO M251 és ASTM D4014 szabványok szerint. Ez a keménységi tartomány optimális egyensúlyt biztosít a teherbíró képesség és a nyírási alakváltozáson keresztüli mozgásbefogadás között. A neoprén hídcsapágy vegyületek szakítószilárdsága jellemzően 17,2 MPa (2500 psi) és 20,7 MPa (3000 psi) között van, ha az ASTM D412 szerint vizsgálják. A minimális szakadási nyúlást 350 százalékban határozzák meg a neoprén vegyületekre hőöregítés után, biztosítva, hogy az anyag megfelelő hajlékonyságot tartson fenn a teljes élettartama alatt.
A neoprén nyírási modulusa (G) a kritikus tervezési paraméter a csapágyalátétekhez. Az AASHTO LRFD Hídtervezési Előírások, 14.7.5.2 szakasza az elasztomer csapágyak nyírási modulusának tartományát 0,55 MPa (80 psi) és 1,38 MPa (200 psi) között határozza meg 73°F (23°C) hőmérsékleten. A leggyakrabban előírt érték a hídcsapágy tervezésben 0,90 MPa (130 psi) 73°F-on, amely egyensúlyt biztosít a függőleges teherbíráshoz szükséges merevség és a vízszintes mozgásokhoz szükséges rugalmasság között. A nyírási modulust a hőmérséklet befolyásolja – a neoprén alacsony hőmérsékleten merevebbé, magas hőmérsékleten puhábbá válik. A neoprén nyírási modulusának hőmérséklet-korrekciós tényezője körülbelül 0,2 százalék Fahrenheit-fokonként a 73°F referencia-hőmérséklet felett vagy alatt, ami azt jelenti, hogy egy 0°F (-18°C) hőmérsékletű csapágy nyírási modulusa 15 százalékkal magasabb lehet, mint szobahőmérsékletű értéke.
A neoprén kiemelkedő ózon- és időjárás-állóságot mutat, ami az elsődleges oka a hídcsapágy alkalmazásokban való dominanciájának. Az ózon (O₃) a légkörben jellemzően 0,01 és 0,10 ppm (parts per million) közötti koncentrációban van jelen vidéki területeken, és akár 0,50 ppm koncentrációban városi környezetben fotokémiai szmog esetén. Az ózonmolekulák erősen reaktívak és megtámadják az elasztomer polimer láncok telítetlen szén-szén kettős kötéseit. A neoprén molekulaszerkezetében lévő klóratomok csökkentik a kettős kötések elektronsűrűségét, így azok kevésbé érzékenyek az ózon támadására a természetes gumihoz vagy a sztirol-butadién gumihoz (SBR) képest. Az ASTM D1149 szerinti gyorsított ózonállósági vizsgálat megköveteli, hogy a neoprén minták 168 órás, 50 ppm ózonkoncentrációnak és 20 százalékos nyúlásnak való kitétel után ne mutassanak repedezést – ez egy olyan vizsgálat, amelyen a természetes gumi jellemzően órákon belül megbukik.
A neoprén üzemi hőmérsékleti tartománya hídalkalmazásokban körülbelül -40°F (-40°C) és 200°F (93°C) között terjed. A polikloroprén üvegesedési hőmérséklete (Tg) körülbelül -45°C (-49°F), ez alatt a polimer rugalmas elasztomer állapotból merev üvegszerű állapotba megy át. A törékenységi hőmérséklet az ASTM D2137 szerint jellemzően -35°C és -45°C között van, a konkrét vegyület összetételétől függően. A hőmérsékleti tartomány felső végén a neoprén termikus oxidációnak kezd kitenni tartósan 250°F (121°C) feletti hőmérsékleten, bár ez a hőmérséklet ritkán fordul elő a hídcsapágy szolgálatban. Az üzemi hőmérsékleti tartomány tehát minden, a legszélsőségesebb hideg éghajlatú hídhelyszín kivételével megfelelő, ahol speciális alacsony hőmérsékletű neoprén vegyületek vagy alternatív anyagok írhatók elő.
A neoprén jó ellenállást mutat az olajokkal, zsírokkal és vegyi anyagokkal szemben, amelyekkel a hídszerkezeteken gyakran találkozhat. Ez magában foglalja a hidraulikus folyadékokkal, kenőolajokkal, dízelüzemanyaggal, benzinnel, útsóval (nátrium-klorid és kalcium-klorid oldatok) és híg savakkal szembeni ellenállást. A megfelelően összeállított neoprén térfogati duzzadása ASTM 1. számú olajba (IRM 901) merítve 70 órán át 212°F (100°C) hőmérsékleten maximum 10 százalékra korlátozódik az ASTM D471 szerint. ASTM 3. számú olajba (IRM 903) merítve a térfogati duzzadás maximum 35 százalékra korlátozódik. Ez az olajállóság elengedhetetlen a gépjármű folyadék szivárgásoknak kitett területeken lévő hídcsapágyak esetében, mint például utak felett vagy parkolóházakban.
Az alábbi táblázat összefoglalja a neoprén legfontosabb fizikai és mechanikai tulajdonságait hídcsapágy alkalmazásokhoz:
| Tulajdonság | Jellemző érték | Vizsgálati módszer | AASHTO M251 követelmény |
|---|---|---|---|
| Shore A keménység | 50-70 | ASTM D2240 | 60 ± 5 |
| Szakítószilárdság (min.) | 17,2 MPa (2500 psi) | ASTM D412 | 15,0 MPa (2175 psi) |
| Szakadási nyúlás (min.) | 400% | ASTM D412 | 350% öregítés után |
| Nyomási maradó alakváltozás (max.) | 25% | ASTM D395 B módszer | 35% max. 22 óra után 212°F-on |
| Nyírási modulus G 73°F-on | 0,55-1,38 MPa (80-200 psi) | ASTM D4014 | Tervezési előírás szerint |
| Ózonállóság | Nincs repedés | ASTM D1149 | Nincs repedés 168 óra után 50 pphm-nél |
| Alacsony hőmérsékleti törékenység | <-40°F | ASTM D2137 | Nincs tönkremenetel -40°F-on |
| Olajállóság (1. sz. olaj) | <10% duzzadás | ASTM D471 | Szerződéses előírás szerint |
A neoprén kiválasztása a természetes gumi helyett hídcsapágy- és hézagtömítési alkalmazásokhoz a két elasztomer alapvetően eltérő vegyszerállósági és öregedési jellemzői alapján történik. A természetes gumi (NR) – a Hevea brasiliensis fák latexéből származó poliizoprén – molekulaszerkezete ismétlődő izoprén egységekből (C₅H₈) áll, cisz-1,4 konfigurációban. Ez a szerkezet szén-szén kettős kötéseket tartalmaz a polimer gerincében, amelyek erősen érzékenyek az ózon támadására, a termikus oxidációra és az UV-károsodásra. A neoprén az izoprén egységen lévő metilcsoportot klóratomra cseréli, olyan polimert hozva létre, amely eredendően ellenáll az oxidatív és ózon támadásnak, miközben megőrzi elasztomer tulajdonságait.
