洪迪甫， 馬玉宏， 趙桂峰

(1. 廣州大學(xué) 工程抗震研究中心，廣州 510405； 2. 廣東省地震工程與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 工程抗震減震與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510405；3. 廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州 510006)

隨著隔震技術(shù)的發(fā)展與推廣，目前我國已有各類減隔震建筑10 000余幢，其中有相當(dāng)多的建筑位于中國北方(華北、西北、東北)地區(qū)。隔震建筑中的關(guān)鍵構(gòu)件橡膠隔震支座由多層均勻分布的橡膠與鋼板組成，其性能的好壞直接影響著隔震作用的發(fā)揮和結(jié)構(gòu)的安全可靠度。而橡膠隔震支座中的橡膠材料性能將直接影響著支座的性能。據(jù)資料顯示[1]，橡膠材料在很高的溫度下會出現(xiàn)降解的現(xiàn)象，降低其力學(xué)性能，中等高溫下會引發(fā)分子交聯(lián)鍵的互換以及新交聯(lián)鍵的形成，同時(shí)伴有橡膠的結(jié)構(gòu)破壞和網(wǎng)絡(luò)軟化?？諝庵醒鯕獾拇嬖冢矊ο鹉z耐高溫性能產(chǎn)生重要影響。此外，天然橡膠在低溫條件下會發(fā)生大量的結(jié)晶現(xiàn)象，雖然橡膠在結(jié)晶后的強(qiáng)度依然很高，但是硬度增大，大變形能力顯著變差，進(jìn)而相應(yīng)的隔震支座的抗壓彈性模量與剪切模量增大、水平剛度增大，極端情況下橡膠材料可能會失去彈性，支座可能失去隔震效果。

在隔震建筑服役期限內(nèi)，起到隔震作用的橡膠隔震支座布置在建筑的基礎(chǔ)隔震層或者層間隔震層，而我國北方地區(qū)四季分明，冬季時(shí)段氣溫極低且持續(xù)時(shí)間長，橡膠隔震支座會受到凍融循環(huán)作用的影響；而夏季時(shí)段氣溫較高，又可能受到老化作用的影響，即每年將經(jīng)受凍融循環(huán)和熱老化的交替作用的影響，對于橡膠隔震支座這種對溫度極為敏感的構(gòu)件來說，這種交替作用極有可能影響到支座隔震效果的正常發(fā)揮。

目前國內(nèi)外學(xué)者對橡膠材料的性能開展的研究主要包括幾個(gè)方面：①低溫性能研究——不同品系的天然橡膠低溫誘導(dǎo)結(jié)晶性能、結(jié)晶速率等研究[2-6]，低溫以及多次周期性降溫對幾種硫化橡膠性能的影響；②熱氧老化性能的研究——高溫下電梯艙的橡膠組件性能[7]、橋梁支座中所使用的天然橡膠與高阻尼橡膠材料的老化特性[8]、釤配合物對天然橡膠硫化膠熱氧老化過程的影響[9]、丁腈橡膠的老化性能[10-11]等；③臭氧性能研究——臭氧、低溫—臭氧、酸霧等工況下天然橡膠的性能[12]；④凍融循環(huán)作用下的性能研究——主要對天然橡膠和氯丁橡膠兩種材料在凍融循環(huán)條件后的性能變化開展研究[13]；⑤老化與海蝕條件下的性能研究——丁苯橡膠在熱空氣和海水環(huán)境下性能隨時(shí)間的變化規(guī)律等[14]、天然橡膠及高阻尼橡膠干濕循環(huán)試驗(yàn)、老化+海蝕試驗(yàn)等研究[15-17]。

