凍結(jié)橡膠加筋膨脹土(ESR)的動力特性研究*

路釗馳 楊忠年 劉繼明 呂建航 張 琦 凌賢長②

(①青島理工大學(xué)， 青島 266000， 中國)

(②哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 哈爾濱 150000， 中國)

0 引 言

隨工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，近年來橡膠輪胎的需求日益增多，在生產(chǎn)的同時(shí)廢棄橡膠輪胎的回收處理成為一大難題。圖1顯示了近十年來中國的輪胎產(chǎn)量及回收量，中國每年輪胎的產(chǎn)量巨大，但廢棄橡膠輪胎的回收處理卻不足50%。據(jù)估計(jì)全球每年生產(chǎn)輪胎30億條，廢棄輪胎大約有8億條，并以2%的速度增長(Van Beukering et al.，2001； Forrest， 2014； Torretta et al.，2015)。由于橡膠的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不易降解，廢棄橡膠的回收較難處理，通常被稱作“黑色垃圾”，這對人類的生活、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等產(chǎn)生巨大影響。在當(dāng)前大力發(fā)展低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)的背景下，推動廢舊輪胎循環(huán)再利用是引導(dǎo)社會可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

圖1 近十年中國輪胎的生產(chǎn)及回收量

研究表明處理廢棄橡膠的主要方式為填埋、熱能利用、作為工業(yè)或農(nóng)業(yè)燃料、通過脫硫法制備成再生橡膠或膠粉等(Yang et al.，2020)。填埋是處理廢棄橡膠最簡單的方式(Ruwona et al.，2019)，然而，橡膠的長期放置不僅浪費(fèi)土地對環(huán)境產(chǎn)生影響，而且在溫暖地帶易傳播類似于瘧疾的傳染病(Torretta et al.，2015)。隨著陸地面積的開發(fā)，用于填埋的空曠地帶逐漸減少，這種方式逐漸被人們所摒棄。橡膠的化學(xué)再生通常需要添加不同的催化劑以達(dá)到脫硫目的，研究發(fā)現(xiàn)硫化階段易導(dǎo)致橡膠的拉伸強(qiáng)度降低(崔肖肖， 2016)，且一些化學(xué)試劑氣味大、易污染，所以脫硫法目前仍在優(yōu)化。

由于具有輕質(zhì)、彈性大、低密度、良好的耐久性及高壓縮性等特點(diǎn)(Mashiri et al.，2015； Mohajerani et al.，2020)，橡膠加筋土已在土木工程領(lǐng)域得到廣泛研究。例如用作填埋場襯墊、防水系統(tǒng)，改性瀝青補(bǔ)修公路等(Chiu， 2008)，另一種有效的利用橡膠的方式是作為骨料與混凝土拌合(Akbarimehr et al.，2020)。近年來廢棄橡膠在擋土墻、土壤加固、鐵路路基墊層(Ding et al.，2021)、隔震材料等巖土工程中也有較成功的應(yīng)用。

膨脹土是具有超固結(jié)性、脹縮性和裂隙性的特殊黏土，常被用作路基填料或邊坡工程。季凍區(qū)的膨脹土受凍融循環(huán)作用使得土體收縮塌陷、膨脹開裂，從而對建筑工程造成數(shù)以億計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。為避免膨脹土工程的災(zāi)害性，一些學(xué)者通過物理及化學(xué)方式來處理膨脹土以達(dá)到改性的目的(劉清秉等， 2011； 沈勝強(qiáng)等， 2017； 項(xiàng)國圣等， 2017)。由于橡膠加筋土可有效改善土壤的力學(xué)性質(zhì)(Saberian et al.，2018)，可在膨脹土中摻入廢棄橡膠顆?；蚰z粉，既達(dá)到改性膨脹土的目的又可對廢棄橡膠進(jìn)行循環(huán)再利用。Soltani et al.(2018)和Seda et al.(2007)表明橡膠加筋膨脹土可有效降低膨脹勢，并給出了最佳橡膠摻量。Zou et al.(2011)研究發(fā)現(xiàn)橡膠加筋膨脹土的黏聚力與各脹縮特性指標(biāo)均有不同程度的降低。Dunham-Friel et al.(2011，2014)發(fā)現(xiàn)在不排水壓縮試驗(yàn)中橡膠加筋膨脹土的剛度明顯增大，并研究了橡膠尺寸對橡膠加筋膨脹土剛度的影響。

