硝酸腐蝕條件下公路橋梁氯丁橡膠支座抗剪試驗

司月華 王桂玲 劉 銘

（11.鄭州科技學院，河南 鄭州 45006450064；22.機械工業第六設計研究院有限公司，河南 鄭州 45006450064）

1 試驗概況

1.1 試件分組

試件根據橡膠手冊選取，尺寸與編號為GYZd200×42（CR）JYXS。

1.2 試件處理

試件的硝酸浸泡在遼寧省建筑材料監督檢驗院完成，圓形支座分別按照試驗要求在pH為4.5的硝酸溶液中全浸泡20d、40d、60d、80d、100d。

2 抗剪試驗

2.1 試驗裝置

具體測點位置如圖1所示，W代表位移計。根據實驗要求，在氯丁橡膠支座的四周分別設置400mm的位移傳感器，用來測量x、y方向的位移變化。

2.2 加載方法

采用分級加載的試驗方法，為使每個測點穩定，使試驗效果更好，在預加力時，進行幾何尺寸對中。

抗剪彈性模量的加載方法

（a）調整加載裝置，保證試件的短邊抗剪。

（b）在加載過程中，以（0.03～0.04）MPa/s的均勻速率加載軸向力至壓應力為[σ]。

（c）循環預載三次水平力，以（0.002～0.003）MPa/s的速度均勻加到1.0MPa，停止5min后，緩慢均勻卸載為0.1MPa，再停止5min。

圖1 試驗裝置

（d）正式加載過程：循環三次加載，每一次均從0.1MPa開始，每增0.1MPa，持荷 10min，再將荷載卸載為0.1MPa，間歇l0min后，下一個加載過程開始。在此基礎上分別繼續加到極限荷載，直至其承載力快速下降[1-2]。

2.3 試驗現象分析

圖2為試件破壞形態。從試件的試驗過程中觀察發現，在開始加載過程中，試件的外觀均沒有發生大的變化，在試件整個的彈性過程中，試件中橡膠層與鋼板層只發生了微小的錯動，此時試件外表均沒有破裂的現象；若繼續增大水平荷載，試件層間的錯動現象越發明顯，試件外邊緣橡膠逐漸開裂，其開裂的位置出現在橡膠層與鋼板層之間，隨著水平荷載的加載，試件的錯動位移較大，且與受剪方向相同的位移計的數值快速增長，橡膠層與鋼板層剝離程度較嚴重；與其垂直方向的位移計的數值增長微小，橡膠層與鋼板層出現了較小的剝離；在承載力將要下降時，試件的剝離程度也同時達到了最大值，此時位移計的數值也停止了變化，當試件發出一聲聲響時，其承載力的數值也快速下滑，試件達到剪切破壞。觀察試件，其破壞主要是橡膠層與鋼板層發生錯動、剝離，橡膠破裂，鋼板外漏、斷裂。通過矩形與圓形試件的破壞特征對比發現，標準件的彈性階段較長，承載力均較大；試件經硝酸腐蝕后，腐蝕天數越多，彈性階段越短，承載力越小，受剪方向的裂縫越大，破壞程度越嚴重。

圖2 試驗試件破壞形態

3 結果分析

3.1 各項指標對比分析

表1為圓形支座幾個指標的對比，數據顯示每個指標均受到硝酸腐蝕的侵害，兩組中標準件的承載力均最大，且每組均為腐蝕程度越深，承載力越小，這說明酸雨對橡膠支座的損害越嚴重。

3.2 抗剪強度分析

分別將矩形支座與圓形支座的極限抗剪強度的試驗數據采用最小二乘法擬合成0-50年間的衰減曲線（見圖3）。從兩組試件的擬合曲線看出，腐蝕年數越多，其抗剪強度越小；試件在開始受到腐蝕時，其極限抗剪強度下降的速度較快，隨著腐蝕年數的增加，其下降速度變慢，在腐蝕年數達到一定值時，試件的抗剪強度基本達到一定的數值，但其數值已很小，其曲線軌跡趨向于指數函數的變化。

表1 指標對比

圖3 圓形氯丁橡膠支座承載力變化曲線

由圖3可得出，極限抗剪衰減曲線基本符合指數函數，其衰減模型為：

式中，τmax為極限抗剪強度，x為腐蝕年數。

由公式（1）計算所得結果與試驗中實測結果的比值平均值是0.999 0，標準差是0.280 1，變異系數是0.000 1，此數據表明試件的極限抗剪強度衰減模型擬合公式大致趨向于實際情況。

3.3 抗剪彈性模量分析

抗剪彈性模量由公式（2）對其進行計算：

式中，G1為實測抗剪彈性模量的計算值；τ1.0、γ1.0為第1.0MPa級時試驗荷載下的剪應力、累計剪切應變值；τ0.3、γ0.3為第0.3MPa級試驗荷載下剪應力、累計剪切應變值。

圖4 抗剪彈性模量擬合曲線

將試驗的抗剪彈性模量所得試驗數據采用最小二乘法擬合為0-50年間的衰減曲線（圖4），所得衰減模型公式為：

公式中，G是抗剪彈性模量，x是凍融年數。

通過式（3）所得計算結果與試驗數值的比值平均值為1.001 2，標準差為0.009 3，變異系數為0.007 1，分析可得出，腐蝕年數越多，其抗剪彈性模量越小；試件在開始受到腐蝕時，其極限抗剪彈性模量下降的速度較快，隨著腐蝕年數的增加，其下降速度變慢，在腐蝕年數達到一定值時，試件的抗剪彈性模量基本達到一定的數值，但其數值已很小，其曲線軌跡趨向于冪函數的變化。

4 結論

①氯丁橡膠支座受到硝酸腐蝕后，當受到剪力時，其斷裂、破壞程度較標準件嚴重。②硝酸腐蝕后的氯丁橡膠支座，其彈性階段縮短，且腐蝕程度越深，彈性線段越短。③硝酸腐蝕的氯丁橡膠支座，抗剪強度下降，且腐蝕程度越深，抗剪強度下降得越多。④硝酸腐蝕的氯丁橡膠支座的抗剪彈性模量小于標準件的，且腐蝕程度越深，其趨向于脆性的轉變越明顯。

[1]周明華，張蓓.橡膠支座的應用前景和質量憂患[J].公路，2003，8（4）：5-7.

[2]Itoh Y，Asce M， Gu H S.Prediction of aging characteristics in natural rubber bearings used in bridges[J].Journal of Bridge Engineering，2009，14（2）：122-128.