Compression tests of ptfe slide rubber bearings under salt freezing cycle condition

Architectural Engineering August 2013, Volume 1, Issue 2, PP.27-33

Compression Tests of PTFE Slide Rubber Bearings under Salt Freezing Cycle Condition Yannian Zhang 1†, Jun Zhang 1, Yi Zheng 2, Yuehua Si 1, Shengjie Liu 1, Jianfei Ma 1 1. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China 2. Supervision and Inspection Institute of Building Material in Liaoning Province, Shenyang 110032, China †Email:

zyntiger@163.com

Abstract Effects of PTFE slide rubber bearings support vulnerable to external climate impact, for the study of PTFE slide rubber bearings capacity changes after salt freezing, using standard freeze-thaw box and the mass fraction of 3.5% NaCl solution of PTFE slide rubber bearings are respectively 20, 40, 60, 80 and 100 days of salt freezing treatment, and axial compressive performance study.

Through the comparative analysis of influence of salt freezing treatment on bearing capacity, ultimate strength, stiffness, elastic modulus and other properties. In the process of loading, PTFE slide rubber bearings in the side of invagination, the other side up, four corners with warping, four side has a convex, But salt freezing treatment of the specimens than standard specimens are more susceptible to brittle failure, and plate exposure, cracks and other damage phenomenon more serious. Shear strength, shear strength, horizontal stiffness, and shear modulus of elasticity with the salt freezing time decrease with the increase of PTFE slide rubber bearings support. Attenuation curve by the least square method those 50 years of compressive strength and attenuation formula, the trend is basically accord with power function law.

Keywords: PTFE Slide Rubber Bearings; Salt Freezing Cycle; Axial Compression Test; Bearing Capacity; Compressive Strength; Compressive Modulus of Elasticity; Vertical Stiffness

盐冻条件下四氟滑板橡胶支座轴压力学性能研究* 张延年 1，张军 1，郑怡 2，司月华 1，刘圣杰 1，马建飞 1 1. 沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁 沈阳 110168 2. 辽宁省建筑材料监督检验院，辽宁 沈阳 110032 摘

要：四氟滑板橡胶支座易受外界气候影响的影响，为研究四氟滑板橡胶支座经过盐冻处理后的承载力变化情况，采

用标准冻融箱和质量分数为 3.5%的 NaCl 溶液对四氟滑板橡胶支座分别进行 20、40、60、80 和 100 天盐冻处理，并进行 轴压力学性能研究。通过对比分析盐冻处理对承载力、极限抗压强度、竖向刚度、弹性模量等性能的影响。在加载过程 中，四氟滑板橡胶支座一般在上侧内陷，下侧鼓起，四个角部有翘曲，四个侧面具有凸起，而盐冻处理后的试件比标准 试件更易发生脆性破坏，且钢板外露、裂缝等破坏现象更严重。四氟滑板橡胶支座的抗剪承载力、极限抗剪强度、水平 等效刚度、抗剪弹性模量都随盐冻时间增加而降低。采用最小二乘法得出 50 年抗压强度的衰减曲线和衰减公式，其变化 趋势基本符合幂函数规律。 关键词：四氟滑板橡胶支座；盐冻处理；轴心受压试验；承载力；极限抗压强度；抗压弹性模量；竖向刚度

引言 四氟滑板橡胶支座是在普通的橡胶支座表面黏附一层 2mm~3mm 的聚四氟乙烯板。针对盐冻对桥梁结 *

基金资助：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAJ16B05)；重庆市科技攻关计划项目(CSTC2011AC6157)；辽宁省高等学 校杰出青年学者成长计划(LJQ2011061)。 - 27 http://www.ivypub.org/AE/

构性能影响的研究已有很多。盐冻环境下钢筋混凝土抗力性能劣化规律的研究 [1-2]；申力涛，刘柳对粉煤灰 和矿粉的加入在一定程度上降低水泥混凝土抗盐冻剥蚀性能进行了研究[3]；张云清，余红发，王甲春探索混 凝土结构在除冰盐作用下的表面冻融损伤规律然而温度变化[4]；刘丹对盐冻条件下混凝土耐久性进行了研究 [5]

