海水干濕循環(huán)作用下天然橡膠支座橡膠材料性能劣化試驗(yàn)

李艷敏， 馬玉宏， 趙桂峰， 周福霖

(1. 廣州大學(xué) 工程抗震研究中心，廣州 510405； 2. 廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州 510006)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展和我國(guó)對(duì)海洋權(quán)益的重視，跨海橋梁等近海工程的建設(shè)日益昌盛。近海橋梁中所使用的隔震支座長(zhǎng)期處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，尤其是晴天雨天交替變化、高溫高濕及海風(fēng)海浪交替作用而產(chǎn)生的海水干濕循環(huán)作用。橡膠隔震支座作為橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵連接，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全及隔震性能的有效發(fā)揮具有極其重要的作用，因此開(kāi)展其在海水干濕循環(huán)作用下的性能劣化規(guī)律研究是十分必要的。橡膠隔震支座由橡膠和薄鋼板疊合組成，因此針對(duì)其所使用的橡膠材料開(kāi)展性能劣化研究能夠?yàn)橄鹉z隔震支座的性能劣化研究提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

有材料表明，所有的橡膠材料都會(huì)受到氧氣的攻擊，即使在室溫條件下，也通過(guò)熱、光、動(dòng)態(tài)應(yīng)變等受到氧氣攻擊[1]。大部分橡膠材料老化后變硬且易碎[2-3]。Woo等[4]在高溫條件下測(cè)試了電梯艙的橡膠組件，并利用阿倫尼烏斯的方法，將加速老化的試驗(yàn)結(jié)果與服役條件下的老化聯(lián)系起來(lái)。Gu等[5]研究了橋梁軸承中所使用的天然橡膠(NR)和高阻尼橡膠(HDR)材料的老化特性。Abmalek等[6]針對(duì)在海水水深80英尺處浸泡了42年的天然橡膠輪胎內(nèi)外胎的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外胎的扯斷伸長(zhǎng)率分別降低了18.8%，14.7%。Mott 等[7]對(duì)天然橡膠進(jìn)行了7種不同溫度下的空氣老化和6個(gè)不同溫度下的海水老化試驗(yàn)，表明橡膠經(jīng)過(guò)15年室溫海水浸泡后，海水浸入橡膠深度為60 mm。余超等[8]針對(duì)特種氯丁橡膠開(kāi)展了空氣及海水中的加速老化試驗(yàn)，研究了特種氯丁橡膠在不同溫度和不同老化介質(zhì)中扯斷伸長(zhǎng)率隨老化時(shí)間的變化規(guī)律，并對(duì)該種橡膠的使用壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。游海軍[9]針對(duì)模擬海洋環(huán)境下丁晴橡膠性能演變及其壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究，得到了丁晴橡膠隨著不同海水壓力、海水溫度、拉伸疲勞次數(shù)的變化情況。馬玉宏等[10]針對(duì)老化及海蝕作用下近海橋梁隔震支座所用橡膠材料性能劣化規(guī)律開(kāi)展了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，老化是影響橡膠材料性能的主要因素，且老化+海蝕作用使得橡膠性能劣化在大應(yīng)變時(shí)更明顯。趙建峰等[11]通過(guò)對(duì)特種氯丁橡膠在熱空氣中進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，研究了特種氯丁橡膠的拉伸強(qiáng)度隨老化時(shí)間的變化規(guī)律，并依據(jù)試驗(yàn)得到的老化動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)特種氯丁橡膠以拉伸強(qiáng)度為指標(biāo)進(jìn)行了壽命預(yù)測(cè)。曹婷婷[12]結(jié)合有限元分析和試驗(yàn)，針對(duì)汽車剎車系統(tǒng)中的橡膠密封圈的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析，對(duì)橡膠制品疲勞壽命分析具有很好的指導(dǎo)作用。