余偉，尹平保，楊朝暉，羅佩婷

改良廢舊輪胎混合材料動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

余偉1, 2，尹平保1, 2，楊朝暉1, 2，羅佩婷1, 2

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 南方地區(qū)橋梁長(zhǎng)期性能提升技術(shù)國(guó)家地方工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

為深入研究?jī)鋈谘h(huán)條件下廢舊輪胎顆粒材料的改良方法及動(dòng)力特性，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，確定了廢舊輪胎顆粒材料的改良配比。利用改良后的廢舊輪胎混合材料制備了若干試樣進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，獲得了不同溫度、凍融循環(huán)次數(shù)和循環(huán)加載次數(shù)下試樣的動(dòng)應(yīng)力?動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：在動(dòng)應(yīng)變5%以內(nèi)，混合材料試樣的動(dòng)應(yīng)力?動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線無(wú)明顯峰值點(diǎn)，具有顯著的應(yīng)變強(qiáng)硬化特征；在?15～20 ℃范圍內(nèi)，試樣的破壞強(qiáng)度隨溫度降低而增加，隨凍融循環(huán)次數(shù)和循環(huán)加載次數(shù)增加而降低，而且兩者對(duì)常溫試樣破壞強(qiáng)度影響較小，對(duì)凍結(jié)試樣影響較大。

廢舊輪胎；動(dòng)三軸試驗(yàn)；動(dòng)應(yīng)力?動(dòng)應(yīng)變曲線；凍融循環(huán)

對(duì)于季節(jié)性凍土地區(qū)的橋梁工程，樁周近地表土體的力學(xué)性能受溫度及凍融循環(huán)的影響較大，尤其是冬季，樁周部分土體凍結(jié)，使得橋梁樁基側(cè)向位移性能大大降低。地震等水平動(dòng)載作用下，極易導(dǎo)致樁基發(fā)生開(kāi)裂、折斷等脆性破壞[1?2]。為提高寒區(qū)橋梁樁基的抗凍及抗震性能，可利用防水、抗凍材料將樁周凍深范圍內(nèi)的近地表土體進(jìn)行置換。因此，尋找或研發(fā)一種具有防水抗凍性能的土工材料尤其重要。全球廢舊輪胎日益增多，給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)了巨大壓力[3?4]。為促進(jìn)廢舊輪胎資源化利用，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出將廢舊輪胎進(jìn)行回收加工后，可制成具有輕質(zhì)、高阻尼及彈性變形好的橡膠顆粒，并將其改良應(yīng)用于公路路基、邊坡、擋土墻、垃圾填埋場(chǎng)回填等工程[5?6]。Brara[7]等人研究發(fā)現(xiàn)小應(yīng)變動(dòng)剪切模量隨橡膠體積含量的增加而減小，而小應(yīng)變阻尼比隨橡膠體積含量增加而呈線性增長(zhǎng)。