鹽凍條件下矩形氯丁橡膠支座受壓性能試驗

沈小俊，陳伯奎，高 飛，謝應爽，鄭 怡，馬 良

(1.重慶市公路工程質量檢測中心，重慶400060;2.遼寧省產品質量監督檢驗院，遼寧沈陽110032;3.沈陽建筑大學 土木工程學院，遼寧沈陽110168)

氯丁橡膠采用極性的負電性基團取代天然橡膠中的甲基，從而具有良好的耐臭氧、耐油以及耐熱性能，且綜合物理機械性能也較好。氯丁橡膠支座由于良好的力學性能和耐久性能而被廣泛的應用［1］。由于人類社會的不斷進步，各種跨海、跨河、跨江大橋也不斷增多，所以很多公路橋梁板式氯丁橡膠支座常受到海水等鹽溶液的侵蝕，鹽凍會導致氯丁橡膠支座的一些力學性能發生變化。針對橡膠支座的耐久性問題，國內外均進行了大量研究［2-4］。I.V.Kalpakidis［5-6］和 Y.Takenaka［7］對高溫下的疊層橡膠支座的受力性能進行研究;H.S.Gu，等［8-10］對天然橡膠支座的老化性能進行了研究;杜永峰，等［11］通過對不同溫度下疊層橡膠支座位移和應力的對比，得出疊層橡膠支座位移和熱應力的分布規律。許冬華，等［12］研究了環境溫度對氯丁橡膠支座的壓剪性能影響。對于橡膠支座的耐久性研究，普遍集中在天然橡膠支座，對于氯丁橡膠支座的研究較少，對于鹽凍條件下氯丁橡膠支座的力學性能研究更加匱乏。

筆者對矩形氯丁橡膠支座分別進行20，40，60，80 d鹽凍處理，并采用壓力試驗機對其進行軸心受壓試驗，研究鹽凍對矩形氯丁橡膠支座的承載力、極限抗壓強度、豎向剛度、抗壓彈性模量的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

氯丁橡膠支座的形狀及尺寸如圖1，試件由衡水鑫力工程有限公司生產加工。氯丁橡膠支座GJZ200×300×41(CR)的硬度為63 IRHD，拉伸強度為18.4 MPa，拉斷伸長率為454%，橡膠與鋼板黏結剝離強度為10.6 kN/m，極限抗壓強度為70 MPa，抗壓彈性模量為293 MPa。試件共分5組，1組為不做任何處理的標準試件，另外4組為做鹽凍處理的試件，試件編號分別為 BZ01、YD20、YD40、YD60、YD80，對應循環天數為0，20，40，60 和80 d。

圖1 氯丁橡膠支座形狀及尺寸Fig.1 The shape and size of plain chloroprene rubber bearings

1.2 鹽凍處理

鹽凍處理在遼寧省建筑材料科學研究所完成。氯丁橡膠支座浸泡在3.5%的NaCl溶液中，先將試件放入-15℃的冷庫中，冷凍4 h后取出，再置于室溫為22℃左右融化2 h。按照JT/T 4—2004《公路橋梁板式橡膠支座》規定方法測量試件鹽凍處理前后的尺寸，經鹽凍處理后，試件尺寸出現細微變化(表1)。鹽凍對氯丁橡膠支座的尺寸變化影響較小，試驗中可忽略尺寸變化的影響。

表1 鹽凍處理氯丁橡膠支座尺寸變化Table 1 Change with size of plain chloroprene rubber bearing under salt-frost

1.3 試驗裝置與測點布置

在沈陽建筑大學進行氯丁橡膠支座的軸心受壓試驗，試驗裝置采用5 000 kN壓力試驗機。根據試驗所測數據要求，受壓試件貼有12個應變片，6個豎向，6個橫向;采用6個位移計測量水平及豎向位移。測點布置如圖2，Y代表應變片，W代表位移計。

圖2 測點布置Fig.2 The measuring-point arrangement

1.4 試驗加載制度

首先預壓，將壓應力以0.03～0.04 MPa/s速率連續地增至平均壓應力σ=10 MPa，持荷2 min，然后以連續均勻的速度將壓應力卸至1.0 MPa。正式加載，采用分級加載，加載自1.0 MPa開始，將壓應力以0.03～0.04 MPa/s的速率均勻加載，每級荷載增量約為2 MPa，每級持荷2 min，待穩定后采集支座各個方向變形值，再進行下一級加載，直至加載到10 MPa，然后以連續均勻的速度卸載至壓應力為1.0 MPa。10 min后進行下一加載循環，加載過程連續進行3次。最后一次以0.1 MPa/s的速率加載直至試件極限抗壓強度不小于70 MPa，試件發生破壞。

