凍融、海蝕和老化條件下GFRP隔震支座橡膠片劣化性能試驗(yàn)研究

袁 譜， 譚 平

(廣州大學(xué)工程抗震研究中心， 廣州 510405)

0 前言

纖維增強(qiáng)塑料疊層橡膠支座具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕和抗輻射等優(yōu)異性能，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。美國(guó)學(xué)者Kelly于1999年提出采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)代替板式橡膠支座中的鋼板[1]。隨后，各國(guó)學(xué)者廣泛關(guān)注并研究此類(lèi)纖維橡膠支座[2-4]。國(guó)內(nèi)也掀起了關(guān)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板支座研究的熱潮，廣州大學(xué)黃襄云、周福霖等[5]進(jìn)行了纖維支座的試驗(yàn)研究和仿真分析。大連理工大學(xué)江勝華等[6]對(duì)纖維橡膠支座的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元模擬。廣州大學(xué)徐凱[7]提出一種新型簡(jiǎn)易隔震支座——工程塑料板橡膠支座，并詳細(xì)地對(duì)其進(jìn)行了一系列力學(xué)性能分析和設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橡膠材料在空氣、臭氧及海水中老化的現(xiàn)象等已經(jīng)開(kāi)展了豐富的研究：MOTT[8]等對(duì)橡膠開(kāi)展了空氣老化和海水老化工況下的老化行為研究，研究表明在長(zhǎng)達(dá)15年的室溫海水浸泡中，防止海水腐蝕所用橡膠厚度為60mm;BROWNR[9]等分別從熱老化、大氣老化、臭氧老化、自然老化等角度對(duì)橡膠進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，表明橡膠經(jīng)過(guò)老化后，其物理力學(xué)性能都有不同程度的劣化。GENT[10]指出，所有彈性體在經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間后都會(huì)不同程度的吸水；ITOH等[11]對(duì)橡膠進(jìn)行了光照、臭氧、低溫-臭氧、熱氧、鹽霧、酸霧工況實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明熱氧對(duì)橡膠的劣化影響顯著，而低溫-臭氧、鹽霧、酸霧的影響甚微。

國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)橡膠片在海水中的老化行為也開(kāi)展了相關(guān)研究：同濟(jì)大學(xué)建筑工程系顧浩聲等[12]開(kāi)展了常用的天然橡膠塊體在一系列不同溫度下的加速環(huán)境老化試驗(yàn)，結(jié)果表明支座表面老化最快，而一定深度以?xún)?nèi)則不會(huì)發(fā)生老化，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出天然橡膠塊體內(nèi)部的老化規(guī)律，建立了老化模型以預(yù)測(cè)天然橡膠隔震支座的內(nèi)部老化特性；化學(xué)工業(yè)部與合成材料老化研究所[13]也指出在橡膠表面老化最快，而一定深度以?xún)?nèi)則不會(huì)發(fā)生老化的規(guī)律；海軍工程大學(xué)化學(xué)與材料系余超等[14]指出在不同溫度、不同介質(zhì)中，橡膠的斷裂伸長(zhǎng)率隨老化時(shí)間呈指數(shù)下降；化工部西北工業(yè)橡膠研究所李詠今[15]從化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論出發(fā),介紹了橡膠老化性能P與老化時(shí)間t和老化溫度T的內(nèi)在聯(lián)系，指出在線性關(guān)系法、動(dòng)力學(xué)曲線直線化法、變量折合法和P-t-T數(shù)學(xué)模型法等四種預(yù)測(cè)橡膠壽命的方法中，以數(shù)學(xué)模型法較優(yōu)；李昂[16]闡述了橡膠的老化與壽命的估算。

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱(chēng)GFRP)隔震支座的橡膠片是GFRP隔震支座重要組成部分。本文開(kāi)展了橡膠片在海蝕、加速海蝕、老化和凍融條件下力學(xué)性能研究。基于研究結(jié)果，可以揭示海水腐蝕、高溫老化和凍融條件下GFRP隔震支座耐久性機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

對(duì)16組(每組2個(gè))GFRP隔震支座開(kāi)展凍融、海蝕和老化試驗(yàn)，其中12組隔震支座進(jìn)行海蝕、老化試驗(yàn)，4組隔震支座進(jìn)行凍融試驗(yàn)；同時(shí)設(shè)計(jì)了與支座相同材料的橡膠片，將支座與橡膠片放置在同樣的試驗(yàn)環(huán)境下開(kāi)展試驗(yàn)，研究橡膠材料物理力學(xué)性能在凍融、海蝕和老化作用下隨時(shí)間的變化規(guī)律。

