老化及海蝕作用下近海橋梁隔震支座橡膠材料性能劣化試驗(yàn)

馬玉宏, 趙桂峰， 羅佳潤(rùn)， 崔　杰，， 周福霖

(1.廣州大學(xué) 工程抗震研究中心 廣東省地震工程與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州　510405； 2.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州　510006)

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老化及海蝕作用下近海橋梁隔震支座橡膠材料性能劣化試驗(yàn)

馬玉宏1, 趙桂峰2， 羅佳潤(rùn)1， 崔杰1，2， 周福霖1

(1.廣州大學(xué) 工程抗震研究中心 廣東省地震工程與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510405； 2.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州510006)

設(shè)計(jì)了由與橡膠隔震支座相同材料的橡膠片組成的橡膠塊體，將橡膠支座與橡膠塊體和橡膠片放置在同樣的試驗(yàn)環(huán)境下開(kāi)展試驗(yàn)，研究橡膠材料硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度及扯斷伸長(zhǎng)率在老化和海蝕作用下隨時(shí)間及厚度方向的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：老化仍然是影響橡膠材料性能的主要因素；橡膠含水率的高低會(huì)極大影響其性能；隨老化時(shí)間的增長(zhǎng)，橡膠的硬度、定伸應(yīng)力呈增大的趨勢(shì)，而拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率呈減小的趨勢(shì)；單純海蝕對(duì)橡膠硬度、定伸應(yīng)力的影響不明顯，但拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率則隨著海蝕時(shí)間的增長(zhǎng)而減小；老化+海蝕試驗(yàn)結(jié)果是老化作用與海蝕作用的疊加，該作用會(huì)使得橡膠的性能劣化在大應(yīng)變時(shí)表現(xiàn)得更為明顯；從橡膠表面至內(nèi)部，橡膠材料性能大體呈略微減小的趨勢(shì)，老化及海蝕作用基本發(fā)生在表面，而內(nèi)部橡膠的性能變化程度均較輕。

近海橋梁；老化；海蝕；天然橡膠；性能劣化

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，隔震技術(shù)在我國(guó)近海橋梁得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隔震支座是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，但是近海橋梁中所使用的隔震支座長(zhǎng)期處于溫度、紫外線(xiàn)、鹽霧、車(chē)輛振動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境因素作用下，對(duì)于橡膠隔震支座來(lái)說(shuō)，對(duì)其性能影響最大的就是老化和海蝕的共同作用，因此，有必要對(duì)近海橋梁橡膠隔震支座在老化和海蝕共同作用下的性能劣化規(guī)律開(kāi)展研究，而對(duì)于橡膠支座所使用的橡膠材料性能劣化規(guī)律開(kāi)展研究則是最基礎(chǔ)的工作。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)橡膠材料老化、臭氧及海水中老化行為等開(kāi)展了較多的研究：ABMALEK等[1]對(duì)一艘1941年沉沒(méi)的在海底浸泡了42年的海軍艦艇上的天然橡膠輪胎內(nèi)外胎進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外胎的拉伸模量分別增加了123%、23%，內(nèi)、外胎斷裂伸長(zhǎng)率分別降低了18.8%、14.7%；MOTT等[2]對(duì)橡膠進(jìn)行了7個(gè)溫度工況下的空氣老化和6個(gè)海水溫度工況下的老化行為，指出在15年的室溫海水浸泡中，海水將浸入所用橡膠60 mm；BROWN等[3]對(duì)多種橡膠分別從熱老化、大氣老化、臭氧老化、自然老化等角度進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，認(rèn)為經(jīng)過(guò)老化后，橡膠的物理力學(xué)性能都有不同程度的劣化，在經(jīng)過(guò)40年的自然老化后，天然橡膠的拉伸強(qiáng)度下降達(dá)35%，斷裂伸長(zhǎng)率則下降達(dá)48%；GENT[4]指出，所有彈性體在經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間后都會(huì)不同程度地吸水；ITOH等[5]對(duì)天然橡膠進(jìn)行了光照、臭氧、低溫—臭氧、熱、鹽霧、酸霧工況的試驗(yàn)，結(jié)果表明熱氧對(duì)橡膠的劣化影響顯著，在經(jīng)過(guò)720 h試驗(yàn)后，天然橡膠伸長(zhǎng)率下降了27%，而低溫-臭氧、鹽霧、酸霧的影響很小；MORITA等[6]對(duì)使用20年的疊層橡膠支座內(nèi)部橡膠進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)100%、200%及300%拉伸應(yīng)力分別增加了5.9%、17.6%、22.4%；顧浩聲等[7]采用高溫加速老化的方法對(duì)橡膠材料開(kāi)展試驗(yàn)，提出了老化預(yù)測(cè)的方法，并與從英國(guó)Pelham橋回收的使用了38年的天然橡膠支座切片材料力學(xué)性能對(duì)比，擬合良好。國(guó)內(nèi)上海橡膠制品研究所、化工部合成材料老化研究所、化工部材料研究院、化工部西北橡膠塑料研究設(shè)計(jì)院等對(duì)橡膠老化、海水中的老化行為等進(jìn)行了研究[8-13]。以上研究有些單純針對(duì)普通橡膠開(kāi)展老化和海水問(wèn)題研究，有些則是針對(duì)已老化一定時(shí)間的隔震支座橡膠材料開(kāi)展研究，很少見(jiàn)將橡膠隔震支座及所用相同橡膠材料放置在同樣的試驗(yàn)環(huán)境下開(kāi)展的系統(tǒng)試驗(yàn)研究。本文在對(duì)天然橡膠隔震支座開(kāi)展老化和海蝕試驗(yàn)的同時(shí)，特別設(shè)計(jì)了由與支座相同材料的橡膠片組成的橡膠塊體，將支座與橡膠塊體和橡膠片放置在同樣的試驗(yàn)環(huán)境下開(kāi)展試驗(yàn)，重點(diǎn)研究橡膠材料物理力學(xué)性能在老化和海蝕作用下隨時(shí)間及厚度方向的變化規(guī)律。