李麗華[8]等人通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了橡膠含量對(duì)橡膠砂混合物的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量的影響，其結(jié)果表明：混合物的動(dòng)強(qiáng)度略低于純凈砂土的，動(dòng)彈性模量隨著橡膠含量的增加而減小。劉方成[9]等人應(yīng)用循環(huán)單剪試驗(yàn)，研究了大應(yīng)變下干燥橡膠砂的動(dòng)剪切模量及阻尼比的變化規(guī)律，結(jié)果表明：相對(duì)于純砂，橡膠砂的動(dòng)剪切模量與阻尼比均隨動(dòng)應(yīng)變幅值增大而減小。吳孟桃[10]等人利用大型循環(huán)單剪試驗(yàn)，研究了橡膠砂動(dòng)剪切模量和阻尼比隨含水率的變化規(guī)律，表明：橡膠砂動(dòng)剪切模量隨含水率的增大而增大，阻尼比隨含水率的增大而減小?？椎律璠11]等人利用動(dòng)三軸研究了廢棄輪胎橡膠顆粒輕質(zhì)混合土(簡(jiǎn)稱為RST輕質(zhì)土)動(dòng)變形特征，表明：動(dòng)彈性模量隨圍壓和水泥的摻量增大而增大，并發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒摻量增多時(shí)，動(dòng)彈性?動(dòng)應(yīng)變(d?d)曲線趨于平緩。盧震[12]等人利用動(dòng)三軸等試驗(yàn)，驗(yàn)證了橡膠混合土具有較好的隔震減震性能。馮明林[13]等人研究了橡膠粉的種類和摻量對(duì)橡膠瀝青性能的影響。這些成果都是針對(duì)常溫條件下廢舊輪胎顆粒材料的動(dòng)力特性進(jìn)行的研究工作，對(duì)低溫條件下橡膠顆粒材料特性方面的研究鮮見(jiàn)。因此，作者擬通過(guò)添加砂和膠結(jié)料等方式，改良廢舊輪胎顆粒材料，并進(jìn)行不同溫度和凍融循環(huán)次數(shù)的動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究其動(dòng)應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線，分析各因素對(duì)改良廢舊輪胎顆?；旌喜牧蟿?dòng)力特性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料由橡膠顆粒、試驗(yàn)砂和膠結(jié)料組成。其中，橡膠顆粒為廢舊輪胎經(jīng)機(jī)械打碎而成，其粒徑范圍為1.00～5.00 mm，平均粒徑為2.81 mm，不均勻系數(shù)為2.68，曲率系數(shù)為1.35，堆積密度為0.68 g/cm3。試驗(yàn)砂為級(jí)配不良的礫砂，平均粒徑為2.79 mm，不均勻系數(shù)為1.40，曲率系數(shù)為0.89，堆積密度為1.87 g/cm3，表觀密度為2.68 g/cm3。試驗(yàn)所用膠結(jié)料為單組份聚氨酯膠水，由氨酯基和異氰酸酯基聚酯組成。該材料具有耐受沖擊震動(dòng)和彎曲疲勞，施工方便，耐受低溫，固化后黏結(jié)強(qiáng)度高以及彈性好等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用于橡膠、陶瓷、塑料黏接、塑膠跑道鋪設(shè)及修復(fù)等工程領(lǐng)域。橡膠顆粒和試驗(yàn)砂如圖1所示，對(duì)應(yīng)的級(jí)配曲線如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)材料

