摘要
为了将隔震技术推广应用至低层村镇建筑，研发一种造价低廉、制造工艺简单的层间黏结废旧轮胎隔震垫（LBSTP）。选用3种高韧性黏结剂，以层间黏结的方式对废旧轮胎隔震垫（STP）进行增韧补强，并开展黏结破坏试验和力学性能试验。观察废旧轮胎黏结剥离与黏结剪切的破坏现象，结合黏结破坏机制，对LBSTP力学性能进行分析。结果表明：V-SC2000黏结剂强度最高而延展性最差，鱼珠牌万能胶强度最低而延展性最好，且与压剪试验中LBSTP角部翘曲的受拉黏结破坏现象对应；卫力固-801黏结剂黏结的LBSTP-2竖向极限承载力显著高于其他支座；LBSTP-2的极限剪应变为150%，相比STP提升了50%，且具有更强的耗能能力和复位能力。LBSTP呈现出良好的力学性能，研究成果可为废旧轮胎隔震垫在村镇隔震技术中的应用提供理论参考。
关键词
Abstract
To promote the application of isolation technology in low-rise village buildings, a low-cost and easy-to-produce layer-bonded scrap tire rubber pads (LBSTP) is developed. Three types of high-toughness bonding agents were selected to reinforce the scrap tire rubber pads (STP) through interlayer bonding. Bonding failure tests and mechanical performance tests were conducted to observe the failure pehomena of bonding delamination and shear. Based on the bonding failure mehcanisms, the mechcanical properties of LBSTP were analyzed. Results show that the V-SC2000 adhesive has the highest strength but the lowest ductility, while the Yuzhu adhesive has the lowest strength but the best ductility, corresponding to the tensile bonding failure phenomena observed at the corners of LBSTP during the shear test. The LBSTP-2 bonded with Weili-801 adhesive shows a significantly higher vertical ultimate bearing capacity compared to other supports. The ultimate shear strain of LBSTP-2 is 150%, which is a 50% increase over the STP, indicating improved energy dissipation and repositioning capabilities. The LBSTP exhibits excellent mechanical properties, and the research findings provide theoretical references for the application of waste tire shock absorbers in isolation technology for village buildings.