1　試驗(yàn)體及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用與橡膠支座相同的橡膠材料設(shè)計(jì)了橡膠塊體，每層2 mm，平面尺寸270 mm×320 mm，見(jiàn)圖1，采用對(duì)拉螺栓和20 mm寬薄鋼板將75層橡膠片疊合為整體，其中紅色核心區(qū)域?yàn)橄鹉z片啞鈴型試樣取樣區(qū)域。在經(jīng)歷老化或海蝕試驗(yàn)后，將對(duì)橡膠片進(jìn)行切割、裁樣，研究老化或海蝕前后其各項(xiàng)性能參數(shù)的變化情況。

圖1　橡膠塊體及橡膠片設(shè)計(jì)Fig.1 Rubber block and dummbell rubber sheet

根據(jù)橋梁隔震支座在海洋環(huán)境中所處位置及對(duì)近海橋梁所遭受的陽(yáng)光、空氣、海水等海洋環(huán)境因素的綜合分析，確定在橡膠材料性能研究時(shí)主要考慮老化和腐蝕介質(zhì)(海水浪濺)的影響。此外，考慮到目前無(wú)法采用單一室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備來(lái)充分模擬實(shí)際海洋環(huán)境，及我國(guó)在跨海橋梁中使用隔震支座的歷史還不長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)取得隔震支座老化后的橡膠材料還不現(xiàn)實(shí)，因此，本文采用人工高溫加速法開(kāi)展老化試驗(yàn)，采用高溫海水全浸法開(kāi)展人工加速海蝕試驗(yàn)。

采用Arrhenius人工加速老化公式：

(1)

式中，Ea為反應(yīng)活化能；R為氣體常數(shù)；Treal為實(shí)際使用環(huán)境中的絕對(duì)溫度；Ttest是熱氧化試驗(yàn)的絕對(duì)溫度；treal為實(shí)際老化時(shí)間；ttest是試驗(yàn)時(shí)間。根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量的相關(guān)文獻(xiàn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在分析我國(guó)從北到南十大沿海城市的溫度、晴雨時(shí)間比等因素的基礎(chǔ)上，綜合確定使用壽命為60年的橡膠支座人工加速老化和海蝕試驗(yàn)的具體控制參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　人工加速熱氧老化和海蝕環(huán)境模擬試驗(yàn)的具體控制參數(shù)

在對(duì)橡膠隔震支座進(jìn)行基本性能測(cè)試之后，將支座與所采用的橡膠片及橡膠塊體共同放置于溫度為80℃的熱老化箱中進(jìn)行試驗(yàn)。為保證熱空氣能夠與試驗(yàn)體發(fā)生充分的接觸，所有試驗(yàn)體之間都保持一定的距離，橡膠塊體及橡膠片具體放置情況見(jiàn)圖2。在對(duì)橡膠片進(jìn)行取樣進(jìn)行老化試驗(yàn)后，將相應(yīng)的橡膠片放置于80℃的人工海水中，進(jìn)行90天的人工加速海蝕試驗(yàn)，見(jiàn)圖3。

