近些年中国汽车工业快速发展,汽车保有量不断上升,随之而来的是废旧轮胎处理的问题。废旧轮胎会对土体、水源等造成污染,燃烧会产生大量有毒有害气体,成为困扰环境卫生的一大难题。对此,中国积极推动废旧轮胎的回收利用,但回收体系不完善,行业发展水平较低,技术落后,相关政策实施效果不理想^[1]。废旧轮胎本身为一种高弹性材料,具有密度低、隔热性良好、变形能力强、耗能大等特点,可以在工程领域得到应用,例如张正甫等^[2]、岳红亚等^[3]总结了废旧轮胎在道路工程中的应用,它可以用于挡土墙、橡胶改性沥青路面等。废旧轮胎在工程领域的应用在一定程度上可以解决其数量过多的问题。

将废旧轮胎颗粒掺入土中可以改良土体特性。Shariatmadari等^[4]、Bahadori等^[5]、丁瑜等^[6]通过试验发现,在砂土中掺入橡胶颗粒能够使其抗液化能力得到提高,孔隙水压力增长速度减缓。Ghadr等^[7]发现,砂-橡胶复合材料的抗剪强度及弹性模量受橡胶颗粒含量、砂粒形状及围压的影响。Ghazavi等^[8]发现,在橡胶颗粒掺量一定的情况下,层状橡胶砂混合料比均匀分布的橡胶砂混合料具有更小的剪切模量和更高的阻尼比。刘方成等^[9]发现,橡胶砂的动剪切模量随橡胶颗粒含量的增加而降低,同时橡胶颗粒含量越高,橡胶砂的动剪切模量比衰减得越早。王琴琴等^[10]通过试验发现,橡胶红黏土黏聚力和内摩擦角均随橡胶颗粒含量的增加而减小,同时其抗剪强度随着干湿循环次数的增加逐渐减小。路钊驰等^[11]发现,冻结橡胶加筋膨胀土随橡胶颗粒掺量的增加,滞回曲线逐渐变扁平,相比素膨胀土,其阻尼比变大。刘飞禹等^[12]研究了土工格栅-橡胶砂界面的剪切特性,橡胶颗粒对橡胶砂的剪切强度的影响主要以摩擦角为主,在掺量为10%时,剪切强度最大。周恩全等^[13-14]研究了非饱和橡胶粉土的抗剪强度、水土特征曲线及颗粒接触状态,发现非饱和橡胶粉土的抗剪强度和基质吸力受含水率的影响明显。周锐等^[15]研究了不同粒径及掺量的橡胶颗粒对膨胀土性能的影响,发现橡胶颗粒粒径对膨胀土土体性质的影响程度与掺量有关。

上述研究主要集中于橡胶砂的静动力学特性及其他混合土的静力特性研究,而对橡胶粉土的动力特性研究尚不足。本研究将废旧轮胎橡胶颗粒掺入粉土中,通过一系列循环剪切试验,探讨了不同竖向应力、剪切应变、废旧轮胎橡胶颗粒体积分数对混合土动剪切模量、阻尼比等的影响,以期为废旧轮胎在工程领域的应用提供参考。

本研究采用的试验设备为GDS动态循环单剪试验系统(图1),它能够进行从小应变(0.005%动剪应变幅值)到大应变(10%动剪应变幅值)的动态循环试验。试验采用的样品(圆柱形)直径为50 mm,高为 25 mm,并在侧向通过一叠低摩擦的约束环保持横向限制,以确保恒定的横截面积。相比循环三轴试验,循环单剪试验无须假定泊松比,可以直接确定试验土样的动剪切模量。

图1 GDS动态循环单剪试验系统
Fig.1 GDS dynamic cyclic simple shear test system

本试验所用材料如图2所示。试验所用的粉土土样取自杭州市之江路附近某工地,经过室内土工试验分析,其物理指标参数见表1; 通过颗粒分析试验所得颗粒级配曲线如图3所示,通过击实试验所得干密度ρ_d和含水率w关系的击实曲线如图4所示。试验所采用的橡胶材料来自陕西某工厂加工的废旧轮胎橡胶颗粒,其粒径为0.6 mm,其颗粒相对密度为1.20。