历次震害中，村镇建筑倒塌破坏严重，成为抗震设防中的薄弱环节[1-4]。目前，隔震技术是最广泛应用的减震手段之一，其用“以柔克刚”的方式来隔离地震、以延长结构自振周期来减少结构的地震反应。叠层钢板橡胶支座作为最常用的建筑隔震支座，过于高昂的生产成本和繁琐的设计标准致使其大多应用于大型、复杂的结构中，限制了其在村镇建筑中的使用。
目前，废旧轮胎处理方式主要有填埋、焚烧、旧轮胎翻新等[5-6]，但各类回收技术均有一定的局限性，因此，亟需探寻更加简便并高效的废旧轮胎处理路径。由于废旧轮胎胎冠由钢丝网层和帘布层与橡胶共同硫化制成，将废旧轮胎片堆叠类似于叠层钢板橡胶支座的作用机制，废旧轮胎隔震垫（scrap tire pads，STP）应运而生，其具有造价低、制造工艺简单、环保、减碳等优点，且适用于村镇隔震技术[7-9]。
废旧轮胎隔震垫最早由Turer等[10]提出，通过试验评估了不同轮胎品牌、不同层数和方向的STP试样的力学性能。Mishra等[11]发现STP的等效阻尼比为10%~22%，耗能能力优越，竖向与水平刚度比为450~600，满足规范要求，且STP表现出独特的侧翻变形，在剪切变形较大时会产生接触面分离的现象，此现象会伴随水平刚度降低，试验结果与有限元分析结果吻合。Shirai等[12]研究了废旧轮胎隔震垫的力学性能，拟动力试验表明，STP在水平循环载荷下滞回性能稳定，并研究了水平等效刚度和黏滞阻尼系数对剪应变、压应力、加载频率和循环次数的依赖性。
众多学者已经对STP进行了大量理论、试验和数值模拟研究，证明其作为低层村镇建筑隔震支座的可行性。在以往的研究中，STP层间无黏结，仅依靠摩擦力约束，导致其整体性欠缺，韧性不佳，且轮胎胎冠存在一定翘曲，致使其竖向位移量较大。本文在STP研究的基础上，选用工艺简单并经济的冷黏结技术制作层间黏结废旧轮胎隔震垫（layer-bonded scrap tire rubber pads，LBSTP），以层间黏结的方式对STP的力学性能进行增韧补强，并开展了黏结破坏试验和支座力学性能试验，结合黏结机制着重分析其极限破坏能力、滞回性能和复位能力，所得结果可进一步为其工程推广应用提供参考。
1 层间黏结废旧轮胎隔震垫（LBSTP）
1.1 LBSTP试件
隔震垫由3种常用品牌（普利司通、邓禄普、米其林）的废旧四季轮胎片层间黏结制成，轮胎片选取轮胎胎冠中间部分，每片轮胎片由一层钢丝网层和一层帘布层与橡胶共同硫化构成。参考GB/T528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》[13]，进行3种品牌废旧轮胎的2型哑铃试件（图1）单轴拉伸试验，获得了试样的力-位移关系曲线（图2），并得到橡胶的性能参数。参考GB/T11181—2016《子午线轮胎用钢帘线》[14]和GB/T19390—2023《轮胎用聚酯浸胶帘子布》[15]得出钢丝和帘线的性能参数，如表1。隔震垫几何尺寸为200 mm×200 mm×75 mm，橡胶的邵氏硬度（HA）为90度，LBSTP实物如图3所示，具体参数见表2，试件编号见表3。
图12型哑铃试件
Fig.1Type2 dumbbell specimen
图2废旧轮胎橡胶材料力-位移曲线
Fig.2Force-displacement curves of scrap tire rubber
表1轮胎片材料性能
Tab.1 Tire rubber material performance
图3LBSTP实物
Fig.3Layer-bonded scrap tire rubber pads
表2隔震垫参数
Tab.2 Isolation pad parameters
表3试件编号设置
Tab.3 Specification of specimen identification numbers