以上研究成果均表明摻入橡膠可有效減小膨脹勢，因此橡膠也被認(rèn)為是改性膨脹土的良好材料。近年來學(xué)者們對橡膠加筋土的力學(xué)性質(zhì)也有一定研究，Kim et al.(2013)表明橡膠加筋土的彈性波速度與剪切模量隨橡膠摻量增高而降低，并分析了抗剪強(qiáng)度降低的機(jī)理。Li et al.(2016)研究了橡膠加筋砂土的動剪切模量與液化強(qiáng)度，并分析了不同接觸類型對兩者的影響。Ding et al.(2021)通過固結(jié)不排水和循環(huán)三軸試驗(yàn)，分析橡膠加筋砂土的靜、動力特性并給出了最佳摻量。上述研究雖討論了橡膠加筋砂土的固結(jié)力、抗剪強(qiáng)度以及靜、動力特性等，但橡膠加筋土的動力學(xué)研究較少且大多試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，凍結(jié)條件下的研究還基本處于空白。當(dāng)橡膠加筋膨脹土(ESR)用作季凍區(qū)路基填料或填埋場墊層時(shí)，循環(huán)動荷載的影響是極為主要的。因此，進(jìn)一步研究凍結(jié)橡膠加筋膨脹土的動力特性，將有助于對邊坡、路堤、擋土墻等的動力分析。

綜上所述，為了對凍結(jié)條件下橡膠加筋膨脹土進(jìn)行系統(tǒng)的動力特性研究，本文進(jìn)行了一系列不固結(jié)不排水低溫動三軸試驗(yàn)，借助動三軸儀來模擬循環(huán)動荷載。試驗(yàn)研究了4種橡膠摻量對ESR的滯回曲線、骨干曲線、動剪切模量及阻尼比的影響。本文的研究成果對廢棄橡膠在季凍區(qū)的膨脹土工程提供理論支撐，并通過對廢棄橡膠的循環(huán)再利用以減少環(huán)境污染。

1 材料及試驗(yàn)方案

1.1 膨脹土

本試驗(yàn)采用的土壤為河南重塑膨脹土，根據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-2019)(中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2019)對其液塑限、最大干密度等參數(shù)進(jìn)行測定，并用XRD測定成分，其物理參數(shù)及物質(zhì)成分如表1所示。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)及成分

1.2 廢棄橡膠

本文所使用的橡膠材料來自于中國成都工廠研磨的橡膠粉末，研磨后的橡膠粒徑d0=0.178mm，橡膠粉末如圖2所示。考慮橡膠摻量對橡膠加筋膨脹土的動力特性，本試驗(yàn)選用5%、8%、10%、20% 4種橡膠摻量。

圖2 研磨后的橡膠粉末

1.3 橡膠加筋膨脹土的制備

按最佳含水率加入適量蒸餾水配置一定量的膨脹土，再將橡膠與膨脹土混合攪拌均勻，靜置一晝夜后取出并進(jìn)行制樣。本研究中橡膠摻量(RC)定義為橡膠與橡膠加筋膨脹土總質(zhì)量之比，如式(1)所示：

(1)

式中：ms為土樣質(zhì)量(g)；mw為配制土樣含水量(g)。為確保橡膠土壤混合物中的水分均勻分布，將其置于密封袋中濕潤12h。取出后以2mm·min-1的靜壓速率壓實(shí)，為防止樣品的軟硬不均，采取兩端壓實(shí)方法即兩端的壓實(shí)高度、速率均一致，最終制得直徑為61.8mm，高度為125mm的試樣。為防止水中離子對試驗(yàn)結(jié)果的影響，采取蒸餾水對試樣進(jìn)行真空飽和，抽真空2h以保證飽和缸內(nèi)無空氣，并靜置24h。表2顯示了橡膠加筋膨脹土的物理特性及試驗(yàn)條件，初始狀態(tài)的部分三軸試樣如圖3所示。

表2 ESR的物理性質(zhì)及試驗(yàn)方案

圖3 ESR三軸試樣

1.4 試驗(yàn)儀器及方案

本試驗(yàn)采用凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所引進(jìn)的MTS-810(Material Test System 810)低溫動三軸儀。該儀器的最小圍壓可控制到300kPa，最大軸向位移為85mm，最大軸向荷載為100kN，頻率范圍為0～50Hz，并配有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。對于凍土，圍壓的靜荷載與軸向荷載同時(shí)施加時(shí)不需要施加固結(jié)荷載，故試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水方式。圖4為試樣制作，凍結(jié)及加載過程的示意圖。為防止凍脹所引起的體積變化，將飽和后的試樣置于飽和器三瓣膜中并放入凍結(jié)溫度為-15℃恒溫恒濕箱凍結(jié)12h，待樣品完全凍結(jié)后再進(jìn)行動三軸試驗(yàn)。