Itoh等[13]開(kāi)展了光照、臭氧、低溫-臭氧、酸霧等工況下天然橡膠的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明熱氧老化是使橡膠劣化的主要因素，而低溫-臭氧、鹽霧、酸霧等對(duì)橡膠的劣化影響不顯著。劉建勛等[14]結(jié)合錐形橡膠彈性元件的疲勞破壞問(wèn)題，提出了一種基于ABAQUS+FE-SAFE平臺(tái)下的橡膠疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，為類似彈性元件的疲勞評(píng)估提供了一種新思路。李昂[15]對(duì)橡膠進(jìn)行了老化試驗(yàn)并對(duì)其老化變質(zhì)程度進(jìn)行了測(cè)定，為更好的了解與掌握橡膠的老化規(guī)律和橡膠制品更好的應(yīng)用與實(shí)際具有重要意義。干濕循環(huán)試驗(yàn)在混凝土的相關(guān)研究中應(yīng)用較多。張亞梅等[16]采用浸泡56 h后在55 ℃下烘干16 h的循環(huán)方法對(duì)橡膠水泥混凝土性能進(jìn)行了浸-烘循環(huán)試驗(yàn)研究。王琴等[17]采用干燥12 h浸泡12 h的循環(huán)制度對(duì)混凝土試塊開(kāi)展干濕循環(huán)試驗(yàn)來(lái)研究干濕循環(huán)作用對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕速率的影響。張峰等[18]對(duì)混凝土試塊進(jìn)行海水干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)采取的干濕循環(huán)制度為：先將混凝土試件置于烘箱中烘16 h，再取出到室溫冷卻1 h最后浸泡到腐蝕溶液中7 h。Mohr等[19]在研究纖維混凝土的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)采用烘干23.5 h后晾0.5 h再浸泡23.5 h的干濕交替制度。Hong等[20]在模擬氯鹽腐蝕環(huán)境時(shí)采用的循環(huán)制度：浸泡6 h，然后在相對(duì)濕度(RH)位50%的密閉容器中干燥18 h，一個(gè)循環(huán)需要24 h。Mangat等[21]采用干燥6 h，濕潤(rùn)6 h的干濕循環(huán)方法開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室干濕循環(huán)試驗(yàn)用以研究海洋環(huán)境下鋼纖維鋼筋混凝土的耐久性。從已有資料來(lái)看，目前，對(duì)于橡膠材料性能劣化的研究主要集中在空氣老化和熱氧老化等方面，且大多是針對(duì)橡膠材料老化性能的研究，鮮有針對(duì)近海橋梁隔震支座及其所用橡膠材料在同一環(huán)境下開(kāi)展的性能試驗(yàn)研究，對(duì)于橡膠材料在海水干濕循環(huán)作用下性能變化規(guī)律的研究更是少見(jiàn)報(bào)道。本研究主要針對(duì)近海橋梁中使用的天然橡膠隔震支座及支座所用的同種橡膠材料開(kāi)展了海蝕干濕循環(huán)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究橡膠材料的力學(xué)性能隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律，以便為今后更好地研究海洋環(huán)境中橡膠隔震支座的性能劣化及近海橋梁結(jié)構(gòu)的性能劣化提供基礎(chǔ)和依據(jù)，本文中僅展示橡膠材料相關(guān)的研究?jī)?nèi)容及結(jié)果分析。

1 橡膠材料試驗(yàn)工況及性能測(cè)試加載裝置

采用與橡膠隔震支座相同的橡膠材料來(lái)制作橡膠片，共制作2 mm厚橡膠片63片，其中60片橡膠片與橡膠支座放置在相同的試驗(yàn)環(huán)境下開(kāi)展試驗(yàn)，具體的橡膠隔震支座及橡膠片的放置情況見(jiàn)圖1和圖2。橡膠片的尺寸為：150 mm×116 mm×2 mm。在經(jīng)歷60天海水干濕循環(huán)試驗(yàn)前后，將依據(jù)GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)試》中的相關(guān)要求，對(duì)橡膠片進(jìn)行切割、裁樣(詳見(jiàn)圖3)，并研究海水干濕循環(huán)試驗(yàn)前后橡膠材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)的變化情況。

