再生橡胶材料的超弹性和粘弹性特性研究：实验与有限元表征及其在地震隔离器中的应用

为解决发展中国家传统橡胶基底隔震系统成本过高的问题，研究人员开展了再生橡胶(RR)材料在隔震器中的应用研究。通过多模式变形实验和有限元分析(FEM)，采用Bergstr?m-Boyce模型实现了R2值0.92的高精度拟合，验证了RR材料在垂直刚度(-10.5%误差)、水平刚度(5.2%误差)和阻尼比(8.0%误差)方面的优异性能。该研究为可持续基础设施建设提供了经济高效的解决方案，符合联合国可持续发展目标(SDG)。

　　

地震灾害是全球建筑面临的重要威胁，传统橡胶基底隔震器虽然效果显著，但其高昂成本限制了在发展中国家的广泛应用。与此同时，废旧轮胎造成的环境问题日益严峻，如何实现资源循环利用成为可持续发展的重要课题。在此背景下，利用再生橡胶(RR)材料开发低成本隔震系统，既解决了环境问题，又能提高抗震建筑的普及率，具有双重意义。

Pontificia Universidad Javeriana de Cali等机构的研究人员开展了一项创新研究，系统评估了再生橡胶材料在隔震应用中的力学性能。研究通过多模式实验表征和有限元建模，建立了高精度的材料本构模型，相关成果发表在《Polymer Testing》期刊上。这项工作为开发经济高效的隔震系统提供了重要理论基础和技术支持。

研究采用五种关键实验方法：单轴拉伸(UT)和压缩(UC)测试评估材料基本力学性能；简单剪切(SS)测试模拟剪切变形行为；蠕变(CP)和应力松弛(R)测试表征时间依赖性；结合MCalibration软件进行多模式同步参数校准；使用ANSYS建立有限元模型验证参数准确性。所有测试均遵循ASTM和ISO标准。

在材料表征方面，单轴拉伸测试显示再生橡胶的极限拉伸强度为1.62MPa，比天然橡胶(NR)高1.2倍，但延展性较差。压缩测试表明材料具有13.54MPa的抗压强度，显示出良好的承载潜力。简单剪切测试测得剪切模量1.92MPa，明显高于NR的0.93MPa。蠕变和松弛测试揭示了材料的时间依赖性，蠕变速率0.0027mm/h，应力松弛速率0.012MPa/h，表现出优于NR的长期稳定性。

模型校准环节对比了五种本构模型的拟合效果。Bergstr?m-Boyce(BB)模型表现最优，平均R²达到0.92，显著优于Ogden、Mooney-Rivlin等传统模型。特别是在拉伸(97%)、剪切(97%)和松弛(91%)测试中展现出卓越的预测能力。该模型成功捕捉了RR材料的多尺度力学行为，包括初始刚度、应变硬化和时间依赖效应。

参数验证阶段，研究人员建立了纤维增强弹性体隔震器(FREI)的有限元模型。采用分层校准策略，针对不同变形区间使用独立参数组，显著提高了预测精度。结果显示，垂直刚度误差-10.5%，水平刚度误差5.2%，阻尼比误差8.0%，均满足工程应用要求。特别值得注意的是，分区校准方法解决了传统单一参数组在大变形条件下的预测偏差问题。

研究结论部分强调了三方面重要意义：首先，建立了再生橡胶材料的高精度本构模型，为隔震器设计提供了可靠工具；其次，开发的分区校准策略显著提升了数值模拟的准确性；最后，验证了再生橡胶在隔震应用中的可行性，其力学性能虽与NR存在差异，但通过合理设计完全可以满足工程需求。这项工作不仅推动了可持续建筑材料的发展，也为发展中国家普及隔震技术提供了经济高效的解决方案。

讨论部分指出，当前再生橡胶配方尚不符合UNE-EN 15129等标准要求，需要通过优化颗粒级配和粘结剂比例来改善性能。未来研究应关注不同变形模式下增强纤维与橡胶基体的相互作用机制，以及长期服役性能的评估。尽管如此，本研究建立的方法学框架已经为再生橡胶隔震器的开发和优化奠定了坚实基础，具有重要的工程应用价值。