圖2　橡膠塊體及橡膠片老化試驗(yàn)Fig.2 Aging test of rubber block and rubber sheet

圖3　全浸法開(kāi)展橡膠塊體及橡膠片海蝕試驗(yàn)Fig.3 Marine corrosion test of rubber block and rubber sheet by the full seawater immersion method

橡膠片的試驗(yàn)工況主要分為三類(lèi)，即單純老化試驗(yàn)、單純海蝕試驗(yàn)及老化+海蝕試驗(yàn)，相應(yīng)的橡膠片可分為6種，具體工況見(jiàn)表2。為了查看橡膠材料性能隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)晾掛于老化箱中的橡膠片，在20天的老化試驗(yàn)過(guò)程中按照每隔2天(48 h，折合20℃實(shí)際環(huán)境中使用4年)取樣一片。在90天單純海蝕試驗(yàn)的同時(shí)，又晾掛了一批橡膠片進(jìn)行90天的超長(zhǎng)期老化試驗(yàn)，從老化試驗(yàn)進(jìn)行到24天起每隔6天(144 h)取樣，直至90天試驗(yàn)完成。

2　老化、海蝕試驗(yàn)后試驗(yàn)體外觀變化

人工加速老化20天和90天后，橡膠片外觀變化見(jiàn)圖4。可見(jiàn)，橡膠片從開(kāi)始到老化20天后，均未能看出差異。從后續(xù)的超長(zhǎng)期90天加速老化情況來(lái)看，直至42天均看不出明顯的差異，但是從48天后，橡膠片表面開(kāi)始泛白，并且隨著時(shí)間的加長(zhǎng)，泛白的程度逐漸增加，到了90天時(shí)，橡膠片已經(jīng)非常明顯的帶有白色。在取樣的過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)隨著老化時(shí)間的加長(zhǎng)，原本晾掛著的橡膠片，會(huì)出現(xiàn)掉落的現(xiàn)象。對(duì)于橡膠塊體1，外觀未有可見(jiàn)差異。

單純海蝕和老化+海蝕試驗(yàn)工況下橡膠塊體及橡膠片的外觀見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，對(duì)于經(jīng)受海蝕工況的橡膠塊體2和橡膠塊體3，用于預(yù)壓的鋼板、螺栓部分均有比較嚴(yán)重的銹蝕。對(duì)于經(jīng)受老化+海蝕、單純海蝕工況后的橡膠片，在取樣并靜置48 h后，以清水洗凈自然干燥后，相比于初始狀態(tài)的明顯橡膠黑色，橡膠片變得略帶白色。

表2　橡膠片及橡膠塊老化、海蝕試驗(yàn)工況

圖4　橡膠片老化后外觀對(duì)比Fig.4 Appearance of rubber sheet after aging test

圖5　經(jīng)受海蝕后的橡膠塊體及橡膠片F(xiàn)ig.5 Appearance of rubber block or rubber sheet after maring corrosion test

3　老化、海蝕試驗(yàn)后橡膠材料性能試驗(yàn)

將每片橡膠裁取三片標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型橡膠試件開(kāi)展相應(yīng)的硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度等試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果分析如下。

3.1硬度

橡膠支座硬度測(cè)試作為彈性模量的一種間接量測(cè)尺度，是橡膠材料常用測(cè)試項(xiàng)目之一[4]。橡膠硬度不同將導(dǎo)致橡膠隔震支座性能有差異，橡膠變硬，支座的剛度將變大，橡膠變軟，支座的剛度將變小。然而，隔震支座剛度過(guò)度變大或變小，均會(huì)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。

單純老化試驗(yàn)、單純海蝕試驗(yàn)及老化+海蝕試驗(yàn)后，橡膠硬度隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖6～圖8。由圖6可知，隨著老化的進(jìn)行，橡膠的硬度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，480 h加速老化后硬度增加9.3%。在開(kāi)始的96 h中，橡膠變硬的速度比較快，在隨后的時(shí)間，橡膠硬度的增長(zhǎng)速度放緩，說(shuō)明老化對(duì)硬度的影響非常顯著。由圖7可知，在長(zhǎng)達(dá)2 160 h的試驗(yàn)過(guò)程中，取樣得到的橡膠片硬度測(cè)試結(jié)果基本與初始硬度數(shù)據(jù)相差不大，說(shuō)明單純海蝕作用對(duì)硬度影響較小。圖8的數(shù)據(jù)是將經(jīng)受480 h人工加速老化后的試件，再放入海蝕箱，并每隔144 h取樣測(cè)試得到的，從這組數(shù)據(jù)來(lái)看，橡膠的硬度基本維持在經(jīng)受480 h加速老化后的水平上，即影響硬度變化的關(guān)鍵因素仍然是老化，海蝕的影響較小。

