NR/CIIR共混型黏彈性阻尼器力學(xué)性能試驗(yàn)研究

陳錦杰 劉湘暉 羅文波

（湘潭大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411100）

提升建筑結(jié)構(gòu)抵抗地震和風(fēng)災(zāi)的能力是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理念主要通過增加鋼筋和混凝土的用量來提升結(jié)構(gòu)自身的剛度和延性，但這樣會(huì)增大結(jié)構(gòu)自重，外界輸入的力全部作用于結(jié)構(gòu)本身，會(huì)降低結(jié)構(gòu)舒適度并提高建造成本。黏彈性阻尼器是一種由黏彈性材料和約束鋼板組成的被動(dòng)控制裝置，其中鋼板與建筑物相連接，外界振動(dòng)通過鋼板使黏彈性材料發(fā)生剪切變形，以此來降低建筑物的動(dòng)力響應(yīng)，其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，易于安裝和拆卸，具有結(jié)構(gòu)舒適度高和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

作為黏彈性阻尼器的核心材料，減震橡膠的分子結(jié)構(gòu)應(yīng)剛?cè)徇m當(dāng)，柔順性過大的分子松弛時(shí)間太短，黏性行為變?nèi)?，而柔順性太差則會(huì)導(dǎo)致阻尼材料剛度過大，阻尼器結(jié)構(gòu)自振頻率大，減震效果差。同時(shí)，阻尼過大還可能造成顯著的動(dòng)態(tài)疲勞生熱，從而加速橡膠老化失效。已有的黏彈性阻尼器研究主要集中在阻尼器本身的耗能特征分析[1]，對(duì)阻尼材料的改性研究相對(duì)較少。

該文研究根據(jù)共混改性的原理，利用氯化丁基橡膠（CIIR）的弱極性，與天然橡膠（NR）和填料有良好的相容性的特點(diǎn)[2]制備NR/CIIR共混型黏彈性阻尼材料。NR/CIIR共混型黏彈性阻尼器具有阻尼大、疲勞性能衰減較小的優(yōu)點(diǎn)，既可以用于地震減災(zāi)控制，又可以用于風(fēng)振疲勞控制。

1 試驗(yàn)

1.1 黏彈性阻尼材料的基本配方

NR阻尼材料：NR 100份，氧化鋅5份，硬脂酸2份，防老劑1份，促進(jìn)劑TMTD 1份，硫磺2.5份。CIIR阻尼材料：CIIR 100份，氧化鋅3份，氧化鎂2份，硬脂酸1份，高耐磨炭黑（N330）50份，促進(jìn)劑DM 2份，促進(jìn)劑TMTD 1份。NR/CIIR共混型阻尼材料：由上述2種橡膠阻尼材料按照1∶1進(jìn)行混合，即為NR/CIIR共混型阻尼材料。

1.2 阻尼器的設(shè)計(jì)與制備

黏彈性阻尼器的外形設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范《建筑消能阻尼器》的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[3]，該文設(shè)計(jì)的阻尼器為雙剪切型黏彈性阻尼器，其模型如圖1所示，其中黏彈性材料尺寸為60×60×6（mm），連接構(gòu)件的設(shè)計(jì)是為了適應(yīng)加載設(shè)備的夾具夾持。

圖1 黏彈性阻尼器的結(jié)構(gòu)

阻尼器的制備流程如下：1）膠片的制備。將橡膠放入密煉機(jī)中塑煉完畢后，加入各種填料和添加劑混煉并排膠，冷卻后再投入開煉機(jī)中煉成熟膠，將輥距調(diào)小，并打三角包薄通5次后調(diào)整至正常輥距，待表面光滑無氣泡后出膠片。2）約束鋼板的處理。將鋼板打孔，用砂紙、銼刀將其表面打磨至銀色麻面狀后投入丙酮有機(jī)溶劑中浸泡10min，待完全脫脂后風(fēng)干，涂刷開姆洛克膠黏劑并烘干備用。3）阻尼器硫化成型。將處理好的鋼板和混煉完成的膠片放入阻尼器模具中，在平板硫化機(jī)中以180℃的溫度、10MPa的壓強(qiáng)壓模硫化5min，制備出黏彈性阻尼器。

