天然橡膠材料壓剪試驗(yàn)分析

黃山，戴納新，付聰，鄭國(guó)堔

（1 南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421001；2 南華大學(xué)長(zhǎng)三角（諸暨）研究院，浙江紹興 311800；3 福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建福州 350108）

0 引言

2011 年?yáng)|日本大地震發(fā)生后，日本隔震協(xié)會(huì)(JSSI)發(fā)現(xiàn)有15%的隔震建筑的隔震支座發(fā)生了一定程度的損壞，有5 棟建筑的鉛芯橡膠隔震支座甚至出現(xiàn)了裂縫[1]。部分隔震層甚至還出現(xiàn)了伸縮接頭破壞及阻尼裝置的損壞(包含疲勞裂縫)問(wèn)題[2]。因此，有必要對(duì)隔震支座的極限性能展開研究。

天然橡膠隔震支座是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的支座類型之一。其所需材料主要為鋼材及橡膠，橡膠更是隔震支座的主要組成材料，因此對(duì)橡膠材料力學(xué)性能進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在隔震支座中，天然橡膠的主要受力形式是壓剪，對(duì)隔震支座的壓剪試驗(yàn)已有充分的研究[3-5]，但是對(duì)橡膠材料的力學(xué)試驗(yàn)研究主要集中于單軸拉伸試驗(yàn)、平面拉伸試驗(yàn)、等雙軸拉伸試驗(yàn)及簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)[6]，豎向壓應(yīng)力與水平向剪應(yīng)力同時(shí)作用的研究還較少。因此本文基于天然橡膠的簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種天然橡膠的壓剪試樣，依靠高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力為天然橡膠提供壓應(yīng)力，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)提供剪切力，符合天然橡膠隔震支座中橡膠層的邊界條件及受力情況，有助于研究隔震支座中橡膠層的力學(xué)性能，為隔震支座的研究提供參考。

1 試樣的制作與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制作

選擇由云南震安減震科技股份有限公司提供的三塊簡(jiǎn)單剪切試樣進(jìn)行壓剪試驗(yàn)，橡膠材料硬度為42HA，鋼板與橡膠板硫化在一起，形成對(duì)稱雙夾層結(jié)構(gòu)。

在簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)試樣的基礎(chǔ)上，外部用兩塊鋼板包圍，再用高強(qiáng)螺栓固定，為橡膠板提供壓應(yīng)力，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)為橡膠板提供剪應(yīng)力，橡膠層與鋼板層連接采用與隔震支座相同的方法處理，將二者硫化到一起，可以得到近似橡膠在隔震支座中的力-位移曲線，并可進(jìn)一步研究壓應(yīng)力對(duì)橡膠剪切模量的影響。試樣如圖1 所示。

圖1 天然橡膠壓剪試驗(yàn)試樣尺寸及實(shí)物圖

高強(qiáng)螺栓選用M12，8.8 級(jí)4 根，每?jī)蓧K橡膠板與鋼板的接觸面積為25×25=625mm2，目標(biāo)壓 應(yīng)力取值7MPa、10MPa，則高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力共為8750N、12500N，平均每根高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力約為2188N、3125N，使用可顯式扭矩的扭矩扳手將高強(qiáng)螺栓擰緊到合適值。對(duì)其進(jìn)行壓剪試驗(yàn)，得出壓應(yīng)力對(duì)橡膠剪切模量的影響，其中10MPa 壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)所需的總預(yù)拉力為12500N，每根高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力為3125N，將其換算為扭矩，根據(jù)扭矩?fù)Q算公式：

式中：T 為扭矩，N·m；k 為扭矩系數(shù)，根據(jù)機(jī)械手冊(cè)取k=0.2；d 為螺栓公稱直徑，m；F 為目標(biāo)預(yù)拉力，N。

根據(jù)所需7MPa 及10MPa 取扭矩值分別為5N·m 及7.5N·m。

1.2 試驗(yàn)方案

壓剪試驗(yàn)與簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)所用設(shè)備相同，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸試樣，借鑒規(guī)范[7]對(duì)簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)的要求進(jìn)行壓剪試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1 所示。

表1 橡膠壓剪試驗(yàn)方案

扯斷試驗(yàn)則對(duì)A1、A2、A3 三個(gè)試樣進(jìn)行拉伸扯斷試驗(yàn)，加載速率為500mm/min。

壓剪試驗(yàn)拉伸裝置為電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)CMT-6503，如圖2 所示，量程5kN，準(zhǔn)確度等級(jí)1 級(jí)，采用接觸式應(yīng)變測(cè)量方法。試驗(yàn)在云南震安減震科技股份有限公司物理實(shí)驗(yàn)室恒溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，溫度恒定在25℃。扯斷試驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)儀器為CMT-4104，最大力為10kN，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5 級(jí)，于云南震安減震科技股份有限公司力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。

圖2 壓剪試驗(yàn)圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓剪試驗(yàn)