Az ózonállóság a legfontosabb megkülönböztető tényező a neoprén és a természetes gumi között a hídalkalmazásokban. A légköri ózonkoncentráció már 0,01 ppm értéke is látható repedezést okozhat a természetes gumi órákon belül, ha a gumi húzófeszültség alatt van – ez az állapot mindig fennáll a terhelt hídcsapágyakban. Ezzel szemben a neoprén folyamatos 0,50 ppm ózonkoncentrációnak való kitettséget is hosszabb ideig elvisel repedezés nélkül. Az FHWA (Szövetségi Közútügyi Hivatal) kifejezetten az ózonállósági előny miatt ajánlja a neoprént minden kültéri hídcsapágy alkalmazáshoz. A viasz vagy kémiai antiozonáns adalékokkal védett természetes gumi hídcsapágyak megfelelő élettartamot biztosíthatnak, de a védő adalékok idővel elhasználódnak párolgás, kimosódás és kémiai fogyás révén, így a gumi védtelenné válik, amint a védőréteg kimerül.
Az időjárás- és UV-állóság összehasonlításában továbbra is a neoprén az előnyösebb. A neoprénben lévő klóratomok elnyelik az ultraibolya sugárzást a 300-340 nm hullámhossz-tartományban, a hőt disszipálva, ahelyett hogy hagynák, hogy az megszakítsa a polimer kötéseit. A természetes gumi nem rendelkezik ezzel az UV-elnyelő képességgel, és gyors felületi lebomlást szenved, ha közvetlen napfénynek van kitéve. A természetes gumi felületi fotooxidációja kemény, törékeny réteget hoz létre, amely a hídcsapágyak hajlító mozgásai hatására megreped, repedéskezdeményezési pontokat hozva létre, amelyek a mögöttes anyagba terjednek. A hídfelszerkezet alatti hídcsapágyak változó mértékű UV-kitettségnek vannak kitéve a híd tájolásától, a gerenda magasságától és a szélességi foktól függően – a neoprén megbízható teljesítményt nyújt az UV-kitettség körülményeitől függetlenül.
Az olaj- és vegyszerállóság határozottan a neoprént részesíti előnyben a hídalkalmazásokban. A hídcsapágyak és hézagtömítések ki vannak téve szivárgó gépjárműfolyadékoknak, útfélsóknak és légköri szennyező anyagoknak. A természetes gumi gyenge ellenállást mutat az ásványi olajokkal, benzinnel és dízelüzemanyaggal szemben – e folyadékok felszívódása jelentős duzzadást okoz (akár 100 százalékos térfogatnövekedést a természetes gumi esetében, szemben a neoprén 10 százalékánál kisebb mértékűvel), ami csökkenti a csapágy modulusát és méretstabilitását. Az olajfelvételből származó duzzadás hatására a természetes gumi csapágyalátétek az ülkezési területükön túlra tágulhatnak és kipréselődhetnek, veszélyeztetve a csapágy függőleges teherhordó képességét. Az útsó oldatok (NaCl, CaCl₂, MgCl₂) felgyorsítják a természetes gumi lebomlását ozmotikus hatások és a polimerrel való kémiai reakció révén, míg a neoprén megőrzi tulajdonságait folyamatos sós vízbe merítésben is.
A mechanikai tulajdonságok tekintetében a természetes gumi bizonyos előnyökkel rendelkezik, amelyek védett beltéri alkalmazásokban kihasználhatók. A természetes gumi nagyobb szakítószilárdságot (jellemzően 27,6 MPa vagy 4000 psi, szemben a neoprén 20,7 MPa vagy 3000 psi értékével), nagyobb szakadásállóságot és kisebb hiszterézist (kisebb belső hőfejlődést ciklikus terhelés alatt) mutat. A természetes gumi emellett jobb alacsony hőmérsékleti rugalmasságot is megőriz, üvegesedési hőmérséklete körülbelül -60°C (-76°F), szemben a neoprén -45°C értékével. Azonban a természetes gumi szakítószilárdsági előnyére nincs szükség a hídcsapágy alkalmazásokban, mivel a csapágyakban a tervezési feszültségeket a nyírási alakváltozási szempontok korlátozzák a szakítószilárdság helyett. A természetes gumi alacsony hőmérsékleti rugalmassági előnye releváns a sarkvidéki és szubarktikus éghajlatú hidak esetében, de a neoprén kiváló öregedésállósága miatt továbbra is ez az előnyben részesített anyag ezekben a környezetekben.
A költségmegfontolások alapján a neoprén körülbelül 1,5-2,5-szer drágább, mint a természetes gumi nyersanyagköltség-alapon. Ha azonban a teljes életciklus-költséget vesszük figyelembe – beleértve a vizsgálat, karbantartás és csere költségét egy 75 éves híd tervezési élettartam alatt – a neoprén csapágyak jelentősen gazdaságosabbak. A neoprén hídcsapágy jellemző élettartama mérsékelt éghajlaton 30-50 év, szemben a természetes gumi csapágyak 10-25 éves élettartamával ugyanabban a környezetben. A neoprén meghosszabbított élettartama kiküszöböli a költséges csapágycsere-műveletek szükségességét, amelyek a hídfelszerkezet megemelését és a forgalom zavarását igénylik.
Az alábbi táblázat mennyiségi összehasonlítást nyújt a neoprén és a természetes gumi tulajdonságairól hídalkalmazásokhoz:
| Tulajdonság | Neoprén (CR) | Természetes gumi (NR) | Előny |
|---|---|---|---|
| Ózonállóság (50 pphm, 20% nyúlás) | Nincs repedés >168 óra | Repedezés órákon belül | Neoprén |
| Szakítószilárdság (MPa) | 17,2-20,7 | 24,1-31,0 | Természetes gumi |
| Szakadási nyúlás (%) | 400-600 | 500-700 | Természetes gumi |
| Olajállóság (3. sz. olaj duzzadás %) | <35 | >100 | Neoprén |
| Folyamatos üzemi hőmérséklet (°C) | -40 és 93 között | -55 és 70 között | Neoprén |
| UV-állóság | Kiváló | Gyenge | Neoprén |
| Szakadásállóság | Jó | Kiváló | Természetes gumi |
| Relatív anyagköltség | 1,5-2,5x | 1,0x | Természetes gumi |
| Jellemző híd élettartam (év) | 30-50 | 10-25 | Neoprén |
A sima neoprén csapágyalátéteket – más néven nem erősített elasztomer csapágyalátéteket – tömör téglalap alakú neoprén gumi blokkok alkotják, amelyeket hídgerendák és tartók alatt használnak kis mozgások és elfordulások befogadására, miközben elosztják a függőleges terheket. Ezeket az alátéteket viszonylag kis függőleges terhelésű, korlátozott mozgásigényű szerkezetekhez írják elő, ahol a csapágy hozzáférhető a vizsgálathoz és cseréhez. A sima alátétek úgy működnek, hogy függőlegesen összenyomódnak terhelés alatt, és vízszintesen elnyíródnak a hídfelszerkezet hőtágulásának és összehúzódásának befogadására. A sima neoprén csapágyalátétek tervezése az AASHTO LRFD Hídtervezési Előírások 14.7.5. szakasza és az AASHTO M251 előírásai szerint történik.