1.3 加載方案

采用MTS-809復(fù)雜應(yīng)力力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)制備的阻尼器進(jìn)行室溫循環(huán)變形測(cè)試，施加不同頻率和幅值的正弦波載荷，研究黏彈性阻尼器阻尼特性的頻率相關(guān)性、應(yīng)變幅值相關(guān)性以及阻尼器的疲勞耐久性。試驗(yàn)加載方案見表1，其中試件編號(hào)中的A、B和C代表阻尼器類型，分別表示NR阻尼器、CIIR阻尼器和NR/CIIR共混阻尼器，數(shù)字1、2、3代表試件序號(hào)。

表1 黏彈性阻尼器疲勞測(cè)試加載方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形式

在應(yīng)變幅值相關(guān)性研究中，當(dāng)加載應(yīng)變幅值較大時(shí)，試件A2加載到150%的應(yīng)變時(shí)開始出現(xiàn)微裂紋，加載到200%時(shí)發(fā)生撕裂破壞。試件B2、C2均為加載到250%的應(yīng)變時(shí)發(fā)生撕裂破壞且均為橡膠本體的撕裂破壞，而不是橡膠與鋼板的粘結(jié)破壞，證明了阻尼器的硫化粘結(jié)強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求[4]。該文研究的是阻尼器破壞前的性能特征變化情況。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線分析

不同載荷頻率下阻尼器的剪切應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線如圖2所示。加載幅值不變時(shí)，各試樣隨著加載頻率增加，滯回圈面積逐漸增大，耗能效果有所提升。相同頻率下，B1、C1試件的滯回圈形狀相似，面積均大于A1試件。不同應(yīng)變幅值下阻尼器的剪切應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線如圖3所示。當(dāng)加載頻率一定時(shí)，隨著加載幅值的增大，各試件滯回曲線經(jīng)歷了由飽滿的梭形向“S”形、“Z”形的轉(zhuǎn)變，耗能能力不斷減弱。相同變形幅值下，試件B2、C2的滯回圈的形狀相似，面積同樣大于試件A2。不同循環(huán)周次黏彈性阻尼器的剪切應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線如圖4所示。經(jīng)疲勞試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，隨著加載圈數(shù)的增多，滯回曲線的面積變小，且B3試件滯回曲線面積減少幅度最大。可以得出3種黏彈性阻尼器的加載頻率與應(yīng)變幅值相關(guān)性顯著，共混型阻尼器的單位體積耗能量與CIIR阻尼器接近，比單組分NR阻尼器大。

圖2 不同載荷頻率下阻尼器的剪切應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線（應(yīng)變幅值為100%）

圖3 不同應(yīng)變幅值下阻尼器的剪切應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線（載荷頻率為0.3Hz）

圖4 不同循環(huán)周次黏彈性阻尼器的剪切應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線（頻率為0.3Hz，應(yīng)變幅值為16.7%）

2.3 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)分析

為研究上述黏彈性阻尼器在不同工作環(huán)境下的適用性，該文對(duì)不同頻率、位移幅值下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估。根據(jù)黏彈性阻尼器相關(guān)知識(shí)，力-位移滯回線存在如圖5所示的特征。

圖5 黏彈性阻尼器滯回性能分析

根據(jù)上述信息，割線剛度K、損耗因子η和耗能密度Q如公式（1）～公式（3）所示。

2.3.1 黏彈性阻尼器剛度指標(biāo)分析

以最大應(yīng)變處的“割線剛度”為對(duì)象，研究不同加載頻率、應(yīng)變幅值下，共混型黏彈性阻尼器的剛度較單組分黏彈性材料阻尼器的變化情況。由圖6（a）可見，試件A1、B1的割線剛度隨頻率增加呈先變小、后增大、再變小的趨勢(shì)。試件C1頻率為0.01Hz時(shí)，剛度指標(biāo)與試件A1接近，隨頻率增加先增大、后趨于穩(wěn)定。由此可見，外界輸入共混型阻尼器的頻率越高，剛度就越大。在0.01Hz的低頻加載下，共混型阻尼器主要由NR相發(fā)揮剛度作用，隨著頻率的增大，試件C1曲線位于A1、B1間，沒有明顯的偏倚，表明此時(shí)由NR、CIIR兩相共同發(fā)揮作用。并且與CIIR阻尼器相比，共混型阻尼器的剛度在不同加載頻率下的改善不明顯。由圖6（b）可見，隨著應(yīng)變幅值增加，試件B2、C2的剛度指標(biāo)先降低、后趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)出明顯的延性，隨著加載幅值的繼續(xù)增加，阻尼器發(fā)生裂紋破壞，剛度指標(biāo)迅速降低，而試件A2的剛度指標(biāo)不斷下降，缺少延性區(qū)間，不利于阻尼器的安全穩(wěn)定。試件C2、B2的剛度值接近且大于試件A2的剛度，表明在不同應(yīng)變幅值下，與NR型阻尼器相比，共混型阻尼器的剛度有所改善。