1.2 黏结破坏机制
黏结结构的界面破坏行为常用断裂力学理论来描述。界面黏结能表示产生一个单位面积的黏结界面裂纹所需的能量，也称为界面黏附功。界面黏结能[16]由黏附断裂能和界面变形能组成：1）黏结剂和被粘物基体材料之间的化学键断裂产生黏附断裂能；2）黏结剂在界面附近变形产生的能量耗散为界面变形能。界面黏结能可表示为
(1)
但对于被粘物基体为超弹性材料，不同于硬质黏结结构，超弹性黏结结构界面的黏结破坏复杂程度显著增加，具有典型的大变形和非线性特征。黏结破坏试验过程中的力-位移曲线为黏结剂和超弹性基体机械性能耦合影响的结果，且不可忽略，故黏结破坏耗能为界面黏结能和基体形变能的总和。考虑到轮胎橡胶的硬度远大于黏结剂的硬度，选用以条形轮胎为基体的180°剥离试验，更能体现出轮胎整体形变对黏结破坏过程的影响。选用黏结剪切试验则可大幅减少黏结破坏时轮胎整体形变的影响，黏结剪切试验加荷后，轮胎形变贡献小，更能体现出黏结剂的黏附断裂和界面变形对黏结性能的影响。
为进一步描述界面黏结能，图4显示了粘接界面破坏机制。采用双线性内聚力模型[16]表征界面强度Sinf和断裂距离δ的关系。黏结剂界面变形具有明显的马林斯效应，黏结界面破坏遵循二次名义应力准则为
(2)
式中σn、σs分别为裂纹表面法向和切向应力。
图4剥离与剪切过程
Fig.4Peeling and shear process
当表面应力满足二次名义应力准则时，黏结界面开始损伤。其中，黏结剥离试验的黏附断裂能主要产生在界面裂纹尖端附近区域，在该区域以外产生界面变形能，为线弹性变形。不同于黏结剥离试验，黏结剪切试验的黏附断裂能和界面变形能由整个黏结界面贡献。主要原因是黏结剥离的裂纹表面法向应力σn远大于切向应力σs，表征为界面分离，而黏结剪切反之，σs远大于σn，表征为界面错动，导致了黏结剥离和黏结剪切破坏机制的不同。本文通过黏结剥离和剪切试验观察黏结破坏试验现象，并测定黏结破坏强度，以便进一步探究黏结剂对LBSTP力学性能的影响。
2 废旧轮胎黏结破坏机制
2.1 黏结剥离与剪切试验设计
通过剥离试验，在众多造价低廉且高韧性的黏结剂中初步选定V-SC2000黏结剂、卫力固-801黏结剂、鱼珠牌万能胶。黏结剥离试验参考GB/T2791—1995《黏结剂T剥离强度试验方法挠性材料对挠性材料》[17]进行试验设计，轮胎片切割成尺寸为200 mm×25 mm的试样条进行剥离试验（图5）。
图5黏结剥离试验
Fig.5Adhesive peel test
为了减小橡胶形变对黏结性能的影响，且在实际地震作用下，剪切力为主要的作用力形式，选用黏结剪切试验对黏结剪切强度进行测定。参考GB/T35465.6—2020《聚合物基复合材料疲劳性能测试方法第6部分：胶粘剂拉伸剪切疲劳》[18]，设计黏结剪切试验试样的尺寸，如图6所示。
图6黏结剪切试验试样尺寸
Fig.6Adhesive shear test sample dimensions
2.2 黏结破坏形式
通过观察黏结结构的失效形式，进一步判定超弹性黏结结构黏结效果的优劣。黏结破坏形式[20]（图7）为：1）橡胶的内聚破坏，说明黏结剂的黏结性能和强度均达到要求，从而导致黏结剪切时的破坏发生在橡胶部分；2）黏结剂的内聚破坏，说明黏结剂与橡胶的黏结性能满足要求，但黏结剂本身的强度还未达到要求；3）界面破坏，破坏现象为黏结层和橡胶之间的界面脱开，此时的黏结强度取决于界面强度；4）混合破坏，破坏现象兼具内聚破坏和界面破坏的特征。其中，黏结破坏现象的优劣规律为内聚破坏＞混合破坏＞界面破坏。黏结剥离与剪切试验破坏形式如表4。
图74种黏结破坏形式
Fig.7Four types of adhesive failure modes
表4黏结剥离与剪切试验参数
Tab.4 Adhesive peel and shear test parameters