2 試驗現象分析

在豎向荷載加載至開裂荷載以前，試件的水平和豎向位移隨荷載增加不斷增大，位移與荷載的增加基本呈線性關系。當豎向荷載加載至開裂荷載左右時，試件上下表面的4個邊緣開始出現細微裂縫。繼續增加荷載，裂縫長度和寬度隨荷載增大繼續增加，水平方向位移也急劇增加，豎向壓縮變形卻隨荷載的增加變化緩慢。隨著腐蝕程度的加深，彈性階段逐漸縮短。經過鹽凍處理的公路橋梁板式橡膠支座的橡膠層開裂較早，更容易發生脆性破壞，隨著腐蝕天數的增加，開裂荷載的數值逐漸降低。試件破壞形態如圖3。

圖3 試驗試件破壞形態Fig.3 Failure modes of specimens

3 試驗結果分析

3.1 承載力分析

不同鹽凍時間氯丁橡膠支座的各項指標對比見表2。經過鹽凍腐蝕處理過的極限承載力要低于標準試件的極限承載力，且隨著腐蝕時間的加長，公路橋梁板式氯丁橡膠支座的極限承載力逐漸降低，極限承載力的衰減曲線如圖4。

圖4 不同鹽凍時間氯丁橡膠支座承載力變化曲線Fig.4 Bearing capacity change of plain chloroprene rubber bearing at different salt frozen time

表2 不同鹽凍時間氯丁橡膠支座各項指標對比Table 2 Index comparison of plain chloroprene rubber bearings with different salt frozen time

3.2 極限抗壓強度分析

根據GJB 1172.11—91《軍用設備氣候極值》數據及統計溫帶地區在冬季的最高及最低平均氣溫顯示，我國東北、華北及西北地區(除青海)的平均年凍融循環日數一般為60～130 d，取80 d，實際冬季的晝夜溫差約為12℃，而本試驗的溫差為35℃左右，每次鹽凍處理循環為6 h，每天進行4次鹽凍循環處理，因此20，40，60，80 d 鹽凍處理大約為實際的 3，6，9，12 a 的鹽凍情況，采用最小二乘法擬合成50 a氯丁橡膠支座的極限抗壓強度衰減曲線見圖5。

極限抗壓強度衰減模型為:

式中:x為腐蝕年數;y為極限抗壓強度。

計算值分別為 73.774，67.607，61.955，56.776和52.029 MPa，公式計算值與試驗實測值的比值平均值為1.001 1，標準差為 0.032，變異系數為0.032。結果表明，氯丁橡膠支座的極限抗壓強度的衰減模型擬合公式與實際情況符合較好。

圖5 極限抗壓強度衰減曲線Fig.5 Attenuation curve of ultimate compressive strength

3.3 豎向剛度分析

根據 GB/T 20688.1—2007《橡膠支座:第 1部分，隔震橡膠支座實驗方法》，氯丁橡膠支座的豎向剛度為:

式中:P1為第3次循環加載時的較小壓力;P2為第3次循環加載時的較大壓力;Y1為第3次循環加載時的較小位移;Y2為第3次循環加載時的較大位移。

公路橋梁矩形板式氯丁橡膠支座的豎向荷載與豎向剛度曲線如圖6。隨著豎向荷載的逐漸增加，豎向剛度呈逐漸下降的趨勢。

圖6 荷載-豎向剛度曲線Fig.6 Load-vertical stiffness curve loops

3.4 抗壓彈性模量分析

通過試驗的數據計算得出不同鹽凍條件下的公路橋梁板式氯丁橡膠支座的抗壓彈性模量，采用最小二乘法擬合成50 a氯丁橡膠支座的抗壓彈性模量衰減曲線(圖7)。

圖7 抗壓彈性模量衰減曲線Fig.7 Attenuation curve of measured compressive elastic modulus

衰減模型為:

式中:z為抗壓彈性模量。

表3為計算值與試驗實測值進行對比，計算值與試驗實測值的比值平均值為1.004 2，標準差為0.092，變異系數為0.092。結果表明，氯丁橡膠支座的抗壓彈性模量的衰減模型擬合公式與實際試驗結果符合較好。

表3 抗壓彈性模量對比Table 3 Comparison of compressive elastic modulus

4 結論

通過鹽凍條件下矩形氯丁橡膠支座受壓試驗研究，得出以下主要結論:

1)對于矩形公路橋梁板式橡膠支座，鹽凍時間越長，公路橋梁板式氯丁橡膠支座的局部變形越明顯，彈性階段縮短，更容易發生脆性破壞，加載后的試件四邊橡膠裂縫開裂越大，鋼板外露現象明顯。隨著腐蝕程度的加深，局部會產生鋼板斷裂的現象。

2)根據試驗結果，采用最小二乘法建立氯丁橡膠支座的極限抗壓強度的衰減模型，得出50 a的極限抗壓強度的衰減函數和衰減擬合曲線。

3)鹽凍侵蝕對公路橋梁板式氯丁橡膠支座的豎向剛度影響較大，剛度下降趨勢十分顯著，且腐蝕程度越深，其下降趨勢越明顯。

4)根據試驗結果，采用最小二乘法建立氯丁橡膠支座的抗壓彈性模量的衰減模型，得出50 a的抗壓彈性模量的衰減函數和衰減擬合曲線。

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