凍融循環(huán)與熱老化交替作用下天然橡膠力學性能試驗

洪迪甫， 馬玉宏， 趙桂峰

(1. 廣州大學 工程抗震研究中心，廣州 510405； 2. 廣東省地震工程與應用技術(shù)重點實驗室 工程抗震減震與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，廣州 510405；3. 廣州大學 土木工程學院，廣州 510006)

隨著隔震技術(shù)的發(fā)展與推廣，目前我國已有各類減隔震建筑10 000余幢，其中有相當多的建筑位于中國北方(華北、西北、東北)地區(qū)。隔震建筑中的關(guān)鍵構(gòu)件橡膠隔震支座由多層均勻分布的橡膠與鋼板組成，其性能的好壞直接影響著隔震作用的發(fā)揮和結(jié)構(gòu)的安全可靠度。而橡膠隔震支座中的橡膠材料性能將直接影響著支座的性能。據(jù)資料顯示[1]，橡膠材料在很高的溫度下會出現(xiàn)降解的現(xiàn)象，降低其力學性能，中等高溫下會引發(fā)分子交聯(lián)鍵的互換以及新交聯(lián)鍵的形成，同時伴有橡膠的結(jié)構(gòu)破壞和網(wǎng)絡(luò)軟化?？諝庵醒鯕獾拇嬖?，也對橡膠耐高溫性能產(chǎn)生重要影響。此外，天然橡膠在低溫條件下會發(fā)生大量的結(jié)晶現(xiàn)象，雖然橡膠在結(jié)晶后的強度依然很高，但是硬度增大，大變形能力顯著變差，進而相應的隔震支座的抗壓彈性模量與剪切模量增大、水平剛度增大，極端情況下橡膠材料可能會失去彈性，支座可能失去隔震效果。

在隔震建筑服役期限內(nèi)，起到隔震作用的橡膠隔震支座布置在建筑的基礎(chǔ)隔震層或者層間隔震層，而我國北方地區(qū)四季分明，冬季時段氣溫極低且持續(xù)時間長，橡膠隔震支座會受到凍融循環(huán)作用的影響；而夏季時段氣溫較高，又可能受到老化作用的影響，即每年將經(jīng)受凍融循環(huán)和熱老化的交替作用的影響，對于橡膠隔震支座這種對溫度極為敏感的構(gòu)件來說，這種交替作用極有可能影響到支座隔震效果的正常發(fā)揮。

目前國內(nèi)外學者對橡膠材料的性能開展的研究主要包括幾個方面：①低溫性能研究——不同品系的天然橡膠低溫誘導結(jié)晶性能、結(jié)晶速率等研究[2-6]，低溫以及多次周期性降溫對幾種硫化橡膠性能的影響；②熱氧老化性能的研究——高溫下電梯艙的橡膠組件性能[7]、橋梁支座中所使用的天然橡膠與高阻尼橡膠材料的老化特性[8]、釤配合物對天然橡膠硫化膠熱氧老化過程的影響[9]、丁腈橡膠的老化性能[10-11]等；③臭氧性能研究——臭氧、低溫—臭氧、酸霧等工況下天然橡膠的性能[12]；④凍融循環(huán)作用下的性能研究——主要對天然橡膠和氯丁橡膠兩種材料在凍融循環(huán)條件后的性能變化開展研究[13]；⑤老化與海蝕條件下的性能研究——丁苯橡膠在熱空氣和海水環(huán)境下性能隨時間的變化規(guī)律等[14]、天然橡膠及高阻尼橡膠干濕循環(huán)試驗、老化+海蝕試驗等研究[15-17]。