A sima neoprén csapágyalátét függőleges teherbíró képességét a megengedett nyomófeszültség szabályozza, amely korlátozott a túlzott kidudorodás és kúszás megakadályozása érdekében. Az AASHTO LRFD 14.7.5.3.2 szakasza a sima elasztomer alátétek átlagos nyomófeszültségét 1000 psi-re (6,9 MPa) korlátozza az együttes állandó és hasznos tehernek kitett csapágyak esetében, további csökkentéssel 800 psi-re (5,5 MPa), ha csak az állandó teher plusz a hasznos teher egy része kerül figyelembevételre. A sima csapágyalátét alaktényezője (S) – amely a terhelt felület és a kidudorodni képes felület aránya – szabályozza a nyomási merevséget. Egy W szélességű, L hosszúságú és T teljes elasztomer vastagságú téglalap alakú alátét esetében az alaktényező a következőképpen számítható ki:
S = (W × L) / (2 × T × (W + L))
A magasabb alaktényező nagyobb oldalirányú kidudorodással szembeni ellenállást, és ezáltal nagyobb nyomási merevséget jelez. Az AASHTO M251 előírja, hogy a sima csapágyalátétek alaktényezője legalább 3,0 legyen az alátét hatékony működéséhez. A sima alátétek vastagsága jellemzően 1/4 hüvelyk (6 mm) és 2 hüvelyk (51 mm) között van, a vastagabb alátétek nagyobb mozgáskapacitást, de kisebb függőleges merevséget biztosítanak. A sima alátét vízszintes mozgáskapacitását az elasztomer nyírási alakváltozása korlátozza, amelyet az AASHTO maximum az elasztomer vastagság 50 százalékában határoz meg a szolgálati határállapotnál. Ez azt jelenti, hogy egy 1 hüvelykes sima alátét akár 0,5 hüvelyk (13 mm) vízszintes mozgást is befogadhat a hőtágulásból, kúszásból és zsugorodásból.
A sima alátét vastagságának tervezési szempontjait a mozgásigények határozzák meg. Az AASHTO LRFD 14.7.5.3.4 szakasza előírja, hogy a teljes elasztomer vastagságnak (T) meg kell felelnie a következőnek:
T ≥ 2 × Δₛ
ahol Δₛ a maximális vízszintes mozgás a csapágynál a szolgálati határállapot alatt. Ez biztosítja, hogy a γ = Δₛ/T nyírási alakváltozás ne haladja meg a 0,50-et (50 százalékot). A sima alátétek nyomási lehajlása az alátét vastagságának 7 százalékára korlátozódik az állandó teher plusz a hasznos teher egy része alatt, és 10 százalékra az összes teher kombinációja alatt. A túlzott nyomási lehajlás azt jelzi, hogy az alátét túlterhelt, vagy hogy az elasztomer vegyület keménysége nem elegendő.
A sima alátét instabilitása tervezési szempont a vastag, keskeny alátétek esetében. Az AASHTO LRFD 14.7.5.3.5 szakasza stabilitási követelményt ír elő az alátét karcsúsági aránya alapján. Az alátétnek meg kell felelnie a következőnek:
T ≤ (W/3) vagy T ≤ (L/3)
ahhoz, hogy az alátét stabilnak tekinthető a függőleges teher alatti kihajlással szemben. Ha ez a feltétel nem teljesül, a megengedett nyomófeszültséget csökkenteni kell egy stabilitási csökkentő tényező alkalmazásával. A gyakorlatban a legtöbb sima hídcsapágy-alátét szélesség-vastagság aránya legalább 5:1 a stabilitás biztosítása és az együttes függőleges és vízszintes terhek alatti átfordulás megakadályozása érdekében.
Az acéllemezes elasztomer csapágyak váltakozó neoprén rétegeket használnak, amelyek vékony acéllemezekhez vannak vulkanizálva, hogy drasztikusan növeljék a függőleges teherbíró képességet a vízszintes rugalmasság megőrzése mellett. Az acéllemezek megakadályozzák az elasztomer oldalirányú kidudorodását függőleges nyomás alatt, hatékonyan bezárva a gumit és növelve annak nyomási merevségét. A rétegzett csapágyak tervezését az AASHTO LRFD 14.7.6. szakasza és az AASHTO M251 szabályozza.
A rétegzett csapágyban lévő minden egyes belső elasztomer réteg egyedi sima alátétként működik, amelyet a felső és alsó oldalán lévő acéllemezek szorítanak vissza. Az alaktényezőt minden egyes elasztomer rétegre a rétegzett csapágyban ugyanazzal a képlettel számítják ki, mint a sima alátéteknél, de az egyedi réteg vastagságát (Tᵢ) használva a teljes alátét vastagság helyett. Az AASHTO előírja, hogy az egyes belső rétegek alaktényezője legalább 5,0 legyen, a felső és alsó fedőrétegek alaktényezője (amelyeknek csak egy kötött felületük van) legalább 3,0 legyen. Az egyedi réteg vastagsága jellemzően 3/8 hüvelyk (9,5 mm) és 1/2 hüvelyk (12,7 mm) között van, az 1/2 hüvelyk a leggyakoribb. A vékonyabb rétegek magasabb alaktényezőt és nagyobb nyomási merevséget eredményeznek, de növelik a gyártási költséget és csökkentik a mozgáskapacitást.
A rétegzett csapágyak megengedett nyomófeszültsége lényegesen magasabb, mint a sima alátéteké. Az AASHTO LRFD 14.7.6.3.2 szakasza az átlagos nyomófeszültséget 1200 psi-re (8,3 MPa) korlátozza az olyan csapágyaknál, amelyek nincsenek elfordulásnak kitéve, és 1500 psi-re (10,3 MPa) az olyan csapágyaknál, amelyek szabadon elfordulhatnak (csapágyvégű vagy billenő típusú kapcsolatok). A magasabb megengedett feszültség a szabadon elforduló csapágyaknál a feszültségeloszlás egyenletességet tükrözi, amely akkor következik be, amikor a csapágy szabadon befogadhatja a végek elfordulását az elasztomer rétegek nem egyenletes összenyomásán keresztül.
Az acéllemezes elasztomer csapágyak – más néven rétegzett elasztomer csapágyak vagy erősített elasztomer csapágyak – a legszélesebb körben használt hídcsapágy típus a modern autópálya-építésben. Ezek a csapágyak több réteg neoprén gumiból állnak, amelyek vulkanizálással kapcsolódnak a belső acél erősítő lemezekhez (shimekhez). Az acéllemezek jellemzően ASTM A36 vagy A1011 szabványnak megfelelő melegen hengerelt szénacél lemezből készülnek, minimális vastagsága 14-es (0,075 hüvelyk, 1,9 mm), maximális vastagsága 1/8 hüvelyk (3,2 mm) az AASHTO M251 szerint. Az acéllemezeket teljes mértékben beburkolja a neoprén – a gumi minden lemez széle körül kiterjed, minimális élburkolattal 1/8 hüvelyk (3 mm) az acél korróziójának megakadályozására.
A rétegzett csapágy szerkezeti mechanikája alapvetően különbözik a sima alátéttől. Függőleges nyomás alatt a neoprén rétegek oldalirányban próbálnak kidudorodni (Poisson-hatás). Az acéllemezek, amelyek sokkal merevebbek, mint a gumi a lemez síkjában, visszatartják ezt az oldalirányú kidudorodást. Ez a visszatartás háromtengelyű nyomási állapotot hoz létre az elasztomerben – nyomás függőleges irányban plusz kétirányú nyomás vízszintes síkban – ami drasztikusan növeli a gumi effektív nyomási modulusát. Egy 7,5-ös alaktényezőjű belső rétegekkel rendelkező rétegzett csapágy nyomási modulusa 50-100-szor nagyobb lehet, mint ugyanazon gumi vegyület nyírási modulusa. Ez lehetővé teszi a rétegzett csapágyak számára, hogy nagyon nagy függőleges terheket hordozzanak, miközben fenntartják a vízszintes mozgás befogadásához szükséges alacsony nyírási merevséget.