圖4 制樣-凍結(jié)-加載過程示意圖

動應(yīng)力加載方式如圖5所示，加載過程分為3部分，其中0-t1為初始加壓階段，t1-t2為試樣穩(wěn)定階段，t2-t3為施加軸向動應(yīng)力階段。本試驗(yàn)采用應(yīng)力控制加載方式，初始施加圍壓0.4MPa，軸向荷載為1.3kN，試驗(yàn)頻率為1Hz，試驗(yàn)波形為正弦波，動應(yīng)力加載分為40個(gè)階段，每個(gè)階段加載40次。

圖5 軸向多級循環(huán)加載

2 動剪切模量及阻尼比的參數(shù)測定

土是由土骨架及孔隙中的水和空氣組成。當(dāng)土體受應(yīng)力影響時(shí)會產(chǎn)生不同效果的變形，可近乎用彈性元件、塑性元件和黏性元件來表征土體的力學(xué)性能。本文將在動荷載作用下的土體視為黏彈性體，故在軸向、剪切、扭轉(zhuǎn)等變形下動應(yīng)力和動應(yīng)變皆用σd和εd表示。動荷載作用下動剪切模量與阻尼比是表征土體的重要?jiǎng)恿?shù)，動剪切模量是描述土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的關(guān)鍵指標(biāo)，阻尼比則表示振動過程中土體能量的消散。圖6為等效線性動黏彈性模型圖，表征土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

圖6 動剪切模量和阻尼比的確定

外側(cè)虛線圈為土的滯回圈，反映了土應(yīng)變對應(yīng)力的滯后性，由圖6可以看出滯回圈中剪應(yīng)力最大值所對應(yīng)的并不是最大應(yīng)變，顯示了應(yīng)變對應(yīng)力的滯后性。滯回圈頂點(diǎn)的連線即為骨干曲線，曲線形式符合Hardin-Drnevich公式：

(2)

(3)

式中：γ為剪應(yīng)力；τ為剪應(yīng)變； 1/a為骨干曲線在γ=0處的斜率; 1/b為骨干曲線在y軸上的截距；定義動剪切模量G為動剪應(yīng)力與動剪應(yīng)變的比值，見式(4)：

(4)

土樣阻尼比的基本計(jì)算公式見(5)：

(5)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 橡膠摻量對滯回曲線的影響

土樣在經(jīng)歷一次應(yīng)力循環(huán)后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線即為滯回曲線，滯回曲線可較好地反映土樣在加載過程中的變形特性和剛度變化(黃娟等， 2017)。圖7a、圖7b分別為ESR-2與ESR-4在不同加載級數(shù)下的滯回曲線。由圖可知，不同橡膠摻量下ESR的滯回曲線皆呈橢圓形、狹長狀分布且隨剪應(yīng)變的增加而逐漸扁平化。

圖7 各級加載下的滯回曲線

在第15級加載時(shí)，ESR-2的滯回曲線出現(xiàn)向右上方偏移，剪應(yīng)力明顯增大的現(xiàn)象，這說明此時(shí)ESR已產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈冪函數(shù)形式增長。與ESR-2相比，ESR-4在第15級加載時(shí)的滯回曲線偏移現(xiàn)象不明顯，而且剪應(yīng)變的范圍要略大于ESR-2。

在第15級加載條件下，不同橡膠摻量的ESR滯回曲線如圖8所示。各含量下的ESR滯回曲線形狀大致相同，類似扁橢圓狀。由于橡膠是一種輕質(zhì)、彈性大的材料，故隨橡膠摻量的增加，滯回曲線的剪應(yīng)變范圍增大即彈性范圍增加。文中將土等效為動黏彈性體，在彈性范圍內(nèi)動應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)符合Hardin雙曲線模型，因此將符合Hardin雙曲線模型范圍內(nèi)的應(yīng)變定義為彈性應(yīng)變，即為彈性范圍。相同剪應(yīng)變幅值下，ESR的剪應(yīng)力相差不大，而剪應(yīng)變呈逐漸增大的趨勢，這也進(jìn)一步說明混合土的可恢復(fù)變形能力較強(qiáng)。