根據(jù)橋梁橡膠隔震支座在近海橋梁實(shí)際環(huán)境中所處的位置，綜合考慮干濕循環(huán)影響因素。采用干濕交替的方法對(duì)橡膠片和支座進(jìn)行試驗(yàn)，浸泡和烘干連續(xù)進(jìn)行。此外，目前無(wú)法采用單一試驗(yàn)設(shè)備來(lái)模擬真實(shí)的海洋環(huán)境且我國(guó)在跨海橋梁中使用隔震支座的歷史不長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)取海水干濕循環(huán)腐蝕后的橡膠材料進(jìn)行試驗(yàn)不太現(xiàn)實(shí)，因此本文采用人工加速海水干濕循環(huán)試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)體干燥放置圖Fig.2 A photograph of samples drying

圖3 橡膠材料啞鈴狀試樣圖Fig.3 Dumb bell specimens of rubber material

依據(jù)Arrhenius人工加速老化公式推導(dǎo)出試驗(yàn)加速比為

(1)

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

在參考大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，詳細(xì)研究支座所處環(huán)境的實(shí)際溫度、活化能、晴雨交替比值、海水成份等參數(shù)，以及相關(guān)干濕循環(huán)試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合橡膠支座及橡膠材料的特性，確定了使用壽命為60年的橡膠支座干濕循環(huán)試驗(yàn)的加速比等具體參數(shù)及試驗(yàn)方法見(jiàn)表1。

表1 橡膠片干濕循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)及工況

橡膠材料的裁樣及相關(guān)性能測(cè)試在華南理工大學(xué)五山校區(qū)材料科學(xué)與工程學(xué)院試驗(yàn)室進(jìn)行，橡膠硬度、試樣厚度、試樣定伸應(yīng)力、試樣的拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率分別在邵氏橡膠硬度計(jì)(見(jiàn)圖4)、橡膠測(cè)厚儀(見(jiàn)圖5)和橡膠拉伸試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖6)上進(jìn)行。

圖4 橡膠樣硬度測(cè)試計(jì)Fig.4 Shore a durometer

圖5 橡膠樣厚度測(cè)試儀Fig.5 Rubber thickness gauge

試驗(yàn)研究中對(duì)橡膠材料進(jìn)行的試驗(yàn)內(nèi)容有：硬度測(cè)試、拉伸力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)。其中，橡膠材料的拉伸力學(xué)性能根據(jù)GB/T 258—2009的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，拉伸速率采用500 mm/min；硬度的測(cè)定按照ISO 7619-1：2004《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法第一部分：邵氏硬度計(jì)法》進(jìn)行。

圖6 橡膠材料拉伸試驗(yàn)機(jī)Fig.6 Tensile testing machine for rubber material

2 橡膠材料海水干濕循環(huán)試驗(yàn)概況

在海水干濕循試驗(yàn)前，先對(duì)3片橡膠片裁出的9個(gè)啞鈴型試件開(kāi)展各項(xiàng)性能試驗(yàn)作為初始值。為了研究海水干濕循環(huán)作用對(duì)橡膠材料的影響，在長(zhǎng)達(dá)60天的海水干濕循環(huán)試驗(yàn)期間，每3天對(duì)橡膠片按序號(hào)取樣一次，每次取出3片橡膠片試樣，記錄其外觀變化情況，每次取出的試樣，待其冷卻到常溫時(shí)，測(cè)試其各項(xiàng)性能的變化情況。試驗(yàn)前橡膠片的外觀情況見(jiàn)圖7，試驗(yàn)期間的橡膠片外觀變化情況見(jiàn)圖8和圖9。