A vízszintes mozgás a teljes csapágy nyírási alakváltozásán keresztül valósul meg – minden elasztomer réteg párhuzamosan nyíródik, az acéllemezek egymással párhuzamosak maradnak, miközben a csapágy teteje és alja egymáshoz képest elmozdul. A rétegzett csapágy nyírási merevsége megegyezik egy ugyanolyan teljes elasztomer vastagságú sima alátétéval, mert az acéllemezek nem állnak ellen a nyírásnak. A teljes nyírási alakváltozási kapacitás az összes egyedi elasztomer réteg nyírási kapacitásának összege. Az AASHTO LRFD 14.7.6.3.4 szakasza a nyírási alakváltozást 0,50-re (50 százalék) korlátozza szolgálati terhek alatt, és 0,70-re (70 százalék) szélsőséges eseményterhek, például földrengések alatt.
A hídfelszerkezet elfordulása a csapágyban az egyes elasztomer rétegek nem egyenletes összenyomásán keresztül valósul meg – a gumi az egyik oldalon jobban összenyomódik, mint a másikon, lehetővé téve a csapágy felső és alsó felületének egymáshoz viszonyított elfordulását. A rétegzett csapágy elfordulási kapacitását a belső elasztomer rétegek száma és vastagsága határozza meg. Az AASHTO korlátozza az elfordulás okozta nyomási alakváltozást bármely belső réteg szélén a rétegvastagság 50 százalékára, ami hatékonyan korlátozza a csapágy által befogadható maximális elfordulást. Az elfordulási kapacitás radiánban kifejezve hozzávetőlegesen:
θ_max = 0,5 × n × Tᵢ / (L/2)
ahol n a belső elasztomer rétegek száma, Tᵢ az egyedi réteg vastagsága, és L a csapágy hossza az elfordulás irányában.
A kihajlással szembeni stabilitás kritikus tervezési szempont a rétegzett csapágyaknál. Az AASHTO LRFD 14.7.6.3.5 szakasza stabilitási kritériumot ír elő a csapágy karcsúsági aránya és alaktényezője alapján. A rétegzett csapágy kritikus kihajlási terhe a nyírási modulus, a nyomási modulus (amelyet az alaktényező határoz meg) és a csapágy teljes méreteinek függvénye. Az AASHTO előírja, hogy az alkalmazott nyomófeszültség nem haladhatja meg a kritikus kihajlási feszültséget osztva 3,0 biztonsági tényezővel. Tipikus hídcsapágy arányoknál – ahol a teljes magasság kisebb, mint a legkisebb alaprajzi méret – a stabilitás nem irányadó tervezési feltétel.
A fedőrétegeket a rétegzett csapágyak tetején és alján biztosítják a legkülső acéllemezek korrózió elleni védelmére, valamint egységes érintkezési felület biztosítására a hídgerenda és az alépítmény között. Az AASHTO M251 minimális fedőréteg vastagságot ír elő 1/4 hüvelyk (6,4 mm) a felső és alsó felületeken. Ezek a fedőrétegek a külső felületeiken nincsenek acélhoz kötve, így alaktényezőjüket másképp számítják – alaktényezőjük fele egy egyenértékű kötött belső rétegének, mert szabadon kidudorodhatnak a nem kötött külső felületről.
A rétegzett csapágyak gyártási tűréseit az AASHTO M251 határozza meg. A teljes magasság tűrése ±1/16 hüvelyk (1,6 mm) a legfeljebb 2 hüvelyk (51 mm) vastag csapágyak esetében, és ±3/32 hüvelyk (2,4 mm) a vastagabb csapágyaknál. Az alaprajzi méret tűrése ±1/8 hüvelyk (3,2 mm) a legfeljebb 12 hüvelyk (305 mm) méretű csapágyak esetében minden dimenzióban, és ±3/16 hüvelyk (4,8 mm) a nagyobb csapágyaknál. Az acéllemezeknek 1/16 hüvelyk alatt síknak kell lenniük a lemez hossza mentén, és a kész csapágynak nem szabad látható hibákat mutatnia, beleértve a hólyagokat, porozitást vagy felületi repedéseket.
A neoprén a hídcsapágy- és hézagtömítési alkalmazásokban élettartama során több különböző károsodási mechanizmusnak van kitéve. E mechanizmusok megértése elengedhetetlen a hídvizsgálók számára az alkatrészek állapotának pontos felméréséhez és a hátralévő élettartam előrejelzéséhez. Az öt elsődleges károsodási mód, amely a neoprén hídalkatrészeket érinti: az ózonrepedezés, a merevedés (keményedés) , a maradó alakváltozás (nyomási maradó alakváltozás) , a leválás és a kémiai lebomlás.
Az ózonrepedezés a neoprén hídalkatrészek legjellemzőbb és vizuálisan leginkább megkülönböztethető károsodási módja. Az ózon (O₃) az oxigén erősen reaktív allotróp módosulata, amely az alsó légkörben 0,01 és 0,50 ppm (parts per million) közötti koncentrációban van jelen. Az ózon megtámadja a telítetlen polimer láncokat – konkrétan a polikloroprén gerincében a vulkanizálás után megmaradt szén-szén kettős kötéseket. A reakció mechanizmusa során az ózonmolekulák beépülnek a kettős kötés szerkezetébe és elhasítják a polimer láncot, lánchasadást okozva. A hasadási helyek ezután felületi repedésekként terjednek tovább, amelyek merőlegesek a gumi maximális húzófeszültségének irányára.
Az ózonrepedés jellemzői a neoprénben jellegzetesek: a repedések finomak és éles szélűek, jellemzően 0,1-1,0 mm szélességűek, és egyenes vagy enyhén ívelt vonalakban futnak, merőlegesen a húzófeszültség irányára. A hídcsapágyakban a csapágy felületénél a húzófeszültséget a Poisson-hatás okozza – amikor a csapágy függőlegesen összenyomódik, az anyag megpróbál oldalirányban kitágulni, húzó alakváltozásokat hozva létre vízszintes irányban. Az így keletkező ózonrepedések ezért függőlegesen futnak a hídcsapágy-alátétek oldalfelületein, különösen az oldalfelület középpontja közelében, ahol az oldalirányú tágulás maximális.
Az ózonrepedezés mélysége és sűrűsége a kitettségi idővel halad előre. A korai szakaszban (jellemzően 3-10 év szolgálat után mérsékelt éghajlaton) a felületi repedések csak közeli vizuális vizsgálattal, nagyító segítségével láthatók, és kevesebb mint 1 mm mélyek. A mérsékelt szakaszban (10-20 év) a repedések szabad szemmel is láthatóvá válnak, és 2-5 mm mélyen behatolhatnak a csapágy keresztmetszetébe. Az előrehaladott szakaszban (20+ év) a repedések több mint 10 mm mélyre is behatolhatnak, és több egymást metsző repedésrendszer alakul ki a csapágyfelületeken. Ebben a szakaszban a repedések feltárhatják az acéllemezeket a rétegzett csapágyakban, korróziós utat teremtve a nedvesség számára az erősítő acél eléréséhez. Az FHWA hídcsapágy vizsgálati kritériumokról szóló jelentése a 6 mm-t (1/4 hüvelyk) meghaladó repedésmélységet kritikus leletként azonosítja, amely a csere értékelését igényli.