圖8 不同橡膠摻量下ESR的滯回曲線

3.2 橡膠摻量對骨干曲線的影響

每一級滯回圈的頂點(diǎn)連線即為骨干曲線，圖9顯示了不同橡膠摻量下ESR的骨干曲線。如圖9所示，ESR的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性關(guān)系，循環(huán)剪應(yīng)力隨剪切應(yīng)變的增加而增加。相同剪應(yīng)變幅值下，剪切應(yīng)力與橡膠摻量呈相關(guān)性，但在橡膠摻量為10%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。橡膠摻量在0～10%之間時(shí)剪切應(yīng)力隨橡膠摻量增加而減小，當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí)，相同剪應(yīng)變下的剪應(yīng)力值最小，增加橡膠摻量直到20%時(shí)剪切應(yīng)力又增大。然而，隨橡膠摻量的增加ESR的彈性范圍也逐漸增加，當(dāng)橡膠摻量由0增加至20%時(shí)，ESR的最大彈性范圍分別是0.401%、0.329%、0.537%、0.483%和0.576%。

圖9 不同橡膠摻量下ESR的骨干曲線

橡膠是一種輕質(zhì)彈性材料，具有彈性大，延展性高，可恢復(fù)變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)橡膠摻入膨脹土中，橡膠表面與土顆粒發(fā)生摩擦，并促使土-橡膠界面的摩擦阻力大于土顆粒間的摩擦力，這使得混合土黏聚力與強(qiáng)度發(fā)生改變(Soltani et al.，2018)。在凍結(jié)狀態(tài)下，ESR中由未凍水、冰晶、橡膠粉末及土顆粒構(gòu)成。在-15℃時(shí)未凍水存在形式主要為薄膜水及少量自由水，大量自由水凍結(jié)成冰使得體積增大約9%，土中的孔隙相對增加。由于薄膜水附著在顆粒表面從而具有潤滑作用使得接觸角減小，另一方面橡膠-土界面小于土-土界面的黏聚力，在兩因素影響下ESR的剪應(yīng)力減小。當(dāng)橡膠摻量增多時(shí)，橡膠與土顆粒接觸表面積增大，所以循環(huán)剪應(yīng)力進(jìn)一步減小。有研究表面當(dāng)橡膠摻量超過10%時(shí)，會發(fā)生橡膠聚集效應(yīng)即橡膠粉末大量聚集，包裹在顆粒表面的比表面積相對減小，故ESR-5的剪應(yīng)力有所增大，這與一些研究者的結(jié)論類似(Kim et al.，2013； Cabalar et al.，2014； Zhang et al.，2018)。不同橡膠摻量下ESR的骨干曲線皆符合式(2)，擬合效果良好，具體參數(shù)如表3所示。

表3 不同橡膠摻量下ESR骨干曲線的擬合參數(shù)

3.3 橡膠摻量對動剪切模量的影響

圖10顯示了不同橡膠摻量下ESR的動剪切模量曲線。曲線變化趨勢與骨干曲線相同，隨著橡膠摻量的增加，ESR的彈性范圍不斷增大，剪切模量隨剪應(yīng)變的增加而減小。結(jié)果顯示，恒定圍壓下在γ<0.1%內(nèi)各橡膠摻量下的剪切模量快速減小。γ=0.1%時(shí)ESR-1與ESR-2的剪切模量分別為303.76MPa、264.42MPa，當(dāng)剪應(yīng)變增加到0.33%時(shí)，ESR-1與ESR-2的剪切模量減小為152.09MPa與116.87MPa。當(dāng)RC<10%時(shí)，ESR的初始剪切模量所對應(yīng)的剪應(yīng)變是逐漸增大的，此時(shí)ESR更接近于表現(xiàn)土壤的特性，Ehsani et al.(2015)通過X-Ray及核磁共振成像試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在RC>10%時(shí)，橡膠間的相互作用增強(qiáng)，拉伸作用明顯，此時(shí)ESR表現(xiàn)為橡膠的特性(Kim et al.，2013)。

