橡膠支座中橡膠板基于抗壓彈性模量的壽命預(yù)測

潘志權(quán),楊永民,蔡杰龍,張君祿,李兆恒

(1. 廣東粵港供水有限公司, 廣東 深圳,518021；2.廣東省水利重點科研基地,廣東省水利水電科學(xué)研究院, 廣東 廣州,510635)

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橡膠支座中橡膠板基于抗壓彈性模量的壽命預(yù)測

潘志權(quán)1,楊永民2,蔡杰龍2,張君祿2,李兆恒2

(1. 廣東粵港供水有限公司, 廣東 深圳,518021；2.廣東省水利重點科研基地,廣東省水利水電科學(xué)研究院, 廣東 廣州,510635)

橡膠板是橡膠支座的重要組成部分,對橡膠支座以及建筑物整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起著重要的作用。對橡膠板的使用壽命做出預(yù)測,提出更換周期,有助于工程做好更換計劃。以抗壓彈性模量對橡膠支座中占絕大部分的橡膠板分別作80 ℃,90 ℃以及100 ℃的加快老化試驗。結(jié)果表明,在不考慮其它因素下通過阿倫尼烏斯方程擬合推導(dǎo)出橡膠板在年平均溫度為23 ℃下的使用壽命在37.60 a之間。

橡膠支座；氯丁橡膠板；拉伸強度；扯斷伸長率；阿累尼烏斯方程

1 概述

橡膠支座因其良好的性能已經(jīng)廣泛的使用到到鐵路、公路及橋梁當中,而渡槽結(jié)構(gòu)中必不可少的也使用到橡膠支座。雖然橡膠支座在整個渡槽結(jié)構(gòu)中是很小的部分,但是卻起到上下部分的連接作用,對于整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起著重要的作用[1]。如果橡膠支座失效,其更換難度大、周期長、費用高,對工程的影響很大。為此,有必要對橡膠支座的使用壽命做出預(yù)測,提出較為精準的更換周期,有助于工程做好更換計劃,保證工程的使用安全。

本文通過對占橡膠支座絕大部分的橡膠板進行老化失效的壽命預(yù)測,進而可以為橡膠支座的使用壽命提供依據(jù)和參考。本文研究支座使用的氯丁橡膠板在不同溫度(80 ℃、90 ℃及100 ℃)下的抗壓彈性模量隨時間的變化,得到不同溫度下橡膠板的老化失效臨界點,推導(dǎo)出橡膠板在正常工作溫度下不受其他因素干擾的使用壽命,以此推斷出橡膠支座的大概使用壽命。

2 研究方法

2.1 橡膠板抗壓彈性模量試驗

對于橡膠的抗壓彈性模量的測定,沒有對應(yīng)的標準及方法,因此參考JT/T 4—2004《公路橋梁板式橡膠支座》中關(guān)于橡膠支座抗壓彈性模量的方法進行試驗。其具體步驟如下：

1) 先測量氯丁橡膠板的尺寸。用游標卡尺測量支座的長度a、寬度b及厚度c,分別測量一組邊3個位置的尺寸,取其平均數(shù)作為支座的長度、寬度及厚度,精確到0.1 mm；

2) 將氯丁橡膠板置于60 t壓力試驗機的承壓板上,上下承壓板與橡膠板接觸面不能有油漬,進行幾何對中與物理對中,緩慢加載至壓應(yīng)力為0.5 MPa且穩(wěn)定后,確認無誤進行預(yù)壓；

3) 預(yù)壓。以0.01～0.02 MPa/s的加載速度連續(xù)的加載至壓應(yīng)力為5 MPa,保持壓應(yīng)力在5 MPa左右2 min,然后以穩(wěn)定連續(xù)的速度進行卸載。卸載結(jié)束5 min后進行下一次預(yù)壓,總共預(yù)壓3次；

4) 正式加載。將壓應(yīng)力以0.01～0.02 MPa/s的速度穩(wěn)定加載至0.5 MPa,保持荷載2 min,記錄橡膠板變形值；然后以同樣速率每0.5 MPa為一級逐級加載,每級持荷2 min后采集支座的變形值,直至壓應(yīng)力達到5 MPa后不再加載。然后進行均勻的卸載,10 min后進行下一加載循環(huán),加載過程應(yīng)連續(xù)進行3次(由于試驗條件有限,本試驗有關(guān)橡膠板的變形值是通過游標卡尺測量橡膠板上下覆蓋的兩塊鋼板的高度值來表征的。在低應(yīng)力作用下,認為鋼板的厚度是不變的)；