2.3 黏结剥离与剪切试验分析
图8为卫力固-801黏结剂的剥离与剪切试验图，图9为黏结剥离曲线，曲线存在多个峰值且波动明显，一小部分黏结剂的黏附断裂伴随着剥离力的下降，随着界面裂缝的扩展，之前未发生界面变形和界面断裂的黏结剂开始贡献剥离强度，导致剥离力上升，黏结界面裂纹断裂、扩展又再次断裂，致使曲线多次波动。在180°剥离试验中，可以观察到黏结界面一定区域内存在黏结剂“藕断丝连”的情况，原因为废旧轮胎胎面橡胶较硬且带有钢丝网层和帘布层，轮胎条产生90°弯曲变形需要更长的传力路径，故界面变形区域较大。
黏结剪切曲线如图10所示，均有明显上升段和下降段，卫力固-801黏结剂和鱼珠牌万能胶由于其韧性，界面完全断裂前存在平台段，其中，鱼珠牌万能胶延展性最好，而V-SC2000黏结剂延展性较弱。试验现象表明，剪切界面完全滑动后，卫力固-801黏结剂和鱼珠牌万能胶仍存在大量界面变形区域，仍有一定的承载能力，而V-SC2000黏结剂发生大量黏附断裂，界面完全丧失承载能力。
黏结剂的剥离强度和剪切强度计算结果见表4。3种试件的剥离试验黏结破坏形式、剥离强度、剪切强度均呈现出一致的黏结强度优劣规律：V-SC2000黏结剂＞卫力固-801黏结剂＞鱼珠牌万能胶。试验结果的剥离力远小于剪切力，表明黏结剂的抗拉薄弱而抗剪性能良好，有利于满足实际地震工况剪切黏结性能的需求。原因为黏结剥离试验的黏附断裂主要产生在界面裂纹尖端附近区域，区域较小，而黏结剪切试验的黏附断裂存在于整个黏结界面区域，致使剪切力远大于剥离力。
图8黏结剥离与剪切试验
Fig.8Adhesive peel and shear tests
图9黏结剥离试验曲线
Fig.9Adhesive peel test curves
图10黏结剪切试验曲线
Fig.10Adhesive shear test curves
3 STP与LBSTP竖向力学性能对比分析
3.1 竖向试验设计
竖向压缩试验如图11所示，加载仪器采用WAW1000型压力试验机，加载速率为0.1 MPa/s。试验测试内容：1）竖向压缩刚度，设计压应力σ0为5 MPa，参考GB/T20688.1—2007《隔震橡胶支座试验方法》 [21]，竖向压应力加载至σ0，然后以σ0±30%循环加载，取第3次滞回曲线计算竖向压缩刚度；2）竖向极限承载力，恒定速率竖向加载直至曲线第1次突降并伴随着爆鸣声的出现，以此判定试件达到承载力极限状态。
图11竖向力学性能试验
Fig.11Vertical mechanical performance tests
3.2 竖向力学性能分析
竖向压缩试验过程中，承载力明显波动时均伴随着爆鸣声，爆鸣声前后均有劈啪声，但不同试件响声的大小和密集程度略有不同。相比无黏结的STP，LBSTP破坏时产生的噼啪声和爆鸣声更大，噼啪声更密集。原因为黏结剂约束基体橡胶形变，持续加压后局部黏结约束达到极限，界面产生黏附断裂伴随着劈啪声，对橡胶的形变约束减弱，基体橡胶形变促使临近的帘布层与钢丝网一同膨胀变形，局部帘布层达到极限断裂产生爆鸣声。局部帘布层断裂导致承载力明显波动，由于帘布层是一同硫化在轮胎片中的，继续施压会使得临近区域继续发生上述现象，这便是承载力曲线多次波动且时间接近的原因。其中，LBSTP-1噼啪声和爆鸣声最响，但噼啪声密集程度最弱，原因为黏结破坏试验中表征V-SC2000黏结剂强度最高而延展性最差，黏结破坏需要积攒较大的能量，破坏更具突然性。
竖向荷载-位移曲线如图12所示，3种LBSTP曲线接近，界面黏结使得层间空隙小，以致竖向位移较小。对比曲线波动差异可以看出，LBSTP波动幅度较大，与爆鸣声大小规律一致，V-SC2000黏结剂黏附断裂强度最大，致使LBSTP-1试验曲线波动幅度最大。卫力固-801黏结剂成分中的氯丁二烯使得黏结剂完全固化后，施加一定压应力仍有相当强度的黏结效果，故在受压状态下，黏结界面不易产生黏附断裂，对基体橡胶约束稳定，致使LBSTP-2试验曲线在仪器量程范围内迟迟未产生波动，其极限承载力大于950 kN，提升了至少100 kN。竖向压缩刚度和极限承载力见表5，LBSTP-1和LBSTP-3与STP极限承载力差别不大，表征V-SC2000黏结剂和鱼珠牌结剂的约束不足以延迟帘布层的破坏。