圖7 海水干濕循環(huán)試驗(yàn)前橡膠片外觀Fig.7 Photographs of rubber samples before seawater wet-dry cycles test

圖8 歷經(jīng)干濕循環(huán)0～30天橡膠片外觀Fig.8 Photographs of rubber samples after exposure to seawater wet-dry cycles test for 0 to 30 days

圖9 歷經(jīng)干濕循環(huán)31～60天橡膠片外觀Fig.9 Photographs of rubber samples after exposure to seawater wet-dry cycles test for 31 to 60 days

從圖7和圖8來(lái)看，從試驗(yàn)開(kāi)始到海水干濕循環(huán)60天，隨著海水干濕循環(huán)時(shí)間的增加，橡膠片的泛白程度逐漸增加。且到了60天試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，橡膠片表面明顯帶有白色。在取樣過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象。

3 海水干濕循環(huán)試驗(yàn)后橡膠材料性能測(cè)試結(jié)果分析

將每次取樣的每個(gè)橡膠片上分別裁取的三個(gè)啞鈴橡膠標(biāo)樣進(jìn)行試驗(yàn)，共63片橡膠片，189個(gè)啞鈴型橡膠試樣。具體測(cè)試結(jié)果如下。

3.1 橡膠材料硬度測(cè)試

橡膠工業(yè)中，硬度是硫化橡膠最基本的物理性能之一，因此硬度測(cè)試是硫化橡膠最常用的測(cè)試項(xiàng)目，硬度測(cè)試是彈性模量測(cè)試的一種間接尺度[22-23]，其結(jié)果對(duì)控制生產(chǎn)工藝和判定產(chǎn)品質(zhì)量等具有重要意義。對(duì)于橡膠隔震支座來(lái)說(shuō)，橡膠硬度的不同會(huì)導(dǎo)致支座的力學(xué)性能的差異，橡膠變硬和變軟，橡膠支座的剛度將隨之增大或減小。但是，橡膠隔震支座剛度過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)造成不利的影響。將每組橡膠片制成的9個(gè)啞鈴試樣測(cè)得的數(shù)據(jù)平均值作為每組測(cè)試的硬度值，橡膠硬度(邵氏硬度)隨海水干濕循環(huán)時(shí)間變化情況見(jiàn)圖10，根據(jù)表2試驗(yàn)參數(shù)，將海水干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)間t(天)換算為實(shí)際使用時(shí)間也列在圖中(下同)。

從圖10可見(jiàn)，橡膠硬度隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的增長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，且在開(kāi)始的30 h內(nèi)，硬度增大速度較快，后續(xù)時(shí)間內(nèi)，硬度增大的速度稍微減小，但總體上呈現(xiàn)較為明顯的增大趨勢(shì)。海水干濕循環(huán)60天后硬度較試驗(yàn)前初始值增大了約22%。因此，海水干濕循環(huán)作用對(duì)橡膠硬度有明顯影響。

圖10 橡膠硬度隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律Fig.10 Effect of seawater wet-dry cycles test time on rubber hardness

海水干濕循環(huán)時(shí)間/天硬度實(shí)測(cè)值硬度擬合值實(shí)測(cè)值與擬合值誤差/%04142-1.75343421.63643430.3594343-0.851244440.34154444-0.701845450.582146451.862446461.03274546-1.97304646-0.493347470.973647470.33394747-0.28424747-0.84454748-1.384848480.24514848-0.22544848-0.66574849-1.076050492.60平均偏差0.96

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到橡膠硬度Hr與支座海水干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)間t的關(guān)系

(2)

硬度擬合值和實(shí)測(cè)值的誤差見(jiàn)表2，可知，兩者的最大和最小偏差分別為2.6%，0.22%，平均偏差僅0.96%，可認(rèn)為式(1)能較好地反映橡膠硬度隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律。