A neoprén merevedése (keményedése) a polimer láncok folyamatos térhálósodása révén következik be az élettartam során. A vulkanizálási folyamat kezdetben létrehoz egy térhálós hálózatot, de a térhálósodás lassan folytatódik az idő múlásával a maradék keményítőszerek és hőaktiválás révén. A termikus oxidáción keresztüli további térhálósodás új szén-szén és szén-oxigén keresztkötéseket hoz létre a szomszédos polimer láncok között, fokozatosan csökkentve a gumi molekuláris mozgékonyságát. Ez a Shore A keménység és a nyírási modulus mérhető növekedéseként nyilvánul meg. Az FHWA kutatásai szerint a neoprén hídcsapágyak 5-15 pontnyi Shore A keménységnövekedést tapasztalhatnak 20-30 év szolgálat alatt.
A merevedés hatásai a csapágy teljesítményére jelentősek. A megmerevedett csapágynak megnövekedett nyomási modulusa van, ami azt jelenti, hogy nagyobb erőket ad át az alépítménynek egy adott hőmozgás esetén, és nagyobb megszorítást ró a hídfelszerkezetre. A megnövekedett merevség nagyobb feszültségekhez vezethet a hídgerendákban és az alépítményi kapcsolatokban, amelyeket nem vettek figyelembe az eredeti tervezés során. Egy csapágy, amelynek eredetileg 0,90 MPa (130 psi) volt a nyírási modulusa, kiterjedt merevedés után akár 1,55 MPa (225 psi) feletti nyírási modulust is kifejleszthet, potenciálisan megduplázva a teljes tervezési mozgásnál az alépítményre átadott vízszintes erőket.
A maradó alakváltozás – más néven nyomási maradó alakváltozás – a csapágy vastagságának visszafordíthatatlan csökkenése, amelyet a polimer rugalmas visszaalakulásának hiányossága okoz a nyomóteher megszűnése után. A nyomási maradó alakváltozás azért következik be, mert a tartós nyomás alatt lévő polimer láncok viszkoelasztikus relaxáción mennek keresztül – a láncszegmensek fokozatosan átrendeződnek, hogy alkalmazkodjanak a nyomott állapothoz, csökkentve a visszaalakulás hajtóerejét a teher megszűnésekor. Az AASHTO M251 a nyomási maradó alakváltozást maximum 35 százalékban korlátozza (22 óra után 212°F-on mérve, ASTM D395 B módszer szerint) új anyagra, de a szolgálatban lévő nyomási maradó alakváltozás meghaladhatja ezt az értéket az idő múlásával, ahogy a polimer tovább öregszik.
A túlzott maradó alakváltozás következményei közé tartozik a függőleges teherelosztás elvesztése – egy csapágy, amely tartósan összenyomódott, már nem biztos, hogy teljes érintkezésben van a hídgerendával vagy az alépítménnyel, feszültségkoncentrációkat hozva létre az érintkezési pontoknál. A többgerendás fesztávokat tartó hídcsapágyak esetében a szomszédos gerendák csapágyai közötti eltérő maradó alakváltozás áthelyezheti a terhet egyik gerendáról a másikra, túlterhelve a nagyobb mértékben igénybe vett elemeket. Az eredeti csapágyvastagság 10 százalékát meghaladó maradó alakváltozás, különösen ha látható repedezéssel párosul, általában csereküszöbnek tekintendő.
A leválás a neoprén gumi és az acéllemezek szétválását jelenti a rétegzett csapágyakban. Ezt a tönkremeneteli módot a gumi és acél közötti adhezív kötés elvesztése okozza, amely a vulkanizálási folyamat során jön létre a kémiai kötés (kén keresztkötések a gumi és a sárgaréz- vagy cinkbevonatú acélfelület között) és a mechanikai reteszelés kombinációjával az érdesített acélfelületen. A leválást kiválthatja az acéllemezek korróziója (amely megszakítja a kötött határfelületet), túlzott ciklikus nyírási alakváltozások, amelyek meghaladják a kötési szilárdságot, vagy gyártási hibák, ahol a kötést nem sikerült megfelelően létrehozni.
A leválás kimutatása a vizuális vizsgálat során kihívást jelent, mert a külső gumi fedőréteg érintetlen maradhat még akkor is, ha a belső kötés meghibásodása bekövetkezett. A lehetséges leválás jelei közé tartozik a csapágy oldalfelületeinek lokális kidudorodása vagy hólyagképződése, látható hézagok a gumi és az acél között vágott éleknél (bár vágott élek jellemzően nincsenek jelen a kész csapágyakban), valamint hallható üreges hangok a csapágy megkopogtatásakor egy vizsgálati kalapáccsal – a beton hangzásvizsgálatából kölcsönzött technika. Fejlett vizsgálati módszerek, mint az ultrahangos vizsgálat (UT) vagy az infravörös termográfia, képesek kimutatni a felületen nem látható belső leválást. Bármely megerősített leválás azonnali csere alapja, mivel a csapágy elvesztette szerkezeti integritását, és már nem képes megbízhatóan áthárítani a függőleges terhet.
A kémiai lebomlás további károsodási mechanizmusokat foglal magában. Az antiozonáns kimerülése akkor következik be, amikor a kémiai antiozonánsokat (jellemzően p-feniléndiamin származékokat, amelyeket a neoprén vegyülethez adnak a formulázás során) felemészti az ózonnal való reakció, vagy kimosódnak a felületről az esővíz által. Ahogy az antiozonáns szintje csökken, a gumi egyre sebezhetőbbé válik az ózon támadással szemben. Az extrahálható anyag vesztesége magában foglalja a lágyítók, feldolgozási olajok és más nem polimer összetevők fokozatos kimerülését, amelyeket a vegyület keménységének és feldolgozási jellemzőinek szabályozására adtak hozzá. A hidrolízis – a polimer kémiai lebomlása víz által – viszonylag ritka a neoprénben, de előfordulhat folyamatos vízben merítés körülményei között magas hőmérsékleten.
A neoprén az elsődleges anyag a híd dilatációs hézagtömítésekhez, különösen az előformázott nyomási tömítésekben és a szalagtömítéses dilatációs hézagrendszerekben. Ezeket a tömítéseket a szomszédos hídfedlap-szegmensek közötti résbe szerelik be, hogy befogadják a hőtágulást és összehúzódást, miközben megakadályozzák, hogy víz, félsók és törmelék jusson az alatta lévő hídfőhöz és csapágyakhoz. A neoprén hézagtömítések teljesítménykövetelményeit az AASHTO M297 (Szabvány előformázott elasztomer hídhézag tömítésekre) és az ASTM D2628 (Szabvány előformázott polikloroprén elasztomer hídhézag tömítésekre) határozza meg.