由前人的研究成果可以看到，橡膠材料會在低溫環(huán)境下發(fā)生結(jié)晶，尤其在-25 ℃左右時(shí)結(jié)晶的速率最快，從而導(dǎo)致材料變硬而逐漸失去使用價(jià)值。而對于橡膠材料的老化性能，眾多的學(xué)者均采用了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境加速老化的方式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)橡膠材料的力學(xué)性能會隨著試驗(yàn)時(shí)間和溫度的增加，有著不同的變化規(guī)律。以上研究絕大多數(shù)都是針對橡膠材料在某一確定的溫度下的力學(xué)性能或考慮單一環(huán)境因素，但是，單因素影響分析無法反映支座橡膠材料在服役期內(nèi)所經(jīng)歷的真實(shí)環(huán)境作用。雖然于浩開展了橡膠材料的凍融循環(huán)試驗(yàn)，但是并沒有針對實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用環(huán)境溫度設(shè)計(jì)試驗(yàn)開展橡膠材料凍融循環(huán)與熱老化交替作用的研究，對凍融循環(huán)和熱老化交替作用后橡膠材料的性能變化規(guī)律的認(rèn)識還很不夠。因此，本文基于實(shí)際北方環(huán)境，設(shè)計(jì)了凍融循環(huán)和熱老化交替作用試驗(yàn)方案，開展北方內(nèi)陸環(huán)境下建筑隔震橡膠材料性能研究，為研究北方環(huán)境下建筑橡膠隔震支座性能劣化規(guī)律提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用的天然橡膠材料為湖南省株洲時(shí)代新材料股份有限公司生產(chǎn)，剪切模量為0.392 MPa。在綜合考慮了橡膠片生產(chǎn)模具的規(guī)格和試驗(yàn)設(shè)備的容積限制以及拉伸試件的尺寸等因素后，采用了標(biāo)準(zhǔn)橡膠片，其規(guī)格為150 mm×116 mm×2 mm，用于研究凍融循環(huán)與熱老化及交替作用下橡膠的力學(xué)性能變化規(guī)律；而橡膠塊使用的橡膠片規(guī)格為245 mm×190 mm×2 mm，用于研究橡膠材料性能隨劣化深度的變化規(guī)律。試驗(yàn)使用的橡膠材料與一批質(zhì)量合格的天然橡膠隔震支座(型號為G4)為同一批生產(chǎn)，橡膠片材料的力學(xué)性能將直接影響到隔震支座的力學(xué)性能。橡膠片和橡膠塊如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)材料Fig.1 Test materials

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究橡膠支座完全暴露于大氣中的極端情況，以處于建筑首層或者層間的天然橡膠隔震支座的橡膠材料為研究對象，以北方地區(qū)(除青海)氣候環(huán)境作為橡膠材料所處的實(shí)際環(huán)境開展凍融循環(huán)與熱老化交替作用下的耐久性研究，從而模擬橡膠材料在使用壽命期內(nèi)每年遭受凍融循環(huán)作用和熱老化作用的交替影響。在綜合考慮試驗(yàn)的時(shí)間、成本和可操作性，選用實(shí)驗(yàn)室模擬自然環(huán)境加速劣化的方法，對橡膠材料進(jìn)行凍融循環(huán)和熱老化交替試驗(yàn)。

定義凍融循環(huán)工況試驗(yàn)環(huán)境的加速比為試驗(yàn)環(huán)境溫度差與實(shí)際環(huán)境溫度差的比值[18]。熱老化工況試驗(yàn)的加速比可依據(jù)Arrhenius公式[19]進(jìn)行計(jì)算

(1)

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

參考國內(nèi)外相關(guān)研究，結(jié)合建筑橡膠隔震支座所處的實(shí)際環(huán)境，采用中國氣象中心整編中國北方104個(gè)測站1981年—2010年近30年的累年月平均最低氣溫、累年月平均最高氣溫和累年月平均氣溫氣象資料，得到了北方地區(qū)支座所處環(huán)境溫度。結(jié)合橡膠材料的特性，確定了試驗(yàn)的加速比，對橡膠材料進(jìn)行了相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境下使用24年的實(shí)驗(yàn)室凍融循環(huán)與熱老化及其交替作用試驗(yàn)，考慮到GB/T 20688.1—2007中指出了橡膠熱老化性能試驗(yàn)的加速老化試驗(yàn)溫度可為 80 ℃以下，本試驗(yàn)選取實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為80 ℃?？紤]到天然橡膠的結(jié)晶速率和結(jié)晶程度以及橡膠隔震支座的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度等因素，選取冷凍最低氣溫為-25 ℃，融化的最高氣溫為23 ℃。參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082—2009中的混凝土慢凍法，并考慮在實(shí)際環(huán)境中全天的氣溫起伏變化，結(jié)合試驗(yàn)箱升溫和降溫的速率，設(shè)定冷凍過程與融化過程的總時(shí)間均為4 h。具體試驗(yàn)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 橡膠材料凍融循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)表Tab.1 Test parameters of freeze-thaw cycle test for rubber materials

