干燥及飽和橡膠砂壓縮和剪切特性

周恩全 王瓊 陸建飛

摘要：將廢棄輪胎作為建筑材料應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域是對其回收處理最有前景的方法之一。為了研究輪胎橡膠顆粒改良砂土的效果，選取橡膠顆粒與福建砂的混合土為研究對象，研究了橡膠砂的壓縮和抗剪特性，分析了橡膠含量與干濕狀態(tài)對橡膠砂力學(xué)特性的影響，并建立了雙曲線模型預(yù)測橡膠砂受剪過程的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系。結(jié)果表明：橡膠砂的壓縮變形隨橡膠含量增大而增大，飽和橡膠砂的壓縮變形明顯大于干燥橡膠砂;橡膠砂的剪應(yīng)力一剪切位移曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征;橡膠砂的抗剪強度與橡膠含量的關(guān)系不大;干燥試樣內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量的增大而降低，飽和試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量的增大而輕微升高;通過雙曲線模型預(yù)測的剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系曲線與試驗結(jié)果吻合。

關(guān)鍵詞：橡膠砂;壓縮特性;抗剪特性;抗剪強度;雙曲線模型

中圖分類號：TU411 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2019）06-0104-07

汽車工業(yè)的發(fā)展為現(xiàn)代社會提供便利的同時，也產(chǎn)生了愈來愈多難以處理的廢舊輪胎。如果廢舊輪胎處理不當(dāng)，不僅造成環(huán)境污染，還會引發(fā)火災(zāi)并危害人們健康，如1999年美國Stanislaus縣數(shù)百萬廢棄輪胎發(fā)生自燃，嚴重污染環(huán)境。研究表明，橡膠砂混合土具有體積密度低、物理化學(xué)耐久性好，滲透性與純砂相當(dāng)?shù)葍?yōu)點。因此，橡膠砂作為輕質(zhì)填料已探索性地應(yīng)用于公路路堤、擋土墻后填土，也作為消能墊層應(yīng)用于動力基礎(chǔ)或建筑基礎(chǔ)中，以減少振動和地震影響。

對橡膠砂混合土的壓縮特性及抗剪強度特性進行研究是將其應(yīng)用到實際工程中的必要前提。目前，學(xué)者主要對干燥或稍濕狀態(tài)的橡膠砂開展了壓縮特性研究，研究表明，橡膠砂的壓縮性能、回彈模量與橡膠含量密切相關(guān)，壓縮變形和回彈變形隨著橡膠含量的增加而增加;Rao等還指出當(dāng)橡膠顆粒含量超過某一臨界值（20%）時，其豎向應(yīng)變會急劇增大;鄧安等。針對含水量約為5%的橡膠砂開展壓縮試驗，提出了一種雙曲線方程來描述橡膠砂變形與加載之間的關(guān)系。同樣，關(guān)于其抗剪強度特性，學(xué)者們也主要關(guān)注了干燥或稍濕狀態(tài)時的橡膠砂，但研究仍沒有達成共識。Anvari等、顧成壯等研究發(fā)現(xiàn)混合土的抗剪強度會隨著橡膠顆粒的加入而變大，Ghazavi研究表明橡膠含量對混合土抗剪強度影響并不大，而Tanchaisawat等研究發(fā)現(xiàn)橡膠含量的增大反而會使得混合土抗剪強度下降;關(guān)于抗剪強度指標(biāo)，絕大多數(shù)學(xué)者均認為加入橡膠顆粒會導(dǎo)致混合土內(nèi)摩擦角變大，但Sellaf等研究卻發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠含量的增加，橡膠砂內(nèi)摩擦角的變化并無規(guī)律性。

這些研究積極推動了廢舊橡膠的工程應(yīng)用，但研究主要關(guān)注干燥或稍濕狀態(tài)下橡膠砂的力學(xué)特性，對高含水量狀態(tài)下橡膠砂壓縮及抗剪強度特性的研究不多，而作為公路路基填料或支護結(jié)構(gòu)回填料的橡膠砂需要考慮處于潮濕或飽和狀態(tài)等不利條件下的力學(xué)性質(zhì)變化。本文采用壓縮試驗和直剪試驗研究了干燥和飽和狀態(tài)下橡膠砂混合土的壓縮特性及抗剪強度特性。