Az előformázott nyomási tömítések – más néven nyomási hézagtömítések – extrudált neoprén profilok, amelyek komplex keresztmetszet-kialakítással rendelkeznek, több belső üreggel vagy hálózattal. Ezeket a tömítéseket úgy szerelik be, hogy összenyomják őket egy megfelelően előkészített hézagmélyedésbe. A tömítést a saját rugalmas visszaalakulása tartja a helyén – a keresztmetszet 20-40 százalékkal nagyobb a hézagrésnél, így a tömítés folyamatos nyomóerőt fejt ki a hézagmélyedés oldalfalaira. A belső háló geometriáját úgy tervezték, hogy vízzáró gátat biztosítson, miközben lehetővé teszi a tömítés tágulását és összehúzódását, ahogy a hézagrés a hőmérséklettel változik. A gyakori nyomási tömítés profilok közé tartoznak a súlyzó, a többhálós és a dobozszelvényű kialakítások, amelyek mindegyike meghatározott mozgástartományokra és beépítési körülményekre lett tervezve.
A nyomási tömítések beépítési folyamata pontos hézag-előkészítést igényel. A hézagmélyedésnek tiszta, párhuzamos betonfelületekkel kell rendelkeznie, olyan felületi simasággal, hogy az egyenetlenségek ne haladják meg az 1/8 hüvelyket (3 mm) 10 lábonként (3 m). A hézagot jellemzően fém zsaluzattal alakítják ki a betonozás során, vagy a beton megszilárdulása után fűrészelik ki precíz méretekre. A hézag oldalfalaira ragasztóanyagot – jellemzően kétkomponensű epoxi vagy poliszulfid vegyületet – visznek fel közvetlenül a tömítés beépítése előtt, hogy rögzítsék a tömítést a helyén, és megakadályozzák a víz vándorlását a gumi-beton határfelület mentén. Ezután a tömítést egy speciális beépítő szerszám (hengeres vagy karral működtetett nyomószerszám) segítségével összenyomják és behelyezik a hézagba. A beépítő szerszámot úgy kell méretezni, hogy a tömítést a szabad szélességének 50-70 százaléka közé nyomja össze a megfelelő beépítéshez.
A nyomási tömítések mozgáskapacitását a tömítés keresztmetszeti kialakítása és a kezdeti összenyomás mértéke határozza meg. Egy tipikus 2 hüvelykes (51 mm) széles nyomási tömítés esetében, amelyet 1,5 hüvelykes (38 mm) hézagrésbe szerelnek be, a mozgáskapacitás körülbelül ±50 százaléka a beépített szélességnek, ami azt jelenti, hogy a hézag 2,25 hüvelykre (57 mm) nyílhat, és 0,75 hüvelykre (19 mm) zárulhat. Az AASHTO M297 a nyomási tömítéseket mozgásképesség szerint osztályozza a beépített szélesség ±25 százalékától ±75 százalékáig terjedő kategóriákban. A tömítést úgy kell tervezni, hogy a hőmozgások teljes tartományán keresztül működjön anélkül, hogy elveszítené a kapcsolatot a hézag oldalfalaival (ami szivárgási utat hozna létre), és anélkül, hogy kipréselődne a hézagmélyedésből (ami forgalmi veszélyt jelentene).
A szalagtömítéses dilatációs hézagok – más néven elasztomer szalagtömítések – fejlettebb hézagtömítési technológiát képviselnek, amely nagyobb mozgáskapacitást és jobb vízzáróságot biztosít. A szalagtömítéses rendszer egy neoprén extrudált profilból áll, amelynek központi hagyma- vagy hajtogatott szakasza biztosítja a mozgás befogadását, oldalt pedig rögzítő hagymák találhatók, amelyek mechanikusan reteszelődnek acél élvezetőkbe. Az acél élvezetők a betonfedlapba vannak bebetonozva a tágulási rés mindkét oldalán. A neoprén szalagtömítés cserélhetőre van tervezve anélkül, hogy a betont meg kellene bolygatni – a rögzítő hagymákat benyomják az acél vezetőkbe, és szükség esetén egy speciális eltávolító szerszámmal kihúzhatók.
A szalagtömítések 2 hüvelyk (51 mm) és 6 hüvelyk (152 mm) vagy annál nagyobb mozgáskapacitást biztosítanak, a profil kialakításától és az acél élvezetők közötti távolságtól függően. A szalagtömítésekben használt neoprén vegyületnek meg kell felelnie ugyanazoknak az anyagkövetelményeknek, mint a nyomási tömítéseknek az AASHTO M297 szerint, további követelményekkel a rögzítő kihúzási ellenállásra – a tömítés acél vezetőből való eltávolításához szükséges erőnek meg kell haladnia a hüvelykenkénti 50 fontot (87,5 N/cm), hogy a tömítés a helyén maradjon a forgalom okozta rezgések és hőciklusok során.
A neoprén hézagtömítések károsodása ugyanazokat a mechanizmusokat követi, mint a csapágyaknál leírtak – ózonrepedezés, merevedés és maradó alakváltozás –, de több alkalmazásspecifikus különbséggel. A hézagtömítések ki vannak téve közvetlen UV-sugárzásnak (nyitott fedlapú hidakon), gépjármű gumiabroncs érintkezésnek (ami kopást és ciklikus összenyomást okoz), félsó permetnek és abrazív törmeléknek (forgalom által lekoptatott homok, kavics, só részecskék). Az ózonrepedezés a nyomási tömítésekben jellemzően a tömítés külső felületén indul a maximális húzó alakváltozás pontjain – általában a keresztmetszet sarkainál, ahol a geometria alakváltozási koncentrációkat hoz létre.
A hézagtömítés adhéziójának elvesztése – a tömítés elválása a beton hézag oldalfaltól – gyakori tönkremeneteli mód, amely eltér az anyagkárosodási mechanizmusoktól. Az adhézióvesztést a következők okozzák:
Amikor egy nyomási tömítés az egyik oldalon elveszti az adhézióját, részben kiszorulhat a hézagból, botlásveszélyt jelentve a gyalogosoknak, gumiabroncs ütközési sérülések forrását a járműveknek, és nyitott utat a víz számára a hídfőhöz való eljutáshoz.
A neoprén alkatrészek hídvizsgálata a Nemzeti Hídvizsgálati Szabványok (NBIS) (23 CFR 650, C alréssz) és az FHWA Hídvizsgálói Kézikönyv (BIRM) (Publikáció FHWA NHI 12-049) által meghatározott általános keretrendszert követi. A neoprén csapágyak és hézagtömítések állapotfelmérése a rutinszerű (24 hónapos) vizsgálati ciklus része az Egyesült Államok összes közúti hídja esetében. A neoprén alkatrészek vizsgálati protokollja magában foglalja a vizuális vizsgálatot, a károsodás mérését, a funkcionális értékelést és a leletek dokumentálását szabványos állapotértékelési rendszerekkel.
A vizuális vizsgálat a csapágy vagy hézagtömítés távolabbi megfigyelésével kezdődik az általános megjelenés és beállítás felmérésére. A vizsgáló ezután közeli távolságra (karnyújtásnyira) megy, hogy megvizsgálja a neoprén felületeket a károsodás szempontjából. A legfontosabb megfigyelések a következők:
A nyírási alakváltozás mérése kritikus funkcionális értékelés. A vizsgáló méri a csapágy teteje és alja közötti vízszintes eltolódást vonalzóval vagy mérőszalaggal. Ezt az eltolódást összehasonlítják a teljes elasztomer vastagsággal a nyírási alakváltozás meghatározásához. Az AASHTO a nyírási alakváltozást 50 százalékra korlátozza szolgálati körülmények között, így egy 3 hüvelyk (76 mm) teljes elasztomer vastagságú csapágynak nem szabad 1,5 hüvelyknél (38 mm) nagyobb vízszintes eltolódást mutatnia. A nyírási alakváltozást a vizsgálat időpontjában érvényes hídhőmérsékleten kell mérni, és a mért értéket össze kell hasonlítani a beépítési hőmérséklethez viszonyított hőmérsékleten alapuló számított hőmozgással. A túlzott nyírási alakváltozás – különösen ha a megfelelő hőmozgás hiányában figyelhető meg – csapágycsúszást vagy ülékezésből való kiszorulást jelezhet.
