廢舊輪胎顆粒-砂混合物的水平循環(huán)剪切特性試驗(yàn)研究

徐小東，魯 洋，毛航宇，劉 錦，楊 齊

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京210098)

0 引言

多年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和汽車工業(yè)的飛速擴(kuò)張，汽車廢舊橡膠輪胎及其他廢舊橡膠制品的積累日趨增多．充分利用廢舊橡膠輪胎，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)其循環(huán)可持續(xù)利用，是利國(guó)利民的重要舉措［1］．由廢舊輪胎經(jīng)過(guò)機(jī)械破碎得到的輪胎橡膠顆粒由于其高彈性、高耗能性等特性，是良好的廉價(jià)土工材料． 將輪胎橡膠顆粒與天然河砂按一定比例配合，組成的混合物具有輕質(zhì)、高彈等良好的工程特性［2］．國(guó)內(nèi)外把廢舊輪胎顆粒-砂混合物作為一種新型的土工材料，用作路基填料和擋土墻填料，并對(duì)于這種新型的土工材料，開展了相關(guān)靜力特性的研究． Foose［3］和Ghazavi［4］等利用直剪試驗(yàn)裝置，研究了輪胎碎片顆粒混合砂土的抗剪強(qiáng)度性質(zhì);鄧安等［5］利用廢舊輪胎橡膠顆粒摻入到砂土填料，通過(guò)直剪和三軸壓縮試驗(yàn)，研究多種摻入比與不同圍壓條件下砂土剪切性狀;李朝暉等［6］選擇廢舊輪胎顆粒摻入黃土，研究了混合土的壓實(shí)特性;辛凌等［7］利用常規(guī)三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，研究了廢舊輪胎橡膠顆粒與土混合料的抗剪強(qiáng)度特性． 廢舊輪胎橡膠-砂混合物由于砂顆粒骨架具有較強(qiáng)的抵抗壓縮變形的能力，同時(shí)又由于輪胎橡膠顆粒良好的彈性變形能力而具有較好的水平剪切變形能力和減隔震性能．對(duì)于輪胎橡膠顆粒-砂混合物的動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究，目前還較少． 李麗華等［8］通過(guò)室內(nèi)數(shù)字化動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了廢舊輪胎顆粒含量及圍壓對(duì)混合土動(dòng)力參數(shù)的影響規(guī)律． Kostas Senetakis［9］利用共振柱研究了輪胎顆粒-砂混合物的動(dòng)力特性．筆者利用自行研制的大型水平循環(huán)剪切試驗(yàn)儀器，開展了廢棄輪胎顆粒-砂混合物動(dòng)力特性的研究，尤其是對(duì)不同粒徑的廢舊輪胎顆粒與砂混合物進(jìn)行了試驗(yàn)研究．

1 試驗(yàn)介紹

1．1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所采用的設(shè)備是河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究所自行研制的水平循環(huán)剪切試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)由試驗(yàn)控制系統(tǒng)、水平張拉系統(tǒng)、反力架系統(tǒng)、豎向加載系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)及疊環(huán)式剪切框等6 部分組成，如圖1 所示．

1．2 試樣制備

試樣的材料包括天然河砂、廢舊輪胎橡膠顆粒．廢舊輪胎顆粒-砂混合物作為一種回填料，回填的深度一般在地下水位以上，含水率接近為零［10］，本試驗(yàn)中的輪胎顆粒-砂混合物經(jīng)過(guò)室內(nèi)風(fēng)干，含水率約為3．5%，由于試樣含水率較小可近似等同于地基回填料，用于試驗(yàn)．試驗(yàn)中選用天然河砂的平均粒徑為0．25 ～0．35 mm，堆積密度約為1．47 g/cm3，顆粒的級(jí)配曲線如圖2 所示．選用的廢舊輪胎橡膠顆粒為普通機(jī)械破碎顆粒，采用1 ～3 mm 和8 ～10 mm 兩種粒徑尺寸，其堆積密度分別約為0．85 g/cm3和0．93 g/cm3．河砂與廢舊輪胎顆粒按體積比進(jìn)行混合，裝入剪切盒中．試樣的規(guī)格為直徑35．6 cm，高度30．0 cm．

圖1 水平循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置Fig．1 Horizontal cyclic shear test device

圖2 砂顆粒級(jí)配曲線Fig．2 Gradation curve of sand grain

1．3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用的是水平循環(huán)剪切的方法，使用自行研制的水平循環(huán)剪切試驗(yàn)機(jī)，能夠?qū)^大試樣的動(dòng)力特性進(jìn)行研究．本試驗(yàn)中采用8 種試樣如表1所示，廢舊輪胎顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%，20%，30%，40%，并與純砂做對(duì)比，試驗(yàn)中試樣豎向荷載分別為50，100，150，200 kPa．試驗(yàn)中水平最大剪應(yīng)變控制為1%，測(cè)定剪應(yīng)力和剪應(yīng)變．