表2 橡膠材料熱老化試驗(yàn)參數(shù)表Tab.2 Test parameters of thermal aging test for rubber materials

在凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，將72片橡膠片和1個(gè)橡膠塊(其中36片橡膠片用于后續(xù)的凍融循環(huán)-熱老化交替作用試驗(yàn))放入凍融試驗(yàn)箱進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。從試驗(yàn)開始每間隔16天取出6片橡膠片，在完成192天凍融循環(huán)試驗(yàn)后取出橡膠塊。在進(jìn)行熱老化試驗(yàn)時(shí)，將36片橡膠片和1個(gè)橡膠塊放入老化箱進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，每間隔14個(gè)小時(shí)取出3片，在完成168小時(shí)熱老化試驗(yàn)后取出橡膠塊。在凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，對凍融循環(huán)試驗(yàn)不同時(shí)間點(diǎn)取出的橡膠片放入老化箱中(共計(jì)36片)，每間隔14個(gè)小時(shí)取出3片，以此完成凍融循環(huán)-熱老化交替作用試驗(yàn)。為研究凍融循環(huán)與熱老化交替作用下材料性能隨橡膠塊深度的變化，對橡膠塊進(jìn)行了凍融循環(huán)-熱老化交替作用試驗(yàn)，具體是將其放入凍融循環(huán)試驗(yàn)箱中，并在試驗(yàn)期間的第32天、第112天、第128天、第160天、第192天取出后放入老化箱分別進(jìn)行28小時(shí)、70小時(shí)、14小時(shí)、28小時(shí)、28小時(shí)(累計(jì)168小時(shí))的熱老化試驗(yàn)放回凍融循環(huán)試驗(yàn)箱(除最后一次)中，在試驗(yàn)結(jié)束后取出。試驗(yàn)后將橡膠塊拆開，沿著橡膠塊的厚度方向依次獲得不同劣化深度的橡膠片，切成標(biāo)準(zhǔn)試件對其硬度、定伸應(yīng)力等力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

橡膠片材料的性能測試在成都市新筑路橋機(jī)械股份有限公司材料實(shí)驗(yàn)室完成。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 531.1—2008進(jìn)行橡膠片的硬度測試，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 528—2009中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行橡膠材料的單軸拉伸性能試驗(yàn)。測試的設(shè)備如圖2和圖3所示。

圖2 硬度計(jì)Fig.2 Shore a durometer

圖3 拉伸試驗(yàn)機(jī)Fig.3 Tensile testing machine

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對凍融循環(huán)試驗(yàn)、熱老化試驗(yàn)、凍融循環(huán)-熱老化交替試驗(yàn)后的橡膠片裁成啞鈴狀試件，然后對試件進(jìn)行硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度以及拉斷伸長率測試。

2.1 硬 度

橡膠材料的硬度是表征橡膠變形、承載能力、彈性模量等的重要依據(jù)[20-21]。高溫和低溫作用均能對其硬度產(chǎn)生不同程度的影響，進(jìn)而直接影響隔震支座的性能[22]。定義橡膠材料的硬度比為某時(shí)刻的材料硬度Hr(t)與初始時(shí)刻硬度Hr(0)的比值，其隨實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同工況作用下橡膠材料硬度比時(shí)變規(guī)律Fig.4 Time-varying regularity of hardness ratio of rubber materials under different conditions

