改性橡膠與天然橡膠支座低溫力學性能對比試驗研究

□文/馬 強

支座作為橋梁不可或缺的組件，主要功能是傳遞橋梁上部結構自重及車輛荷載，同時滿足橋梁上部結構在溫度變化過程中的協調變形和轉動。目前，常溫狀態(tài)下橡膠支座的各指標試驗研究已相對全面、完善，但嚴寒、凍融條件下支座對溫度敏感性、耐候性研究尚未深入進行。

1 橡膠支座低溫性能研究必要性

近些年，國內對橋梁橡膠支座的理論創(chuàng)新研究主要體現在常溫條件下材料本身性能、新材料研發(fā)及減震防滑措施上；對嚴寒、凍融條件下，橡膠支座的適用性、耐久性隨溫度變化呈現的規(guī)律及其低溫的敏感性、穩(wěn)定性尚缺乏研究和理論數據支撐，相關規(guī)范中對溫度適應性方面也未作明文規(guī)定。

我國東北嚴寒地區(qū)如漠河等地，最低氣溫甚至達到-52.3 ℃[1]，對橋梁支座的科學選型和結構安全可靠性設計提出嚴峻考驗。因此，研究橡膠支座在嚴寒地區(qū)的使用性能，可為我國東北、西北嚴寒地區(qū)的支座合理選型和科學設計提供參考。

2 試驗設計

2.1 試驗內容

針對改性、天然橡膠兩種材料支座進行低溫力學性能試驗，主要對比分析體現支座適用性、耐久性的抗壓彈性模量、抗剪彈性模量、容許剪切角及極限抗壓強度4個試驗指標。

2.2 試驗方案

2.2.1 橡膠支座試件的選取

選取改性橡膠、天然橡膠兩種材料的圓形板式支座，見表1。

表1 支座參數

2.2.2 擬定試驗溫度

鑒于我國東北、西北等嚴寒地區(qū)的最低氣溫可達到-52.3℃，綜合目前國內成熟研究成果，減少試驗不必要成本消耗，注重實效，本次擬定試驗溫度為-45、-50、-55 ℃3個等級。

2.2.3 低溫控制方法

通過對幾種制冷方案的比選及現有設備調研，低溫制冷控制設備選用D6-10低溫箱，該設備技術成熟、控制溫度精度高且容易計算擬定試驗溫度，準確控制時間。試件制冷后迅速進加載試驗，保證溫度最少損失。

2.2.4 試驗依據

試驗準備、試驗過程嚴格按照JT/T 4—2004《公路橋梁板式橡膠支座》、JT 3132.3—90《公路橋梁板式橡膠支座成品力學性能檢驗規(guī)則》的步驟要求進行。

3 試驗結果分析

3.1 抗壓彈性模量

根據JT/T 4—2004規(guī)定，抗壓彈性模量試驗時，每個試件均進行三次重復加載，三次加載結果的平均值作為最終試驗值且偏差應不大于標準值的±20%。見表2-表3和圖1。

表2 天然橡膠支座抗壓彈性模量試驗值

表3 改性橡膠支座抗壓彈性模量試驗值

圖1 抗壓彈性模量與溫度變化規(guī)律

試驗結果表明：

1）兩種材料支座在試驗溫度下抗壓彈性模量值偏差均小于標準值的20%，滿足規(guī)范規(guī)定；

2）溫度在-50℃時，兩種材料支座的抗壓彈性模量接近且曲線出現轉點；溫度在-45～-50 ℃時，天然橡膠支座抗壓彈性模量逐漸提高，而改性橡膠支座平穩(wěn)；溫度在-50～-55 ℃時，天然橡膠支座抗壓彈性模量逐漸下降，而改性橡膠支座反而提高，體現適應性更好。

3.2 抗剪彈性模量

根據JT/T 4—2004規(guī)定，抗剪彈性模量試驗時，每個試件均進行三次加載，三次加載結果的平均值作為最終試驗值且偏差應不大于標準值的±15%。見表4-表5和圖2。

表4 天然橡膠支座抗剪彈性模量實測值

表5 改性橡膠支座抗剪彈性模量實測值

圖2 抗剪彈性模量與溫度關系

試驗結果表明：

1）兩種材料支座在試驗溫度時抗剪彈性模量值偏差小于標準值的15%，滿足規(guī)范規(guī)定；

2）隨著溫度的降低，兩種材料支座的抗剪彈性模量均增大，對應縱向協調變形能力減退；但改性橡膠的變化速率相對較小，說明溫度變化對其影響較小、對低溫適應性更強。

3.3 容許剪切變形

依據JT 3132.3—90 對兩種橡膠材料支座容許剪切角度進行試驗研究[3]。試驗結果見表6，容許剪切角與溫度關系見圖3。

表6 支座容許剪切角正切值

結果表明：

1）兩種材料支座剪切角隨著試驗溫度降低而下降，剪切伸縮變形能力減弱；但兩種橡膠支座的剪切角最大值均在設計規(guī)范容許值范圍內；

2）溫度在-45～-50 ℃時，天然橡膠支座剪切變形能力變化速率相對較小，與抗剪指標試驗得出一致結論；溫度在-50～-55 ℃時，天然橡膠支座試驗值平穩(wěn)不變，而改性橡膠支座有所降低且溫度達到-55 ℃時，兩者基本重合。

3.4 極限強度

依據規(guī)范相關規(guī)定進行極限抗壓破壞試驗。加載過程中，除破壞時內部鋼板變形天然橡膠支座較改性橡膠支座要嚴重，出現鋼、膠剝離外；兩種支座的破壞形態(tài)、機理基本一致。見圖4和表7。

圖4 支座破壞形態(tài)

表7 支座極限抗壓破損強度

試驗結果表明：在低溫條件下，兩種材料支座的極限抗壓強度均滿足規(guī)范要求；改性橡膠支座的極限抗壓強度明顯較高，平均值較天然橡膠高26.8%。

4 結論

1）在試驗溫度條件下，兩種材料支座的4 個試驗指標均滿足規(guī)范要求。

2）在試驗溫度條件下，除容許剪切能力在-50～-55 ℃范圍內天然橡膠支座對溫度變化適應性較好外，其余各項指標試驗結果顯示，在同等條件下改性橡膠支座均優(yōu)于天然橡膠，體現出更好的低溫適應性和耐寒性，可作為設計優(yōu)先考慮。