單軸壓力下RST輕質(zhì)土變形特性及其細觀機理分析

辛 凌,沈 揚,劉漢龍,何 稼

隨著機動車輛的普及,廢棄輪胎造成的污染問題日益嚴(yán)重,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了將其應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域的研究.Bosscher等[1-2]將廢棄輪胎碎片與土的混合物用作路基填筑材料;Pierce等[3]用廢棄輪胎生產(chǎn)流動性填料;Rowe等[4]對廢棄輪胎粉碎物用作垃圾填埋場過濾層進行了試驗研究.之前已有學(xué)者將發(fā)泡聚苯乙烯(expanded poly-styrene,EPS)顆粒應(yīng)用到巖土工程領(lǐng)域[5-7].肖衡林等[8]用廢棄輪胎制作加筋擋土墻和加筋堤;傅大放等[9]開展了廢棄輪胎膠粉干法改性熱拌瀝青混合料的研究;王金忠等[10]介紹了國外將廢棄輪胎碎片作為高速公路輕質(zhì)填料的設(shè)計方法.

廢棄輪胎橡膠顆粒輕質(zhì)混合土(lightweight soil mixed with rubber chips of scrap tires,RST輕質(zhì)土)是由廢棄輪胎顆粒、原料土、水泥和水混合而成的一種新型土工材料.它不僅解決了廢棄輪胎造成的環(huán)境問題,并且具有輕質(zhì)高強的特點,特別可以適用于我國長三角地區(qū)的軟土地基處理.為將RST輕質(zhì)土應(yīng)用到工程領(lǐng)域,本文研究了其應(yīng)力-應(yīng)變曲線性態(tài)和其細觀結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變化規(guī)律,并找出它們的內(nèi)在聯(lián)系,為進一步研究該新型輕質(zhì)環(huán)保材料的力學(xué)性質(zhì)和本構(gòu)關(guān)系提供依據(jù).

1 試驗儀器

試驗使用的儀器:(a)應(yīng)變控制式無側(cè)限抗壓強度儀;(b)河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所自主研制開發(fā)的,集加載、觀測和圖像數(shù)值處理為一體的巖土微細結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng).

圖1 巖土微細結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Principles of fabric-observation optical system for geomaterials

圖1是巖土微細結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)的原理圖.系統(tǒng)由3部分組成:加載系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng).其工作原理簡述如下:由CCD攝像頭拍攝、光學(xué)顯微鏡放大的微細圖像和由傳感器測得的壓力位移數(shù)據(jù),通過光纜傳輸?shù)接嬎銠C中,然后經(jīng)圖像分析軟件GEOIMAGE對圖像和數(shù)據(jù)進行分析處理[11].在現(xiàn)有的巖土微細結(jié)構(gòu)圖像分析系統(tǒng)中,巖土微細結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)有其自身的特點和優(yōu)勢.本文選用巖土微細結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)有3點原因:(a)可以實時采集加載過程中的微細結(jié)構(gòu)圖像.(b)試樣制備方法相對簡便易行,而且對材料的原始擾動較小.(c)橡膠顆粒粒徑大,平均粒徑為4.5mm,不需要使用電鏡掃描等放大倍數(shù)較高的試驗儀器.

2 原材料性質(zhì)及試驗方法

2.1 原材料性質(zhì)

試驗所用的橡膠顆粒由廢棄輪胎粉碎而成.顆粒粒徑分布范圍為4.3～4.8mm,平均粒徑為4.5mm,相對密度(以4℃水的密度為參考密度)為1.25,形狀為有棱角的不規(guī)則形狀.原料土取自寧波繞城高速公路西段、深度為2～2.5m的工程棄土.水泥采用標(biāo)號325普通硅酸鹽水泥.

2.2 試驗方法

先烘干原料土,將混合物的各種原料按照一定配比混合均勻,之后將制備好的混合物按照分層壓實的方法分3次壓入直徑為61.8mm、高為125mm三開模內(nèi),放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護.養(yǎng)護1d后,試樣已經(jīng)形成一定強度,拆模,再放回養(yǎng)護箱,繼續(xù)養(yǎng)護至規(guī)定齡期.由于巖土微細結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)的加載艙是半圓柱形[12],其制樣方法與無側(cè)限抗壓強度試驗的制樣方法有一些區(qū)別,在拆模后需將圓柱形試樣的對稱面用鋼絲鋸在其表面切割一定深度,并用手掰成2個半圓柱形,再將分割后的試樣放回養(yǎng)護箱,繼續(xù)養(yǎng)護至規(guī)定齡期(28d).