圖10 不同橡膠摻量下ESR的動剪切模量

相比土顆粒，橡膠的剛度較低，當(dāng)被施加軸向動荷載時(shí)混合土的壓縮性能提高，所以隨著橡膠摻量的增多ESR的剪切模量逐漸減小(Liu et al.，2018)，這與Ding et al.(2021)和Akbarimehr et al.(2021)等作者的研究結(jié)果相同。Zhang et al.(2018)通過SEM發(fā)現(xiàn)橡膠摻量的增加使得混合土內(nèi)的顆粒排列趨于同向，即土-土/橡膠-橡膠接觸增多，而荷載更易于同向傳遞，所以橡膠摻量的增多使得土與橡膠的結(jié)合性能減弱，從而導(dǎo)致混合土的強(qiáng)度降低，彈性增大。

為消除部分影響因素，將動剪切模量進(jìn)行歸一化處理(孟凡超等， 2021)。圖11顯示了不同橡膠摻量下ESR的動剪切模量比關(guān)系曲線。由圖11可知，ESR的動剪切模量比與剪應(yīng)變呈非線性關(guān)系，動剪切模量比隨橡膠摻量的增加呈先增大后減小的規(guī)律，當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí)，動剪切模量比達(dá)到峰值。本試驗(yàn)采用Hardin-Drnevich模型對動剪切模量比進(jìn)行擬合，擬合公式為式(3)，所得相關(guān)系數(shù)R2皆大于0.95，擬合情況較好。

圖11 不同橡膠摻量下ESR的動剪切模量比

3.4 橡膠摻量對阻尼比的影響

不同橡膠摻量下ESR的阻尼比如圖12所示。隨加載過程的進(jìn)行，ESR的阻尼比變化分為兩部分，γ<0.2%時(shí)阻尼比變化無明顯規(guī)律，并且出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象。γ>0.2%時(shí)阻尼比的總體趨勢為隨著剪應(yīng)變的增加而略有減小，但減小的幅值并不明顯。

圖12 不同橡膠摻量下ESR的阻尼比

彈性范圍初始時(shí)ESR-2，ESR-3，ESR-4與ESR-5的阻尼比分別為0.332， 0.399， 0.323與0.291，隨著剪應(yīng)變增加4種橡膠摻量下ESR的阻尼比分別減小為0.197， 0.211， 0.239與0.272。雖ESR的阻尼比都略有減小，但減小幅值與橡膠的含量呈正相關(guān)。

當(dāng)對土樣施加軸向動荷載時(shí)，一部分彈性應(yīng)變能得到釋放、一部分能量被消散，阻尼比即代表消散能力的強(qiáng)弱。本試驗(yàn)添加橡膠材料后，混合土在加載中的儲存能量與卸載中的消散能量皆有一定程度的減弱，但與素膨脹土相比混合土的穩(wěn)定性能更好，即使在較大剪應(yīng)變時(shí)，阻尼比減小的幅值也很小。橡膠摻入土中時(shí)，混合土的彈性范圍增加，且橡膠摻量越多，混合物內(nèi)部排列越均勻，受到較大應(yīng)變時(shí)混合土可恢復(fù)變形的能力強(qiáng)。

4 結(jié) 論

本文通過對不同橡膠摻量下的ESR進(jìn)行低溫動三軸試驗(yàn)，得到ESR的滯回曲線、骨干曲線、動剪切模量及阻尼比，討論了在凍結(jié)狀態(tài)下ESR的動力特性，結(jié)論如下：

(1)凍結(jié)時(shí)隨動應(yīng)力的施加，ESR的滯回曲線呈扁平橢圓狀，且向右上方偏移； 隨橡膠摻量的增加，相同級數(shù)加載下，滯回曲線的剪應(yīng)變范圍逐漸增大。

(2)相同剪應(yīng)變條件下，ESR的剪切應(yīng)力相對素膨脹土有所降低； ESR在橡膠摻量為0～10%之間時(shí)，剪切應(yīng)力隨橡膠摻量增加而減小，大于10%時(shí)剪切應(yīng)力又逐步增大。

(3)恒定圍壓下，ESR的動剪切模量與動剪切模量比皆隨剪應(yīng)變呈非線性變化； 在橡膠摻量較低時(shí)ESR表現(xiàn)為土壤的特性，反之更接近橡膠的特性。

(4)ESR的阻尼比總體趨勢為隨剪應(yīng)變的增加而減小，在γ<0.2%時(shí)阻尼比呈先減小后增大的趨勢； 相對素膨脹土，在凍結(jié)條件下ESR的阻尼比明顯增大，最大增加了54%。