圖6　單純老化試驗(yàn)老化時(shí)間對(duì)橡膠硬度的影響Fig.6 Influence of time on hardness in pure aging tests

圖7　單純海蝕試驗(yàn)海蝕時(shí)間對(duì)橡膠硬度的影響Fig.7 Influence of time on hardness in pure marine corrosion tests

圖8　老化+海蝕試驗(yàn)時(shí)間對(duì)橡膠硬度的影響Fig.8 Influence of time on hardness in aging and marine corrosion tests

為了探討沿厚度方向距橡膠塊體表面距離對(duì)橡膠硬度的影響，從橡膠塊體兩個(gè)老化方向上由外到內(nèi)取樣，同時(shí)將兩個(gè)方向同厚度處硬度數(shù)據(jù)平均，得到距離表面距離與橡膠硬度的關(guān)系見(jiàn)圖9～圖11。由圖9可知，從外到里，橡膠的硬度總體上均比初始值增大，外圍橡膠硬度增大較多，在距離表面15 mm左右處，橡膠的硬度有較大的增長(zhǎng)，從此處再往里，變化趨勢(shì)不明顯，說(shuō)明老化作用發(fā)生在橡膠表面，在表層形成一個(gè)老化層后，內(nèi)部橡膠得以保護(hù)，過(guò)了一個(gè)臨界深度后老化影響變小。從擬合后的曲線(xiàn)來(lái)看，橡膠硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但是變化幅度不大。

圖9　單純老化試驗(yàn)表面距離對(duì)橡膠硬度的影響Fig.9 Influence of distance from surface on hardness in pure aging tests

圖10　單純海蝕試驗(yàn)表面距離對(duì)橡膠硬度的影響Fig.10 Influence of distance from surface on hardness in pure marine corrosion tests

圖11　老化+海蝕試驗(yàn)表面距離對(duì)橡膠硬度的影響Fig.11 Influence of distance from surface on hardness in aging and marine corrosion tests

由圖10可知，橡膠塊體單純經(jīng)受2 160 h的海蝕試驗(yàn)后，從外至里，橡膠硬度總體上比初始值略有下降，說(shuō)明海蝕環(huán)境對(duì)橡膠有略微的軟化作用。由圖11可知，橡膠塊體在經(jīng)受老化480 h+海蝕2 160 h后，厚度方向上的硬度測(cè)試結(jié)果與單純480 h老化的測(cè)試結(jié)果大體一致，絕大部分的橡膠硬度處于44～48之間，這也再次說(shuō)明引起橡膠性能劣化的主要環(huán)境因素依然是熱氧因素。

以上現(xiàn)象出現(xiàn)的原因?yàn)椋瑔渭兿鹉z片是定時(shí)取樣，集中試驗(yàn)的，取樣后放置于室內(nèi)環(huán)境的時(shí)間較長(zhǎng)，橡膠片內(nèi)水分有部分蒸發(fā)。而橡膠塊體的橡膠片，是在試驗(yàn)結(jié)束后才取出拆卸的，在室內(nèi)環(huán)境放置時(shí)間較短，即橡膠塊體的橡膠片中的含海水量較大，從而導(dǎo)致橡膠塊體受到海蝕影響大于單純橡膠片的現(xiàn)象。

3.2定伸應(yīng)力

定伸應(yīng)力Se是指試樣的工作部分拉伸至給定伸長(zhǎng)率時(shí)的拉伸應(yīng)力，是橡膠本構(gòu)模型的一項(xiàng)重要參數(shù)，直接影響橡膠隔震支座的彈性模量和水平剛度。

(2)

式中:Se為給定伸長(zhǎng)率時(shí)試樣工作區(qū)域的應(yīng)力(MPa)；F為給定伸長(zhǎng)率時(shí)記錄的力(N)；W為試樣工作區(qū)域的寬度(mm)；t為試樣工作區(qū)域的厚度(mm)。

3.2.1時(shí)間及環(huán)境因素對(duì)橡膠定伸應(yīng)力的影響

單純老化、單純海蝕、老化+海蝕試驗(yàn)下，橡膠50%、100%、200%、300%定伸應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況分別見(jiàn)圖12～圖14。