無側(cè)限抗壓強度試驗操作參照GB/T50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行,每0.1mm變形量讀1次數(shù)據(jù).細觀試驗操作參考文獻[11-12].

3 RST輕質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

RST輕質(zhì)土在單軸壓縮試驗中表現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是其最基本的力學(xué)性質(zhì)之一,是研究其強度、變形、裂縫開展的依據(jù).圖2是RST輕質(zhì)土在不同灰土比w(C)(水泥和風(fēng)干原料土(簡稱干土)的質(zhì)量比)、膠粒土比w(R)(橡膠顆粒和干土的質(zhì)量比)和水土比w(W)(水和干土的質(zhì)量比)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.需要指出的是,本文的水土比w(W)與通常定義的含水率 ω是不同的概念,RST輕質(zhì)土中添加了橡膠顆粒,其含水率是水與所有固體材料質(zhì)量之比.

圖2 不同灰土比、膠粒土比、水土比下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.2 Stress-strain curves under different rubber chip contents

增加灰土比可以增加RST輕質(zhì)土的剛度,如圖2(a)所示,隨著灰土比的增大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率和強度峰值相應(yīng)增大,強度峰值對應(yīng)的應(yīng)變減小.灰土比為10%時,曲線形態(tài)接近于重塑土,應(yīng)力峰值較不明顯,延性較大;灰土比為15%時,曲線形態(tài)類似于素混凝土,試樣表現(xiàn)出一定的脆性,在試驗過程中,當(dāng)應(yīng)變達到2%后,試樣迅速破壞,使得記錄試驗數(shù)據(jù)有一定的難度.

增加膠粒土比和水土比會降低應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率和峰值強度,如圖2(b),(c)所示.其中膠粒土比對RST輕質(zhì)土剛度的影響更顯著.這是因為橡膠顆粒與土顆粒以及水泥膠結(jié)結(jié)構(gòu)相比剛度要小得多.如果將RST輕質(zhì)土看作由橡膠顆粒和水泥土組成的兩相體[13],增加膠粒土比相當(dāng)于置換了同體積的水泥土,所以膠粒土比越高,RST輕質(zhì)土的剛度越低.由于水土比與膠粒土比相比,其變化幅度要小得多,而且水泥在成樣過程中會發(fā)生水化反應(yīng),所以對剛度的影響沒有膠粒土比明顯.

雖然RST輕質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)隨材料配合比的改變有所變化,但其基本性態(tài)是一致的.RST輕質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為隨應(yīng)變軟化型曲線.在曲線的初始階段應(yīng)變發(fā)展的速率比應(yīng)力快,有初始反彎段;之后曲線開始呈近似線性變化;在線彈性段之后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線進入塑性變形階段,曲線的斜率開始隨著應(yīng)變的增加而降低,直到應(yīng)力達到峰值,預(yù)示著應(yīng)力增長段的結(jié)束;最后試樣的承載力隨著應(yīng)變的增長而逐漸降低,應(yīng)力進入下降階段.圖3是膠粒土比為60%、灰土比為13%、水土比為80%試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(此配比具有代表性).

4 RST輕質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的細觀成因

物體的細觀特征可以用來確定材料的宏觀性能[14].RST輕質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線性態(tài)是其細觀結(jié)構(gòu)變化的宏觀體現(xiàn),試樣內(nèi)部孔洞、裂縫的發(fā)展變化則是其應(yīng)力-應(yīng)變曲線性態(tài)形成的內(nèi)部原因.因此本文采用巖土微細結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)觀測配合比與圖3中相同的試樣在單軸壓縮條件下的細觀特征圖像,并將圖像表現(xiàn)出的細觀結(jié)構(gòu)變化和圖3所示的宏觀應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征相對照,指出兩者的關(guān)系.

圖3 RST輕質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(w(R)=60%,w(C)=13%,w(W)=80%)Fig.3 Stress-strain curves of lightweight soil mixed with rubber chips of scrap tires(w(R)=60%,w(C)=13%,w(W)=80%)

圖4和圖5為試樣的漸進破壞過程.圖4是RST輕質(zhì)土在壓密階段即圖3中OA段的細觀漸進變化圖片組.細觀試驗可以揭示,在加荷初期最先發(fā)生變化的是試樣內(nèi)部的孔洞.如圖4所示,在OA段這些孔洞在外荷作用下體積逐漸變小,試樣逐漸被壓密,此時應(yīng)變發(fā)展的速度比應(yīng)力快,與應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓密階段的特征相符.這些孔洞產(chǎn)生的主要原因有2個:(a)雖然使用了分層壓實等方法盡量減少孔洞,但是在制樣過程中孔洞的產(chǎn)生仍無法避免.(b)水泥的水化過程會發(fā)生收縮,這也會造成孔洞.在壓密階段試樣內(nèi)部孔洞逐漸變小,但不會完全閉合.