由前人的研究成果可以看到，橡膠材料會在低溫環(huán)境下發(fā)生結(jié)晶，尤其在-25 ℃左右時結(jié)晶的速率最快，從而導致材料變硬而逐漸失去使用價值。而對于橡膠材料的老化性能，眾多的學者均采用了實驗室環(huán)境加速老化的方式進行研究，發(fā)現(xiàn)橡膠材料的力學性能會隨著試驗時間和溫度的增加，有著不同的變化規(guī)律。以上研究絕大多數(shù)都是針對橡膠材料在某一確定的溫度下的力學性能或考慮單一環(huán)境因素，但是，單因素影響分析無法反映支座橡膠材料在服役期內(nèi)所經(jīng)歷的真實環(huán)境作用。雖然于浩開展了橡膠材料的凍融循環(huán)試驗，但是并沒有針對實際建筑結(jié)構(gòu)的實際使用環(huán)境溫度設(shè)計試驗開展橡膠材料凍融循環(huán)與熱老化交替作用的研究，對凍融循環(huán)和熱老化交替作用后橡膠材料的性能變化規(guī)律的認識還很不夠。因此，本文基于實際北方環(huán)境，設(shè)計了凍融循環(huán)和熱老化交替作用試驗方案，開展北方內(nèi)陸環(huán)境下建筑隔震橡膠材料性能研究，為研究北方環(huán)境下建筑橡膠隔震支座性能劣化規(guī)律提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗所用的天然橡膠材料為湖南省株洲時代新材料股份有限公司生產(chǎn)，剪切模量為0.392 MPa。在綜合考慮了橡膠片生產(chǎn)模具的規(guī)格和試驗設(shè)備的容積限制以及拉伸試件的尺寸等因素后，采用了標準橡膠片，其規(guī)格為150 mm×116 mm×2 mm，用于研究凍融循環(huán)與熱老化及交替作用下橡膠的力學性能變化規(guī)律；而橡膠塊使用的橡膠片規(guī)格為245 mm×190 mm×2 mm，用于研究橡膠材料性能隨劣化深度的變化規(guī)律。試驗使用的橡膠材料與一批質(zhì)量合格的天然橡膠隔震支座(型號為G4)為同一批生產(chǎn)，橡膠片材料的力學性能將直接影響到隔震支座的力學性能。橡膠片和橡膠塊如圖1所示。

圖1 試驗材料Fig.1 Test materials

1.2 試驗方案設(shè)計

為了研究橡膠支座完全暴露于大氣中的極端情況，以處于建筑首層或者層間的天然橡膠隔震支座的橡膠材料為研究對象，以北方地區(qū)(除青海)氣候環(huán)境作為橡膠材料所處的實際環(huán)境開展凍融循環(huán)與熱老化交替作用下的耐久性研究，從而模擬橡膠材料在使用壽命期內(nèi)每年遭受凍融循環(huán)作用和熱老化作用的交替影響。在綜合考慮試驗的時間、成本和可操作性，選用實驗室模擬自然環(huán)境加速劣化的方法，對橡膠材料進行凍融循環(huán)和熱老化交替試驗。

定義凍融循環(huán)工況試驗環(huán)境的加速比為試驗環(huán)境溫度差與實際環(huán)境溫度差的比值[18]。熱老化工況試驗的加速比可依據(jù)Arrhenius公式[19]進行計算

(1)

式中：Ea為活化能，(kJ/mol)；R為氣體常數(shù)，(8.314 J/mol·K)；Treal為實際環(huán)境溫度，K；Ttest試驗溫度，K。

參考國內(nèi)外相關(guān)研究，結(jié)合建筑橡膠隔震支座所處的實際環(huán)境，采用中國氣象中心整編中國北方104個測站1981年—2010年近30年的累年月平均最低氣溫、累年月平均最高氣溫和累年月平均氣溫氣象資料，得到了北方地區(qū)支座所處環(huán)境溫度。結(jié)合橡膠材料的特性，確定了試驗的加速比，對橡膠材料進行了相當于實際環(huán)境下使用24年的實驗室凍融循環(huán)與熱老化及其交替作用試驗，考慮到GB/T 20688.1—2007中指出了橡膠熱老化性能試驗的加速老化試驗溫度可為 80 ℃以下，本試驗選取實驗室環(huán)境溫度為80 ℃?？紤]到天然橡膠的結(jié)晶速率和結(jié)晶程度以及橡膠隔震支座的標準試驗溫度等因素，選取冷凍最低氣溫為-25 ℃，融化的最高氣溫為23 ℃。參考標準GB/T 50082—2009中的混凝土慢凍法，并考慮在實際環(huán)境中全天的氣溫起伏變化，結(jié)合試驗箱升溫和降溫的速率，設(shè)定冷凍過程與融化過程的總時間均為4 h。具體試驗參數(shù)如表1、表2所示。

表1 橡膠材料凍融循環(huán)試驗參數(shù)表Tab.1 Test parameters of freeze-thaw cycle test for rubber materials

表2 橡膠材料熱老化試驗參數(shù)表Tab.2 Test parameters of thermal aging test for rubber materials