2 試驗(yàn)結(jié)果

土體的等效動(dòng)剪切模量和等效阻尼比是描述土體動(dòng)力性能的重要參數(shù)［11-12］．由于土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性的，并且土體應(yīng)變對(duì)應(yīng)力反應(yīng)有一定的滯后性，所以當(dāng)土體受水平循環(huán)剪切時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)中剪切力與剪切位移量測(cè)結(jié)果可以繪出應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，形成橢圓狀的滯回圈，典型的滯回圈的形狀如圖3 所示．根據(jù)圖3，等效動(dòng)剪切模量Gp與等效阻尼比λ 的計(jì)算公式為

式中:τc，γc為滯回圈頂點(diǎn)的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變;AL為滯回圈的面積;SΔabc為三角形abc 的面積．

表1 試驗(yàn)中試樣的堆積密度Tab．1 Bulk density of test specimen

圖3 水平循環(huán)剪切試驗(yàn)下典型的應(yīng)力－應(yīng)變滯回圈Fig．3 Typical stress-strain hysteresis loop obtained from cyclic shear test

在不同豎向荷載50，100，150，200 kPa 作用下，最大剪應(yīng)變控制在1%，廢舊輪胎顆粒與砂體積比為20%，對(duì)試樣進(jìn)行水平循環(huán)剪切試驗(yàn)．圖4為不同粒徑廢舊輪胎顆粒-砂混合物的等效動(dòng)剪切模量隨豎向荷載變化的關(guān)系曲線． 圖5 為不同尺寸廢舊輪胎顆粒-砂混合物的等效阻尼比隨豎向荷載變化的關(guān)系曲線．

圖4 豎向荷載－等效動(dòng)剪切模量關(guān)系曲線Fig．4 Relationship curves of vertical load-dynamic equivalent shear modulus

圖5 豎向荷載－等效阻尼比關(guān)系曲線Fig．5 Relationship curves of vertical load-equivalent damping ratio

3 結(jié)果分析與討論

3．1 豎向荷載的影響

對(duì)不同粒徑的廢舊輪胎顆粒含量10%，20%，30%，40%混合物進(jìn)行試驗(yàn)，在豎向荷載為100 kPa 作用下，最大剪切應(yīng)變控制為1%． 圖6為不同粒徑的廢舊輪胎顆粒-砂混合物動(dòng)彈模量隨廢舊輪胎顆粒含量變化的關(guān)系曲線，圖7 為不同粒徑的廢舊輪胎顆粒-砂混合物的等效阻尼比隨廢舊輪胎含量變化的關(guān)系曲線．

圖6 輪胎顆粒含量－等效動(dòng)剪切模量關(guān)系曲線Fig．6 Relationship curves of particle contentdynamic equivalent shear modulus

圖7 輪胎顆粒含量－等效阻尼比關(guān)系曲線Fig．7 Relationship curves of particle contentequivalent damping ratio

從圖4 中可以看出，河砂中摻入廢舊輪胎顆粒后，等效動(dòng)剪切模量有所減小，廢舊輪胎顆粒-砂混合物的等效動(dòng)剪切模量隨著豎向荷載增加而變大，并且基本是呈線性關(guān)系．這是由于輪胎顆粒較砂顆粒更易于變形，故相對(duì)純砂來(lái)說(shuō)，河砂摻入輪胎顆粒后，所得到的混合物的剪切模量減小;在豎向荷載的作用下，輪胎橡膠顆粒-砂混合物中顆粒之間接觸變得緊密，豎向荷載越大，顆粒間接觸越緊密，并且大部分的體積變形在水平受剪切之前已經(jīng)完成，其抵抗水平剪切變形能力增強(qiáng)，故其等效動(dòng)剪切模量隨著豎向荷載增加而增大．

從圖5 可以看出，廢舊輪胎顆粒-砂混合物的等效阻尼比隨著豎向荷載的增加而減小，這是由于隨著豎向荷載加大，試樣中顆粒間接觸更加緊密，應(yīng)力波在試樣中傳播速度變快［13］，使得試樣對(duì)動(dòng)荷載的反應(yīng)速度變快，其等效阻尼比隨之減?。?/p>

3．2 廢舊輪胎顆粒含量的影響

從圖6 可以看出，隨著輪胎顆粒含量的增加，廢舊輪胎顆粒-砂混合物等效動(dòng)剪切模量逐漸減?。@是由于輪胎顆粒彈性較大，輪胎顆粒間接觸較多，與河砂混合后，試樣的彈性變大，隨著輪胎顆粒含量增加，輪胎顆粒間接觸增多，由于輪胎顆粒間接觸變形較大，試樣內(nèi)部抵抗水平剪切變形的能力減小，所以混合物的等效動(dòng)剪切模量逐漸減?。?/p>