5) 以第一級荷載下的橡膠板的厚度及壓應(yīng)力為基準,以承載板一組對角所測得的厚度變化值的平均值,作為各級荷載差值下試樣的累計豎向壓縮變形值Δc,按橡膠板的總厚度te求出各級荷載作用下,試樣的累計壓縮應(yīng)變差Δεi=Δci/te(其中Δci=ci-c1),試樣的累計壓縮應(yīng)力強度差為Δσi=σi-σ1,然后對Δεi和Δσi進行擬合求出橡膠板對應(yīng)的彈性模量E值。以3次試驗結(jié)果的平均值作為試樣的彈性模量E值。

2.2 橡膠板使用壽命預(yù)測

參考國標GB/T《硫化橡膠或熱塑性橡膠應(yīng)用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》,根據(jù)阿累尼烏斯方程：

K(T)=A·e-E/RT

(1)

式中K(T)為反應(yīng)速率常數(shù),min-1；A為指數(shù)因數(shù),min-1；E為活化能,J/mol；R為摩爾氣體常數(shù),[8.314 J/(molK)]；T為熱力學(xué)溫度,K。

用化學(xué)反應(yīng)關(guān)系式表示為：

Fx(t)=K(T)·t

(2)

式中Fx(t)為反應(yīng)關(guān)系的函數(shù)；t為反應(yīng)時間,min。

在不同的反應(yīng)溫度Ti下。不同的反應(yīng)速率Ki以不同的反應(yīng)時間ti達到相同的臨界值Fa：

F(a)(ti)=Ki(Ti)·ti

(3)

式(1)代入式(3)可以得到：

Fa(ti)=A·e-E/RT·ti

(4)

合并常數(shù)項為B以后用對數(shù)式可以得到式(5)：

(5)

在相應(yīng)的曲線中,lnt與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T呈線性關(guān)系,斜率為E/R,這就是阿累尼烏斯圖,通常情況下,時間的對數(shù)logt與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T呈現(xiàn)阿累尼烏斯關(guān)系曲線(如圖1)。所以,一般只要得到3個不同溫度下的橡膠的老化失效臨界值,就可以推導(dǎo)出正常溫度下的橡膠的使用壽命。

3 研究結(jié)果及分析

橡膠板在各個溫度下的試樣的壓縮情況如下圖2、圖3和圖4所示,每個試驗齡期點的應(yīng)力應(yīng)變曲線都取自抗壓彈性模量最接近平均值的該次試驗。由圖2～圖4可見：橡膠板并不是完全的線性彈性材料,到了一定的應(yīng)變之后,橡膠的變形性就很差,即使一點點應(yīng)變,也需要很大的應(yīng)力,其應(yīng)力應(yīng)變圖形跟橡膠“大變形不可壓縮”理論[2]極為符合。不過可以看出應(yīng)力應(yīng)變曲線前面6個點的線性還是很好,對不同劣化溫度試驗齡期下的橡膠板的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系做方程擬合,其結(jié)果見下表1、表2和表3：

圖2 80 ℃下不同試驗齡期橡膠板的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 90 ℃下不同試驗齡期橡膠板的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 100 ℃下不同試驗齡期橡膠板的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 80 ℃下不同試驗齡期橡膠板的應(yīng)力應(yīng)變方程擬合

表2 90 ℃下不同試驗齡期橡膠板的應(yīng)力應(yīng)變方程擬合

表3 100 ℃下不同試驗齡期橡膠板的應(yīng)力應(yīng)變方程擬合

由圖2～圖4以及表1～表3可以看出橡膠板在不同劣化溫度不同試驗齡期后的應(yīng)力應(yīng)變曲線(5MPa以內(nèi))很符合一元二次方程(R2基本都大于0.98),即拋物線型,符合橡膠板的“大變形不可壓縮”模型。其中,橡膠板在壓縮應(yīng)力小于等于3.5MPa時,其應(yīng)力應(yīng)變曲線線性關(guān)系很好(都大于0.96),利用其線性關(guān)系作為該溫度下橡膠板的彈性模量值E?？梢缘玫讲煌瑴囟炔煌囼烗g期后橡膠板的彈性模量如表4。

表4 不同溫度不同試驗齡期后橡膠板的彈性模量

參考有關(guān)橡膠板拉伸強度,扯斷伸長率與試驗齡期的關(guān)系,對彈性模量作對數(shù)處理,得到不同試驗齡期后其彈性模量的對數(shù)與試驗齡期之間的關(guān)系如圖5及表5所示：