GFRP隔震支座海蝕、老化試驗(yàn)采用廣州某儀器公司生產(chǎn)的工業(yè)運(yùn)風(fēng)烘箱。老化試驗(yàn)之前，先對(duì)橡膠片取樣并對(duì)12組橡膠隔震支座做了相應(yīng)的基本性能測(cè)試試驗(yàn)；然后，將6組隔震支座放置于80℃恒溫老化箱中進(jìn)行32d(768h)熱老化試驗(yàn)，同時(shí)，4組隔震支座放在海水箱進(jìn)行16d的海蝕試驗(yàn)，2組隔震支座輪次在熱老化箱中放置32d及海水箱中放置16d進(jìn)行48d的老化海蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，在同一個(gè)老化試驗(yàn)箱里同時(shí)放置與支座相同材料的橡膠片，且在試驗(yàn)期間對(duì)橡膠片每隔4d取樣一次，以觀察橡膠材料性能隨老化時(shí)間的變化情況。測(cè)試橡膠材料力學(xué)性能如硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度及拉斷伸長(zhǎng)率隨時(shí)間的變化規(guī)律。GFRP隔震支座及橡膠片海蝕和老化試驗(yàn)條件見(jiàn)圖1。

圖1 GFRP隔震支座及橡膠片海蝕和老化試驗(yàn)

圖2 GFRP隔震支座橡膠片凍融試驗(yàn)

參考《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[17]中有關(guān)混凝土抗凍試驗(yàn)的快凍法，設(shè)置水凍水融環(huán)境，該環(huán)境具體通過(guò)蘇州市某試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的HDK-9型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。箱體中間位置的試件盒中放置測(cè)溫GFRP隔震支座，其中心位置埋設(shè)溫度傳感器，機(jī)器通過(guò)該溫度傳感器的反饋信號(hào)調(diào)節(jié)防凍液的溫度，從而使測(cè)溫試件的中心溫度按照預(yù)先設(shè)定的數(shù)值變化?？紤]室外溫度和試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部試件數(shù)目對(duì)冷凍時(shí)間的影響，并且考慮橡膠的熱容性，通過(guò)調(diào)節(jié)凍融機(jī)的制冷功率，使單個(gè)凍融循環(huán)中試件冷凍時(shí)間不小于4h。

在每次的冷凍和融化過(guò)程中，測(cè)溫試件中心的最低和最高溫度分別控制在(-18±1)℃和(5±1)℃。凍融循環(huán)過(guò)程中，實(shí)測(cè)測(cè)溫試件中心溫度和試件盒周?chē)纼鲆簻囟鹊淖兓闆r。預(yù)設(shè)凍融循環(huán)次數(shù)為25次、50次和100次。

2 試驗(yàn)測(cè)試

橡膠片力學(xué)性能主要包括硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率。橡膠支座硬度測(cè)試作為彈性模量的一種間接測(cè)量尺度，是橡膠材料常用測(cè)試項(xiàng)目之一。橡膠硬度不同將導(dǎo)致橡膠隔震支座性能有所差異，橡膠變硬，支座的剛度將變大，反之，支座的剛度將變小。隔震支座剛度變化幅度太大，會(huì)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。定伸應(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。拉伸強(qiáng)度與橡膠支座剪切性能、水平極限性能密切相關(guān)。拉斷伸長(zhǎng)率也與橡膠支座拉伸能力、水平極限性能有關(guān)。

如圖3(a)所示，根據(jù)《硬質(zhì)橡膠拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 1701—2001)[18]要求，在已經(jīng)完成凍融、海蝕和老化試驗(yàn)的橡膠片中，每片裁取三片標(biāo)準(zhǔn)啞鈴形橡膠試件，并對(duì)其開(kāi)展相應(yīng)的硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度等試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖3(b)所示。

圖3 橡膠片力學(xué)性能試驗(yàn)

3 在凍融、海蝕和老化條件下橡膠片試驗(yàn)

3.1 凍融后橡膠片力學(xué)性能分析

實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，凍融循環(huán)75次時(shí)材料的溫度發(fā)生改變，判斷凍融循壞結(jié)束，最終橡膠材料放置于凍融循環(huán)箱中進(jìn)行了25次、50次和75次即75d(1 800h)時(shí)長(zhǎng)的凍融試驗(yàn)，橡膠材料硬度、定伸應(yīng)力及拉斷伸長(zhǎng)率在凍融作用下隨時(shí)間的變化規(guī)律見(jiàn)圖4(a)，5(a),6(a)。由圖可知：橡膠材料硬度在凍融作用下隨著時(shí)間延長(zhǎng)不斷增大，達(dá)到一定值后趨向穩(wěn)定；橡膠材料定伸應(yīng)力在凍融作用下隨時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增大，并隨著定伸伸長(zhǎng)率的增大而提高；橡膠材料拉斷伸長(zhǎng)率在凍融作用下隨著時(shí)間延長(zhǎng)而下降。