從圖4中看到，凍融循環(huán)試驗(yàn)后的橡膠片材料硬度呈現(xiàn)出先增大后趨于平穩(wěn)的走勢，但是整個(gè)過程中，硬度的變化幅度都很小。熱老化試驗(yàn)后的橡膠片，橡膠片的硬度在試驗(yàn)84小時(shí)(相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境使用了12年)前增加幅度較快，而后趨于平穩(wěn)，經(jīng)過168個(gè)小時(shí)(相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境使用了24年)的老化，硬度增加了8.1%。凍融循環(huán)-熱老化交替作用后的橡膠片，硬度增加幅度較明顯，與初始值相比，經(jīng)過192天凍融循環(huán)-168小時(shí)的熱老化作用(相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境使用了24年)后橡膠片硬度增加了10.8%。以上結(jié)果說明熱老化作用是引起橡膠材料硬度增加的主要原因，凍融循環(huán)一定程度上促進(jìn)了劣化的發(fā)展。在馬玉宏等的研究中，橡膠材料熱老化試驗(yàn)研究也說明了熱老化作用對橡膠硬度影響較大。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)加速比換算，擬合得到了天然橡膠材料的硬度比分別在凍融循環(huán)作用、熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下隨實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間的變化規(guī)律，如式(2)～式(4)所示

(2)

(3)

(4)

式中：Hr1(t)，Hr2(t)，Hr3(t)分別為天然橡膠材料在凍融循環(huán)、熱老化、凍融循環(huán)-熱老化交替作用的實(shí)際環(huán)境下使用t年后的的硬度；t為實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間(年)，當(dāng)t=0時(shí)為相應(yīng)實(shí)際環(huán)境下天然橡膠材料的硬度的初始值。

不同工況作用下，硬度隨橡膠塊深度方向的變化規(guī)律，如圖5所示。從圖5中可以清楚地看到，橡膠塊在經(jīng)歷了192天凍融循環(huán)作用后，橡膠塊體從外到內(nèi)的材料硬度變化并不大，基本和初始值保持一致。而對于經(jīng)歷了168小時(shí)的熱老化作用和經(jīng)歷了192天凍融循環(huán)+168小時(shí)熱老化交替作用后的橡膠塊來說，在距離表面20 mm的范圍內(nèi)，硬度增加的幅度最大，之后趨于平穩(wěn)，說明熱老化作用對橡膠塊深度方向上表層的影響最大，對內(nèi)部的影響較小。

圖5 不同工況作用下橡膠硬度隨深度的變化Fig.5 Effect of the hardness of rubber materials in depth direction under different conditions

2.2 定伸應(yīng)力

定伸應(yīng)力是指將橡膠材料啞鈴狀試樣拉伸到給定伸長率所需要的應(yīng)力，是衡量橡膠材料力學(xué)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。定義橡膠材料的定伸應(yīng)力比為某時(shí)刻的材料定伸應(yīng)力Se(t)與初始時(shí)刻定伸應(yīng)力Se(0)的比值，其隨實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間的變化規(guī)律如圖6～圖9所示。

圖6 不同工況作用下橡膠材料50%定伸應(yīng)力比時(shí)變規(guī)律Fig.6 Time-varying regularity of stress at 50% strain ratio of rubber materials under different conditions

圖7 不同工況作用下橡膠材料100%定伸應(yīng)力比時(shí)變規(guī)律Fig.7 Time-varying regularity of stress at 100% strain ratio of rubber materials under different conditions

圖8 不同工況作用下橡膠材料200%定伸應(yīng)力比時(shí)變規(guī)律Fig.8 Time-varying regularity of stress at 200% strain ratio of rubber materials under different conditions

圖9 不同工況作用下橡膠材料300%定伸應(yīng)力比時(shí)變規(guī)律Fig.9 Time-varying regularity of stress at 300% strain ratio of rubber materials under different conditions