图2 试验所用材料
Fig.2 Materials used in the test

表1 粉土物理指标参数
Table 1 Physical index parameters of silt

图3 粉土颗粒级配曲线
Fig.3 Particle gradation curve of silt

图4 粉土击实曲线
Fig.4 Compaction curve of silt

废旧轮胎橡胶颗粒采用等体积置换,试样的废旧轮胎橡胶颗粒体积分数分别为0%、5%、10%、20%。根据不同体积分数称取相应的粉土与橡胶颗粒,其中粉土按压实度为0.95所需量称取,从而控制粉土的压实度为0.95,试样制备采用的含水率为粉土最优含水率18.9%。在进行相应剪切试验之前,先将试样在相应级别的竖向应力下进行固结,待竖向位移稳定后再进行相应试验。

本试验采用保持竖向应力不变的控制模式,采用正弦波加载,加载频率设置为1 Hz。剪切位移幅值为0.005、0.010、0.015、0.020、0.025、0.050、0.100、0.150、0.200、0.250 mm,对应剪切应变为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.20%、0.40%、0.60%、0.80%、1.00%。试验中采用逐级加载的方式,由于试样在循环动力荷载下循环30次时特性已基本上稳定,故每级应变幅值下循环次数采用30次。竖向应力选取50、100、200、400 kPa 4个等级。

不同竖向应力作用下不同橡胶颗粒体积分数混合土滞回曲线(动剪应力τ_d与动剪应变γ_d关系曲线)对比如图5所示。从图5中可以看出,竖向应力越小,滞回曲线越饱满。这表明竖向应力与阻尼比成反比,竖向应力越大,阻尼比越小。不同橡胶颗粒体积分数混合土滞回曲线的形状相差不大,但是滞回曲线的斜率随橡胶颗粒体积分数的变化而变化。随着橡胶颗粒体积分数的不断增加,斜率由高变低。这说明混合土的动剪切模量随着橡胶颗粒体积分数的不断增加而逐渐降低。

图5 不同竖向应力作用下不同橡胶颗粒体积分数混合土滞回曲线对比
Fig.5 Comparison of hysteresis curves of mixed soil with different rubber volume fractions under different vertical stresses

100kPa竖向应力作用下20%橡胶颗粒体积分数混合土在不同动剪应变下的滞回曲线如图6所示。从图6中可以看出,滞回曲线的形状随着动剪应变的不断变大而逐渐变得饱满且趋近于梭形,同时滞回曲线顶点连线的斜率逐渐降低。这表明混合土的阻尼比随着动剪应变的增加而逐渐增大,动剪切模量随着动剪应变的增加而逐渐减小。

图6 100 kPa竖向应力作用下20%橡胶颗粒体积分数混合土在不同动剪应变下的滞回曲线
Fig.6 Hysteresis curves of mixed soil with 20% rubber volume fraction under different dynamic shear strains under 100 kPa vertical stress

在动剪应力的循环作用下,可以得到土体动剪应力和动剪应变关系的曲线,即土体在动剪应力下的理想状态滞回曲线,如图7所示。通过图7的滞回曲线可以求得动剪切模量和阻尼比这两个反映土体动力特性的重要参数,前者是土体在剪切力作用下动剪应力与动剪应变之比,能反映出土体抵抗剪切变形的能力; 后者能反映出土体在剪切过程中吸收和消散能量的能力。两者可以由以下公式计算:

式(1)～(2)中:G_d为动剪切模量; τ_d1和τ_d2分别为正负最大动剪应力; γ_d1和γ_d2分别为正负最大动剪应变; λ为阻尼比; A₀为滞回曲线的面积; A_T为三角形ABC的面积。

图7 理想状态下的土体滞回曲线
Fig.7 Soil hysteresis curve under ideal conditions

在不同竖向应力作用下,混合土的动剪切模量随橡胶颗粒体积分数的变化如图8所示。从图8中可以看出,不同含量的混合土的动剪切模量均随着竖向应力的增加而增大。这是由于竖向应力不断增加,使得混合土颗粒之间的孔隙空间变小,土颗粒及橡胶颗粒之间的接触变得更加紧密,摩阻力随之变大。同时,随着动剪应变的不断增加,混合土的动剪切模量不断减小。