在凍融循環(huán)試驗時，將72片橡膠片和1個橡膠塊(其中36片橡膠片用于后續(xù)的凍融循環(huán)-熱老化交替作用試驗)放入凍融試驗箱進行凍融循環(huán)試驗。從試驗開始每間隔16天取出6片橡膠片，在完成192天凍融循環(huán)試驗后取出橡膠塊。在進行熱老化試驗時，將36片橡膠片和1個橡膠塊放入老化箱進行熱老化試驗，每間隔14個小時取出3片，在完成168小時熱老化試驗后取出橡膠塊。在凍融循環(huán)試驗結(jié)束后，對凍融循環(huán)試驗不同時間點取出的橡膠片放入老化箱中(共計36片)，每間隔14個小時取出3片，以此完成凍融循環(huán)-熱老化交替作用試驗。為研究凍融循環(huán)與熱老化交替作用下材料性能隨橡膠塊深度的變化，對橡膠塊進行了凍融循環(huán)-熱老化交替作用試驗，具體是將其放入凍融循環(huán)試驗箱中，并在試驗期間的第32天、第112天、第128天、第160天、第192天取出后放入老化箱分別進行28小時、70小時、14小時、28小時、28小時(累計168小時)的熱老化試驗放回凍融循環(huán)試驗箱(除最后一次)中，在試驗結(jié)束后取出。試驗后將橡膠塊拆開，沿著橡膠塊的厚度方向依次獲得不同劣化深度的橡膠片，切成標準試件對其硬度、定伸應力等力學性能進行試驗研究。

橡膠片材料的性能測試在成都市新筑路橋機械股份有限公司材料實驗室完成。根據(jù)國家標準GB/T 531.1—2008進行橡膠片的硬度測試，根據(jù)國家標準GB/T 528—2009中的相關(guān)規(guī)定進行橡膠材料的單軸拉伸性能試驗。測試的設(shè)備如圖2和圖3所示。

圖2 硬度計Fig.2 Shore a durometer

圖3 拉伸試驗機Fig.3 Tensile testing machine

2 試驗結(jié)果與分析

對凍融循環(huán)試驗、熱老化試驗、凍融循環(huán)-熱老化交替試驗后的橡膠片裁成啞鈴狀試件，然后對試件進行硬度、定伸應力、拉伸強度以及拉斷伸長率測試。

2.1 硬 度

橡膠材料的硬度是表征橡膠變形、承載能力、彈性模量等的重要依據(jù)[20-21]。高溫和低溫作用均能對其硬度產(chǎn)生不同程度的影響，進而直接影響隔震支座的性能[22]。定義橡膠材料的硬度比為某時刻的材料硬度Hr(t)與初始時刻硬度Hr(0)的比值，其隨實際環(huán)境使用時間的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同工況作用下橡膠材料硬度比時變規(guī)律Fig.4 Time-varying regularity of hardness ratio of rubber materials under different conditions

從圖4中看到，凍融循環(huán)試驗后的橡膠片材料硬度呈現(xiàn)出先增大后趨于平穩(wěn)的走勢，但是整個過程中，硬度的變化幅度都很小。熱老化試驗后的橡膠片，橡膠片的硬度在試驗84小時(相當于實際環(huán)境使用了12年)前增加幅度較快，而后趨于平穩(wěn)，經(jīng)過168個小時(相當于實際環(huán)境使用了24年)的老化，硬度增加了8.1%。凍融循環(huán)-熱老化交替作用后的橡膠片，硬度增加幅度較明顯，與初始值相比，經(jīng)過192天凍融循環(huán)-168小時的熱老化作用(相當于實際環(huán)境使用了24年)后橡膠片硬度增加了10.8%。以上結(jié)果說明熱老化作用是引起橡膠材料硬度增加的主要原因，凍融循環(huán)一定程度上促進了劣化的發(fā)展。在馬玉宏等的研究中，橡膠材料熱老化試驗研究也說明了熱老化作用對橡膠硬度影響較大。

根據(jù)試驗結(jié)果，依據(jù)加速比換算，擬合得到了天然橡膠材料的硬度比分別在凍融循環(huán)作用、熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下隨實際環(huán)境使用時間的變化規(guī)律，如式(2)～式(4)所示

(2)

(3)

(4)

式中：Hr1(t)，Hr2(t)，Hr3(t)分別為天然橡膠材料在凍融循環(huán)、熱老化、凍融循環(huán)-熱老化交替作用的實際環(huán)境下使用t年后的的硬度；t為實際環(huán)境使用時間(年)，當t=0時為相應實際環(huán)境下天然橡膠材料的硬度的初始值。