從圖6～圖9中試驗(yàn)的結(jié)果來看，凍融循環(huán)作用下的橡膠材料50%，100%定伸應(yīng)力呈現(xiàn)出減小的趨勢，200%，300%定伸應(yīng)力呈現(xiàn)出增大的趨勢，變化的幅度均不大。熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下，橡膠材料的50%，100%，200%，300%定伸應(yīng)力均隨使用時(shí)間而顯著增大。凍融循環(huán)-熱老化交替作用下的定伸應(yīng)力值均大于熱老化作用或凍融循環(huán)作用，但并不是二者的簡單疊加，說明凍融循環(huán)作用加速了劣化的發(fā)展。比較不同的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)熱老化作用對橡膠材料定伸應(yīng)力的影響最大，有可能造成橡膠支座的剛度增大。而凍融循環(huán)對橡膠材料的影響較小。在馬玉宏等的研究中，橡膠材料定伸應(yīng)力隨著熱老化時(shí)間的增加而增大的現(xiàn)象與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)加速比換算，擬合得到了凍融循環(huán)作用下天然橡膠材料50%，100%，200%，300%定伸應(yīng)力比隨實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間的關(guān)系，分別如式(5)～式(8)所示，熱老化作用下天然橡膠材料50%，100%，200%，300%定伸應(yīng)力比隨實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間的關(guān)系，分別如式(9)～式(12)所示，凍融循環(huán)-熱老化交替作用下50%，100%，200%，300%定伸應(yīng)力比隨實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間的關(guān)系，分別如式(13)～式(16)所示。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式中：Se1i%(t)為凍融循環(huán)作用的實(shí)際環(huán)境下使用t年后的i%定伸應(yīng)力值；Se2i%(t)為熱老化作用的實(shí)際環(huán)境下使用t年后的i%定伸應(yīng)力值；Se3i%(t)為凍融循環(huán)-熱老化交替作用的實(shí)際環(huán)境下使用t年后的i%定伸應(yīng)力值(i=50，i=100，i=200，i=300)；t為實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間，當(dāng)t=0時(shí)為相應(yīng)實(shí)際環(huán)境下天然橡膠材料的相應(yīng)應(yīng)變的定伸應(yīng)力的初始值。

不同工況作用下，100%，200%，300%定伸應(yīng)力沿橡膠塊在深度方向的變化規(guī)律，如圖10所示。從圖10可知，在距離表面相同位置處，總體上熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用的定伸應(yīng)力值遠(yuǎn)大于凍融循環(huán)作用，且均大于初始值。凍融循環(huán)作用下橡膠材料100%，200%，300%定伸應(yīng)力在距離表面40 mm內(nèi)變化較大，都大于初始值，而對于內(nèi)部核心區(qū)的橡膠材料來說，影響較小。對于經(jīng)歷了168個(gè)小時(shí)的熱老化作用的橡膠塊以及經(jīng)歷192天凍融循環(huán)-168小時(shí)熱老化交替作用后的橡膠塊，在距離塊體表面20 mm 范圍內(nèi)的橡膠材料100%，200%，300%定伸應(yīng)力變化最大。

圖10 不同工況作用下定伸應(yīng)力沿橡膠塊深度方向的變化Fig.10 Effect of the stress at definite strain ratio of rubber materials in depth direction under different conditions

2.3 拉伸強(qiáng)度

拉伸強(qiáng)度TS是指將試樣拉伸至斷裂過程中的最大拉伸應(yīng)力，是能夠作為評價(jià)橡膠材料使用壽命的指標(biāo)之一。定義橡膠材料的拉伸強(qiáng)度比為某時(shí)刻的材料拉伸強(qiáng)度TS(t)與初始時(shí)刻拉伸強(qiáng)度TS(0)的比值，其隨實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間的變化規(guī)律如圖11所示。

圖11 不同工況作用下橡膠材料拉伸強(qiáng)度比時(shí)變規(guī)律Fig.11 Time-varying regularity of tensile strength ratio of rubber materials under different conditions