圖2 試驗(yàn)材料級(jí)配曲線

1.2 試樣制備及凍融循環(huán)

依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40—2007)》[14]中重塑土樣標(biāo)準(zhǔn)制備方法，批量制備試樣。制樣時(shí)，采用三瓣試模人工擊實(shí)成型，該試模直徑為101 mm，高度為200 mm。為保證試樣具有一定的抗浮性和防水等特性，不斷進(jìn)行優(yōu)化。采用密度控制法，批量制備試樣。具體制樣過(guò)程為：首先，將橡膠顆粒與試驗(yàn)砂按照質(zhì)量比為3:2的比例均勻拌和；其次，將拌和后的混合料與聚氨酯膠結(jié)料按照質(zhì)量比為5:1(膠結(jié)料過(guò)量會(huì)造成試樣底部膠結(jié)料析出)的比例進(jìn)行拌合后備用；最后，稱取約1 900 g混合料(控制試樣密度約為1.30 g/cm3)，置于三瓣試模中，分三層，每層擊實(shí)15次，待試樣凝固成型，脫模。成型后的試樣如圖3所示。

圖3 試樣制備

混合材料滲透試驗(yàn)結(jié)果顯示該材料滲透系數(shù)小于0.03 cm/d，具有良好的防水性能。因此，在凍融循環(huán)過(guò)程中，可不進(jìn)行飽水。試樣凍融循環(huán)過(guò)程為：①制備好的試樣由20 ℃凍結(jié)到?20 ℃(溫度傳感器模塊測(cè)定試樣中心達(dá)?20 ℃約需3.5 h)；②試樣在?20 ℃的環(huán)境中，保持5 h，取出試樣，置于20 ℃環(huán)境中，自然解凍8.5 h，即為完成一次凍融循環(huán)。如此反復(fù)，直至將試樣完成規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用的儀器為英國(guó)GDS液壓靜動(dòng)三軸儀。三軸儀主要技術(shù)參數(shù)為：圍壓范圍0～70.0 MPa，溫度范圍為?30.0～50.0 ℃，最大軸向位移為50 mm，并配有自動(dòng)數(shù)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.4 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)?zāi)康脑谟跍y(cè)試不同溫度和凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的動(dòng)應(yīng)力?動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4種不同的試驗(yàn)溫度，分別為=20 ℃、?5 ℃、?10 ℃及?15 ℃，并將試樣進(jìn)行了0、25、50次凍融循環(huán)，圍壓為25 kPa。動(dòng)力變形時(shí)，加載頻率為1 Hz，采用應(yīng)變控制分級(jí)加載方式，分5級(jí)加載。其中，加載應(yīng)變幅值分別為1%、2%、3%、4%、5%，每級(jí)循環(huán)加載次數(shù)達(dá)到100次時(shí)，終止該級(jí)試驗(yàn)。試驗(yàn)加載期間，儀器自動(dòng)采集動(dòng)態(tài)圍壓、油溫、軸向動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)變、徑向應(yīng)力與應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

2 動(dòng)應(yīng)力?動(dòng)應(yīng)變曲線分析

2.1 溫度T的影響

為分析溫度對(duì)試樣動(dòng)應(yīng)力d與動(dòng)應(yīng)變d關(guān)系的影響，選取溫度=20.0 ℃、?5.0 ℃、?10.0 ℃及?15.0 ℃，凍融循環(huán)次數(shù)=25次，循環(huán)加載次數(shù)為100次的試樣進(jìn)行分析，其d?d關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 溫度對(duì)σd?εd曲線的影響

從圖4中可以看出，廢舊輪胎混合材料試樣的動(dòng)應(yīng)力?動(dòng)應(yīng)變曲線無(wú)明顯峰值點(diǎn)，均表現(xiàn)為應(yīng)變強(qiáng)硬化的特征。對(duì)于應(yīng)變強(qiáng)硬化的動(dòng)應(yīng)力?動(dòng)應(yīng)變曲線，依據(jù)《地基動(dòng)力特性測(cè)試規(guī)范(GB/T 50269—2015)》[15]建議，取土樣彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變之和等于5%時(shí)的應(yīng)力值作為破壞強(qiáng)度。因此，本試驗(yàn)結(jié)合實(shí)際工程，將混合材料試樣軸向動(dòng)應(yīng)變d=5%時(shí)對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力值作為其破壞強(qiáng)度df，即：

式中：df為混合材料試樣的破壞強(qiáng)度；d為試樣的軸向動(dòng)應(yīng)力；d為軸向動(dòng)應(yīng)變。

從圖4中還可以看出，d=5%時(shí)，混合材料試樣的破壞強(qiáng)度df隨溫度降低而增大。試樣溫度=20.0 ℃、?5.0 ℃、?10.0 ℃及?15.0 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的破壞強(qiáng)度df分別為364.5 kPa、550.0 kPa、720.5 kPa、882.0 kPa。分別與前者的破壞強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)應(yīng)增幅分別為：50.9%、31.0%、22.4%。表明：其他條件不變時(shí)，混合材料試樣從常溫狀態(tài)降溫至凍結(jié)狀態(tài)后，其破壞強(qiáng)度逐漸增大；而對(duì)于凍結(jié)試樣，隨著溫度降低，其破壞強(qiáng)度增幅逐漸減小。