1壓縮特性研究

1.1試驗材料、試樣制備和試驗過程

1.1.1試驗材料和試驗設(shè)備試驗研究對象為橡膠砂混合土，由福建標(biāo)準(zhǔn)砂和橡膠顆粒混合制成，具體參數(shù)見表1。福建標(biāo)準(zhǔn)砂的最大、最小干重度分別為18.53、16.01kN/m³，測定流程均按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）進行，橡膠顆粒是將廢舊輪胎通過機械切割、破碎并除去鋼絞線后得到，其粒徑為1～5mm，根據(jù)ASTMD 6270-08（2012）劃分屬于橡膠顆粒。圖1、圖2給出了試驗所用材料的實物圖和顆粒級配曲線。

壓縮試驗所用儀器為WG-1C型單杠桿中壓固結(jié)儀。

1.1.2試樣制備與試驗方案 在壓縮試驗中，主要考慮橡膠質(zhì)量含量和干濕狀態(tài)對混合土壓縮一回彈性能的影響，橡膠質(zhì)量含量分別為0%、5%、10%和15%，干濕狀態(tài)分別為干燥和飽和狀態(tài)，具體見表2。按照各工況混合土干密度不變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)來控制制備試樣，純砂的相對密實度為50%，然后，根據(jù)等質(zhì)量替換原則制備不同橡膠含量的混合土。

圓柱形試樣的直徑和高度分別為61.8mm和20mm，分3層擊實制樣。對于4個干燥工況，將擊實后的干燥試樣直接安裝到固結(jié)儀里，調(diào)平后開始加載，如圖3（a）所示。對于4個飽和工況，先將擊實后的干燥試樣置于真空飽和器內(nèi)，抽2h真空來保證試樣完全飽和，然后將飽和試樣安裝到固結(jié)儀中，后續(xù)操作同干燥試樣，開始進行壓縮試驗，如圖3（b）所示。

試驗中設(shè)置了ll級豎向荷載：12.5、25、50、100、200、400、800、400、200、100、0kPa，每級加載后固結(jié)約24h后視為穩(wěn)定狀態(tài)，即可進行下一級加載。

1.2試驗結(jié)果

圖4給出了不同工況下橡膠砂試樣的壓縮、回彈曲線，可以發(fā)現(xiàn)：干燥和飽和狀態(tài)下的橡膠砂試樣的壓縮特性均表現(xiàn)出前期迅速增長、后期增速減慢的應(yīng)變發(fā)展模式;加載至最大荷載后，逐漸卸載至0kPa，試樣發(fā)生回彈，初期回彈緩慢，后期回彈發(fā)展迅速。當(dāng)荷載及干濕狀態(tài)相同時，試樣的豎向累積應(yīng)變隨著橡膠含量的增加而增大，顯然，這是因為橡膠顆粒具有較強壓縮一回彈特性，加入橡膠顆粒后混合土的壓縮回彈能力也大幅提升，因此，當(dāng)荷載及干濕狀態(tài)相同時，擁有更多橡膠顆粒的試樣其累積豎向應(yīng)變也相應(yīng)更大。圖4同時表明，在其他試驗條件相同時，飽和試樣的豎向應(yīng)變顯著大于干燥試樣的豎向應(yīng)變，這是因為飽和試樣顆粒表面水膜潤滑作用效果明顯，增加了試樣的可變形性能和適應(yīng)變形能力。

圖5給出了不同工況下橡膠砂混合土豎向應(yīng)變一橡膠顆粒含量關(guān)系曲線。其中“總應(yīng)變”是指“彈性應(yīng)變”與“塑性應(yīng)變”之和。結(jié)果顯示，在干燥、飽和狀態(tài)下試樣的應(yīng)變發(fā)展呈現(xiàn)出一致的規(guī)律性：試樣的總應(yīng)變、彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變均隨著橡膠含量的增大而增大，但塑性應(yīng)變增幅不明顯。值得注意的是，純砂試樣的塑性應(yīng)變大于彈性應(yīng)變，而加人橡膠顆粒后混合土的塑性應(yīng)變小于彈性應(yīng)變，且兩者的差異隨著橡膠含量的增大而變大。顯然，這是因為橡膠顆粒的存在顯著增大了混合土的彈性變形性能。但在實際工程應(yīng)用中，變形過大可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，因此，在將橡膠砂混合土應(yīng)用于土木工程中時應(yīng)充分考慮彈性變形過大帶來的影響。

2抗剪特性研究

2.1試驗方案

直剪試驗所用儀器為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，圓柱形試樣的直徑和高度分別為61.8mm和20mm。

在直剪試驗中，同樣探討了橡膠顆粒含量和干濕狀態(tài)對橡膠砂抗剪特性的影響。橡膠質(zhì)量含量分別為0%、5%、10%和15%，干濕狀態(tài)分別為干燥和飽和狀態(tài)，具體參數(shù)同表2。試驗材料和試樣制備方法與上述壓縮試驗相同。試驗設(shè)置了4組正應(yīng)力：100、200、300、400kPa。剪切位移速率為2.4mm/min。

