橡胶支座中橡胶板基于抗压弹性模量的寿命预测

潘志权,杨永民,蔡杰龙,张君禄,李兆恒

(1. 广东粤港供水有限公司, 广东 深圳,518021；2.广东省水利重点科研基地,广东省水利水电科学研究院, 广东 广州,510635)



橡胶支座中橡胶板基于抗压弹性模量的寿命预测

潘志权1,杨永民2,蔡杰龙2,张君禄2,李兆恒2

(1. 广东粤港供水有限公司, 广东 深圳,518021；2.广东省水利重点科研基地,广东省水利水电科学研究院, 广东 广州,510635)

橡胶板是橡胶支座的重要组成部分,对橡胶支座以及建筑物整体结构的稳定起着重要的作用。对橡胶板的使用寿命做出预测,提出更换周期,有助于工程做好更换计划。以抗压弹性模量对橡胶支座中占绝大部分的橡胶板分别作80 ℃,90 ℃以及100 ℃的加快老化试验。结果表明,在不考虑其它因素下通过阿伦尼乌斯方程拟合推导出橡胶板在年平均温度为23 ℃下的使用寿命在37.60 a之间。

橡胶支座；氯丁橡胶板；拉伸强度；扯断伸长率；阿累尼乌斯方程

1 概述

橡胶支座因其良好的性能已经广泛的使用到到铁路、公路及桥梁当中,而渡槽结构中必不可少的也使用到橡胶支座。虽然橡胶支座在整个渡槽结构中是很小的部分,但是却起到上下部分的连接作用,对于整体结构的稳定起着重要的作用[1]。如果橡胶支座失效,其更换难度大、周期长、费用高,对工程的影响很大。为此,有必要对橡胶支座的使用寿命做出预测,提出较为精准的更换周期,有助于工程做好更换计划,保证工程的使用安全。

本文通过对占橡胶支座绝大部分的橡胶板进行老化失效的寿命预测,进而可以为橡胶支座的使用寿命提供依据和参考。本文研究支座使用的氯丁橡胶板在不同温度(80 ℃、90 ℃及100 ℃)下的抗压弹性模量随时间的变化,得到不同温度下橡胶板的老化失效临界点,推导出橡胶板在正常工作温度下不受其他因素干扰的使用寿命,以此推断出橡胶支座的大概使用寿命。

2 研究方法

2.1 橡胶板抗压弹性模量试验

对于橡胶的抗压弹性模量的测定,没有对应的标准及方法,因此参考JT/T 4—2004《公路桥梁板式橡胶支座》中关于橡胶支座抗压弹性模量的方法进行试验。其具体步骤如下：

1) 先测量氯丁橡胶板的尺寸。用游标卡尺测量支座的长度a、宽度b及厚度c,分别测量一组边3个位置的尺寸,取其平均数作为支座的长度、宽度及厚度,精确到0.1 mm；

2) 将氯丁橡胶板置于60 t压力试验机的承压板上,上下承压板与橡胶板接触面不能有油渍,进行几何对中与物理对中,缓慢加载至压应力为0.5 MPa且稳定后,确认无误进行预压；

3) 预压。以0.01～0.02 MPa/s的加载速度连续的加载至压应力为5 MPa,保持压应力在5 MPa左右2 min,然后以稳定连续的速度进行卸载。卸载结束5 min后进行下一次预压,总共预压3次；

4) 正式加载。将压应力以0.01～0.02 MPa/s的速度稳定加载至0.5 MPa,保持荷载2 min,记录橡胶板变形值；然后以同样速率每0.5 MPa为一级逐级加载,每级持荷2 min后采集支座的变形值,直至压应力达到5 MPa后不再加载。然后进行均匀的卸载,10 min后进行下一加载循环,加载过程应连续进行3次(由于试验条件有限,本试验有关橡胶板的变形值是通过游标卡尺测量橡胶板上下覆盖的两块钢板的高度值来表征的。在低应力作用下,认为钢板的厚度是不变的)；