；郑一峰，李龙，甘颜荣引入动弹性模量损失率以及质量损失率这 2 个混凝土抗冻耐久性评价指标, 并突

出除冰盐中氯离子的影响对橡胶支座的影响[6]；但对橡胶支座受盐冻影响的研究却没有，Kalpakidis 等对高 温下叠层橡胶支座的受力性能进行研究 [7]；Gu 等对桥梁天然橡胶支座的老化性能进行了研究 [8-10]；刘文光, 杨巧荣, 周福霖对建筑用铅芯橡胶隔震支座温度性能研究[11]；尹维祥，叠层橡胶支座稳定性及其受低温环境 的影响[12]；鉴于温度的交替变化对橡胶材料的性质改变比较大，再加上氯盐的腐蚀会严重影响到橡胶支座 的抗压性能，因此对四氟滑板橡胶支座在盐冻处理下的抗压力学性能研究显得尤为重要。

1

试件概况

1.1 试件的基本属性 根据《公路桥梁板式橡胶支座规格系列》选取试件，试件由衡水鑫力工程有限公司生产加工，其形状

加劲钢板

41

8 3

橡胶层

2.5

及尺寸如图 1 所示，其物理机械性能如表 1 所示。

2mm聚四氟乙烯板 200 图 1 四氟滑板橡胶支座剖面形状及尺寸 表 1 四氟滑板橡胶支座的物理机械性能

1.2

试件规格与类型

硬度 (IRHD)

拉伸强度 (MPa)

扯断伸 长率(%)

橡胶与钢板粘结 剥离强度(kN/m)

极限抗压强 度 Ru(MPa)

抗压弹性模 量 E(MPa)

抗剪弹性模量 G(MPa)

GJZF4200×300×43

63

19

458

11

70

712

1.0±15%

试件分组 试件分为 6 组，标准件 3 个为一组，具体分组见表 2。 表 2 四氟滑板橡胶支座盐冻处理分组 1 2 3 4 5 6

试件编号 GJZF4200×300×43ZYBZ01 GJZF4200×300×43ZYYD020 GJZF4200×300×43ZYYD040 GJZF4200×300×43ZYYD060 GJZF4200×300×43ZYYD0800 GJZF4200×300×43ZYYD100

图 2 四氟滑板橡胶支座盐冻处理情况 - 28 http://www.ivypub.org/AE/

盐冻处理天数 0 20 40 60 80 100

盐冻处理在辽宁省建筑材料监督检验院进行。首先将试件放入-15℃的冷库中，试件间距大于 20mm， 冷冻 4h 后取出，再置于水温为 20℃的水池中融化 2h，水面高出试件 20mm 以上，试件间距大于 20mm。达 到规定循环次数后，将试件从水中取出，拭干表面。四氟滑板橡胶支座的冻融循环处理情况如图 2 所示。 根据《公路桥梁板式橡胶支座》（JT／T 4－2004）[13]对试件尺寸进行测量，试件尺寸变化均满足规范 要求（见表 3）。 表 3 四氟滑板橡胶支座尺寸变化 试件序号 1 2 3 4 5 6

2

试件编号 GJZF4200×300×43ZYBZ01 GJZF4200×300×43ZYYD020 GJZF4200×300×43ZYYD040 GJZF4200×300×43ZYYD060 GJZF4200×300×43ZYYD080 GJZF4200×300×43ZYYD100

盐冻处理前尺寸(mm) 200×300×42 201×300×43 199×300×43 200×301×43 199×301×43 199×299×43

盐冻处理后尺寸(mm) 200×300×43 202×300×43 199×300×43 200×301×42 200×300×43 200×299×43

轴压力学性能研究

2.1 轴压试验装置 轴压试验在沈阳建筑大学结构实验室进行，采用 5000kN 压力试验机进行加载，试验装置如下图 4 所 示；实验采用 6 个位移计测量其位移（见图 5）。

图 4 试验装置

w5

压力机顶板

w6 2mm聚四氟乙烯

w3 垫块1

w1/w2 压力机底板

w4 垫块2

w1,w2与w3,w4一致，为前后两个方向 位移计，布置方式一致，此处省略

图 5 测点布置图

2.2 加载方案 首先进行预压，预压持续 2 分钟，预压过程进行试件对中并检测测点的稳定性 [11] 。正式加压先加至 240kN 持荷 2 分钟，继续缓慢加载至 600kN 持荷 2 分钟，利用此 2 点数据计算出弹性模量。最后，进行正式 - 29 http://www.ivypub.org/AE/