Az elfordulás értékelése magában foglalja a csapágy felső és alsó felülete közötti szög mérését. A túlzott elfordulás – ahol a csapágy felső felülete a tervezési elfordulási kapacitásnál nagyobb mértékben nem párhuzamos az alsó felülettel – jelezheti, hogy a csapágy nem osztja el megfelelően a hídgerenda végek elfordulását. Ezt okozhatja túlterhelés, a csapágy merevedése (ami az elfordulást kevesebb elasztomer rétegre koncentrálja), vagy a csapágy anyagának károsodás miatti vesztesége.
A nyomási tömítések vizsgálata a következő állapotokra összpontosít:
A neoprén alkatrészek állapotának dokumentálása a CoRe (Általánosan Elismert) elem kódolási rendszert követi, amelyet az FHWA Nemzeti Hídleltár (NBI) szerkezeti leltári és értékelési rendszerében használnak. A 321-es elem (Elasztomer csapágy) és a 323-as elem (Elasztomer hézagtömítés) a szabványos kódolási elemek a neoprén hídalkatrészekhez. Minden elemhez egy állapotállapotot rendelnek 1-től (jó állapot, nincs károsodás) 5-ig (súlyos állapot, csere szükséges), meghatározott mennyiségi kritériumokkal, amelyek meghatározzák az állapotok közötti határt minden károsodási típushoz.
Az alábbi táblázat összefoglalja az elasztomer csapágyak állapotkritériumait az AASHTO Hídvizsgálati Kézikönyv (MBEI) szerint:
| Állapot | Repedezés | Maradó alakváltozás | Nyírási alakváltozás | Merevedés |
|---|---|---|---|---|
| 1 (Jó) | Nincs vagy felületes | <az eredeti vastagság 5%-a | <az elasztomer vastagság 25%-a | Eredeti előíráson belül |
| 2 (Megfelelő) | Felületi repedéshálózat, <3 mm mély | Az eredeti vastagság 5-10%-a | Az elasztomer vastagság 25-35%-a | <10 pt keménységnövekedés |
| 3 (Gyenge) | Mérsékelt repedezés 3-6 mm mély | Az eredeti vastagság 10-15%-a | Az elasztomer vastagság 35-50%-a | 10-20 pt keménységnövekedés |
| 4 (Súlyos) | Mély repedezés >6 mm | Az eredeti vastagság 15-20%-a | >50% (repedezéssel) | >20 pt keménységnövekedés |
| 5 (Kritikus) | Teljes mélységű repedés vagy acél szabadon | Az eredeti vastagság >20%-a | >75% vagy közelgő átfordulás | A csapágy már nem működőképes |
A neoprén hídcsapágyak vagy hézagtömítések cseréjére vonatkozó döntés mennyiségi állapotküszöbökön alapul, kombinálva a mérnöki megítéléssel az alkatrész azon képességét illetően, hogy továbbra is elláthatja-e rendeltetési funkcióját. A cserekritériumok az AASHTO LRFD Hídtervezési Előírásokból, az FHWA iránymutatásaiból és az állami DOT karbantartási kézikönyvekből származnak.
A neoprén csapágyak cserekritériumai a következő küszöbértékeket tartalmazzák, amelyek bármelyike kiválthatja a cserét:
A repedés mélysége meghaladja a 6 mm-t (1/4 hüvelyk) egy elsődleges teherhordó területen, vagy a repedés behatolása meghaladja a fedőréteg vastagságának 50 százalékát a rétegzett csapágyakban. Ez a küszöbérték az AASHTO MBEI 4. állapotának felel meg, és azt jelzi, hogy a csapágy szerkezeti integritása veszélybe kerülhet.
A repedés szélessége meghaladja a 6 mm-t (1/4 hüvelyk) a csapágy felületén, függetlenül a mélységtől. A széles repedések előrehaladott ózonkárosodást jeleznek, és lehetővé tehetik a nedvesség és törmelék behatolását a csapágy belsejébe.
A repedések a csapágy szélességének 50 százalékára vagy nagyobb részére kiterjednek bármely irányban. Ez azt jelzi, hogy a károsodás rendszerszerűen eloszlik a csapágyon, nem pedig lokális.
A maradó alakváltozás meghaladja a 10 százalékot az eredeti csapágyvastagságból (3. állapot határa), ha látható repedezéssel vagy merevedéssel párosul. A 10 százaléknál nagyobb maradó alakváltozású, de más károsodás nélküli csapágyak fokozott vizsgálati gyakoriság mellett továbbra is szolgálatban maradhatnak.
A maradó alakváltozás meghaladja a 15 százalékot az eredeti vastagságból, más károsodástól függetlenül. Ezen a szinten a csapágy elegendő vastagságot veszített ahhoz, hogy a függőleges teher eloszlása veszélybe kerüljön, és az érintkezési pontoknál lévő feszültségkoncentrációk meghaladhatják a megengedett határértékeket.
A nyírási alakváltozás meghaladja az 50 százalékot a teljes elasztomer vastagságból a szolgálati hőmérsékleten. A csapágy mozgáskapacitása meghaladásra került, és a további mozgás a csapágy átfordulását vagy ülkezésből való kicsúszását eredményezheti.
A nyírási alakváltozás meghaladja a 75 százalékot a teljes elasztomer vastagságból bármely hőmérsékleten – azonnali csere szükséges, mivel a csapágy katasztrofális tönkremenetel (átfordulás vagy kipréselődés) veszélyének van kitéve.
Leválás a csapágy bármely pontján észlelve – azonnali csere szükséges. A levált csapágy elvesztette a kompozit hatást a gumi és az acél között, és nem képes megbízhatóan áthárítani a függőleges terhet.
Szabaddá vált acéllemezek a rétegzett csapágyakban – a védő gumi fedőréteg átszakadt, és az acéllemezek korróziója felgyorsul. A csapágyat ki kell cserélni, hogy megakadályozzák a lemez korróziójának terjedését a szomszédos kötött területekre.
A csapágy oldalfelületének kidudorodása vagy lokális deformációja meghaladja a csapágy alaprajzi méretének 10 százalékát – belső leválásra vagy gumi károsodásra utaló jel, amely további vizsgálatot igényel.
A csapágy érintkezésének elvesztése – bármilyen rés a csapágy és a hídgerenda között, vagy a csapágy és az alépítmény között – azonnali értékelést igényel. Az érintkezés elvesztése azt jelzi, hogy a csapágy már nem biztosít egyenletes alátámasztást a felszerkezetnek.
A neoprén nyomási hézagtömítések cserekritériumai a következőket tartalmazzák:
Adhézióvesztés az egyik oldalon a hézag hosszának több mint 10 százalékán – a tömítés már nem vízzáró, és részleges csere vagy újratömítés szükséges.
Adhézióvesztés mindkét oldalon – a tömítés kiszorulhat és forgalmi veszélyt jelenthet. Az érintett szakasz azonnali cseréje szükséges.