3.2 橡膠材料定伸應(yīng)力測(cè)試

橡膠定伸應(yīng)力Se(Stress at a given elongation)是指啞鈴標(biāo)準(zhǔn)試樣工作部分拉伸到給定伸長(zhǎng)率時(shí)的應(yīng)力，也是橡膠材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。計(jì)算公式為

(3)

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)的力，N；W為試樣工作區(qū)域?qū)挾龋琺m；T為試樣工作區(qū)域厚度，mm。

試驗(yàn)中主要測(cè)試了50%～300%定伸應(yīng)力隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化情況，每組取9個(gè)啞鈴試樣測(cè)試結(jié)果的平均值。不同橡膠定伸應(yīng)力隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律詳見(jiàn)圖11，其中50%，100%，200%和300%定伸應(yīng)力的試驗(yàn)測(cè)試值與擬合值對(duì)比見(jiàn)圖12～圖17。

圖11 不同定伸應(yīng)力隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律Fig.11 Effect of seawater wet-dry cycles test time on tensile stress at various elongations of the rubber material

由圖11易知，橡膠定伸應(yīng)力隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的增大而增大；在300%拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，定伸應(yīng)力隨拉應(yīng)變的增大而增大且定伸應(yīng)力的增長(zhǎng)幅度也隨拉應(yīng)變的增大而增大。

圖12 橡膠50%定伸應(yīng)力隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律Fig.12 Effect of seawater wet-dry cycles test time on tensile stress at 50% elongations of the rubber material

圖13 橡膠100%定伸應(yīng)力隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律Fig.13 Effect of seawater wet-dry cycles test time on tensile stress at 100% elongations of the rubber material

圖14 橡膠200%定伸應(yīng)力隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律Fig.14 Effect of seawater wet-dry cycles test time on tensile stress at 200% elongations of the rubber material

由圖12～圖15可知，隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的增長(zhǎng)，橡膠材料不同定伸長(zhǎng)度下的應(yīng)力都呈增大趨勢(shì)，且增長(zhǎng)趨勢(shì)相似。

與初始值相比，在經(jīng)歷60天海水干濕循環(huán)作用后，50%，100%，200%，300%定伸應(yīng)力增長(zhǎng)幅度分別達(dá)到58.20%，86.39%，118.02%，115.05%，說(shuō)明大變形作用下定伸應(yīng)力增長(zhǎng)幅度高，這對(duì)大變形下的橡膠支座剪切性能的影響會(huì)較大。此外，在前30天定伸應(yīng)力增長(zhǎng)速率較快，后30天增長(zhǎng)速率較慢，說(shuō)明海水干濕循環(huán)作用在前期對(duì)橡膠定伸應(yīng)力及支座剪切性能影響速率較快，后期的影響速率變小。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得不同定伸應(yīng)力和海水干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)間的變化規(guī)律，分別擬合出各定伸應(yīng)力與試驗(yàn)時(shí)間t的關(guān)系為

(4)

(5)

(6)

(7)

采用上述擬合公式計(jì)算的橡膠定伸應(yīng)力Se50%，Se100%，Se200%和Se300%擬合值和實(shí)測(cè)值的偏差見(jiàn)表3。

由表3可以看出，橡膠材料定伸應(yīng)力的試驗(yàn)測(cè)試值與計(jì)算值吻合較好。

結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和式(4)～式(7)，擬合出橡膠材料定伸應(yīng)力隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間t及定伸應(yīng)變?chǔ)秒p重因素的變化規(guī)律，見(jiàn)式(8)

表3 定伸應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比誤差

Se=

(8)

式中：t為海水干濕循環(huán)時(shí)間；γ為橡膠材料拉伸應(yīng)變。

經(jīng)計(jì)算可知，同時(shí)考慮海水干濕循環(huán)時(shí)間和拉伸應(yīng)變的作用時(shí)，根據(jù)式(8)計(jì)算的結(jié)果值與試驗(yàn)測(cè)試值的最大偏差近似為21%，最小偏差近似為0.07%，平均偏差為4.07%。因此，本文將式(8)近似為橡膠材料定伸應(yīng)力隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間和拉伸應(yīng)變雙重因素作用的變化規(guī)律。