圖12　單純老化試驗(yàn)時(shí)間對(duì)橡膠定伸應(yīng)力的影響Fig.12 Influence of time on stress at definite strain in pure aging tests

圖13　單純海蝕試驗(yàn)時(shí)間對(duì)橡膠定伸應(yīng)力的影響Fig.13 Influence of time on stress at definite strain in marine corrosion tests

圖14　老化+海蝕試驗(yàn)時(shí)間對(duì)橡膠定伸應(yīng)力的影響Fig.14 Influence of time on stress at definite strain in aging and marine corrosion tests

從圖12～圖14可知：

1) 單純老化試驗(yàn)中，不同定伸長(zhǎng)度下的應(yīng)力都隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，此外，相同老化時(shí)間下，50%～300%應(yīng)變對(duì)應(yīng)定伸應(yīng)力值逐漸變大，說(shuō)明老化對(duì)定伸應(yīng)力的影響比較嚴(yán)重；經(jīng)過(guò)了480 h的老化后，50%、100%、200%定伸應(yīng)力分別增長(zhǎng)了54.38%、37.96%、34.53%，說(shuō)明小應(yīng)變下的定伸應(yīng)力隨老化時(shí)間的增長(zhǎng)幅度要大于較大應(yīng)變(100%～300%)下的定伸應(yīng)力，從而導(dǎo)致在橡膠隔震支座隨時(shí)間老化后，小應(yīng)變作用下，隔震支座的性能可能會(huì)受到較大的影響。50%這種小變形下的應(yīng)力與橋梁支座日常使用中溫度、混凝土收縮、橋梁的翹曲等息息相關(guān)，100%定伸應(yīng)力也是衡量橡膠力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，必須予以足夠的重視。根據(jù)定伸應(yīng)力與老化試驗(yàn)時(shí)間t的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出它們之間的關(guān)系，見(jiàn)各圖。

2) 單純海蝕試驗(yàn)中，50%～300%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的定伸應(yīng)力初始值逐漸變大，但不同定伸長(zhǎng)度下的定伸應(yīng)力基本與初始值一致，說(shuō)明海蝕對(duì)定伸應(yīng)力的影響比較小。

3) 在老化+海蝕試驗(yàn)后，不同定伸長(zhǎng)度下的定伸應(yīng)力仍然大體維持在老化試驗(yàn)后的水平，說(shuō)明海蝕并不會(huì)因?yàn)橄惹暗睦匣铀倩蜓泳彾ㄉ鞈?yīng)力性能的劣化。

3.2.2距橡膠表面距離對(duì)橡膠定伸應(yīng)力的影響

為了進(jìn)一步探討厚度方向距橡膠塊體表面距離對(duì)橡膠定伸應(yīng)力的影響，參照前文研究方法，得到距離表面距離與定伸應(yīng)力的關(guān)系，單純老化、單純海蝕、老化+海蝕試驗(yàn)工況下的結(jié)果見(jiàn)圖15。

圖15　厚度方向上橡膠不同定伸長(zhǎng)度下定伸應(yīng)力的變化Fig.15 Stress at 50, 100%, 200% and 300% strain for different distance from surface

從圖15可知：

1) 在與表面相同距離處，定伸應(yīng)力變化的大體趨勢(shì)為：在50%應(yīng)變時(shí)，單純老化工況對(duì)應(yīng)定伸應(yīng)力值大于老化+海蝕工況，單純海蝕工況最小，甚至小于初始值，說(shuō)明在小變形情況下對(duì)于橡膠性能劣化起主要影響的因素還是老化；由100%～300%應(yīng)變，老化+海蝕工況對(duì)應(yīng)定伸應(yīng)力值逐漸大于單純老化工況，300%應(yīng)變時(shí)，所有距離處的定伸應(yīng)力都高于單純老化值，說(shuō)明老化與海蝕的相互作用會(huì)使得橡膠的性能劣化在大應(yīng)變時(shí)表現(xiàn)得更為嚴(yán)重。

2) 單純經(jīng)受480小時(shí)老化工況后，隨著與表面距離的加大，橡膠定伸應(yīng)力總體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；但相比于外表面，在距離外表面15 mm處兩個(gè)方向上不同定伸長(zhǎng)度下的應(yīng)力均出現(xiàn)突然變大的現(xiàn)象；在距離表面35 mm至核心部位(距離表面74 mm)，不同定伸長(zhǎng)度下的應(yīng)力變化幅度趨于平緩，這在一定程度上說(shuō)明了隔震支座橡膠部分的老化主要集中在表面，內(nèi)部橡膠的老化程度相對(duì)較輕。