不同工況作用下，硬度隨橡膠塊深度方向的變化規(guī)律，如圖5所示。從圖5中可以清楚地看到，橡膠塊在經(jīng)歷了192天凍融循環(huán)作用后，橡膠塊體從外到內(nèi)的材料硬度變化并不大，基本和初始值保持一致。而對于經(jīng)歷了168小時的熱老化作用和經(jīng)歷了192天凍融循環(huán)+168小時熱老化交替作用后的橡膠塊來說，在距離表面20 mm的范圍內(nèi)，硬度增加的幅度最大，之后趨于平穩(wěn)，說明熱老化作用對橡膠塊深度方向上表層的影響最大，對內(nèi)部的影響較小。

圖5 不同工況作用下橡膠硬度隨深度的變化Fig.5 Effect of the hardness of rubber materials in depth direction under different conditions

2.2 定伸應力

定伸應力是指將橡膠材料啞鈴狀試樣拉伸到給定伸長率所需要的應力，是衡量橡膠材料力學性能優(yōu)劣的重要指標之一。定義橡膠材料的定伸應力比為某時刻的材料定伸應力Se(t)與初始時刻定伸應力Se(0)的比值，其隨實際環(huán)境使用時間的變化規(guī)律如圖6～圖9所示。

圖6 不同工況作用下橡膠材料50%定伸應力比時變規(guī)律Fig.6 Time-varying regularity of stress at 50% strain ratio of rubber materials under different conditions

圖7 不同工況作用下橡膠材料100%定伸應力比時變規(guī)律Fig.7 Time-varying regularity of stress at 100% strain ratio of rubber materials under different conditions

圖8 不同工況作用下橡膠材料200%定伸應力比時變規(guī)律Fig.8 Time-varying regularity of stress at 200% strain ratio of rubber materials under different conditions

圖9 不同工況作用下橡膠材料300%定伸應力比時變規(guī)律Fig.9 Time-varying regularity of stress at 300% strain ratio of rubber materials under different conditions

從圖6～圖9中試驗的結(jié)果來看，凍融循環(huán)作用下的橡膠材料50%，100%定伸應力呈現(xiàn)出減小的趨勢，200%，300%定伸應力呈現(xiàn)出增大的趨勢，變化的幅度均不大。熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下，橡膠材料的50%，100%，200%，300%定伸應力均隨使用時間而顯著增大。凍融循環(huán)-熱老化交替作用下的定伸應力值均大于熱老化作用或凍融循環(huán)作用，但并不是二者的簡單疊加，說明凍融循環(huán)作用加速了劣化的發(fā)展。比較不同的試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)熱老化作用對橡膠材料定伸應力的影響最大，有可能造成橡膠支座的剛度增大。而凍融循環(huán)對橡膠材料的影響較小。在馬玉宏等的研究中，橡膠材料定伸應力隨著熱老化時間的增加而增大的現(xiàn)象與本試驗研究結(jié)果一致。

根據(jù)試驗結(jié)果，依據(jù)加速比換算，擬合得到了凍融循環(huán)作用下天然橡膠材料50%，100%，200%，300%定伸應力比隨實際環(huán)境使用時間的關(guān)系，分別如式(5)～式(8)所示，熱老化作用下天然橡膠材料50%，100%，200%，300%定伸應力比隨實際環(huán)境使用時間的關(guān)系，分別如式(9)～式(12)所示，凍融循環(huán)-熱老化交替作用下50%，100%，200%，300%定伸應力比隨實際環(huán)境使用時間的關(guān)系，分別如式(13)～式(16)所示。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式中：Se1i%(t)為凍融循環(huán)作用的實際環(huán)境下使用t年后的i%定伸應力值；Se2i%(t)為熱老化作用的實際環(huán)境下使用t年后的i%定伸應力值；Se3i%(t)為凍融循環(huán)-熱老化交替作用的實際環(huán)境下使用t年后的i%定伸應力值(i=50，i=100，i=200，i=300)；t為實際環(huán)境使用時間，當t=0時為相應實際環(huán)境下天然橡膠材料的相應應變的定伸應力的初始值。