從圖11中可以看到，橡膠材料的拉伸強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)作用的時(shí)間增加而減小，減小的幅度均在5%以內(nèi)；而隨著熱老化作用的時(shí)間的增加，拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出上升的趨勢，在其增幅達(dá)到了14.3%后，隨著老化時(shí)間的延長，拉伸強(qiáng)度開始下降；對于凍融循環(huán)-熱老化交替作用下的橡膠片材料，橡膠的拉伸強(qiáng)度在也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且略低于熱老化作用后的橡膠片。雖然在橡膠材料在受到熱老化作用會由于材料交聯(lián)密度增加而出現(xiàn)拉伸強(qiáng)度增大的現(xiàn)象，但長時(shí)間的熱老化作用會引起分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂而引起拉伸強(qiáng)度的降低。從圖中整體的趨勢來看，熱老化作用將導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度退化。因此，熱老化作用和凍融循環(huán)作用均會削弱天然橡膠的拉伸強(qiáng)度，這與于浩、馬玉宏等的研究結(jié)果相一致，且二者的交替作用對材料的影響并不是二者的簡單疊加。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)加速比換算，擬合得到了凍融循環(huán)作用下、熱老化作用下、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下拉伸強(qiáng)度比隨實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間的關(guān)系，分別如式(17)～式(19)所示。

(17)

(18)

(19)

式中：TS1(t)，TS2(t)，TS3(t)分別為天然橡膠材料在凍融循環(huán)、熱老化、凍融循環(huán)-熱老化交替作用的實(shí)際環(huán)境下使用t年后的的拉伸強(qiáng)度；t為實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間，當(dāng)t=0時(shí)為相應(yīng)實(shí)際環(huán)境下天然橡膠材料拉伸強(qiáng)度的初始值。

不同工況作用下，橡膠拉伸強(qiáng)度隨深度方向的變化規(guī)律，如圖12所示。從圖12可知，經(jīng)歷168個(gè)小時(shí)的熱老化作用以及經(jīng)歷192天凍融循環(huán)-168小時(shí)熱老化交替作用后，在距離表面相同位置處，總體上老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用的拉伸強(qiáng)度值大于凍融循環(huán)作用。凍融循環(huán)作用下，橡膠片材料的拉伸強(qiáng)度在表層略低于初始值，且隨距離表面的距離增大呈現(xiàn)出略有增大的效應(yīng)。經(jīng)歷熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下，橡膠材料的拉伸強(qiáng)度隨著深度的增加變化趨勢不明顯，但總體數(shù)值均高于初始值，且凍融循環(huán)-熱老化交替作用下表層的橡膠材料拉伸強(qiáng)度略大。在距離表面20 mm的區(qū)域內(nèi)，其拉伸強(qiáng)度略有變化，而距離表面20 mm至內(nèi)部核心區(qū)的橡膠材料的拉伸強(qiáng)度受到的影響會減弱，說明凍融循環(huán)作用、熱老化作用對橡膠塊的表層橡膠材料的性能影響較大。

圖12 不同工況作用下橡膠拉伸強(qiáng)度隨深度方向的變化Fig.12 Effect of the tensile strength of rubber materials in depth direction under different conditions

2.4 拉斷伸長率

橡膠的拉斷伸長率指橡膠的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣拉伸至斷裂時(shí)的百分比伸長率。定義橡膠材料的拉斷伸長率比為某時(shí)刻的材料拉斷伸長率Eb(t)與初始時(shí)刻拉斷伸長率Eb(0)的比值，其隨實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間的變化規(guī)律如圖13所示。

圖13 不同工況作用下橡膠材料拉斷伸長率比時(shí)變規(guī)律

從圖13可以看到，橡膠材料的拉斷伸長率隨著凍融循環(huán)的作用時(shí)間的增加略有增大，增幅僅為3.6%，但隨后表現(xiàn)出降低的趨勢。隨著熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化作用時(shí)間的增加，拉斷伸長率也表現(xiàn)出和拉伸強(qiáng)度相似的情況，但整體上看均表現(xiàn)出下降的趨勢，且凍融循環(huán)-熱老化交替作用的下降趨勢更為明顯，說明凍融循環(huán)與熱老化交替作用加劇了劣化的發(fā)生，但并不是二者的簡單疊加。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)加速比，擬合得到了凍融循環(huán)作用下、熱老化作用下、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下拉斷伸長率比隨實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間的關(guān)系，分別如式(20)～式(22)所示。