3) 在單純經(jīng)受海蝕試驗(yàn)后，在厚度方向上不同定伸長(zhǎng)度下的應(yīng)力均未發(fā)現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)，且定伸應(yīng)力值均比初始值低約20%～30%，說(shuō)明海蝕沿厚度方向?qū)Χㄉ鞈?yīng)力的影響不明顯。

4) 老化+海蝕工況對(duì)應(yīng)的定伸應(yīng)力曲線(xiàn)與單純老化工況曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致，但老化+海蝕工況定伸應(yīng)力曲線(xiàn)出現(xiàn)突變現(xiàn)象的位置(25 mm)比單純老化工況(15 mm)更深入橡膠內(nèi)部，說(shuō)明隨著橡膠含水率增加，老化的程度加劇。

3.3拉伸強(qiáng)度TS(Tensile Strength)

拉伸強(qiáng)度是指橡膠片拉伸至斷裂過(guò)程中的最大拉伸應(yīng)力，與橡膠支座剪切性能、水平極限性能密切相關(guān)。單純老化、單純海蝕、老化+海蝕工況下，時(shí)間對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖16～圖18。從橡膠塊體兩個(gè)方向上由外到內(nèi)取樣，得到距離表面距離與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖19。

圖16　老化時(shí)間對(duì)橡膠拉伸強(qiáng)度的影響Fig.16 Influence of time on rubber tensile strength in pure aging tests

圖17　海蝕時(shí)間對(duì)橡膠拉伸強(qiáng)度的影響Fig.17 Influence of time on rubber tensile strength in pure marine tests

由圖16～圖18來(lái)看，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng)，橡膠的拉伸強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且均低于初始值。單純老化試驗(yàn)，初始階段拉伸強(qiáng)度的下降速度更快，在后續(xù)時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度下降速度變緩，480 h(相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境中使用40年)老化后，拉伸強(qiáng)度下降約27%，與文獻(xiàn)[3]結(jié)果比較吻合；單純海蝕試驗(yàn)及老化+海蝕試驗(yàn)，初始階段拉伸強(qiáng)度下降緩慢，在后續(xù)時(shí)間內(nèi)下降速度變快。此外，老化+海蝕試驗(yàn)拉伸強(qiáng)度值要明顯小于單純老化或者單純海蝕試驗(yàn)的結(jié)果，說(shuō)明老化+海蝕的共同作用對(duì)橡膠拉伸強(qiáng)度的降低作用比單純海蝕或單純老化作用更為明顯，橡膠的性能劣化表現(xiàn)得更為顯著，可能的后果是老化及海蝕導(dǎo)致橡膠隔震支座水平極限性能變差，在大地震下的變形能力不足而破壞。

圖18　老化+海蝕時(shí)間對(duì)橡膠拉伸強(qiáng)度的影響Fig.18 Influence of time on rubber tensile strength in aging and marine tests

圖19　厚度方向上橡膠拉伸強(qiáng)度的變化Fig.19 Tensile strength for different distance from surface

由圖19可知，單純老化試驗(yàn)，拉伸強(qiáng)度隨與表面距離的變化趨勢(shì)不明顯，說(shuō)明橡膠拉伸強(qiáng)度在厚度方向上幾乎無(wú)差別。但經(jīng)受單純老化、單純海蝕以及老化+海蝕這3種工況后，拉伸強(qiáng)度均較初始階段有所下降，且經(jīng)受老化+海蝕的下降得最多，單純海蝕的次之，單純老化的下降得最少，其原因是橡膠片的含水量較大，說(shuō)明經(jīng)受海蝕環(huán)境后，支座拉剪性能可能下降。

3.4扯斷伸長(zhǎng)率Eb(Elongation at break)

扯斷伸長(zhǎng)率是指試樣斷裂時(shí)的百分比伸長(zhǎng)率，也與橡膠支座拉伸能力、水平極限性能有關(guān)。單純老化、單純海蝕、老化+海蝕工況下，時(shí)間對(duì)扯斷伸長(zhǎng)率的影響見(jiàn)圖20～圖22。從橡膠塊2個(gè)方向由外到內(nèi)取樣，得到距離表面距離與扯斷伸長(zhǎng)率的關(guān)系，見(jiàn)圖23。由圖20～圖22可知，單純老化試驗(yàn)，扯斷伸長(zhǎng)率隨老化時(shí)間呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，其數(shù)值從600%大約下降到500%，下降幅度約20%；單純海蝕試驗(yàn)，扯斷伸長(zhǎng)率隨時(shí)間呈略微下降的趨勢(shì)，但基本維持在500%～600%之間；老化+海蝕試驗(yàn)，扯斷伸長(zhǎng)率比初始值有大幅度降低，基本在400%～500%之間，接近480 h老化后數(shù)值，其隨時(shí)間增長(zhǎng)而呈小幅下降的趨勢(shì)，說(shuō)明橡膠扯斷伸長(zhǎng)率在老化及海蝕的共同作用下呈明顯減小趨勢(shì)，但相比于老化作用，海蝕作用的影響偏小，熱氧老化因素占據(jù)主導(dǎo)作用。