不同工況作用下，100%，200%，300%定伸應力沿橡膠塊在深度方向的變化規(guī)律，如圖10所示。從圖10可知，在距離表面相同位置處，總體上熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用的定伸應力值遠大于凍融循環(huán)作用，且均大于初始值。凍融循環(huán)作用下橡膠材料100%，200%，300%定伸應力在距離表面40 mm內(nèi)變化較大，都大于初始值，而對于內(nèi)部核心區(qū)的橡膠材料來說，影響較小。對于經(jīng)歷了168個小時的熱老化作用的橡膠塊以及經(jīng)歷192天凍融循環(huán)-168小時熱老化交替作用后的橡膠塊，在距離塊體表面20 mm 范圍內(nèi)的橡膠材料100%，200%，300%定伸應力變化最大。

圖10 不同工況作用下定伸應力沿橡膠塊深度方向的變化Fig.10 Effect of the stress at definite strain ratio of rubber materials in depth direction under different conditions

2.3 拉伸強度

拉伸強度TS是指將試樣拉伸至斷裂過程中的最大拉伸應力，是能夠作為評價橡膠材料使用壽命的指標之一。定義橡膠材料的拉伸強度比為某時刻的材料拉伸強度TS(t)與初始時刻拉伸強度TS(0)的比值，其隨實際環(huán)境使用時間的變化規(guī)律如圖11所示。

圖11 不同工況作用下橡膠材料拉伸強度比時變規(guī)律Fig.11 Time-varying regularity of tensile strength ratio of rubber materials under different conditions

從圖11中可以看到，橡膠材料的拉伸強度隨著凍融循環(huán)作用的時間增加而減小，減小的幅度均在5%以內(nèi)；而隨著熱老化作用的時間的增加，拉伸強度呈現(xiàn)出上升的趨勢，在其增幅達到了14.3%后，隨著老化時間的延長，拉伸強度開始下降；對于凍融循環(huán)-熱老化交替作用下的橡膠片材料，橡膠的拉伸強度在也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且略低于熱老化作用后的橡膠片。雖然在橡膠材料在受到熱老化作用會由于材料交聯(lián)密度增加而出現(xiàn)拉伸強度增大的現(xiàn)象，但長時間的熱老化作用會引起分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂而引起拉伸強度的降低。從圖中整體的趨勢來看，熱老化作用將導致拉伸強度退化。因此，熱老化作用和凍融循環(huán)作用均會削弱天然橡膠的拉伸強度，這與于浩、馬玉宏等的研究結(jié)果相一致，且二者的交替作用對材料的影響并不是二者的簡單疊加。

根據(jù)試驗結(jié)果，依據(jù)加速比換算，擬合得到了凍融循環(huán)作用下、熱老化作用下、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下拉伸強度比隨實際環(huán)境使用時間的關(guān)系，分別如式(17)～式(19)所示。

(17)

(18)

(19)

式中：TS1(t)，TS2(t)，TS3(t)分別為天然橡膠材料在凍融循環(huán)、熱老化、凍融循環(huán)-熱老化交替作用的實際環(huán)境下使用t年后的的拉伸強度；t為實際環(huán)境使用時間，當t=0時為相應實際環(huán)境下天然橡膠材料拉伸強度的初始值。

不同工況作用下，橡膠拉伸強度隨深度方向的變化規(guī)律，如圖12所示。從圖12可知，經(jīng)歷168個小時的熱老化作用以及經(jīng)歷192天凍融循環(huán)-168小時熱老化交替作用后，在距離表面相同位置處，總體上老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用的拉伸強度值大于凍融循環(huán)作用。凍融循環(huán)作用下，橡膠片材料的拉伸強度在表層略低于初始值，且隨距離表面的距離增大呈現(xiàn)出略有增大的效應。經(jīng)歷熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下，橡膠材料的拉伸強度隨著深度的增加變化趨勢不明顯，但總體數(shù)值均高于初始值，且凍融循環(huán)-熱老化交替作用下表層的橡膠材料拉伸強度略大。在距離表面20 mm的區(qū)域內(nèi)，其拉伸強度略有變化，而距離表面20 mm至內(nèi)部核心區(qū)的橡膠材料的拉伸強度受到的影響會減弱，說明凍融循環(huán)作用、熱老化作用對橡膠塊的表層橡膠材料的性能影響較大。

圖12 不同工況作用下橡膠拉伸強度隨深度方向的變化Fig.12 Effect of the tensile strength of rubber materials in depth direction under different conditions

2.4 拉斷伸長率

橡膠的拉斷伸長率指橡膠的啞鈴型標準試樣拉伸至斷裂時的百分比伸長率。定義橡膠材料的拉斷伸長率比為某時刻的材料拉斷伸長率Eb(t)與初始時刻拉斷伸長率Eb(0)的比值，其隨實際環(huán)境使用時間的變化規(guī)律如圖13所示。

