改良廢舊輪胎混合材料動力特性試驗研究

余偉，尹平保，楊朝暉，羅佩婷

改良廢舊輪胎混合材料動力特性試驗研究

余偉1, 2，尹平保1, 2，楊朝暉1, 2，羅佩婷1, 2

(1. 長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2. 長沙理工大學 南方地區橋梁長期性能提升技術國家地方工程實驗室，湖南 長沙 410114)

為深入研究凍融循環條件下廢舊輪胎顆粒材料的改良方法及動力特性，通過室內試驗，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行動三軸試驗，獲得了不同溫度、凍融循環次數和循環加載次數下試樣的動應力?動應變關系曲線。試驗結果表明：在動應變5%以內，混合材料試樣的動應力?動應變關系曲線無明顯峰值點，具有顯著的應變強硬化特征；在?15～20 ℃范圍內，試樣的破壞強度隨溫度降低而增加，隨凍融循環次數和循環加載次數增加而降低，而且兩者對常溫試樣破壞強度影響較小，對凍結試樣影響較大。

廢舊輪胎；動三軸試驗；動應力?動應變曲線；凍融循環

對于季節性凍土地區的橋梁工程，樁周近地表土體的力學性能受溫度及凍融循環的影響較大，尤其是冬季，樁周部分土體凍結，使得橋梁樁基側向位移性能大大降低。地震等水平動載作用下，極易導致樁基發生開裂、折斷等脆性破壞[1?2]。為提高寒區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的近地表土體進行置換。因此，尋找或研發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，給環境保護帶來了巨大壓力[3?4]。為促進廢舊輪胎資源化利用，國內外許多學者提出將廢舊輪胎進行回收加工后，可制成具有輕質、高阻尼及彈性變形好的橡膠顆粒，并將其改良應用于公路路基、邊坡、擋土墻、垃圾填埋場回填等工程[5?6]。Brara[7]等人研究發現小應變動剪切模量隨橡膠體積含量的增加而減小，而小應變阻尼比隨橡膠體積含量增加而呈線性增長。李麗華[8]等人通過動三軸試驗，研究了橡膠含量對橡膠砂混合物的動強度和動彈性模量的影響，其結果表明：混合物的動強度略低于純凈砂土的，動彈性模量隨著橡膠含量的增加而減小。劉方成[9]等人應用循環單剪試驗，研究了大應變下干燥橡膠砂的動剪切模量及阻尼比的變化規律，結果表明：相對于純砂，橡膠砂的動剪切模量與阻尼比均隨動應變幅值增大而減小。吳孟桃[10]等人利用大型循環單剪試驗，研究了橡膠砂動剪切模量和阻尼比隨含水率的變化規律，表明：橡膠砂動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]等人利用動三軸研究了廢棄輪胎橡膠顆粒輕質混合土(簡稱為RST輕質土)動變形特征，表明：動彈性模量隨圍壓和水泥的摻量增大而增大，并發現橡膠顆粒摻量增多時，動彈性?動應變(d?d)曲線趨于平緩。盧震[12]等人利用動三軸等試驗，驗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橡膠瀝青性能的影響。這些成果都是針對常溫條件下廢舊輪胎顆粒材料的動力特性進行的研究工作，對低溫條件下橡膠顆粒材料特性方面的研究鮮見。因此，作者擬通過添加砂和膠結料等方式，改良廢舊輪胎顆粒材料，并進行不同溫度和凍融循環次數的動三軸試驗，研究其動應力?應變關系曲線，分析各因素對改良廢舊輪胎顆?；旌喜牧蟿恿μ匦缘挠绊?。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本試驗材料由橡膠顆粒、試驗砂和膠結料組成。其中，橡膠顆粒為廢舊輪胎經機械打碎而成，其粒徑范圍為1.00～5.00 mm，平均粒徑為2.81 mm，不均勻系數為2.68，曲率系數為1.35，堆積密度為0.68 g/cm3。試驗砂為級配不良的礫砂，平均粒徑為2.79 mm，不均勻系數為1.40，曲率系數為0.89，堆積密度為1.87 g/cm3，表觀密度為2.68 g/cm3。試驗所用膠結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和彎曲疲勞，施工方便，耐受低溫，固化后黏結強度高以及彈性好等特點，現已廣泛用于橡膠、陶瓷、塑料黏接、塑膠跑道鋪設及修復等工程領域。橡膠顆粒和試驗砂如圖1所示，對應的級配曲線如圖2所示。