不同海水干濕循環(huán)作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的拉伸破壞曲線見(jiàn)圖16。

由圖16可見(jiàn)，干濕循環(huán)作用時(shí)間不變時(shí)，橡膠的拉伸應(yīng)力均隨拉應(yīng)變的增大近似呈拋物線增大，且在試驗(yàn)期間前36天其增大幅度隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的增大而增大，36天后至60天試驗(yàn)結(jié)束，增長(zhǎng)幅度變化不大；拉伸應(yīng)變不變時(shí)，拉伸應(yīng)力隨干濕循環(huán)時(shí)間增大而增大，但拉伸破壞應(yīng)力則隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的增大而減小，經(jīng)過(guò)60天海水干濕循環(huán)作用，拉伸破壞應(yīng)力由22.187 MPa減小至8.059 MPa，減小幅度高達(dá)63.7%；相同拉伸應(yīng)力下，拉伸應(yīng)變和拉伸破壞應(yīng)變均隨干濕循環(huán)時(shí)間增大而減小，經(jīng)過(guò)60天海水干濕循環(huán)作用，拉伸破壞應(yīng)變由693.6%降低至353.73%，減小幅度為49%。由此可見(jiàn)，海水干濕循環(huán)作用對(duì)橡膠材料拉伸性能的影響顯著。

3.3 橡膠材料拉伸強(qiáng)度測(cè)試

拉伸強(qiáng)度TS(Tensile Strength)是指試樣拉伸至斷裂過(guò)程中的最大拉伸應(yīng)力，是橡膠材料的重要指標(biāo)之一。橡膠制品的壽命大都與拉伸強(qiáng)度直接相關(guān)，輸送帶的膠蓋、橡膠減震器的耐久性等均隨拉伸強(qiáng)度的增大而提高，因此研究橡膠材料拉伸強(qiáng)度隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化情況對(duì)于更好地研究橡膠隔震支座極限剪切和拉伸性能隨海水干濕循環(huán)時(shí)間的變化規(guī)律具有較重要的意義。隨海水干濕循環(huán)作用對(duì)橡膠拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律見(jiàn)圖17。

圖15 橡膠300%定伸應(yīng)力隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律Fig.15 Effect of seawater wet-dry cycles test time on tensile stress at 300% elongations of the rubber material

圖16 不同海水干濕循環(huán)時(shí)間下橡膠拉伸破壞曲線Fig.16 Tensile failure curve of rubber material under various seawater wet-dry cycles test time

圖17 橡膠拉伸強(qiáng)度隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律Fig.17 Effect of seawater wet-dry cycles test time on tensile strength of rubber material

從圖17來(lái)看，經(jīng)受海水干濕循環(huán)作用后，橡膠拉伸強(qiáng)度隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的增長(zhǎng)而大體上呈下降的趨勢(shì)，且在初始階段下降速率快。經(jīng)歷60天的海水干濕循環(huán)試驗(yàn)后，橡膠拉伸強(qiáng)度實(shí)測(cè)值下降幅度約為65.70%，說(shuō)明海水干濕循環(huán)作用對(duì)橡膠拉伸強(qiáng)度的影響很大。將橡膠拉伸強(qiáng)度TS試驗(yàn)數(shù)據(jù)與海水干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)間t擬合得到拉伸強(qiáng)度與干濕循環(huán)時(shí)間的關(guān)系為

(9)

分析可知，拉伸強(qiáng)度擬合值與實(shí)測(cè)值的最大和最小偏差分別為14.3%，0.13%，平均偏差為6.12%，說(shuō)明可以用式(9)來(lái)描述拉伸強(qiáng)度隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律。