图12竖向荷载-位移曲线
Fig.12Vertical load-displacement curves
表5隔震垫竖向力学性能
Tab.5 Vertical mechanical properties of isolation pads
4 STP与LBSTP水平力学性能对比分析
4.1 压剪试验设计
水平压剪试验加载仪器采用1 000 t的微机控制电液伺服压剪试验机，如图13所示，竖向压应力为5 MPa，加载频率为0.03 Hz。选用正弦波加载，加载剪应变γ等级依次为20%、60%、80%、100%、110%、120%、130%、140%、150%，每级循环3次。参考JG/T118—2018《建筑隔震橡胶支座》[22]，取第3圈滞回曲线计算试件的剪切性能参数，出现加载往复3圈的滞回曲线明显不重合，则判定试件在该加载剪应变γ等级下达到极限状态。
图13压剪试验机
Fig.13Shear compression test machine
4.2 压剪试验现象
在压剪试验过程中，无黏结STP主要试验现象有：角部边缘两层轮胎片翘曲；γ=60%时错层滑动明显；γ=80%时侧面翻转至上下平面。LBSTP主要试验现象则为：γ=100%内仍可复位，且损伤较小；顶底面翘曲；层间侧边缘发生黏结破坏的同时，出现3圈滞回环不重合。综合LBSTP的变形现象，可分为3个工作阶段，即纯剪切变形、翻转变形、层间侧边缘黏结破坏。如图14所示，在剪切变形下的LBSTP侧边缘发生翘曲，黏结界面压应力基本为零，因此，第3阶段试件侧边缘的黏结破坏现象与黏结剪切破坏现象一致。STP和LBSTP-1破坏时，层间滑动明显，而LBSTP-2和LBSTP-3破坏时，侧边缘黏结界面的“藕断丝连”现象明显。
图14极限剪切变形
Fig.14Ultimate shear deformation
4.3 滞回曲线与骨架曲线
支座滞回曲线和骨架曲线如图15~17所示，可归纳以下几点特征：1）滞回曲线平滑且饱满，表明4种支座的压剪性能优越；2）每级加载会产生一定损伤，致使水平等效刚度退化现象的产生，LBSTP-3水平等效刚度退化现象最明显，表征鱼珠牌黏结剂在剪切滞回中损伤最大；3）剪应变增加导致黏结界面对层间约束增强，故LBSTP-1、LBSTP-2试件有明显的大变形硬化现象，而鱼珠牌黏结剂黏结强度较弱且延展性过大，致使LBSTP-3大变形硬化现象不明显；4）LBSTP-2滞回曲线在150%剪应变内始终未出现明显的退化现象；5）不同黏结剂LBSTP骨架曲线表征的滞回抗剪强度趋势与黏结剪切试验结论一致；6）不同于层间黏结的延展性约束，STP变形能力最弱，大部分靠轮胎片层间摩擦抵抗剪切变形，致使其骨架曲线最刚；7）LBSTP-2极限剪切变形最大，相比其他试件水平等效刚度退化最弱，且抗剪能力良好。
图15第3圈滞回曲线
Fig.15The3rd hysteresis curve
图16支座骨架曲线
Fig.16Bearings frame curves
图17支座水平刚度
Fig.17Horizontal stiffness of bearings
4.4 水平力学性能分析
表6为试件的基本力学性能，可以看出，黏结剂强度越大，对橡胶剪切变形约束越强，不同黏结剂LBSTP水平等效刚度的大小关系基本与前期的黏结强度规律一致。LBSTP-2的极限剪应变最大，相比STP提升了50%，且在极限剪应变150%时，3圈滞回曲线轻微不重合，LBSTP-2试件相较于其他试件没有明显的破坏。原因为卫力固-801胶成分中的氯丁二烯致使界面黏附断裂后再次施加一定压应力，界面具有相当强度的黏性，故LBSTP-2在压剪循环试验过程中边缘翘曲区域再次滞回受压后，仍可恢复一定黏结强度，导致LBSTP-2试极限剪应变更大，残余位移比较小。