圖20　老化時(shí)間對(duì)橡膠扯斷伸長(zhǎng)率的影響Fig.20 Influence of time on elongation at break in aging tests

圖21　海蝕時(shí)間對(duì)橡膠扯斷伸長(zhǎng)率的影響Fig.21 Influence of time on elongation at break in marine tests

圖22　老化+海蝕試驗(yàn)時(shí)間對(duì)橡膠扯斷伸長(zhǎng)率的影響Fig.22 Influence of time on elongation at break in aging and marine tests

圖23　厚度方向上橡膠扯斷伸長(zhǎng)率的變化Fig.23 Elongation at break for different distance from surface

從圖23可知，在距表面10 mm以?xún)?nèi)、30 mm至核心范圍內(nèi)，單純老化試驗(yàn)與單純海蝕試驗(yàn)結(jié)果均在500%左右，與480 h老化后數(shù)值相當(dāng)；但老化+海蝕試驗(yàn)扯斷伸長(zhǎng)率減小，基本在400%左右，但是下降幅度表面大，內(nèi)部小，說(shuō)明老化、海蝕作用都會(huì)使得橡膠的扯斷伸長(zhǎng)率下降，而且老化與海蝕的共同作用將使得下降的幅度更大，這種下降將會(huì)使得橡膠支座拉伸性能和極限性能較差。

4　超長(zhǎng)期人工加速老化對(duì)橡膠材料性能的影響

為了研究老化對(duì)橡膠材料性能的長(zhǎng)期影響，在進(jìn)行海蝕試驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)90天(折合2 160 h)的80℃高溫超長(zhǎng)期人工加速老化。假設(shè)Arrhenius理論依然適用于超長(zhǎng)期加速老化，對(duì)于所研究的橡膠材料而言，90天80℃高溫加速老化相當(dāng)于在20℃環(huán)境中使用180年。超長(zhǎng)期老化時(shí)間對(duì)橡膠材料性能的影響分別見(jiàn)圖24～圖27。

圖24　超長(zhǎng)期老化時(shí)間對(duì)橡膠硬度的影響Fig.24 Influence of ultra-long-term aging on hardness

由圖24可知，隨著加速老化時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠硬度逐漸加大。在試驗(yàn)初始階段，橡膠硬度的增長(zhǎng)較快，當(dāng)試驗(yàn)到864 h(占總時(shí)間40%)的時(shí)候，硬度增長(zhǎng)約75%，而在其后的60%時(shí)間內(nèi)，硬度增長(zhǎng)只占約25%。說(shuō)明橡膠的老化主要發(fā)生在初期，在老化進(jìn)程的后期，硬度增長(zhǎng)很緩慢，逐漸趨于穩(wěn)定，因此橡膠支座的防老化工作在支座安裝后的初始階段是十分重要的。

圖25　超長(zhǎng)期老化時(shí)間對(duì)定伸應(yīng)力的影響Fig.25 Influence of ultra-long-term aging on stress atdifferent strain

從圖25可知，不同定伸長(zhǎng)度下，隨著老化時(shí)間的加長(zhǎng)，定伸應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)先增長(zhǎng)快，后增速變緩的趨勢(shì)。不同的定伸長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的定伸應(yīng)力呈現(xiàn)不同的增長(zhǎng)速率，定伸長(zhǎng)度小增長(zhǎng)速度慢，反之亦然，說(shuō)明超長(zhǎng)期老化增大了定伸應(yīng)力，將影響橡膠支座水平剪切性能的正常發(fā)揮。

圖26　超長(zhǎng)期老化對(duì)橡膠拉伸強(qiáng)度的影響Fig.26 Influence of ultra-long-term aging on tensile strength

圖27　超長(zhǎng)期老化對(duì)橡膠扯斷伸長(zhǎng)率的影響Fig.27 Influence of ultra-long-term aging on elongation at break