3.4 橡膠材料扯斷伸長(zhǎng)率測(cè)試

扯斷伸長(zhǎng)率Eb(Elongation at break)是指橡膠啞鈴型試樣拉伸斷裂時(shí)的百分比伸長(zhǎng)率，與橡膠隔震支座的極限性能和拉伸性能有關(guān)，也稱為拉斷伸長(zhǎng)率。海水干濕循環(huán)時(shí)間對(duì)扯斷伸長(zhǎng)率的影響見(jiàn)圖18。

由圖18可見(jiàn)，隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的增長(zhǎng)，橡膠扯斷伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)，且下降速率較快。經(jīng)歷60天的海水干濕循環(huán)試驗(yàn)后，扯斷伸長(zhǎng)率下降幅度達(dá)51.53%，說(shuō)明海水干濕循環(huán)作用對(duì)扯斷伸長(zhǎng)率的影響明顯。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與作用時(shí)間t擬合得到橡膠扯斷伸長(zhǎng)率與干濕循環(huán)時(shí)間的關(guān)系

圖18 橡膠扯斷伸長(zhǎng)率隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律Fig.18 Effect of seawater wet-dry cycles test time on elongation at break of rubber material

(10)

分析可知，橡膠扯斷伸長(zhǎng)率擬合值與實(shí)測(cè)值的最大和最小偏差分別為7.29%，0.2%，平均偏差為3.39%，說(shuō)明可用式(10)近似描述扯斷伸長(zhǎng)率隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的變化規(guī)律。

4 結(jié) 論

本文主要從材料層面研究橡膠材料在海水干濕循環(huán)作用下力學(xué)性能的變化情況。對(duì)橡膠材料進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)60天的海水干濕循環(huán)試驗(yàn)，并定時(shí)取樣測(cè)試，研究分析了橡膠片外觀及性能參數(shù)的變化情況，結(jié)論如下：

(1) 從試驗(yàn)開(kāi)始至第9天，橡膠片外觀無(wú)明顯變化。13天后，橡膠片表面開(kāi)始泛白，且隨著海水干濕循環(huán)時(shí)間的增加，泛白程度加重。

(2) 橡膠材料硬度隨海水干濕循環(huán)時(shí)間的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，60天干濕循環(huán)試驗(yàn)后，較試驗(yàn)前增大22%。

(3) 橡膠材料不同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的定伸應(yīng)力隨海水干濕循環(huán)作用時(shí)間的增加也呈增大趨勢(shì)，且前期增長(zhǎng)速率快，后期增長(zhǎng)速率慢，說(shuō)明早期干濕循環(huán)的影響效應(yīng)更大，后期趨于穩(wěn)定。

橡膠在200%和300%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的定伸應(yīng)力增大幅度較50%和100%應(yīng)變下的定伸應(yīng)力增幅度大，說(shuō)明海水干濕循環(huán)對(duì)大變形下橡膠支座拉伸性能和剪切性能的影響會(huì)更大。

得到了橡膠材料定伸應(yīng)力在海水干濕循環(huán)作用時(shí)間和拉伸應(yīng)變雙重作用影響下的變化規(guī)律，詳見(jiàn)式(8)。

(4) 橡膠材料拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率隨著海水干濕循環(huán)時(shí)間增加而降低，且二者趨勢(shì)相似；經(jīng)歷60天海水干濕循環(huán)試驗(yàn)后，二者的下降幅度分別達(dá)到65.7%和51.53%，可能會(huì)導(dǎo)致橡膠隔震支座的拉伸性能及水平極限性能變差。

(5) 對(duì)橡膠材料進(jìn)行的海水干濕循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的橡膠硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率隨海水干濕循環(huán)時(shí)間的變化規(guī)律可用于分析橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系變化規(guī)律，進(jìn)而研究相應(yīng)的橡膠隔震支座及隔震結(jié)構(gòu)抗震性能隨海洋環(huán)境的變化規(guī)律，為性能評(píng)估和全壽命設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。