循環(huán)荷載下回收輪胎纖維改良路基土動力性能研究

張玉潔

(銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 銅仁 554300)

我國內(nèi)陸湖區(qū)附近分布有大量軟黏土，在該地區(qū)修筑的公路路基，如果能夠充分利用這些軟黏土，將大量減少外購路基土的成本[1,2]，常用的改良材料為水泥、石灰、火山灰等[3-5]，但水泥、石灰的使用無疑會加大建設(shè)成本，而且生產(chǎn)和使用過程中都帶有一定的環(huán)境污染性。在過去的幾十年里，對工業(yè)廢棄物進(jìn)行循環(huán)再生利用，從而用于路基土的改良加固引起了廣泛的關(guān)注，為達(dá)到“變廢為寶”的效果，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究工作，木質(zhì)素[6]、椰纖維[7]、建筑垃圾[8]、微生物橡膠顆粒[9]都曾被嘗試作為路基土改良的改良劑，上述材料對土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮模量、CBR、抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)的提升作用都得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

近年來，隨著報廢車輛數(shù)量的日益增加，產(chǎn)生了大量的廢棄輪胎，其中的輪胎纖維用于給輪胎提供足夠的抗拉強(qiáng)度。傳統(tǒng)的輪胎纖維處理方法為掩埋或燃燒，前者占用大片垃圾填埋區(qū)域，后者則引起大氣污染?？紤]到回收輪胎纖維(recycled tyre fiber,RTF)可能有助于改善土的工程性質(zhì)，文獻(xiàn)[10]和[11]對其在改良土方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究和探討，但是僅限于評價其靜力學(xué)指標(biāo)，由于路基土受到交通荷載的影響，評價改良后路基土的動力性能也是至關(guān)重要的，但目前此方面的研究報道較少。鑒于此，對湖南省恩吉高速路基土進(jìn)行了RTF改良，通過循環(huán)動三軸試驗(yàn)獲取不同纖維含量下累積塑性應(yīng)變、回彈模量、阻尼比等，分析了纖維含量對上述指標(biāo)的影響規(guī)律，建立相關(guān)的動力性能表征指標(biāo)預(yù)測模型，并從動力性能角度探討采用輪胎纖維進(jìn)行路基土改良的適用性，旨在為輪胎纖維改良路基土提供試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自湖南省恩吉高速，現(xiàn)場河網(wǎng)密集，屬典型的湖沼積平原，沿河軟基十分發(fā)育，表層黏土厚度達(dá)10.3～15.7 m，含水率高、承載力低，其基本物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 黏土的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)用土天然含水率高，而且天然孔隙比大于1，CBR達(dá)不到路基填筑要求，而周邊取土難度較大，故嘗試進(jìn)行改良處理。使用的回收輪胎纖維本身是由許多纖細(xì)的尼龍聚合物構(gòu)成的，上面附著了一些橡膠顆粒，其外觀，由于其表面有凹槽和顛簸，纖維和土壤顆粒之間會形成相對較好的粘結(jié)。

2 試驗(yàn)方法

首先將試驗(yàn)用土進(jìn)行翻曬，分別按0.5%、1%、2%、3%、4%質(zhì)量比關(guān)系向其中摻入RTF以配置五種改良土，這五種改良土的最大干密度MDD分別為1.71 g/cm3、1.68 g/cm3、1.64 g/cm3、1.62 g/cm3、1.61 g/cm3，最優(yōu)含水率OMC分別為18.55%、18.85%、18.7%、18.44%、18.8%，可以看出，隨著纖維含量的增加，最大干密度有所降低，這也意味著在同一壓實(shí)度下，干密度略微變小，這是由于輪胎纖維的比重(1.1～1.2)小于土的比重所致，而最優(yōu)含水率基本維持穩(wěn)定。

開展循環(huán)動三軸試驗(yàn)前，首先將土的含水率控制在其最優(yōu)含水率±1%附近，利用雙瓣模制作直徑為40 mm、高度為80 mm的圓柱體試樣，為了獲得較為均勻的試樣，進(jìn)行了5層壓實(shí)，考慮到改良土用于填筑路堤，因此壓實(shí)度按照路堤層的壓實(shí)度要求控制，為0.93。施加的循環(huán)動力荷載為周期=1 s的半正弦荷載，其中0.1 s為加載試驗(yàn)，0.9 s為間歇時間，圍壓選擇40 kPa，而動偏應(yīng)力為25 kPa，該荷載接近于公路路基的代表性的荷載條件[12]，循環(huán)加載次數(shù)最大為10 000次。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 永久變形