表6隔震垫水平力学性能
Tab.6 Horizontal mechanical performance of isolation pads
为了更好地揭示支座的水平力学性能，基于滞回曲线计算水平等效刚度、屈服后刚度、等效阻尼比、屈服力、第3圈滞回环包络面积、残余位移以及复位率，如图17~20所示。其中，复位率定义为复位位移与对应加载等级下剪切位移之比。由图17可知，水平等效刚度和屈服后刚度随剪应变增加而递减，剪应变80%后减幅减缓，两种水平刚度变化趋势基本一致，屈服后刚度相比水平等效刚度小20%~40%，侧面说明滞回曲线稳定且比较饱满。选用的3种黏结剂均具有高韧性，水平刚度相当于黏结界面刚度和STP水平刚度的串联，致使LBSTP的水平刚度比STP的低。图18表明，等效阻尼比均大于10%，可视为高阻尼隔震支座，均有先减小后增大的趋势。LBSTP-3的等效阻尼比在剪应变60%时出现峰值，结合图18，剪应变60%时的复位率大幅下降，可判定峰值出现的原因在于隔震垫内部产生损伤。LBSTP-2的等效阻尼比标准差为0.021，表征其滞回性能稳定。由图19可知，LBSTP的耗能差值波动不大，且趋势一致，表明耗能的变化受黏结剂种类影响较小，而STP的层间错动显著，以增加损伤为代价，其耗能值大于LBSTP的值。图20表明，在剪应变100%以内，LBSTP-1的复位能力最优，LBSTP-2次之，而在剪应变大于100%后，LBSTP-2的复位能力最优，LBSTP-1次之。LBSTP-3的复位能力最差，残余变形相对较大，主要是由鱼珠牌黏结剂延展性大但强度不够导致的，即其黏结界面约束能力相对欠缺，此原因也同样导致其水平等效刚度和屈服后刚度最小。综上，明显表征LBSTP-2的水平力学性能在绝大多数情况最优，选用此黏结剂大幅提升了STP的力学性能。
图18支座等效阻尼比
Fig.18Equivalent damping ratio of bearings
图19第3圈滞回环面积
Fig.19Envelope area of the3rd hysteresis curve
图20支座复位率
Fig.20Recentering rate of bearings
5 结论
1）黏结破坏试验表明，3种试件黏结强度优劣规律为V-SC2000黏结剂＞卫力固-801黏结剂＞鱼珠牌万能胶。废旧轮胎黏结剥离的黏附断裂主要产生在界面裂纹尖端附近区域，废旧轮胎黏结剪切试验的黏附断裂存在于整个黏结界面区域，致使剥离强度远小于剪切强度，表明黏结剂的抗拉性能薄弱而抗剪性能良好，也与压剪试验中LBSTP角部翘曲的受拉黏结破坏现象对应。
2）卫力固-801黏结剂黏结的LBSTP-2受压状态下黏结界面不易产生黏附断裂，对基体橡胶约束稳定，故LBSTP-2竖向极限承载力大于950 kN，且相比STP提升了至少12%。
3）压剪试验中，卫力固-801黏结剂黏结的LBSTP-2和鱼珠牌万能胶黏结的LBSTP-3侧边缘黏结界面的“藕断丝连”现象明显，与黏结破坏试验结果一致，即此两种黏结剂破坏形式以黏结界面变形为主。LBSTP-2的极限剪应变为150%，相比STP提升了50%。但黏结层间错位限制了LBSTP极限剪应变进一步提升，如何提高LBSTP的黏结质量和剪切变形能力将是后续研究的重点。
4）综合LBSTP-2力学性能看，隔震垫竖向承载力大，水平刚度小，耗能能力好，等效阻尼比大于12%，复位率始终能保持在50%以上。卫力固-801黏结剂对STP的竖向承载力、极限剪应变和复位能力提升显著，实现了隔震垫力学性能上的增韧补强效果。有利于LBSTP在村镇建筑隔震技术中推广使用。