圖6 剛度指標(biāo)隨加載頻率、幅值的變化

2.3.2 黏彈性阻尼器耗能指標(biāo)分析

以“損耗因子”“耗能密度”為對(duì)象，研究不同加載頻率、應(yīng)變幅值下，共混型黏彈性阻尼器的耗能能力和單組分黏彈性材料阻尼器相比的變化情況。如圖7（a）所示，隨著加載頻率增加，3種阻尼器的損耗因子和應(yīng)變能密度不斷增大。因此，外界輸入阻尼器的頻率越高，耗能效果越好。試件B2曲線與C2靠近且在試件C3曲線的上方，表明共混型阻尼器的耗能能力在不同加載頻率下比單組分天然橡膠型阻尼器改善顯著。如圖7（b）所示，在試件破壞前，隨著應(yīng)變幅值增加，3種阻尼器試件的損耗因子不斷變小，耗能密度不斷增加。因此隨著應(yīng)變幅值的增大，黏彈性阻尼器的耗能能力增強(qiáng)，但黏性下降。并且試件C2曲線與B2靠近，表明共混型阻尼器的耗能能力在不同應(yīng)變幅值下比NR型阻尼器改善顯著。原因是在CIIR與NR共硫化體系中，前者的分子結(jié)構(gòu)具有密集的側(cè)甲基和氯原子，空間位阻效應(yīng)大，而后者的分子鏈只有少量環(huán)氧基團(tuán)，柔順性較好。后者受前者的體積排斥效應(yīng)的影響，占有的自由體積變小，使后者發(fā)生聚集效應(yīng)，形成致密化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膠料模量增大。CIIR與NR相比，炭黑的親和能力較差，往往單組分的CIIR與炭黑結(jié)合不充分，共混體系中的CIIR相存在的游離炭黑向NR相遷移，導(dǎo)致NR相的硫化交聯(lián)密度增大，阻尼性能增強(qiáng)[5-6]。

2.4 疲勞耐久性分析

為研究上述黏彈性阻尼器在長(zhǎng)期風(fēng)振下工作的可靠性，分別對(duì)試件A3、B3、C3進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)，各指標(biāo)第3圈～第9999圈疲勞加載后的各力學(xué)性能指標(biāo)衰減程度統(tǒng)計(jì)見表2?？梢园l(fā)現(xiàn)CIIR型阻尼器疲勞加載后的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)衰減率顯著高于另外兩者，并且在并入NR后得到的共混型黏彈性阻尼器的剛度指標(biāo)（如“割線剛度”）的衰減率與CIIR型阻尼器相比改善不大，但是對(duì)耗能指標(biāo)（如“損耗因子”“耗能密度”）的衰減率改善顯著，衰減率分別從14.19%、18.7%降至7.34%和10.6%，下降了近50%。可見共混型黏彈性阻尼器在長(zhǎng)期風(fēng)振作用下的疲勞耐久性比其他2種阻尼器好。

表2 疲勞加載下力學(xué)性能指標(biāo)衰減情況統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

該文運(yùn)用高分子材料共混改性的方法，將2種性能互補(bǔ)的橡膠材料進(jìn)行共混硫化，得到了共混型黏彈性材料阻尼器。比較單組分NR型、CIIR型、共混型黏彈性阻尼器的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，得出結(jié)論如下：1）共混型黏彈性阻尼器相對(duì)單組分黏彈性材料型阻尼器的剛度優(yōu)化不明顯，對(duì)損耗因子、耗能密度以及疲勞耐久性能的優(yōu)化較顯著。2） 3種黏彈性阻尼器的頻率相關(guān)性顯著，隨著頻率的增大，耗能和剛度均有所增強(qiáng)。3）3種黏彈性阻尼器的應(yīng)變幅值相關(guān)性顯著，隨著應(yīng)變幅值的增大，3種阻尼器剛度出現(xiàn)退化，耗能能力增強(qiáng)，但黏性變小。4）共混型黏彈性阻尼器基本保留了CIIR型阻尼器的剛度，同時(shí)利用了NR型阻尼器的耐疲勞性能，使其既能滿足地震控制的剛度需求，又能滿足風(fēng)振控制的耐久性需求。