圖13 不同工況作用下橡膠材料拉斷伸長率比時變規(guī)律

從圖13可以看到，橡膠材料的拉斷伸長率隨著凍融循環(huán)的作用時間的增加略有增大，增幅僅為3.6%，但隨后表現(xiàn)出降低的趨勢。隨著熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化作用時間的增加，拉斷伸長率也表現(xiàn)出和拉伸強度相似的情況，但整體上看均表現(xiàn)出下降的趨勢，且凍融循環(huán)-熱老化交替作用的下降趨勢更為明顯，說明凍融循環(huán)與熱老化交替作用加劇了劣化的發(fā)生，但并不是二者的簡單疊加。

根據(jù)試驗結(jié)果，依據(jù)加速比，擬合得到了凍融循環(huán)作用下、熱老化作用下、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下拉斷伸長率比隨實際環(huán)境使用時間的關(guān)系，分別如式(20)～式(22)所示。

(20)

(21)

(22)

式中：Eb1(t)，Eb2(t)，Eb3(t)為天然橡膠材料在凍融循環(huán)、熱老化、凍融循環(huán)-熱老化交替作用的實際環(huán)境下使用t年后的的拉斷伸長率；t為實際環(huán)境使用時間，當t=0時為相應實際環(huán)境下天然橡膠材料的拉斷伸長率的初始值。

不同工況作用下，橡膠拉斷伸長率隨深度的變化規(guī)律，如圖14所示。從圖14可知，在距離表面相同位置處，總體上凍融循環(huán)-熱老化交替作用的拉斷伸長率值大于凍融循環(huán)作用和熱老化作用相應值，可能的原因是其經(jīng)歷了較標準橡膠片更多次數(shù)的交替作用后而因周期性的低溫削弱了橡膠彈性體基質(zhì)與填充劑界面的作用，導致其變形增大，從而引起拉斷伸長率的增大。在凍融循環(huán)作用下，橡膠塊在距離表面20 mm區(qū)域內(nèi)，橡膠材料的拉斷伸長率影響較大，而對于距離表面20 mm至橡膠塊核心區(qū)域的橡膠材料拉斷伸長率隨著深度的增加逐步減小直至趨近于初始值，說明凍融循環(huán)作用對拉斷伸長率的影響主要發(fā)生在橡膠塊外側(cè)0～20 mm的區(qū)域內(nèi)，內(nèi)側(cè)橡膠材料受到其影響較小。在熱老化作用下、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下，橡膠塊在距離表面的20 mm區(qū)域內(nèi)的橡膠材料的拉斷伸長率影響較大。而對于距離表面20 mm至橡膠塊核心區(qū)域的橡膠材料力學性能的影響，隨著深度的增加逐漸趨于平穩(wěn)。

圖14 不同工況作用下橡膠拉斷伸長率隨深度的變化Fig.14 Effect of the elongation at break of rubber materials in depth direction under different conditions

3 結(jié) 論

通過對天然橡膠材料進行了凍融循環(huán)與熱老化及其交替試驗研究和分析，可以獲得下列結(jié)論：

(1) 經(jīng)過凍融循環(huán)試驗后的橡膠片材料硬度變化幅度很小。熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下橡膠材料硬度增幅明顯。熱老化作用是影響橡膠材料硬度的主要因素。

(2) 在凍融循環(huán)作用時間的變化下：50%，100%定伸應力呈現(xiàn)出減小的趨勢； 200%，300%定伸應力呈現(xiàn)出增大的趨勢，變化的幅度均不大。而熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下，橡膠材料的50%，100%，200%，300%定伸應力逐漸增大。熱老化作用是影響橡膠材料定伸應力的主要因素。

(3) 凍融循環(huán)作用和熱老化作用，天然橡膠材料的拉伸強度和拉斷伸長率隨時間呈現(xiàn)下降的趨勢，在二者的交替作用下，其影響并不是簡單的疊加。

(4) 凍融循環(huán)作用下，橡膠塊在深度方向上硬度影響不大，定伸應力在最外層40 mm區(qū)域內(nèi)變化較大。熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下橡膠塊深度方向的硬度、定伸應力影響較大，且最外層20 mm受到的影響最大。凍融循環(huán)作用下、熱老化作用下、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下，橡膠塊在深度方向的橡膠片材料的拉伸強度和拉斷伸長率的影響以表層20 mm最為明顯。