改性橡膠與天然橡膠支座低溫力學性能對比試驗研究

□文/馬 強

支座作為橋梁不可或缺的組件，主要功能是傳遞橋梁上部結構自重及車輛荷載，同時滿足橋梁上部結構在溫度變化過程中的協調變形和轉動。目前，常溫狀態下橡膠支座的各指標試驗研究已相對全面、完善，但嚴寒、凍融條件下支座對溫度敏感性、耐候性研究尚未深入進行。

1 橡膠支座低溫性能研究必要性

近些年，國內對橋梁橡膠支座的理論創新研究主要體現在常溫條件下材料本身性能、新材料研發及減震防滑措施上；對嚴寒、凍融條件下，橡膠支座的適用性、耐久性隨溫度變化呈現的規律及其低溫的敏感性、穩定性尚缺乏研究和理論數據支撐，相關規范中對溫度適應性方面也未作明文規定。

我國東北嚴寒地區如漠河等地，最低氣溫甚至達到-52.3 ℃[1]，對橋梁支座的科學選型和結構安全可靠性設計提出嚴峻考驗。因此，研究橡膠支座在嚴寒地區的使用性能，可為我國東北、西北嚴寒地區的支座合理選型和科學設計提供參考。

2 試驗設計

2.1 試驗內容

針對改性、天然橡膠兩種材料支座進行低溫力學性能試驗，主要對比分析體現支座適用性、耐久性的抗壓彈性模量、抗剪彈性模量、容許剪切角及極限抗壓強度4個試驗指標。

2.2 試驗方案

2.2.1 橡膠支座試件的選取

選取改性橡膠、天然橡膠兩種材料的圓形板式支座，見表1。

表1 支座參數

2.2.2 擬定試驗溫度

鑒于我國東北、西北等嚴寒地區的最低氣溫可達到-52.3℃，綜合目前國內成熟研究成果，減少試驗不必要成本消耗，注重實效，本次擬定試驗溫度為-45、-50、-55 ℃3個等級。

2.2.3 低溫控制方法

通過對幾種制冷方案的比選及現有設備調研，低溫制冷控制設備選用D6-10低溫箱，該設備技術成熟、控制溫度精度高且容易計算擬定試驗溫度，準確控制時間。試件制冷后迅速進加載試驗，保證溫度最少損失。

2.2.4 試驗依據

試驗準備、試驗過程嚴格按照JT/T 4—2004《公路橋梁板式橡膠支座》、JT 3132.3—90《公路橋梁板式橡膠支座成品力學性能檢驗規則》的步驟要求進行。

3 試驗結果分析

3.1 抗壓彈性模量

根據JT/T 4—2004規定，抗壓彈性模量試驗時，每個試件均進行三次重復加載，三次加載結果的平均值作為最終試驗值且偏差應不大于標準值的±20%。見表2-表3和圖1。

表2 天然橡膠支座抗壓彈性模量試驗值

表3 改性橡膠支座抗壓彈性模量試驗值

圖1 抗壓彈性模量與溫度變化規律

試驗結果表明：

1）兩種材料支座在試驗溫度下抗壓彈性模量值偏差均小于標準值的20%，滿足規范規定；

2）溫度在-50℃時，兩種材料支座的抗壓彈性模量接近且曲線出現轉點；溫度在-45～-50 ℃時，天然橡膠支座抗壓彈性模量逐漸提高，而改性橡膠支座平穩；溫度在-50～-55 ℃時，天然橡膠支座抗壓彈性模量逐漸下降，而改性橡膠支座反而提高，體現適應性更好。

3.2 抗剪彈性模量

根據JT/T 4—2004規定，抗剪彈性模量試驗時，每個試件均進行三次加載，三次加載結果的平均值作為最終試驗值且偏差應不大于標準值的±15%。見表4-表5和圖2。

表4 天然橡膠支座抗剪彈性模量實測值

表5 改性橡膠支座抗剪彈性模量實測值

圖2 抗剪彈性模量與溫度關系

試驗結果表明：

1）兩種材料支座在試驗溫度時抗剪彈性模量值偏差小于標準值的15%，滿足規范規定；

2）隨著溫度的降低，兩種材料支座的抗剪彈性模量均增大，對應縱向協調變形能力減退；但改性橡膠的變化速率相對較小，說明溫度變化對其影響較小、對低溫適應性更強。

3.3 容許剪切變形

依據JT 3132.3—90 對兩種橡膠材料支座容許剪切角度進行試驗研究[3]。試驗結果見表6，容許剪切角與溫度關系見圖3。

表6 支座容許剪切角正切值

結果表明：

1）兩種材料支座剪切角隨著試驗溫度降低而下降，剪切伸縮變形能力減弱；但兩種橡膠支座的剪切角最大值均在設計規范容許值范圍內；

2）溫度在-45～-50 ℃時，天然橡膠支座剪切變形能力變化速率相對較小，與抗剪指標試驗得出一致結論；溫度在-50～-55 ℃時，天然橡膠支座試驗值平穩不變，而改性橡膠支座有所降低且溫度達到-55 ℃時，兩者基本重合。

3.4 極限強度

依據規范相關規定進行極限抗壓破壞試驗。加載過程中，除破壞時內部鋼板變形天然橡膠支座較改性橡膠支座要嚴重，出現鋼、膠剝離外；兩種支座的破壞形態、機理基本一致。見圖4和表7。

圖4 支座破壞形態

表7 支座極限抗壓破損強度

試驗結果表明：在低溫條件下，兩種材料支座的極限抗壓強度均滿足規范要求；改性橡膠支座的極限抗壓強度明顯較高，平均值較天然橡膠高26.8%。

4 結論

1）在試驗溫度條件下，兩種材料支座的4 個試驗指標均滿足規范要求。

2）在試驗溫度條件下，除容許剪切能力在-50～-55 ℃范圍內天然橡膠支座對溫度變化適應性較好外，其余各項指標試驗結果顯示，在同等條件下改性橡膠支座均優于天然橡膠，體現出更好的低溫適應性和耐寒性，可作為設計優先考慮。