从图8中还可以看出,橡胶颗粒体积分数对混合土动剪切模量的影响显著。随着橡胶颗粒的加入,混合土的动剪切模量迅速下降,并且橡胶颗粒体积分数越高,动剪切模量下降越明显。这是因为相比土颗粒,橡胶颗粒的硬度较低,同时土颗粒之间的摩阻力要大于土颗粒与橡胶颗粒之间的摩阻力,所以导致混合土试样的强度比纯土试样的强度低; 并且随着橡胶颗粒体积分数的不断增加,混合土的强度进一步降低。随着橡胶颗粒体积分数的不断增加,混合土动剪切模量不断降低。

图8 不同竖向应力作用下动剪切模量随橡胶颗粒体积分数的变化
Fig.8 Variation of dynamic shear modulus with rubber volume fraction under different vertical stresses

采用Hardin-Drnevich双曲线模型拟合动剪切模量比与动剪应变的关系:

式(3)中:G_dmax为最大动剪切模量; γ_r为参考动剪应变。

不同竖向应力作用下动剪切模量的倒数1/G_d与动剪应变γ_d的关系如图9所示,两者存在如下所示的线性关系:

式(4)中:a和b为拟合参数。

将式(4)代入式(3),可得:

图9 不同竖向应力作用下动剪切模量的倒数与动剪应变的关系
Fig.9 Relationship between reciprocal of dynamic shear modulus and dynamic shear strain under different vertical stresses

在不同竖向应力作用下最大动剪切模量随橡胶颗粒体积分数的变化如图 10所示。从图 10中可以看出,混合土的最大动剪切模量受到竖向应力和橡胶颗粒体积分数的影响。随着竖向应力的增大,混合土的最大动剪切模量增加明显; 同时,随着橡胶颗粒体积分数的不断增加,混合土的最大动剪切模量不断减小。在200 kPa时,纯粉土的最大动剪切模量G_dmax为33.65 MPa; 当橡胶颗粒体积分数达到10%时,G_dmax降到29.56 MPa,降低了12.15%; 当达到20%体积分数时,G_dmax进一步降低到26.41 MPa,降低了21.52%。这表明橡胶颗粒的掺入能够显著减小混合土的最大动剪切模量。

图 10 最大动剪切模量随橡胶颗粒体积分数的变化
Fig.10 Variation of maximum dynamic shear modulus with rubber volume fraction

不同竖向应力作用下混合土的模量退化曲线如图 11所示。它是归一化的动剪切模量比G_d/G_dmax随动剪应变γ_d变化的曲线,是衡量混合土非线性强弱的重要指标。从图 11中可以看出,在50、100 kPa时,不同橡胶颗粒体积分数的混合土模量衰减相差不大; 但在200、300 kPa时,混合土发生了较为明显的模量衰减,并且橡胶颗粒体积分数大的混合土会先出现模量衰减。这说明混合土的模量衰减受竖向应力和橡胶颗粒体积分数的影响,竖向应力越大,橡胶颗粒体积分数越高,混合土的模量衰减越明显。

图 11 不同竖向应力作用下混合土的模量退化曲线
Fig.11 Degradation curves of mixed soil modulus under different vertical stresses

不同竖向应力作用下混合土的阻尼比变化如图 12所示,由图可知,混合土的阻尼比随着竖向应力的增大而减小,随着动剪应变的增大而不断增大。其中,随着橡胶颗粒的加入,混合土阻尼比的增加减缓。

