改性橡胶与天然橡胶支座低温力学性能对比试验研究

□文/马 强

支座作为桥梁不可或缺的组件，主要功能是传递桥梁上部结构自重及车辆荷载，同时满足桥梁上部结构在温度变化过程中的协调变形和转动。目前，常温状态下橡胶支座的各指标试验研究已相对全面、完善，但严寒、冻融条件下支座对温度敏感性、耐候性研究尚未深入进行。

1 橡胶支座低温性能研究必要性

近些年，国内对桥梁橡胶支座的理论创新研究主要体现在常温条件下材料本身性能、新材料研发及减震防滑措施上；对严寒、冻融条件下，橡胶支座的适用性、耐久性随温度变化呈现的规律及其低温的敏感性、稳定性尚缺乏研究和理论数据支撑，相关规范中对温度适应性方面也未作明文规定。

我国东北严寒地区如漠河等地，最低气温甚至达到-52.3 ℃[1]，对桥梁支座的科学选型和结构安全可靠性设计提出严峻考验。因此，研究橡胶支座在严寒地区的使用性能，可为我国东北、西北严寒地区的支座合理选型和科学设计提供参考。

2 试验设计

2.1 试验内容

针对改性、天然橡胶两种材料支座进行低温力学性能试验，主要对比分析体现支座适用性、耐久性的抗压弹性模量、抗剪弹性模量、容许剪切角及极限抗压强度4个试验指标。

2.2 试验方案

2.2.1 橡胶支座试件的选取

选取改性橡胶、天然橡胶两种材料的圆形板式支座，见表1。

表1 支座参数

2.2.2 拟定试验温度

鉴于我国东北、西北等严寒地区的最低气温可达到-52.3℃，综合目前国内成熟研究成果，减少试验不必要成本消耗，注重实效，本次拟定试验温度为-45、-50、-55 ℃3个等级。

2.2.3 低温控制方法

通过对几种制冷方案的比选及现有设备调研，低温制冷控制设备选用D6-10低温箱，该设备技术成熟、控制温度精度高且容易计算拟定试验温度，准确控制时间。试件制冷后迅速进加载试验，保证温度最少损失。

2.2.4 试验依据

试验准备、试验过程严格按照JT/T 4—2004《公路桥梁板式橡胶支座》、JT 3132.3—90《公路桥梁板式橡胶支座成品力学性能检验规则》的步骤要求进行。

3 试验结果分析

3.1 抗压弹性模量

根据JT/T 4—2004规定，抗压弹性模量试验时，每个试件均进行三次重复加载，三次加载结果的平均值作为最终试验值且偏差应不大于标准值的±20%。见表2-表3和图1。

表2 天然橡胶支座抗压弹性模量试验值

表3 改性橡胶支座抗压弹性模量试验值

图1 抗压弹性模量与温度变化规律

试验结果表明：

1）两种材料支座在试验温度下抗压弹性模量值偏差均小于标准值的20%，满足规范规定；

2）温度在-50℃时，两种材料支座的抗压弹性模量接近且曲线出现转点；温度在-45～-50 ℃时，天然橡胶支座抗压弹性模量逐渐提高，而改性橡胶支座平稳；温度在-50～-55 ℃时，天然橡胶支座抗压弹性模量逐渐下降，而改性橡胶支座反而提高，体现适应性更好。

3.2 抗剪弹性模量

根据JT/T 4—2004规定，抗剪弹性模量试验时，每个试件均进行三次加载，三次加载结果的平均值作为最终试验值且偏差应不大于标准值的±15%。见表4-表5和图2。

表4 天然橡胶支座抗剪弹性模量实测值

表5 改性橡胶支座抗剪弹性模量实测值

图2 抗剪弹性模量与温度关系

试验结果表明：

1）两种材料支座在试验温度时抗剪弹性模量值偏差小于标准值的15%，满足规范规定；

2）随着温度的降低，两种材料支座的抗剪弹性模量均增大，对应纵向协调变形能力减退；但改性橡胶的变化速率相对较小，说明温度变化对其影响较小、对低温适应性更强。

3.3 容许剪切变形

依据JT 3132.3—90 对两种橡胶材料支座容许剪切角度进行试验研究[3]。试验结果见表6，容许剪切角与温度关系见图3。

表6 支座容许剪切角正切值

结果表明：

1）两种材料支座剪切角随着试验温度降低而下降，剪切伸缩变形能力减弱；但两种橡胶支座的剪切角最大值均在设计规范容许值范围内；

2）温度在-45～-50 ℃时，天然橡胶支座剪切变形能力变化速率相对较小，与抗剪指标试验得出一致结论；温度在-50～-55 ℃时，天然橡胶支座试验值平稳不变，而改性橡胶支座有所降低且温度达到-55 ℃时，两者基本重合。

3.4 极限强度

依据规范相关规定进行极限抗压破坏试验。加载过程中，除破坏时内部钢板变形天然橡胶支座较改性橡胶支座要严重，出现钢、胶剥离外；两种支座的破坏形态、机理基本一致。见图4和表7。

图4 支座破坏形态

表7 支座极限抗压破损强度

试验结果表明：在低温条件下，两种材料支座的极限抗压强度均满足规范要求；改性橡胶支座的极限抗压强度明显较高，平均值较天然橡胶高26.8%。

4 结论

1）在试验温度条件下，两种材料支座的4 个试验指标均满足规范要求。

2）在试验温度条件下，除容许剪切能力在-50～-55 ℃范围内天然橡胶支座对温度变化适应性较好外，其余各项指标试验结果显示，在同等条件下改性橡胶支座均优于天然橡胶，体现出更好的低温适应性和耐寒性，可作为设计优先考虑。