圖1 試驗材料

圖2 試驗材料級配曲線

1.2 試樣制備及凍融循環

依據《公路土工試驗規程(JTG E40—2007)》[14]中重塑土樣標準制備方法，批量制備試樣。制樣時，采用三瓣試模人工擊實成型，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，不斷進行優化。采用密度控制法，批量制備試樣。具體制樣過程為：首先，將橡膠顆粒與試驗砂按照質量比為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料按照質量比為5:1(膠結料過量會造成試樣底部膠結料析出)的比例進行拌合后備用；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

混合材料滲透試驗結果顯示該材料滲透系數小于0.03 cm/d，具有良好的防水性能。因此，在凍融循環過程中，可不進行飽水。試樣凍融循環過程為：①制備好的試樣由20 ℃凍結到?20 ℃(溫度傳感器模塊測定試樣中心達?20 ℃約需3.5 h)；②試樣在?20 ℃的環境中，保持5 h，取出試樣，置于20 ℃環境中，自然解凍8.5 h，即為完成一次凍融循環。如此反復，直至將試樣完成規定的凍融循環次數。

1.3 試驗設備

本試驗采用的儀器為英國GDS液壓靜動三軸儀。三軸儀主要技術參數為：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，并配有自動數控與數據采集系統。

1.4 試驗方案

本試驗目的在于測試不同溫度和凍融循環次數下試樣的動應力?動應變關系曲線。試驗共設計了4種不同的試驗溫度，分別為=20 ℃、?5 ℃、?10 ℃及?15 ℃，并將試樣進行了0、25、50次凍融循環，圍壓為25 kPa。動力變形時，加載頻率為1 Hz，采用應變控制分級加載方式，分5級加載。其中，加載應變幅值分別為1%、2%、3%、4%、5%，每級循環加載次數達到100次時，終止該級試驗。試驗加載期間，儀器自動采集動態圍壓、油溫、軸向動應力與動應變、徑向應力與應變等數據。

2 動應力?動應變曲線分析

2.1 溫度T的影響

為分析溫度對試樣動應力d與動應變d關系的影響，選取溫度=20.0 ℃、?5.0 ℃、?10.0 ℃及?15.0 ℃，凍融循環次數=25次，循環加載次數為100次的試樣進行分析，其d?d關系曲線如圖4所示。

圖4 溫度對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應力?動應變曲線無明顯峰值點，均表現為應變強硬化的特征。對于應變強硬化的動應力?動應變曲線，依據《地基動力特性測試規范(GB/T 50269—2015)》[15]建議，取土樣彈性應變與塑性應變之和等于5%時的應力值作為破壞強度。因此，本試驗結合實際工程，將混合材料試樣軸向動應變d=5%時對應的動應力值作為其破壞強度df，即：

式中：df為混合材料試樣的破壞強度；d為試樣的軸向動應力；d為軸向動應變。

從圖4中還可以看出，d=5%時，混合材料試樣的破壞強度df隨溫度降低而增大。試樣溫度=20.0 ℃、?5.0 ℃、?10.0 ℃及?15.0 ℃時，對應的破壞強度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度進行對比，對應增幅分別為：50.9%、31.0%、22.4%。表明：其他條件不變時，混合材料試樣從常溫狀態降溫至凍結狀態后，其破壞強度逐漸增大；而對于凍結試樣，隨著溫度降低，其破壞強度增幅逐漸減小。