圖1 基于安定理論的永久變形行為

車轍問題是公路設(shè)計需要考慮的主要問題之一，因此盡量減少動力荷載作用下的路基永久變形(累積塑性應(yīng)變)至關(guān)重要。安定理論是一類常用于評估路基填料的永久變形行為的方法，根據(jù)這一理論，材料可分為三類，第一類(A)為塑性安定，其材料在有限的循環(huán)次數(shù)內(nèi)表現(xiàn)出塑性變形，但塑性變形增長很快消失，材料表現(xiàn)出完全的彈性變形。第二類(B)為塑性蠕變，材料在前幾個循環(huán)中表現(xiàn)較大的塑性變形，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性變形增粘速率變小，最終達(dá)到一個恒定值。第三類(C)為增量破壞，永久變形始終快速增加，最后試樣在有限的加載次數(shù)內(nèi)破壞。如果在3 000～5 000次加載下累積塑性應(yīng)變小于4.5×10-5，則材料屬于塑性安定狀態(tài)；若累積塑性應(yīng)變介于4.5×10-5和4.0×10-4之間，則材料屬于塑性蠕變狀態(tài)；若累積塑性應(yīng)變大于4.0×10-4，則材料屬于增量破壞狀態(tài)。為了避免車轍快速發(fā)展，保障公路的耐久性，路基填料應(yīng)該處于A類和B類，而應(yīng)該采取措施防止填料進(jìn)入C類。

從不同RTF含量下試樣的累積塑性應(yīng)變可以看出，相對于素土(RTF摻入量=0%)，經(jīng)過10 000次加載后，RTF含量為0.5%、1%、2%、3%、4%試樣的累積塑性應(yīng)變增加了9.9%、15.8%、101%、367%和543%。累積塑性應(yīng)變的急劇增大是由干密度降低(隨著纖維摻入干密度下降)、纖維的相對高壓縮性等因素引起的，由此可見，RTF的含量不能一味增大。

在2 000～5 000次循環(huán)加載期間累積塑性應(yīng)變的變化Δεp如圖1所示，在土中添加0.5%、1%和2%的RTF可以使Δεp分別得的67.3%、85.1%和53.6%的降低，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，這三種改良土屬于塑性安定狀態(tài)。而RTF含量繼續(xù)增加時，Δεp的變化會增大，例如，當(dāng)RTF含量分別為3%和4%時，Δεp分別增加了613%和967%，根據(jù)3.1節(jié)中的標(biāo)準(zhǔn)，這兩種試樣屬于塑性蠕變狀態(tài)?？傮w來看，0.5%～4%的RTF摻入不會過于犧牲土抵抗永久變形的能力，導(dǎo)致土在交通荷載下發(fā)生快速的永久變形增加。美國新建和修復(fù)的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)設(shè)計指南(MEPDG)推薦了一種常用于預(yù)測顆粒材料累積塑性應(yīng)變的模型，即

εp(N)=ε0exp-(ρ/N)β

(1)

式中：εp為累積塑性應(yīng)變；N為循環(huán)加載數(shù)；ε0為最大累積塑性應(yīng)變；ρ為尺度因子；β為形狀因子。

采用該模型，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，其擬合效果見圖2中實(shí)線，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，由此可見，模型也適用于輪胎纖維改良土，可作為預(yù)測其長期永久變形的工具。

圖2 利用安定理論標(biāo)準(zhǔn)對不同纖維含量改良土的狀態(tài)劃分

回彈模量表征路基層的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，其值是滯回圈端點(diǎn)連線的斜率，本次試驗(yàn)中素土和纖維含量=4%改良土的滯回圈如圖3所示。

圖3 滯回圈

從回彈模量隨循環(huán)加載次數(shù)的變化可以看出，回彈模量隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加而提高，從3 000次加載到5 000次加載，0%、0.5%、1%、2%、3%、4%纖維含量下改良土的回彈模量分別增加了1.77 MPa、2.35 MPa、4.51 MPa、6.49 MPa、16.1 MPa和4.1 MPa，這一現(xiàn)象是由是土顆粒重排列、土壓實(shí)致密所引起的。值得注意的是，同一加載次數(shù)下，回彈模量隨著纖維含量的增加而先增后減，纖維含量為2%時土的回彈模量最大。結(jié)合3.1節(jié)可以看出，隨著纖維含量的增加，彈性變形和塑性變形并沒有表現(xiàn)出同樣的趨勢，這種現(xiàn)象可以解釋為土的彈性變形(可恢復(fù)變形)取決于土顆粒本身的壓縮變形和土顆粒的重排列，而塑性性能取決于顆粒的粘聚、顆粒相互嵌固以及顆粒的磨損(級配發(fā)生變化)。在每個加載次數(shù)下，彈性變形和塑性變形同時發(fā)生，但又相互獨(dú)立。因此，在土中加入回收輪胎纖維，對土的彈性變形和塑性變形的影響會有所不同。

基于回彈模量隨循環(huán)加載次數(shù)的變化，采用如下模型來預(yù)測回彈模量值

Mr(N)=k1×Nk2+k3

(2)