圖4 橡膠材料硬度隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖5 橡膠材料定伸應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖6 橡膠材料拉斷伸長(zhǎng)率隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖7 橡膠材料硬度隨時(shí)間變化規(guī)律對(duì)比

圖8 橡膠材料定伸應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律對(duì)比

3.2 海蝕和老化后橡膠片力學(xué)性能分析

橡膠材料硬度、定伸應(yīng)力及拉斷伸長(zhǎng)率在海蝕及老化作用下隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4～6所示。由圖4～6可知：橡膠材料在海蝕及老化作用下力學(xué)性能隨時(shí)間的變化規(guī)律與凍融作用下一致。

4 橡膠片力學(xué)性能對(duì)比分析

從定性和定量?jī)蓚€(gè)層面，對(duì)橡膠片力學(xué)性能影響因素進(jìn)行分析研究，即時(shí)間、溫度和水份對(duì)橡膠片力學(xué)性能影響分析。

定性層面，可以很直觀考察凍融、海蝕和老化條件對(duì)橡膠片力學(xué)性能的影響。凍融、海蝕和老化作用下，橡膠材料的硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度及拉斷伸長(zhǎng)率對(duì)比見(jiàn)圖7～10，為直觀比較圖形趨勢(shì)，縱坐標(biāo)刻度與圖4～6相比有所增大。

由圖7～10可知，凍融、海蝕和老化條件對(duì)橡膠各項(xiàng)力學(xué)性能的影響程度依次為：1)硬度：老化>海蝕>凍融；2)定伸應(yīng)力：老化>海蝕>凍融；3)拉伸強(qiáng)度：海蝕>老化>凍融；4)拉斷伸長(zhǎng)率：凍融>海蝕>老化。除此之外，還可以直觀得出：在凍融、海蝕和老化條件下，橡膠片力學(xué)性能隨著時(shí)間變化幅度平緩，得出橡膠片力學(xué)性能受時(shí)間的影響比較小，這是因?yàn)橄鹉z表面老化最快,而一定深度以?xún)?nèi)則不會(huì)發(fā)生老化的規(guī)律[12-13]。定量層面，橡膠片在凍融、海蝕和老化試驗(yàn)中測(cè)試出力學(xué)性能變化率有所不同，通過(guò)力學(xué)性能變化率可以詳細(xì)地分析溫度和水分對(duì)力學(xué)性能影響程度。橡膠片在正常使用溫度下各項(xiàng)力學(xué)性能如表1所示，經(jīng)過(guò)凍融、海蝕和老化試驗(yàn)后其力學(xué)性能變化率見(jiàn)表2。

圖9 橡膠材料拉伸強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律對(duì)比

圖10 橡膠材料拉斷伸長(zhǎng)率隨時(shí)間變化規(guī)律對(duì)比

正常使用溫度下橡膠片各項(xiàng)力學(xué)性能 表1

由表2分析得出溫度對(duì)橡膠片力學(xué)性能的影響較大；水對(duì)橡膠力學(xué)性能的影響次之。究其原因，在溫度環(huán)境中橡膠片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其力學(xué)性能改變，溫度越高，力學(xué)性能變化率越顯著；水與橡膠片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，時(shí)間越長(zhǎng)，力學(xué)性能變化率越明顯。

溫度作用對(duì)橡膠片的各項(xiàng)力學(xué)性能變化率的影響有所區(qū)別：定伸應(yīng)力最大，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率次之，硬度最?。凰畬?duì)橡膠片的各項(xiàng)力學(xué)性能變化率的影響與溫度作用類(lèi)似，但是橡膠片對(duì)高溫敏感性比對(duì)水的敏感性更強(qiáng)。

橡膠片各項(xiàng)力學(xué)性能在海蝕，老化和凍融試驗(yàn)后變化率/% 表2

5 結(jié)論

(1) 隨著時(shí)間推移，在凍融、海蝕和老化條件下，橡膠片硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度有所增大，拉斷伸長(zhǎng)率有所減少。

(2) 分析時(shí)間對(duì)凍融、海蝕和老化條件下橡膠片的力學(xué)性能的影響，可以直觀地判斷出無(wú)論凍融、海蝕和老化條件，時(shí)間對(duì)橡膠片力學(xué)性能的影響均趨于平緩。

(3)在海蝕、老化和凍融條件下，溫度對(duì)橡膠片力學(xué)性能的影響較大；水份對(duì)橡膠片力學(xué)性能的影響次之。并且，橡膠片對(duì)高溫的敏感性比對(duì)水的敏感性更強(qiáng)。

(4)考察時(shí)間、溫度和水分對(duì)橡膠片力學(xué)性能的影響，得出溫度對(duì)橡膠片力學(xué)性能劣化影響顯著，水分對(duì)橡膠片力學(xué)性能劣化影響次之，時(shí)間對(duì)橡膠片力學(xué)性能劣化影響甚微。