橡胶颗粒体积分数对阻尼比的变化影响主要分为两个阶段:在动剪应变小于0.1%时,阻尼比随着橡胶颗粒体积分数的不断增加而增加; 而在动剪应变大于0.1%时,阻尼比随着橡胶颗粒体积分数的不断增加而减小; 这个阻尼比分界点所对应的动剪应变大小随着竖向应力的增大而不断增大。造成这种现象的原因是,在动剪应变较小的时候,混合土依靠橡胶颗粒的形变吸收能量,所以橡胶颗粒体积分数越大的混合土阻尼比越大。但随着动剪应变的不断增大,混合土吸收能量的方式由橡胶颗粒的形变吸收能量转变为各颗粒之间的摩擦吸收能量。随着橡胶颗粒的掺入,土颗粒之间的接触减少,土颗粒与橡胶颗粒之间的接触增加,而土颗粒之间的摩阻力大于橡胶颗粒和土颗粒之间的摩阻力。这造成在动剪应变较大时,橡胶颗粒体积分数越小吸收能量越多。因此,在动剪应变较小(<0.1%)时,橡胶颗粒体积分数越高的混合土阻尼比越大; 在动剪应变较大(>0.1%)时,橡胶颗粒体积分数越低的混合土阻尼比越大。

图 12 不同竖向应力作用下混合土的阻尼比变化
Fig.12 Changes in damping ratio of mixed soil under different vertical stresses

橡胶-粉土混合土可作为一种新型的减震隔震材料,应用前景非常广泛。混合土中有了橡胶颗粒的存在,减小了橡胶颗粒-粉土混合物的动剪切模量,这证明橡胶颗粒-粉土混合土有着较小的剪切刚度; 同时在较小动剪应变下,橡胶-粉土混合土拥有更高的阻尼比,可以更好地吸收动荷载的能量。这使得用橡胶颗粒改良混合土作为基础减震隔震体系成为可能。例如刘方成等^[16]对橡胶颗粒质量配比为30%的土工格室加筋橡胶砂垫层进行了隔震试验,发现其具有良好的隔震效果,可用于低层房屋的隔震方法; 周恩全等^[17]研究了当橡胶-粉土轻质混合土作为路基填料时,橡胶颗粒的加入能有效减小路基表层沉降,同时能明显减小埋地管道的应变及弯矩响应。

橡胶加筋土工程不仅能为工程提供质优价廉的轻质混合土材料,还能回收利用大量废旧轮胎,减轻废旧轮胎造成的环境污染问题。以作为路基的填土为例,根据不同的橡胶颗粒体积分数和路基填土所需的体积V_s,填土能消耗的废旧轮胎体积数V_r如图 13所示。

图 13 橡胶颗粒体积消耗量
Fig.13 Rubber volume consumption

本研究通过对橡胶-粉土混合土进行一系列循环剪切试验,分析了不同竖向应力作用下橡胶颗粒体积分数对混合土应力-应变的影响,主要结论如下:

1)混合土的动剪切模量随着竖向应力的增加而增加,随着动剪应变的增大而减小; 阻尼比随着竖向应力的增大而减小,随着动剪应变的增大而增大。

2)橡胶颗粒体积分数对混合土的动剪切模量的影响显著,随着橡胶颗粒体积分数的不断增加,动剪切模量不断减小。

3)在较低应力作用下,橡胶颗粒体积分数对混合土的模量退化影响并不明显; 在较高应力作用下,橡胶颗粒体积分数越大,模量衰减越明显。

4)橡胶颗粒体积分数对阻尼比的影响分为两个阶段:在动剪应变小于0.1%时,混合土的阻尼比随着橡胶颗粒体积分数的增加而增加; 而在动剪应变大于0.1%时,阻尼比随着橡胶颗粒体积分数的增加而减小。

5)用Hardin-Drnevich双曲线模型对混合土的应力-应变曲线进行拟合,得到了不同竖向应力和动剪应变作用下的动剪切模量拟合值,拟合出最大动剪切模量。

橡胶-粉土混合土在橡胶颗粒体积分数为10%时综合动力学性能相对较好,相比纯粉土动剪切模量降低较少,且在较小动剪应变条件下拥有更高的阻尼比。这更有利于混合土的减震和吸收能量,可以作为轻质减震隔震材料; 同时也能回收利用废旧轮胎,可在一定程度上缓解中国日益严重的废旧轮胎环境污染问题。