5) 以第一级荷载下的橡胶板的厚度及压应力为基准,以承载板一组对角所测得的厚度变化值的平均值,作为各级荷载差值下试样的累计竖向压缩变形值Δc,按橡胶板的总厚度te求出各级荷载作用下,试样的累计压缩应变差Δεi=Δci/te(其中Δci=ci-c1),试样的累计压缩应力强度差为Δσi=σi-σ1,然后对Δεi和Δσi进行拟合求出橡胶板对应的弹性模量E值。以3次试验结果的平均值作为试样的弹性模量E值。

2.2 橡胶板使用寿命预测

参考国标GB/T《硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿累尼乌斯图推算寿命和最高使用温度》,根据阿累尼乌斯方程：

K(T)=A·e-E/RT

(1)

式中K(T)为反应速率常数,min-1；A为指数因数,min-1；E为活化能,J/mol；R为摩尔气体常数,[8.314 J/(molK)]；T为热力学温度,K。

用化学反应关系式表示为：

Fx(t)=K(T)·t

(2)

式中Fx(t)为反应关系的函数；t为反应时间,min。

在不同的反应温度Ti下。不同的反应速率Ki以不同的反应时间ti达到相同的临界值Fa：

F(a)(ti)=Ki(Ti)·ti

(3)

式(1)代入式(3)可以得到：

Fa(ti)=A·e-E/RT·ti

(4)

合并常数项为B以后用对数式可以得到式(5)：

(5)

在相应的曲线中,lnt与热力学温度的倒数1/T呈线性关系,斜率为E/R,这就是阿累尼乌斯图,通常情况下,时间的对数logt与热力学温度的倒数1/T呈现阿累尼乌斯关系曲线(如图1)。所以,一般只要得到3个不同温度下的橡胶的老化失效临界值,就可以推导出正常温度下的橡胶的使用寿命。

3 研究结果及分析

橡胶板在各个温度下的试样的压缩情况如下图2、图3和图4所示,每个试验龄期点的应力应变曲线都取自抗压弹性模量最接近平均值的该次试验。由图2～图4可见：橡胶板并不是完全的线性弹性材料,到了一定的应变之后,橡胶的变形性就很差,即使一点点应变,也需要很大的应力,其应力应变图形跟橡胶“大变形不可压缩”理论[2]极为符合。不过可以看出应力应变曲线前面6个点的线性还是很好,对不同劣化温度试验龄期下的橡胶板的应力应变关系做方程拟合,其结果见下表1、表2和表3：

图2 80 ℃下不同试验龄期橡胶板的应力应变曲线

图3 90 ℃下不同试验龄期橡胶板的应力应变曲线

图4 100 ℃下不同试验龄期橡胶板的应力应变曲线

表1 80 ℃下不同试验龄期橡胶板的应力应变方程拟合

表2 90 ℃下不同试验龄期橡胶板的应力应变方程拟合

表3 100 ℃下不同试验龄期橡胶板的应力应变方程拟合

由图2～图4以及表1～表3可以看出橡胶板在不同劣化温度不同试验龄期后的应力应变曲线(5MPa以内)很符合一元二次方程(R2基本都大于0.98),即抛物线型,符合橡胶板的“大变形不可压缩”模型。其中,橡胶板在压缩应力小于等于3.5MPa时,其应力应变曲线线性关系很好(都大于0.96),利用其线性关系作为该温度下橡胶板的弹性模量值E。可以得到不同温度不同试验龄期后橡胶板的弹性模量如表4。