從圖7 可以看出，粒徑較小廢舊輪胎顆粒的混合物在輪胎顆粒含量30%以內(nèi)時(shí)，等效阻尼比逐漸增加，當(dāng)輪胎顆粒含量為40%時(shí)，等效阻尼比有較大幅度減小． 這是由于等效阻尼比受應(yīng)力波在試樣中傳播速度的影響，剛開始輪胎顆粒含量逐漸增加時(shí)，應(yīng)力波傳播受到輪胎顆粒的阻礙，傳播速度變慢，對(duì)于動(dòng)力荷載的反應(yīng)變慢，所以其等效阻尼比逐漸增大．但是，由于摻入輪胎顆粒后混合物的抗剪強(qiáng)度增加［5］，其主要是輪胎顆粒之間和輪胎與砂顆粒之間的摩擦起作用，使得相對(duì)運(yùn)動(dòng)更多地發(fā)生在砂顆粒之間，試樣中輪胎顆粒之間和輪胎顆粒與砂顆粒之間更不容易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而消耗能量．因此，當(dāng)摻入的輪胎顆粒含量增加到一定水平時(shí)，后者的影響超過(guò)前者，等效阻尼比就會(huì)逐漸減?。?大粒徑輪胎顆粒與砂混合物含量與等效阻尼比的關(guān)系曲線，也可以由上述原因解釋．

3．3 廢舊輪胎顆粒粒徑的影響

圖4 和圖6 中較大粒徑的廢舊輪胎顆粒混合物的等效動(dòng)剪切模量相對(duì)小粒徑的廢舊輪胎顆?；旌衔镆笠恍?，這是由于小粒徑的輪胎顆粒間的接觸機(jī)會(huì)相對(duì)大粒徑的輪胎顆粒與砂混合物較多，輪胎顆粒間接觸變形相對(duì)砂粒要大很多，故小粒徑輪胎顆粒與砂混合的等效動(dòng)剪切模量相對(duì)要小一些．其中，在圖6 中要說(shuō)明的是，較大粒徑廢舊輪胎顆粒的混合物的在輪胎顆粒含量為0 ～20%時(shí)，等效動(dòng)剪切模量略有減小，輪胎顆粒含量為20% ～40%時(shí)，動(dòng)剪切模量減小明顯． 這是由于大粒徑的輪胎顆粒含量較小時(shí)，輪胎顆粒被砂粒包圍其中，成為懸浮顆粒，輪胎顆粒間接觸很少或者不接觸，其宏觀力學(xué)性狀由砂?？刂茷橹鳎?］，所以其動(dòng)剪切模量沒(méi)有明顯變化，但隨著大粒徑輪胎顆粒含量增多，輪胎顆粒間的接觸增多，試樣的內(nèi)部抵抗變形的能力減小，故動(dòng)剪切模量出現(xiàn)明顯減?。?/p>

從圖5 和圖7 中可以看出，粒徑1 ～3 mm 廢舊輪胎顆粒的混合物的等效阻尼比較粒徑8 ～10 mm 廢舊輪胎的混合物大，這是由于在相同豎向荷載和顆粒含量下，粒徑小的輪胎顆粒間的接觸相對(duì)較多，砂顆粒之間的接觸相對(duì)較少，應(yīng)力波在試樣傳播過(guò)程中受到輪胎顆粒阻礙較大，傳播速度變慢，因此其等效阻尼比相對(duì)較大．

4 結(jié)論

(1)在不同豎向荷載作用下，輪胎顆粒-砂混合物的等效剪切模量隨著豎向荷載增加而增大，其等效阻尼比隨著豎向荷載的增加而減小;

(2)在不同的輪胎顆粒含量下，大粒徑的輪胎顆粒-砂混合物先隨著輪胎顆粒含量的增加，等效動(dòng)剪切模量沒(méi)有明顯變化，隨后逐漸減小，其等效阻尼比剛開始隨輪胎含量增加逐漸增加，后逐漸減小，峰值含量在20% ～30%之間． 小粒徑輪胎顆粒-砂混合物等效動(dòng)剪切模量隨著輪胎顆粒含量增加而逐漸減小，其等效阻尼比先增加后減小，峰值含量在30% ～40%之間;

(3)在相同豎向荷載和輪胎顆粒含量下，在減振隔震效果上，粒徑為1 ～3 mm 輪胎顆粒-砂混合物要比粒徑為8 ～10 mm 輪胎顆粒-砂混合物要更好一些．

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