硝酸腐蝕條件下公路橋梁氯丁橡膠支座抗剪試驗(yàn)

司月華 王桂玲 劉 銘

（11.鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 45006450064；22.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 45006450064）

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件分組

試件根據(jù)橡膠手冊(cè)選取，尺寸與編號(hào)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(jiān)督檢驗(yàn)院完成，圓形支座分別按照試驗(yàn)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(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

具體測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示，W代表位移計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，在氯丁橡膠支座的四周分別設(shè)置400mm的位移傳感器，用來測(cè)量x、y方向的位移變化。

2.2 加載方法

采用分級(jí)加載的試驗(yàn)方法，為使每個(gè)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定，使試驗(yàn)效果更好，在預(yù)加力時(shí)，進(jìn)行幾何尺寸對(duì)中。

抗剪彈性模量的加載方法

（a）調(diào)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(yīng)力為[σ]。

（c）循環(huán)預(yù)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(yàn)裝置

（d）正式加載過程：循環(huán)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(gè)加載過程開始。在此基礎(chǔ)上分別繼續(xù)加到極限荷載，直至其承載力快速下降[1-2]。

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

圖2為試件破壞形態(tài)。從試件的試驗(yàn)過程中觀察發(fā)現(xiàn)，在開始加載過程中，試件的外觀均沒有發(fā)生大的變化，在試件整個(gè)的彈性過程中，試件中橡膠層與鋼板層只發(fā)生了微小的錯(cuò)動(dòng)，此時(shí)試件外表均沒有破裂的現(xiàn)象；若繼續(xù)增大水平荷載，試件層間的錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象越發(fā)明顯，試件外邊緣橡膠逐漸開裂，其開裂的位置出現(xiàn)在橡膠層與鋼板層之間，隨著水平荷載的加載，試件的錯(cuò)動(dòng)位移較大，且與受剪方向相同的位移計(jì)的數(shù)值快速增長(zhǎng)，橡膠層與鋼板層剝離程度較嚴(yán)重；與其垂直方向的位移計(jì)的數(shù)值增長(zhǎng)微小，橡膠層與鋼板層出現(xiàn)了較小的剝離；在承載力將要下降時(shí)，試件的剝離程度也同時(shí)達(dá)到了最大值，此時(shí)位移計(jì)的數(shù)值也停止了變化，當(dāng)試件發(fā)出一聲聲響時(shí)，其承載力的數(shù)值也快速下滑，試件達(dá)到剪切破壞。觀察試件，其破壞主要是橡膠層與鋼板層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、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(duì)比發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)件的彈性階段較長(zhǎng)，承載力均較大；試件經(jīng)硝酸腐蝕后，腐蝕天數(shù)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(yán)重。

圖2 試驗(yàn)試件破壞形態(tài)

3 結(jié)果分析

3.1 各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比分析

表1為圓形支座幾個(gè)指標(biāo)的對(duì)比，數(shù)據(jù)顯示每個(gè)指標(biāo)均受到硝酸腐蝕的侵害，兩組中標(biāo)準(zhǔn)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(duì)橡膠支座的損害越嚴(yán)重。

3.2 抗剪強(qiáng)度分析

分別將矩形支座與圓形支座的極限抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)越多，其抗剪強(qiáng)度越?。辉嚰陂_始受到腐蝕時(shí)，其極限抗剪強(qiáng)度下降的速度較快，隨著腐蝕年數(shù)的增加，其下降速度變慢，在腐蝕年數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，試件的抗剪強(qiáng)度基本達(dá)到一定的數(shù)值，但其數(shù)值已很小，其曲線軌跡趨向于指數(shù)函數(shù)的變化。

表1 指標(biāo)對(duì)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(shù)函數(shù)，其衰減模型為：

式中，τmax為極限抗剪強(qiáng)度，x為腐蝕年數(shù)。

由公式（1）計(jì)算所得結(jié)果與試驗(yàn)中實(shí)測(cè)結(jié)果的比值平均值是0.999 0，標(biāo)準(zhǔn)差是0.280 1，變異系數(shù)是0.000 1，此數(shù)據(jù)表明試件的極限抗剪強(qiáng)度衰減模型擬合公式大致趨向于實(shí)際情況。

3.3 抗剪彈性模量分析

抗剪彈性模量由公式（2）對(duì)其進(jìn)行計(jì)算：

式中，G1為實(shí)測(cè)抗剪彈性模量的計(jì)算值；τ1.0、γ1.0為第1.0MPa級(jí)時(shí)試驗(yàn)荷載下的剪應(yīng)力、累計(jì)剪切應(yīng)變值；τ0.3、γ0.3為第0.3MPa級(jí)試驗(yàn)荷載下剪應(yīng)力、累計(jì)剪切應(yīng)變值。

圖4 抗剪彈性模量擬合曲線

將試驗(yàn)的抗剪彈性模量所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)。

通過式（3）所得計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)值的比值平均值為1.001 2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.009 3，變異系數(shù)為0.007 1，分析可得出，腐蝕年數(shù)越多，其抗剪彈性模量越??；試件在開始受到腐蝕時(shí)，其極限抗剪彈性模量下降的速度較快，隨著腐蝕年數(shù)的增加，其下降速度變慢，在腐蝕年數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，試件的抗剪彈性模量基本達(dá)到一定的數(shù)值，但其數(shù)值已很小，其曲線軌跡趨向于冪函數(shù)的變化。

4 結(jié)論

①氯丁橡膠支座受到硝酸腐蝕后，當(dāng)受到剪力時(shí)，其斷裂、破壞程度較標(biāo)準(zhǔn)件嚴(yán)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(qiáng)度下降，且腐蝕程度越深，抗剪強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)件的，且腐蝕程度越深，其趨向于脆性的轉(zhuǎn)變?cè)矫黠@。

[1]周明華，張蓓.橡膠支座的應(yīng)用前景和質(zhì)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.