圖5 不同試驗齡期后橡膠板彈性模量的對數(shù)與試驗齡期之間的關(guān)系

表5 氯丁橡膠板在不用劣化溫度下的lgE-t的對應(yīng)關(guān)系

由表5以及對應(yīng)圖5可以看出橡膠板的彈性模量隨試驗齡期的變化關(guān)系很符合阿累尼烏斯方程的變化方程lgE=A+Btk。利用橡膠板的抗壓彈性模量作為評價支座劣化失效的參考指標。根據(jù)橡膠板初始性能的試驗,可得0.5E0=10.2/2=5.1MPa,利用方程lgE=A+Btk可以推導(dǎo)支座在80 ℃、90 ℃及100 ℃下其彈性模量達到一半時的時間如下表6所示：

表6 橡膠板在不用劣化溫度下彈性模量達到一半的時間

利用80 ℃、90 ℃及100 ℃下得到的數(shù)據(jù),根據(jù)阿累尼烏斯方程推導(dǎo)出不同劣化溫度下氯丁橡膠板彈性模量達到一半時對應(yīng)的試驗齡期計算公式。其對應(yīng)的計算公式如圖6中所示。

圖6 不同溫度下氯丁橡膠板彈性模量達到一半時的計算公式

根據(jù)80 ℃、90 ℃及100 ℃下橡膠板彈性模量變化的數(shù)據(jù)可以得到橡膠板在不同溫度下彈性模量達到一半時的計算公式為lgt0.5E0=4 246.87T-1-10.21,其中T為熱力學(xué)溫度?？梢酝茖?dǎo)出在不同溫度下橡膠板彈性模量剩下一半時所需要的時間如表7。

表7 不同溫度下橡膠板彈性模量剩下一半時所需的時間

假如用橡膠板的彈性模量減半作為評價其劣化性能的指標,那么在年平均溫度23 ℃下,該氯丁橡膠板的使用壽命大概是37.60 a。

4 結(jié)論

1) 氯丁橡膠板在80 ℃,90 ℃及100 ℃下不同老化時間后橡膠板的應(yīng)力應(yīng)變曲線表明,橡膠板并不是完全的線性彈性材料,一定的應(yīng)變之后,橡膠的變形性就很差,即使一點點應(yīng)變,也需要很大的應(yīng)力,其應(yīng)力應(yīng)變符合橡膠“大變形不可壓縮”理論；

2) 氯丁橡膠板在低應(yīng)力(≤3.5 MPa)作用下,其應(yīng)力應(yīng)變曲線線性關(guān)系很好,其相關(guān)系數(shù)都大于0.96,在預(yù)測其使用壽命時,以橡膠板在低應(yīng)力時的應(yīng)力應(yīng)變線性關(guān)系作為橡膠板的彈性模量；

3) 氯丁橡膠板在不同老化溫度不同老化時間下的彈性模量變化符合阿累尼烏斯方程,以氯丁橡膠板彈性模量值減半為評價指標,可以推算橡膠板在23 ℃下的使用壽命為37.60 a。

[1] 余超,文慶珍,朱金華,等. 特種氯丁橡膠熱氧老化研究[J]. 彈性體, 2009(6):30-34．

[2] 伍開松,徐大萍,嚴永發(fā),等. 橡膠大變形不可壓縮方法試驗數(shù)據(jù)處理[J]. 橡膠工業(yè)， 2013, 60(7): 400-403．

(本文責任編輯 王瑞蘭)

Service Life Prediction for Bubber Tile of Rubber Bearing Based on Compressive Elastic Modulus

Pan Zhiquan1, Yang Yongmin2, Cai Jielong2, Zhang Junlu2,Li Zhaoheng2

(1. Guangdong Yuegang Water Supply CO., LTD.; 2.Guangdong Provincial Key Scientific Research Base, Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510635, China)

Rubber tile is one of the most important parts in rubber bearing, which plays a key role on stabilizing the rubber bearing and hydraulic architecture. It is conductive to replace in bulk on schedule in the engineering by the service life prediction and replacement cycle for rubber tile. In this article, aging experiment on rubber tile is respectively carried out in 70℃、90℃、100℃ tested by compressive elastic modulus. It concludes that the average service life of rubber tile is 37.60 years in 23℃ by fitting the Arrhenius empiric equation without consideration for the other influencing factors.

rubber bearing, chloroprene rubber, tensile strength, elongation at break, Arrhenius empiric equation

2016-02-16;

2016-03-04

潘志權(quán)(1973),男,碩士,高級工程師,從事水工建筑運行與管理工作。

U443.36+1

A

1008-0112(2016)02-0032-04