加压直到出现极限荷载，承载力下降，试件被破坏才停止，找到曲线拐点，并确定承载力。

2.3 试验现象 试件变形分为弹性阶段和塑性阶段。荷载较小时，试件处于弹性阶段，仅靠橡胶的弹力承担荷载。试 验过程中对所有试件在 240kN 和 600kN 两处分别持荷 2 分钟，通过计算这两点的应力应变确定弹性模量 E。荷载进一步增大时，仅凭橡胶的弹性不足以承担这部分压力，钢板和橡胶之间的粘结力能提高承载力。 此时变形仍不明显，但撤销荷载后变形只能恢复一部分。此过程中通过观察曲线变化，将曲线的拐点处作 为弹性极限承载力。荷载继续增大，通过对其中一块试件内部剖析发现钢板变形较大，说明钢板也产生塑 性变形，大部分力由钢板承担。若撤销荷载，变形基本不能恢复。继续加载直至极限荷载，钢板与橡胶之 间产生脱离，钢板大部分处于塑性阶段，此时承载力突然下降。具体的破坏形态如图 6 所示。

(a) GJZF4200×300×43ZYBZ01

(d) GJZF4200x300x43ZYYD060

(b) GJZF4200x300x43ZYYD020

(c) GJZF4200x300x43ZYYD040

(e) GJZF4200x300x43ZYYD80

(f) GJZF4200x300x43ZYYD100

图 6 四氟滑板橡胶支座破坏形态

3

试验结果和数据分析 表 4 四氟滑板橡胶支座各项指标对比 极限抗压强度下位移(mm)

压应力 70MPa 下位移(mm)

试件编号

极限承 载力(kN)

极限抗压 强度(Mpa)

竖向

纵向水平

横向水平

竖向

纵向水平

横向水平

GJZF4200×300×43ZYBZ01 GJZF4200×300×43ZYYD020 GJZF4200×300×43ZYYD040 GJZF4200×300×43ZYYD060 GJZF4200×300×43ZYYD080 GJZF4200×300×43ZYYD100

4408.60 4193.00 4116.40 4113.70 4084.90 4074.60

73.48 69.88 68.61 68.56 68.08 67.91

4.11 4.58 3.39 4.36 4.78 3.69

4.51 3.85 3.50 5.64 7.98 2.78

3.15 4.23 3.76 3.06 3.42 3.29

3.73 4.64 3.53 4.50 4.98 3.90

3.98 3.88 3.68 6.00 8.57 3.02

2.75 4.28 4.19 3.12 3.46 3.67

表 4 为四氟滑板橡胶支座各项指标对比，对数据观察发现，仅标准试件的承载力高于 70Mpa，经过冻 融循环处理的试件承载力均低于 70Mpa，且随着处理天数增多承载力降低的也多，而且在压力达到 70Mpa 时，与 70MPa 时仍处于弹性阶段的标准试件的位移进行对比发现，经盐冻处理过的试件位移变化已无规 律，说明盐冻处理过的试件的变形已经失去稳定性。

3.1 盐冻处理后承载力变化 图 7 为四氟滑板橡胶支座弹性阶段承载力变化曲线，承载力随着盐冻天数的增加在不断地减小，只有标 准试件的承载力高于规范要求的 70MPa，经过盐冻处理后的试件承载力明显降低。 - 30 http://www.ivypub.org/AE/

极限承载力/kN

5000

4000

3000 0

20

40

60

80

100

盐冻处理天数/天

图 7 四氟滑板橡胶支座承载力变化曲线

3.2 盐冻处理对极限抗压强度的影响 根据《军用设备气候极值》（GJB1172.11-91)[14]，通过对全国 150 个站点低温严酷月的普查，每站选取 2~4 个月测定气温最低值。考虑到我国东北，西北大部分地区冬季最高气温在零下，因而取 3 个月作为可以 盐冻循环的天数，另外昼夜温差北方达到 20 度左右，中原地区仅 6~7 度，因此选取中间值 12 度。由于盐冻 循环的温差为 35 度，因此盐冻 20 天，40 天，60 天，80 天，100 天可以分别对应于 1、2、3、4、5 年。采 用最小二乘法对盐冻处理下的极限抗压强度进行拟合可以得到拟合曲线如图 8 所示。 72