Tömítés kipréselődése a fedlap felülete fölé meghaladva az 1/8 hüvelyket (3 mm) – botlásveszélyt jelent a gyalogosoknak és gumiabroncs ütközési forrást a járműveknek. A hézagrés a tömítés tervezési tartományán túl záródott össze, vagy a tömítés nyomási maradó alakváltozást szenvedett.
Tömítés besüppedése a fedlap felülete alá meghaladva az 1/4 hüvelyket (6 mm) – a hézag a tömítés mozgáskapacitásán túl nyílt ki, vagy a tömítés nyúlási maradó alakváltozást szenvedett. A besüppedt területen felhalmozódó törmelék akadályozza a mozgást és vízfelgyülemlést okozhat.
A tömítőanyag repedezése – bármilyen látható repedés a tömítés falának teljes vastagságán át (átmenő repedés) azonnali cserét igényel, mivel a vízzáró gát átszakadt.
A tömítés hálózatának szakadása (a belső üregfalak a többhálós nyomási tömítésekben) – a tömítés túlzott húzó igénybevételt szenvedett és elvesztette szerkezeti folytonosságát.
Defekt vagy kopási sérülés, amely feltárja a belső üregeket – a tömítés már nem képes fenntartani a nyomást a hézagfalak ellen.
Merevedés, amely az eredeti előíráshoz képest több mint 20 Shore A pont keménységnövekedést eredményez – a tömítés már nem képes megfelelő nyomást fenntartani a hézagfalak ellen a vízzáróság biztosításához.
A csapágycsere sürgősségi besorolása három kategóriát követ:
A neoprén anyag-, tervezési és vizsgálati előírásait a hídcsapágyakban és hézagtömítésekben két elsődleges szabvány határozza meg az Egyesült Államokban: az AASHTO M251 (Szabvány sima és rétegzett elasztomer hídcsapágyakra) és az ASTM D4014 (Szabvány sima és acéllemezes elasztomer hídcsapágyakra). Ezek a szabványok határozzák meg a neoprén vegyület összetételére, fizikai tulajdonságaira, mérettűréseire, acéllemez-követelményeire, kötési integritására és teljesítményvizsgálatára vonatkozó követelményeket.
Az AASHTO M251-et, amelyet az Amerikai Állami Közúti Közlekedési Tisztviselők Szövetsége (AASHTO) dolgozott ki, az irányadó szabvány a Nemzeti Autópálya Rendszeren és minden szövetségi támogatású autópálya-projekten használt elasztomer hídcsapágyakra. A szabvány két típusú neoprén vegyületre terjed ki: I. típus (klórprenek, minimum 50 százalék polikloroprén tartalommal) és II. típus (természetes gumi vagy keverékek). Hídcsapágyakhoz az I. típus (neoprén) az alapértelmezett előírás, a II. típus (természetes gumi) csak akkor engedélyezett, ha a szerződéses dokumentumok előírják. Az AASHTO M251 előírja, hogy a neoprén vegyület mintáinak a szabványos vulkanizálás után meg kell felelniük a következő minimális fizikai tulajdonságoknak:
| Tulajdonság | Követelmény | Vizsgálati módszer |
|---|---|---|
| Szakítószilárdság, min. (eredeti) | 15,0 MPa (2175 psi) | ASTM D412, C szerszám |
| Szakítószilárdság 70 óra után 212°F-on (100°C) | min. 12,5 MPa (1800 psi) | ASTM D573 |
| Szakadási nyúlás, min. (eredeti) | 400% | ASTM D412, C szerszám |
| Nyúlás 70 óra után 212°F-on (100°C) | min. 350% | ASTM D573 |
| Nyomási maradó alakváltozás, max. (22 óra 212°F-on) | 35% | ASTM D395, B módszer |
| Ózonállóság (50 pphm, 20% nyúlás, 168 óra) | Nincs repedés | ASTM D1149 |
| Alacsony hőmérsékleti törékenység | Nincs tönkremenetel -40°F-on (-40°C) | ASTM D2137, B módszer |
| Shore A keménység | 60 ± 5 | ASTM D2240 |
Az ASTM D4014 olyan előírásokat nyújt, amelyek lényegében hasonlóak az AASHTO M251-hez, de ez a szabvány a szövetségi támogatású autópálya-rendszeren kívül is elismert. Az ASTM D4014 ugyanazokat a neoprén vegyület követelményeket határozza meg, kisebb eltérésekkel a vizsgálati módszerek hivatkozásaiban. A szabvány mind a sima alátétekre, mind az acéllemezes csapágyakra kiterjed, külön követelményekkel a következőkre:
Az AASHTO M297 (Szabvány előformázott elasztomer hídhézag tömítésekre) szabályozza a híd dilatációs hézagokban használt neoprén nyomási tömítéseket. A követelmények párhuzamosak az AASHTO M251 követelményeivel, de a hézagtömítések sajátos szolgálati körülményeihez vannak igazítva:
Az alacsony hőmérsékletű vegyület előírásai a hideg éghajlatú régiók hidaira vonatkoznak. Az AASHTO M251 engedélyezi a speciális alacsony hőmérsékletű neoprén vegyületek használatát olyan projekteknél, ahol a tervezési hőmérséklet -30°F (-34°C) alá esik. Ezeket a vegyületeket csökkentett kéntartalommal és speciális lágyítókkal formulázzák az alacsony hőmérsékleti rugalmasság javítása érdekében anélkül, hogy jelentősen veszélyeztetnék az ózonállóságot vagy más tulajdonságokat. Az alacsony hőmérsékletű vegyületeknek meg kell felelniük minden szabványos fizikai tulajdonság követelménynek, plusz további alacsony hőmérsékleti vizsgálatnak:
A vizsgálati és minőségbiztosítási követelmények az AASHTO M251-ben és ASTM D4014-ben a következőket tartalmazzák:
A neoprén hídcsapágyak nemzetközi szabványai a következőket tartalmazzák:
A szabványok előírják, hogy a neoprén hídalkatrészek állandó azonosító jelöléseket tartalmazzanak, amelyek feltüntetik: a gyártó nevét, a vegyület típusát, a gyártás dátumát (hónap és év), valamint a tételszámot. Ezeknek a jelöléseknek olvashatónak kell maradniuk az alkatrész tervezett élettartama során, amelyet jellemzően bemélyített emelt betűkkel érnek el, nem pedig tintabélyegzőkkel vagy címkékkel, amelyek lebomolhatnak.
Végezzen átfogó hídalkatrész-állapotfelmérést, beleértve a neoprén csapágyak és hézagtömítések értékelését is. Védje meg infrastrukturális beruházásait szakmai vizsgálati szabványokkal és adatvezérelt karbantartástervezéssel.
Az előformázott kompressziós tömítések előre összenyomott elasztomer (neoprén/polikloroprén) szalagok, amelyeket betonburkolati hézagokba helyeznek, ahol a héza...
A szál-erősítésű polimer (FRP) vasalás nagy szilárdságú szálakból (üveg, szén, bazalt, aramid) áll, amelyek polimer mátrixba vannak ágyazva, és korrózióálló alt...
A szilikon tömítőanyagok kis modulusú, elasztomer hézagkitöltő anyagok betonburkolatokhoz, amelyek jelentős hézagmozgást tesznek lehetővé a vízzáróság fenntartá...