式中：N為加載次數(shù)，k1、k2和k3為模型參數(shù)。模型參數(shù)與RTF含量的關(guān)系如表2。

根據(jù)表2中的模型參數(shù)，可以計算出各個纖維含量下特定加載次數(shù)下的回彈模量。圖7對比了實(shí)驗(yàn)得到的回彈模量值與預(yù)測的回彈模量值，可以看出，利用表2和式(2)可以較準(zhǔn)確地預(yù)測改良土的回彈模量，纖維含量為0.5%、1%、2%、3%和4%時的R2分別為0.932 3、0.945 3、0.973 1、0.939 5、0.87 19。

表2 模型參數(shù)擬合值

3.3 能量耗散和阻尼比

循環(huán)加載下試樣耗散能量和阻尼比的計算方法如圖4所示。不同改良土耗散能量隨循環(huán)加載次數(shù)的變化如圖5所示，高的耗散能量并不一定對應(yīng)較高的阻尼比。

圖4 動力作用下滯回圈示意圖

圖5 耗散能量與加載次數(shù)的關(guān)系

根據(jù)圖5，對于前500個循環(huán)，耗散能量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減少，這種現(xiàn)象可歸因于土顆粒的重排列以及試樣彈性變形的減少。在前500次加載中，RTF含量從0%增加至2%，將導(dǎo)致耗散能量降低，而RTF含量繼續(xù)增加時，耗散能量開始略有增加。例如，對于纖維含量為0%、0.5%、1%、2%、3%和4%的土，100次加載時耗散能量分別為0.94、0.71、0.43、0.06、0.51和0.53毫焦(mJ)。然而，這一規(guī)律隨著循環(huán)次數(shù)的增加而改變，在10 000次加載條件下，各個纖維含量土的耗散能量分別為0.32、0.47、0.3、0.04、0.61和0.41 mJ。隨著RTF含量的增加，RTF降低耗散能量的作用減弱，例如在10 000次加載條件下，0.5%、1%、2%和3%纖維含量改良土的耗散能量下降到1.86、1.17、0.23和0.14 mJ(素土為2.29 mJ)，纖維含量在2%時，降低耗散能量的效果最為明顯。

不同RTF含量下的阻尼比隨循環(huán)加載次數(shù)的變化如圖6所示?？梢钥闯觯鄬τ谒赝?，各個纖維含量下阻尼比的增幅分別為19.8%、86.6%、69.8%、53%和27%，當(dāng)纖維含量為1%時，阻尼比增加效果最優(yōu)。

圖6 阻尼比與加載次數(shù)的關(guān)系

4 機(jī)理分析

纖維對土的加固作用主要是纖維的張拉強(qiáng)度發(fā)揮所致，當(dāng)含有纖維的土單元出現(xiàn)裂縫，纖維將被扭曲、拉伸，只要纖維足夠長而不被拉出土體，其抗拉強(qiáng)度(T)將發(fā)揮作用，使得土在裂縫處仍然有一定連接，從而增強(qiáng)改良土整體的強(qiáng)度。纖維的抗拉強(qiáng)度由纖維與土顆粒之間的摩阻力決定，包含纖維與土顆粒的黏著、摩擦和嵌固作用，這些作用又與纖維類型(表面質(zhì)地、直徑、長度、彈性等)以及圍壓、壓實(shí)程度有關(guān)。

RTF改良土一部分RTF嵌入了土中，土粘附在RTF表面，土顆粒與纖維之間的摩擦?xí)?dǎo)致土動力性能的改善。

5 結(jié) 論

(1)RTF加入會導(dǎo)致永久應(yīng)變顯著增加，這主要是由于干密度減小、纖維壓縮性較高引起的。根據(jù)安定理論標(biāo)準(zhǔn)，RTF含量為0%、0.5%、1%和2%時，改良土表現(xiàn)出塑性安定狀態(tài)(A類)，而含量為3%、4%時試樣表現(xiàn)出塑性蠕變狀態(tài)(B類)?？傮w來看，0.5%～4%的RTF摻入不會導(dǎo)致土在交通荷載下發(fā)生快速的永久變形增加，從永久變形的角度出發(fā)，輪胎纖維改良土可以用于路堤填筑的。

(2)回彈模量隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加而提高，同一加載次數(shù)下，回彈模量隨著纖維含量的增加而先增后減，纖維含量為2%時土的回彈模量最大，隨后RTF含量繼續(xù)增加時，回彈模量將降低。

(3)對于前500個循環(huán)，耗散能量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減少，當(dāng)RTF含量從0%增加至2%，將導(dǎo)致耗散能量降低，而RTF含量繼續(xù)增加時，耗散能量開始略有增加。阻尼比隨著纖維含量的增加而先增后減，最佳RTF含量為1%，與素土相比，該纖維含量下阻尼比提高了近87%。

(4)根據(jù)試驗(yàn)，摻入RTF盡管會略微降低路基土的干密度，但可明顯改善其動力性能，減少車轍，增加回彈模量和阻尼比，有助于減少路面層厚度，節(jié)約路面材料，同時還能緩解廢棄物填埋或焚燒帶來的環(huán)境危害，具有較好的應(yīng)用前景。