2.2試驗結(jié)果

圖6為部分試樣的剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)：相同橡膠含量條件下，干燥及飽和試樣的曲線具有一致的發(fā)展規(guī)律，但同樣干燥或飽和狀態(tài)下，純砂和橡膠砂混合土的曲線發(fā)展呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化兩種不同形態(tài)。純砂試樣的應(yīng)變軟化具體表現(xiàn)為：前期剪應(yīng)力隨著剪切位移的增大而不斷升高，達到峰值后其剪應(yīng)力不再增大。橡膠砂混合土試樣的應(yīng)變硬化具體表現(xiàn)為：剪應(yīng)力在剪切過程持續(xù)升高，并不出現(xiàn)峰值。造成這種應(yīng)變硬化現(xiàn)象的原因是：混合土相比純砂具有較大壓縮性，這一點在前文的壓縮試驗中已經(jīng)得到證實，因此壓縮性較明顯的混合土在受剪過程中具有一定的剪切收縮特性，宏觀上即表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。

2.2.1抗剪強度 圖7給出了不同試樣的抗剪強度，當(dāng)無峰值應(yīng)力出現(xiàn)時，將剪切位移4mm所對應(yīng)的剪應(yīng)力定義為試樣的抗剪強度。從圖7中發(fā)現(xiàn)：1）抗剪強度隨正應(yīng)力增大而增大;2）總體上抗剪強度受橡膠顆粒含量的影響不明顯，這與Ghazavi的研究結(jié)論是一致的。

2.2.2抗剪強度指標(biāo)

根據(jù)Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則計算得到試樣的抗剪強度指標(biāo)內(nèi)摩擦角。圖8給出了內(nèi)摩擦角與橡膠顆粒含量的關(guān)系曲線，從中可發(fā)現(xiàn)：干燥及飽和狀態(tài)下內(nèi)摩擦角與橡膠顆粒含量的關(guān)系表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢：干燥試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量增大而大幅度減小，但飽和試樣橡膠含量增大，內(nèi)摩擦角并沒有下降，反而輕微增加。

內(nèi)摩擦角由兩部分組成：滑動摩擦W1和咬合摩擦W2。對于干燥試樣，橡膠顆粒的加入可能會增大顆粒間的滑動摩擦W1，但由于橡膠顆粒使得混合土試樣呈現(xiàn)出明顯的剪縮特性，導(dǎo)致剪脹效應(yīng)減小，即咬合摩擦W2減小，顯然，當(dāng)前干燥條件下咬合摩擦W2減小的程度要大于滑動摩擦W1的增加，所以，干燥試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量增大而減小。對于飽和試樣，一方面孔隙水破壞顆粒表面的吸附膜以及橡膠顆粒的加入同時增大了滑動摩擦W1，另一方面，混合土的剪縮導(dǎo)致咬合摩擦W2減小，當(dāng)前飽和條件下咬合摩擦W2減小的程度要小于滑動摩擦W1的增加，所以，飽和試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量的增大而輕微增大。需要說明的是，上述機理是基于試驗結(jié)果分析，仍需要進一步的驗證研究。

2.2.3剪應(yīng)力一剪切位移雙曲線模型 通過上述分析發(fā)現(xiàn)，不同橡膠顆粒含量的橡膠砂混合土剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系展現(xiàn)出應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化兩種模式，且在剪應(yīng)力達到峰值前，其剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系均呈現(xiàn)出雙曲線特征，考慮利用Duncan_Chang雙曲線模型來描述橡膠砂受剪切到達峰值前的剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系。

3結(jié)論

1）橡膠砂的壓縮變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成，隨著橡膠含量的增加，兩者均逐漸增加，但彈性變形的增長更明顯。飽和橡膠砂的壓縮變形要明顯大于干燥橡膠砂的壓縮變形量。

2）純砂的剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系曲線表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征，而加入橡膠顆粒后混合土的剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。

3）橡膠砂的抗剪強度隨正應(yīng)力的增大而增大，但受橡膠顆粒含量的影響不明顯。干燥試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠顆粒含量的增加而減小，飽和試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠顆粒含量增加而變大。孑L隙水對試樣內(nèi)摩擦角的影響較為明顯且機理復(fù)雜，需進一步研究。

4）利用Duncan-Chang雙曲線模型預(yù)測橡膠砂受剪過程中剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系曲線峰值前部分，結(jié)果是可行的。