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)N的影響

現(xiàn)有研究表明，凍融循環(huán)對(duì)季節(jié)性凍土強(qiáng)度的影響不容忽視[16?17]。為分析凍融循環(huán)對(duì)試樣d?d關(guān)系的影響，選取溫度為20.0 ℃、?5.0 ℃，凍融循環(huán)次數(shù)=0、25、50次，循環(huán)加載次數(shù)為100次的試樣進(jìn)行分析，其d?d關(guān)系曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，在相同的試驗(yàn)溫度下，凍融循環(huán)對(duì)混合材料試樣的破壞強(qiáng)度影響十分明顯，均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低。從圖5(a)中可以看出，分別經(jīng)歷0、25、50次凍融循環(huán)之后的常溫試樣(=20 ℃)，其對(duì)應(yīng)的破壞強(qiáng)度分別為364.5 kPa、348.0 kPa和315.8 kPa。與=0次相比，為25次和50次試樣的破壞強(qiáng)度降低幅度分別為4.5%和13.3%。而對(duì)于試驗(yàn)溫度=?15.0 ℃的凍結(jié)試樣，經(jīng)歷50次凍融循環(huán)之后，破壞強(qiáng)度降低幅度為25.2%。表明：凍融循環(huán)對(duì)常溫試樣的破壞強(qiáng)度影響較小，而對(duì)凍結(jié)試樣的強(qiáng)度影響較大。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)在一定程度上降低了試樣橡膠顆粒、砂與膠結(jié)材料的黏結(jié)力，從而影響材料的強(qiáng)度特性。

2.3 循環(huán)加載次數(shù)的影響

為分析循環(huán)加載次數(shù)對(duì)試樣d?d關(guān)系的影響，選取凍融循環(huán)次數(shù)=50次，溫度為20.0 ℃、?15.0 ℃的試樣進(jìn)行分析，其d?d曲線如圖6所示。

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)σd?εd曲線的影響

從圖6中可以看出，不同溫度下的d?d關(guān)系曲線呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，其破壞強(qiáng)度隨著循環(huán)加載次數(shù)增加而降低，最終趨于穩(wěn)定。從圖6(a)中可以看出，對(duì)于常溫試樣(=20 ℃)，其破壞強(qiáng)度隨著循環(huán)加載次數(shù)的增大逐漸降低，循環(huán)加載次數(shù)為1、20、40、100次時(shí)，其破壞強(qiáng)度分別為344.6 kPa、318.4 kPa、333.2 kPa、315.8 kPa，與加載1次相比，其破壞強(qiáng)度分別衰減了3.4%、7.6%和8.4%。而對(duì)于凍結(jié)試樣(=?15 ℃)，其破壞強(qiáng)度發(fā)生較大幅度的衰減，并表現(xiàn)出兩階段的變化特征：①初始階段，主要表現(xiàn)為破壞強(qiáng)度迅速衰減；②穩(wěn)定階段，主要表現(xiàn)為破壞強(qiáng)度衰減速率變緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)循環(huán)加載次數(shù)為1次時(shí)，其破壞強(qiáng)度為856.6 kPa；當(dāng)循環(huán)加載至20次時(shí)，其破壞強(qiáng)度衰減至708.4 kPa，衰減幅值為17.3%；當(dāng)循環(huán)加載至40、60、80、100次時(shí)，后者相較于前者的衰減幅值分別為2.7%、2.1%、1.6%、0.7%。試驗(yàn)循環(huán)加載100次后，其破壞強(qiáng)度累計(jì)衰減幅值為23.0%。表明：循環(huán)加載次數(shù)對(duì)常溫試樣影響較小，而對(duì)凍結(jié)試樣的影響較大。這是因?yàn)樵嚇釉诩虞d之前，顆粒間已經(jīng)形成相對(duì)穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)與黏結(jié)作用。低次數(shù)循環(huán)荷載作用下，試樣從穩(wěn)定狀態(tài)驟然達(dá)到最大軸向應(yīng)變，使得試樣骨架結(jié)構(gòu)及膠結(jié)面發(fā)生破壞。低次數(shù)循環(huán)加載對(duì)凍結(jié)試樣的破壞強(qiáng)度影響更大，當(dāng)循環(huán)加載次數(shù)大于20次后，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