由圖26～圖27可知，橡膠的拉伸強(qiáng)度及扯斷伸長(zhǎng)率均隨著老化時(shí)間增長(zhǎng)而降低，下降一半所需的時(shí)間均超過(guò)2 160 h，而且扯斷伸長(zhǎng)率在下降一半時(shí)，仍然擁有超過(guò)300%以上的伸長(zhǎng)率，這足以保證橡膠隔震支座在正常使用時(shí)，即便是老化嚴(yán)重，也不至于突然失效。

5　結(jié)　論

本章對(duì)橡膠支座所使用的橡膠材料開(kāi)展單純老化、單純海蝕、老化與海蝕共同作用下的性能試驗(yàn)研究。從橡膠片外觀及性能參數(shù)的變化，得出以下結(jié)論：

(1) 老化對(duì)橡膠片外觀的影響不十分顯著，僅出現(xiàn)變白色的現(xiàn)象；海蝕對(duì)橡膠塊體的影響體現(xiàn)在用于預(yù)壓的鋼板、螺栓部分出現(xiàn)銹蝕，對(duì)橡膠片外觀的影響也體現(xiàn)在顏色變白方面。

(2) 隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，橡膠的硬度、定伸應(yīng)力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，并且在前期增速較快，后期增速慢；而拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這種減小可能導(dǎo)致橡膠隔震支座拉伸能力、極限變形能力較差。

(3) 海蝕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含水率低的情況下，橡膠性能基本維持在老化后水平，老化是性能的主要影響因素；含水率高的情況下，橡膠性能會(huì)比單純老化后下降，海蝕對(duì)性能劣化的影響不可忽視。

(4) 單純海蝕對(duì)橡膠硬度、定伸應(yīng)力的影響不明顯，但拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率則隨著海蝕時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，從而影響橡膠隔震支座的剪切性能和極限變形能力。

(5) 經(jīng)受老化+海蝕作用的橡膠片，其最終試驗(yàn)結(jié)果是老化作用與海蝕作用的疊加，但老化是主要的影響因素，老化與海蝕的共同作用會(huì)使得橡膠的性能劣化在大應(yīng)變時(shí)表現(xiàn)得更為嚴(yán)重。

(6) 從橡膠表面至橡膠內(nèi)部的厚度方向，橡膠材料硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率大體呈略微減小的趨勢(shì)，但變化及其微小，說(shuō)明老化及海蝕作用基本發(fā)生在表面，而內(nèi)部橡膠的性能變化程度均較輕。

(7) 超長(zhǎng)期加速老化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，橡膠的老化主要發(fā)生在初期，在后期性能逐漸趨于穩(wěn)定，總體來(lái)看橡膠具有較優(yōu)越的耐老化性能。

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Experimental research on property deterioration of rubber material used as natural rubber isolator for offshore bridges under aging and marine corrosion

MA Yuhong1, ZHAO Guifeng2, LUO Jiarun1, CUI Jie1, ZHOU Fulin1

(1. Guangdong Key Laboratory of Earthquake Engineering & Applied Technique, Earthquake Engineering Research & Test Center，Guangzhou University, Guangzhou 510405, China;2. School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Rubber block and rubber sheet were designed and put in the same test environment as the natural rubber isolator. Rubber properties, such as hardness, stress in definite strain, tensile strength and elongation at break, under pure aging, pure marine corrosion, and the combination of aging and marine corrosion were studied. The corresponding change rules were given. The test results indicate that aging is the main factor influencing natural rubber property. Water ratio of rubber can greatly affect its performance. With aging time increasing, hardness and stress at definite strain of the rubber increased, but tensile strength and elongation at break decreased. The influence of pure marine corrosion on hardness and stress at definite strain is not obvious, but tensile strength and elongation at break is reduced with marine time. Under the combined action of aging and marine corrosion, property deterioration of the natural rubber is more serious, especially when the rubber is with large strain. From the surface to the inner of the rubber block, rubber property parameters slightly decrease. Property deterioration generally occurs in the rubber surface. The property of the inner rubber rarely changes.

offshore bridge; aging; marine corrosion; natural rubber; property deterioration

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目(2011CB013606);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578170);國(guó)家自然科學(xué)基金高鐵聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1334209);長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT13057);廣州市屬高?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(1201421152)資助

2015-03-27修改稿收到日期：2015-07-13

馬玉宏 女，博士，研究員，1972年生

崔杰 男，博士，研究員，博士員導(dǎo)師，1962年生

P315.966

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.16.019