表4 不同温度不同试验龄期后橡胶板的弹性模量

参考有关橡胶板拉伸强度,扯断伸长率与试验龄期的关系,对弹性模量作对数处理,得到不同试验龄期后其弹性模量的对数与试验龄期之间的关系如图5及表5所示：

图5 不同试验龄期后橡胶板弹性模量的对数与试验龄期之间的关系

表5 氯丁橡胶板在不用劣化温度下的lgE-t的对应关系

由表5以及对应图5可以看出橡胶板的弹性模量随试验龄期的变化关系很符合阿累尼乌斯方程的变化方程lgE=A+Btk。利用橡胶板的抗压弹性模量作为评价支座劣化失效的参考指标。根据橡胶板初始性能的试验,可得0.5E0=10.2/2=5.1MPa,利用方程lgE=A+Btk可以推导支座在80 ℃、90 ℃及100 ℃下其弹性模量达到一半时的时间如下表6所示：

表6 橡胶板在不用劣化温度下弹性模量达到一半的时间

利用80 ℃、90 ℃及100 ℃下得到的数据,根据阿累尼乌斯方程推导出不同劣化温度下氯丁橡胶板弹性模量达到一半时对应的试验龄期计算公式。其对应的计算公式如图6中所示。

图6 不同温度下氯丁橡胶板弹性模量达到一半时的计算公式

根据80 ℃、90 ℃及100 ℃下橡胶板弹性模量变化的数据可以得到橡胶板在不同温度下弹性模量达到一半时的计算公式为lgt0.5E0=4 246.87T-1-10.21,其中T为热力学温度。可以推导出在不同温度下橡胶板弹性模量剩下一半时所需要的时间如表7。

表7 不同温度下橡胶板弹性模量剩下一半时所需的时间

假如用橡胶板的弹性模量减半作为评价其劣化性能的指标,那么在年平均温度23 ℃下,该氯丁橡胶板的使用寿命大概是37.60 a。

4 结论

1) 氯丁橡胶板在80 ℃,90 ℃及100 ℃下不同老化时间后橡胶板的应力应变曲线表明,橡胶板并不是完全的线性弹性材料,一定的应变之后,橡胶的变形性就很差,即使一点点应变,也需要很大的应力,其应力应变符合橡胶“大变形不可压缩”理论；

2) 氯丁橡胶板在低应力(≤3.5 MPa)作用下,其应力应变曲线线性关系很好,其相关系数都大于0.96,在预测其使用寿命时,以橡胶板在低应力时的应力应变线性关系作为橡胶板的弹性模量；

3) 氯丁橡胶板在不同老化温度不同老化时间下的弹性模量变化符合阿累尼乌斯方程,以氯丁橡胶板弹性模量值减半为评价指标,可以推算橡胶板在23 ℃下的使用寿命为37.60 a。

[1] 余超,文庆珍,朱金华,等. 特种氯丁橡胶热氧老化研究[J]. 弹性体, 2009(6):30-34．

[2] 伍开松,徐大萍,严永发,等. 橡胶大变形不可压缩方法试验数据处理[J]. 橡胶工业， 2013, 60(7): 400-403．

(本文责任编辑 王瑞兰)

Service Life Prediction for Bubber Tile of Rubber Bearing Based on Compressive Elastic Modulus

Pan Zhiquan1, Yang Yongmin2, Cai Jielong2, Zhang Junlu2,Li Zhaoheng2

(1. Guangdong Yuegang Water Supply CO., LTD.; 2.Guangdong Provincial Key Scientific Research Base, Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510635, China)

Rubber tile is one of the most important parts in rubber bearing, which plays a key role on stabilizing the rubber bearing and hydraulic architecture. It is conductive to replace in bulk on schedule in the engineering by the service life prediction and replacement cycle for rubber tile. In this article, aging experiment on rubber tile is respectively carried out in 70℃、90℃、100℃ tested by compressive elastic modulus. It concludes that the average service life of rubber tile is 37.60 years in 23℃ by fitting the Arrhenius empiric equation without consideration for the other influencing factors.

rubber bearing, chloroprene rubber, tensile strength, elongation at break, Arrhenius empiric equation

2016-02-16;

2016-03-04

潘志权(1973),男,硕士,高级工程师,从事水工建筑运行与管理工作。

U443.36+1

A

1008-0112(2016)02-0032-04