圖4 試樣在壓密階段OA的細觀漸進變化圖像(比例尺1∶28.3)Fig.4 Progressive images of samples(OA)at compression phase(scale of 1:28.3)

當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系發(fā)展到彈性階段即圖3中的AB段,試樣的裂縫和孔洞沒有發(fā)生變化,相應(yīng)其微觀圖片停留在圖4(d)的狀態(tài),沒有明顯的特征變化.此時試樣內(nèi)部的孔洞不再減小,同時外荷還不足以產(chǎn)生新的裂縫,試樣表現(xiàn)出理想彈性性質(zhì),應(yīng)力、應(yīng)變之間呈線性關(guān)系.

當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系發(fā)展到塑性階段即圖3中的BC段,外荷造成的微裂縫開始在試樣內(nèi)部的孔洞及橡膠顆粒和水泥土的結(jié)合面這些薄弱部位發(fā)展,如圖5所示.姬鳳玲[15]曾對EPS輕質(zhì)混合土的細觀進行研究,認(rèn)為EPS輕質(zhì)混合土的微裂縫是在試樣內(nèi)部的孔洞及EPS顆粒和固化土的結(jié)合處產(chǎn)生的.圖5所示的觀測點其實既是橡膠顆粒和水泥土的結(jié)合處,也是試樣斷面原有的較大微裂縫的部位,此處橡膠顆粒和水泥之間有一條較大的微裂縫,如圖5(a)所示.在外荷的作用下,由于該部位是試樣的薄弱部位,所以會發(fā)生應(yīng)力集中.當(dāng)應(yīng)力達到其強度極限時,產(chǎn)生了由外荷造成的微裂縫.隨著外荷的繼續(xù)增加,裂縫向次一級的薄弱部位發(fā)展,所以裂縫一般是沿著孔洞及橡膠顆粒和水泥土的結(jié)合面發(fā)展的.這一過程循環(huán)往復(fù),裂縫沿著試樣內(nèi)部的薄弱部位不斷發(fā)展.當(dāng)外荷達到某個值時,孔洞和結(jié)合面處裂縫端部的平均應(yīng)力達到該局部水泥土區(qū)域內(nèi)的平均強度極限,裂縫開始向水泥土區(qū)域延伸,并不斷發(fā)展.由于不可逆的裂縫已經(jīng)產(chǎn)生,所以這個階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不再是直線,而是一條斜率不斷減小的曲線,與應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑性變形階段的特征相符.
當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系發(fā)展到軟化階段即圖3中的C點之后,試樣內(nèi)部開始產(chǎn)生局部貫通性裂縫(用現(xiàn)有的細觀儀器還很難取得良好的成像效果),應(yīng)力達到峰值,并開始下降,此階段隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力不斷減小,此后承載力主要來自裂縫處滑移面上的摩擦咬合作用.

圖5 試樣在塑性變形階段BC的細觀漸進變化圖像(比例尺1∶10.6)Fig.5 Progressive images of samples(BC)at plastic deformation phase(scale of 1:10.6)

5 結(jié) 論

a.RST輕質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系隨著配合比的變化而有規(guī)律地變化.但其應(yīng)力-應(yīng)變曲線皆為軟化型,并可以概括為4個特征階段:壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段和軟化階段.

b.RST輕質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線性態(tài)是其細觀結(jié)構(gòu)變化的宏觀體現(xiàn).應(yīng)力-應(yīng)變曲線的每個特征階段都可以通過其細觀孔隙、裂隙的發(fā)展過程找到宏觀現(xiàn)象的細觀成因.宏觀現(xiàn)象和細觀變化是統(tǒng)一的.

c.在處于加載初期的壓密階段,最先發(fā)生變形的是RST輕質(zhì)土內(nèi)部的孔洞.在外荷的作用下,孔洞有閉合的趨勢,但不會完全消失.孔洞產(chǎn)生的原因有2個:一是制樣時無法將試樣完全壓實;二是水泥的水化作用.

d.由外荷造成的裂縫的出現(xiàn)標(biāo)志著塑性變形階段的開始,這些裂縫最先在橡膠顆粒和水泥土的結(jié)合面以及試樣內(nèi)部的孔洞處發(fā)生.隨著外荷的增加,裂縫會向次一級的薄弱部位發(fā)展,這一過程循環(huán)往復(fù),直到試樣破壞.

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