2.2 凍融循環次數N的影響

現有研究表明，凍融循環對季節性凍土強度的影響不容忽視[16?17]。為分析凍融循環對試樣d?d關系的影響，選取溫度為20.0 ℃、?5.0 ℃，凍融循環次數=0、25、50次，循環加載次數為100次的試樣進行分析，其d?d關系曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，在相同的試驗溫度下，凍融循環對混合材料試樣的破壞強度影響十分明顯，均隨凍融循環次數增加而降低。從圖5(a)中可以看出，分別經歷0、25、50次凍融循環之后的常溫試樣(=20 ℃)，其對應的破壞強度分別為364.5 kPa、348.0 kPa和315.8 kPa。與=0次相比，為25次和50次試樣的破壞強度降低幅度分別為4.5%和13.3%。而對于試驗溫度=?15.0 ℃的凍結試樣，經歷50次凍融循環之后，破壞強度降低幅度為25.2%。表明：凍融循環對常溫試樣的破壞強度影響較小，而對凍結試樣的強度影響較大。這是因為凍融循環在一定程度上降低了試樣橡膠顆粒、砂與膠結材料的黏結力，從而影響材料的強度特性。

2.3 循環加載次數的影響

為分析循環加載次數對試樣d?d關系的影響，選取凍融循環次數=50次，溫度為20.0 ℃、?15.0 ℃的試樣進行分析，其d?d曲線如圖6所示。

圖5 凍融循環次數對σd?εd曲線的影響

從圖6中可以看出，不同溫度下的d?d關系曲線呈現相似的變化趨勢，其破壞強度隨著循環加載次數增加而降低，最終趨于穩定。從圖6(a)中可以看出，對于常溫試樣(=20 ℃)，其破壞強度隨著循環加載次數的增大逐漸降低，循環加載次數為1、20、40、100次時，其破壞強度分別為344.6 kPa、318.4 kPa、333.2 kPa、315.8 kPa，與加載1次相比，其破壞強度分別衰減了3.4%、7.6%和8.4%。而對于凍結試樣(=?15 ℃)，其破壞強度發生較大幅度的衰減，并表現出兩階段的變化特征：①初始階段，主要表現為破壞強度迅速衰減；②穩定階段，主要表現為破壞強度衰減速率變緩，并逐漸趨于穩定。當循環加載次數為1次時，其破壞強度為856.6 kPa；當循環加載至20次時，其破壞強度衰減至708.4 kPa，衰減幅值為17.3%；當循環加載至40、60、80、100次時，后者相較于前者的衰減幅值分別為2.7%、2.1%、1.6%、0.7%。試驗循環加載100次后，其破壞強度累計衰減幅值為23.0%。表明：循環加載次數對常溫試樣影響較小，而對凍結試樣的影響較大。這是因為試樣在加載之前，顆粒間已經形成相對穩定的骨架結構與黏結作用。低次數循環荷載作用下，試樣從穩定狀態驟然達到最大軸向應變，使得試樣骨架結構及膠結面發生破壞。低次數循環加載對凍結試樣的破壞強度影響更大，當循環加載次數大于20次后，試樣內部結構趨于穩定。

圖6 循環加載次數對σd?εd曲線的影響

3 結論

通過對一定級配的廢舊輪胎顆粒材料進行改良，確定了混合材料的配比及制樣方法，并進行了不同溫度和凍融循環次數的動三軸試驗，獲得了相應的動應力?動應變關系曲線，得到結論：

1) 動應變5%內，混合材料試樣的動應力?動應變曲線無明顯峰值點，表現出顯著的應變強硬化型特征，試樣破壞強度隨溫度降低而增加。試樣從20 ℃轉至?5 ℃后，其破壞強度增幅較大。凍結試樣的破壞強度隨著溫度降低，其增幅逐漸減小。表明：改良廢舊輪胎混合材料強度適中，結構穩定。

2) 相同試驗溫度下，試樣的破壞強度隨凍融循環次數增加而降低。相對來說，凍融循環對凍結試樣破壞強度的影響更為顯著。表明：廢舊輪胎可用于置換季節性凍土區樁周的部分土體，亦可在公路路基、邊坡及擋土墻等工程中應用。

3) 混合材料試樣的破壞強度先隨循環加載次數增加而降低，然后趨于穩定。循環加載次數對常溫試樣的影響較小，對凍結試樣的影響較大。

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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

國家自然科學基金資助項目(51878069，52078055)；湖南省自然科學基金項目(2019JJ50647)；長沙理工大學南方地區橋梁長期性能提升技術國家地方工程實驗室開放基金資助項目(18KE01)；湖南省教育廳科學研究項目(20A001)

余偉(1995?)，長沙理工大學碩士生。