天然橡膠的壓剪試驗(yàn)如圖2 所示，不同速度下的試驗(yàn)結(jié)果如圖3—圖5 所示。

圖3 A1、A2、A3剪應(yīng)變100%不同速度下滯回曲線

圖4 A1、A2、A3剪應(yīng)變200%不同速度下滯回曲線

圖5 A1、A2、A3剪應(yīng)變300%不同速度下滯回曲線

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，拉伸速度對(duì)橡膠板滯回曲線影響不大，但過(guò)高的速度會(huì)產(chǎn)生一定慣性，使得拉伸位移超過(guò)目標(biāo)值，如圖6—圖8 所示。

圖6 50mm/min下剪應(yīng)變100%滯回曲線

圖7 50mm/min下剪應(yīng)變200%滯回曲線

圖8 50mm/min下剪應(yīng)變300%滯回曲線

對(duì)比無(wú)壓應(yīng)力作用、純剪切的試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，施加正向壓應(yīng)力后，隨著壓應(yīng)力的增加，橡膠板的“滯回環(huán)”逐漸增大，橡膠板的耗能能力增強(qiáng)。同時(shí)，橡膠板的最大剪力值也不斷增大，且隨著剪應(yīng)變的增加，壓應(yīng)力對(duì)橡膠板的影響逐漸減小。在無(wú)壓應(yīng)力作用下，剪應(yīng)變?yōu)?00%以下時(shí)，橡膠板基本表現(xiàn)為彈性，與之對(duì)應(yīng)的有壓力作用下的橡膠板則表現(xiàn)出非線性，且隨著剪應(yīng)變的增大，非線性也逐漸增強(qiáng)。由上圖可以發(fā)現(xiàn)，拉伸方向的剪力最值大于壓縮方向的剪力最值，這是由于壓縮方向隨著位移的不斷增加，逐漸出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，使橡膠的受力無(wú)法達(dá)到最大值。

由于加載速率與橡膠的剪切模量相關(guān)性較低，對(duì)各速度產(chǎn)生的剪切模量取平均值，則橡膠的剪切模量如圖9 所示。隨著正向壓應(yīng)力的增加，橡膠板的剪切模量逐漸增加；隨著剪應(yīng)變的增加，剪切模量逐漸降低。正向壓應(yīng)力可以使橡膠板由于泊松效應(yīng)產(chǎn)生橫向變形，進(jìn)而產(chǎn)生額外摩擦力，使單位位移的所需剪力增大；剪應(yīng)變的不斷增加可以使橡膠板出現(xiàn)軟化效應(yīng)，使橡膠板變軟導(dǎo)致單位位移所需剪力減小。

圖9 不同扭矩下橡膠試樣的剪切模量

2.2 扯斷試驗(yàn)

由圖10 可知，試樣A1 的極限剪力為4473N，極限變形為76.8mm，對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變?yōu)?68%；試樣A2 的極限剪力為6202N，極限變形為71.5mm，對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變?yōu)?15%；試樣A3 的極限剪力為7269N，極限變形為65.1mm，對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變?yōu)?51%。試樣A1—A3 正向壓應(yīng)力逐漸增大，隨著正向壓應(yīng)力的增加，橡膠板的極限抗剪強(qiáng)度得到提高，但極限變形能力下降。在對(duì)橡膠板施加壓應(yīng)力時(shí)，橡膠板便發(fā)生一定程度的豎向變形，由于橡膠幾乎為不可壓縮材料，則在水平向，橡膠也產(chǎn)生部分變形，消耗了部分變形能力；橡膠的橫向變形也會(huì)使其與鋼板層產(chǎn)生一定接觸，在豎向壓力的作用下產(chǎn)生一定大小的摩擦力，導(dǎo)致達(dá)到極限抗剪強(qiáng)度時(shí)的剪力增大。

圖10 扯斷試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后的斷面圖如圖11 所示。由圖可知，橡膠層的斷裂發(fā)生在接近鋼板層的位置，在一側(cè)橡膠發(fā)生撕裂破壞后，由于受力情況變?yōu)閮H對(duì)一側(cè)橡膠板受力，則該側(cè)的橡膠板與鋼板層硫化處破壞，橡膠層與鋼板層徹底分離。四個(gè)試樣的扯斷破壞均為橡膠板的撕裂導(dǎo)致。

圖11 試樣扯斷斷面圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)天然橡膠進(jìn)行壓剪試驗(yàn)及壓剪扯斷試驗(yàn)，對(duì)天然橡膠進(jìn)行了力學(xué)性能研究，得到以下結(jié)論：

（1）隨著壓應(yīng)力的增加，橡膠板的“滯回圈”逐漸增大，橡膠板的耗能能力增強(qiáng)，最大剪力值也不斷增大，剪切模量逐漸增加。隨著剪應(yīng)變的增加，剪切模量逐漸降低，壓應(yīng)力對(duì)橡膠板的影響逐漸減??；

（2）在無(wú)壓應(yīng)力作用下，剪應(yīng)變?yōu)?00%以下時(shí)，橡膠板基本表現(xiàn)為線性，與之對(duì)應(yīng)的有壓力作用下的橡膠板則表現(xiàn)出非線性，且隨著剪應(yīng)變的增大，非線性也逐漸增強(qiáng)；

（3）隨著正向壓應(yīng)力的增加，橡膠板的極限抗剪強(qiáng)度得到提高，但極限變形能力下降。橡膠層的斷裂發(fā)生在接近鋼板層的位置。