(20)

(21)

(22)

式中：Eb1(t)，Eb2(t)，Eb3(t)為天然橡膠材料在凍融循環(huán)、熱老化、凍融循環(huán)-熱老化交替作用的實(shí)際環(huán)境下使用t年后的的拉斷伸長率；t為實(shí)際環(huán)境使用時(shí)間，當(dāng)t=0時(shí)為相應(yīng)實(shí)際環(huán)境下天然橡膠材料的拉斷伸長率的初始值。

不同工況作用下，橡膠拉斷伸長率隨深度的變化規(guī)律，如圖14所示。從圖14可知，在距離表面相同位置處，總體上凍融循環(huán)-熱老化交替作用的拉斷伸長率值大于凍融循環(huán)作用和熱老化作用相應(yīng)值，可能的原因是其經(jīng)歷了較標(biāo)準(zhǔn)橡膠片更多次數(shù)的交替作用后而因周期性的低溫削弱了橡膠彈性體基質(zhì)與填充劑界面的作用，導(dǎo)致其變形增大，從而引起拉斷伸長率的增大。在凍融循環(huán)作用下，橡膠塊在距離表面20 mm區(qū)域內(nèi)，橡膠材料的拉斷伸長率影響較大，而對于距離表面20 mm至橡膠塊核心區(qū)域的橡膠材料拉斷伸長率隨著深度的增加逐步減小直至趨近于初始值，說明凍融循環(huán)作用對拉斷伸長率的影響主要發(fā)生在橡膠塊外側(cè)0～20 mm的區(qū)域內(nèi)，內(nèi)側(cè)橡膠材料受到其影響較小。在熱老化作用下、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下，橡膠塊在距離表面的20 mm區(qū)域內(nèi)的橡膠材料的拉斷伸長率影響較大。而對于距離表面20 mm至橡膠塊核心區(qū)域的橡膠材料力學(xué)性能的影響，隨著深度的增加逐漸趨于平穩(wěn)。

圖14 不同工況作用下橡膠拉斷伸長率隨深度的變化Fig.14 Effect of the elongation at break of rubber materials in depth direction under different conditions

3 結(jié) 論

通過對天然橡膠材料進(jìn)行了凍融循環(huán)與熱老化及其交替試驗(yàn)研究和分析，可以獲得下列結(jié)論：

(1) 經(jīng)過凍融循環(huán)試驗(yàn)后的橡膠片材料硬度變化幅度很小。熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下橡膠材料硬度增幅明顯。熱老化作用是影響橡膠材料硬度的主要因素。

(2) 在凍融循環(huán)作用時(shí)間的變化下：50%，100%定伸應(yīng)力呈現(xiàn)出減小的趨勢； 200%，300%定伸應(yīng)力呈現(xiàn)出增大的趨勢，變化的幅度均不大。而熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下，橡膠材料的50%，100%，200%，300%定伸應(yīng)力逐漸增大。熱老化作用是影響橡膠材料定伸應(yīng)力的主要因素。

(3) 凍融循環(huán)作用和熱老化作用，天然橡膠材料的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率隨時(shí)間呈現(xiàn)下降的趨勢，在二者的交替作用下，其影響并不是簡單的疊加。

(4) 凍融循環(huán)作用下，橡膠塊在深度方向上硬度影響不大，定伸應(yīng)力在最外層40 mm區(qū)域內(nèi)變化較大。熱老化作用、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下橡膠塊深度方向的硬度、定伸應(yīng)力影響較大，且最外層20 mm受到的影響最大。凍融循環(huán)作用下、熱老化作用下、凍融循環(huán)-熱老化交替作用下，橡膠塊在深度方向的橡膠片材料的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率的影響以表層20 mm最為明顯。