极限抗压强度/Mpa

70 68 66 64 62 60 0

10

20

30

40

50

盐冻处理年数/年

图 8 极限抗压强度拟合曲线

得到的幂指数抗压强度衰减函数模型为： б=69.954e-0.0065x

(1)

将 x=1、2、3、4、5 分别代入得 y=69.50、69.05、68.60、68.16 和 67.72，与实验数据的平均比值为 0.998，标准差为 0.012，变异系数也为 0.011，说明此衰减模型与实际情况吻合。

3.3 盐冻处理对竖向刚度的影响 根据竖向刚度的计算式(2)计算竖向刚度[13]：

K vT 

P2  P1 Y2  Y1

(2)

式中，P1 为第 3 次循环加载时的较小压力；P2 为第 3 次循环加载时的较大压力；Y1 为第 3 次循环加载 时的较小位移；Y2 为第 3 次循环加载时的较大位移。 图 9 为荷载-竖向刚度曲线，盐冻处理天数对竖向刚度的影响是先增大后减小的趋势，60 天盐冻处理时 的竖向刚度达到最大，然后，逐渐减小。通过对盐冻处理的试件观察发现，表面都有水分保留，而且经过 轴压试验之后仍有水分渗出，说明随着盐冻处理天数的增多水分已经渗入到试件内部，影响到橡胶与钢板 之间的粘结性能，因此我们应该作进一步的研究，并规定最大的盐冻处理天数，以便以后在实际中运用。 - 31 http://www.ivypub.org/AE/

竖向刚度/(kN/mm)

1400 1200

ZYBZ01 ZYYD020

1000

ZYYD040 ZYYD060

800

ZYYD080 ZYYD100

600 400 0

1000

2000

3000

4000

5000

竖向荷载/kN

图 9 荷载-竖向刚度曲线

3.4 盐冻处理对抗压弹性模量的影响 对于橡胶支座的弹性模量采用式(3)进行计算[15]

E1 

 10   4 10   4

(3)

式中，E1 为试件实际计算的抗压弹性模量，计算值精确到 1MPa；σ4 和 ε4 分别为 4MPa 级（即 240kN） 试验荷载下的压应力和累计压缩应变值；σ10 和 ε10 分别为 10MPa 级（即 600kN）试验荷载下的压应力和累 计压缩应变值。 表 5 四氟滑板橡胶支座的弹性模量对比 试件编号 GJZF4200×300×43ZYBZ01 GJZF4200×300×43ZYYD020 GJZF4200×300×43ZYYD040 GJZF4200×300×43ZYYD060 GJZF4200×300×43ZYYD080 GJZF4200×300×43ZYYD100

实测抗压弹性模量(Mpa) 1056.15 992.31 889.66 921.43 921.43 1032.00

表 5 为四氟滑板橡胶支座的弹性模量对比，计算表明弹性模量都符合规范要求，而且随着盐冻天数的增 加弹性模量是先减小后增大的趋势，从应变能的角度来讲，盐冻处理的影响下橡胶支座有转脆的趋势，而 且随着天数的增多脆性越来越大，但是超过一定的天数盐冻的影响已经不明显，很可能橡胶的内部结构已 经发生变化，有待进一步研究。

4

结论 （1）经过盐冻处理的四氟滑板橡胶支座的破坏情况比标准试件严重，且循环天数越多，橡胶的变形越

厉害，四角翘起的越严重。 （2）盐冻处理的试件的弹性极限抗压强度小于 70MPa 且小于标准试件，且随着盐冻处理天数的增加，极 限抗压强度逐渐降低，采用最小二乘法对数据进行拟合，得出了 50 年弹性抗压强度的衰减曲线和衰减公式。 （3）竖向刚度受盐冻处理影响随着盐冻处理天数增加呈现出先增大后减小的趋势。 （4）根据应变能理论，盐冻处理使得材料有转脆趋势，弹性模量随着盐冻天数增大弹性模量也增大， 但是增大到一定次数材料内部发生变化。

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【作者简介】 1

张延年（1976-），男，满族，博士，

教授，主要从事结构抗震、结构检测与

2

张军（1986-），男，汉族，学士，硕士研究生，结构检测

与加固。Email: gonghou2009@163.com

加固、建筑节能和工程优化等方面的教 学和科研工作。

3

Email: zyntiger@163.com

加固。Email: dandongzy@126.com

郑怡（1979-）男，汉族，博士，高级工程师，结构检测与

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