圖6 循環(huán)加載次數(shù)對(duì)σd?εd曲線的影響

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)一定級(jí)配的廢舊輪胎顆粒材料進(jìn)行改良，確定了混合材料的配比及制樣方法，并進(jìn)行了不同溫度和凍融循環(huán)次數(shù)的動(dòng)三軸試驗(yàn)，獲得了相應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力?動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線，得到結(jié)論：

1) 動(dòng)應(yīng)變5%內(nèi)，混合材料試樣的動(dòng)應(yīng)力?動(dòng)應(yīng)變曲線無(wú)明顯峰值點(diǎn)，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變強(qiáng)硬化型特征，試樣破壞強(qiáng)度隨溫度降低而增加。試樣從20 ℃轉(zhuǎn)至?5 ℃后，其破壞強(qiáng)度增幅較大。凍結(jié)試樣的破壞強(qiáng)度隨著溫度降低，其增幅逐漸減小。表明：改良廢舊輪胎混合材料強(qiáng)度適中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2) 相同試驗(yàn)溫度下，試樣的破壞強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低。相對(duì)來(lái)說(shuō)，凍融循環(huán)對(duì)凍結(jié)試樣破壞強(qiáng)度的影響更為顯著。表明：廢舊輪胎可用于置換季節(jié)性凍土區(qū)樁周的部分土體，亦可在公路路基、邊坡及擋土墻等工程中應(yīng)用。

3) 混合材料試樣的破壞強(qiáng)度先隨循環(huán)加載次數(shù)增加而降低，然后趨于穩(wěn)定。循環(huán)加載次數(shù)對(duì)常溫試樣的影響較小，對(duì)凍結(jié)試樣的影響較大。

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[17] 胡田飛,劉建坤,王青志,等.凍融循環(huán)下粉質(zhì)黏土不排水剪切性狀的試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018, 49(6): 1481?1490. (HU Tian-fei, LIU Jian-kun, WANG Qing-zhi, et al. Experimental study on undrained strength characteristics of silty clay after freeze-thaw cycling[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2018, 49(6):1481?1490.(in Chinese))

Experimental study on dynamic characteristics of improved waste tire materials

YU Wei1, 2, YIN Ping-bao1, 2, YANG Zhao-hui1, 2, LUO Pei-ting1, 2

(1. School of Civil Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China; 2. National-Local Joint Laboratory of Engineering Technology for Long-term Performance enhancement of Bridges in Southern District, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

In order to investigate the improvement methods and dynamic characteristics of waste tire granular materials under the freeze-thaw cycle condition. The experiment was carried out to improve the ratio of waste tire granular materials. The samples of improved waste tire mixed materials were prepared. The dynamic triaxial test was then performed to analyze the dynamic stress-dynamic strain characteristics influenced by temperature, freeze-thaw cycle and cycle loading. The results show that, within 5% of the dynamic strain, the dynamic stress-dynamic strain relationship curve of the mixed material sample is charactered by strain hardening without obvious peak point. In the range of ?15～20 ℃, the strength of sample increases with the decrease of temperature, and decreases with the increase of freeze-thaw cycles and cycle loading times. The freeze-thaw cycles and cycle loading times have little influence on the strength of normal temperature samples, but have significant influence on frozen samples.

waste tires; dynamic triaxial test; dynamic stress- dynamic strain curve; freeze-thaw cycle

TU411.8

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0055 ? 06

2020?09?28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51878069，52078055)；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2019JJ50647)；長(zhǎng)沙理工大學(xué)南方地區(qū)橋梁長(zhǎng)期性能提升技術(shù)國(guó)家地方工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(18KE01)；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(20A001)

余偉(1995?)，長(zhǎng)沙理工大學(xué)碩士生。