废旧轮胎颗粒-砂混合物的水平循环剪切特性试验研究

徐小东，鲁 洋，毛航宇，刘 锦，杨 齐

(河海大学 水利水电学院，江苏 南京210098)

0 引言

多年来随着我国经济的不断发展和汽车工业的飞速扩张，汽车废旧橡胶轮胎及其他废旧橡胶制品的积累日趋增多．充分利用废旧橡胶轮胎，变废为宝，实现其循环可持续利用，是利国利民的重要举措［1］．由废旧轮胎经过机械破碎得到的轮胎橡胶颗粒由于其高弹性、高耗能性等特性，是良好的廉价土工材料． 将轮胎橡胶颗粒与天然河砂按一定比例配合，组成的混合物具有轻质、高弹等良好的工程特性［2］．国内外把废旧轮胎颗粒-砂混合物作为一种新型的土工材料，用作路基填料和挡土墙填料，并对于这种新型的土工材料，开展了相关静力特性的研究． Foose［3］和Ghazavi［4］等利用直剪试验装置，研究了轮胎碎片颗粒混合砂土的抗剪强度性质;邓安等［5］利用废旧轮胎橡胶颗粒掺入到砂土填料，通过直剪和三轴压缩试验，研究多种掺入比与不同围压条件下砂土剪切性状;李朝晖等［6］选择废旧轮胎颗粒掺入黄土，研究了混合土的压实特性;辛凌等［7］利用常规三轴固结不排水剪切试验，研究了废旧轮胎橡胶颗粒与土混合料的抗剪强度特性． 废旧轮胎橡胶-砂混合物由于砂颗粒骨架具有较强的抵抗压缩变形的能力，同时又由于轮胎橡胶颗粒良好的弹性变形能力而具有较好的水平剪切变形能力和减隔震性能．对于轮胎橡胶颗粒-砂混合物的动力特性的试验研究，目前还较少． 李丽华等［8］通过室内数字化动三轴试验，研究了废旧轮胎颗粒含量及围压对混合土动力参数的影响规律． Kostas Senetakis［9］利用共振柱研究了轮胎颗粒-砂混合物的动力特性．笔者利用自行研制的大型水平循环剪切试验仪器，开展了废弃轮胎颗粒-砂混合物动力特性的研究，尤其是对不同粒径的废旧轮胎颗粒与砂混合物进行了试验研究．

1 试验介绍

1．1 试验设备

试验所采用的设备是河海大学水工结构研究所自行研制的水平循环剪切试验机，该试验机由试验控制系统、水平张拉系统、反力架系统、竖向加载系统、测量系统及叠环式剪切框等6 部分组成，如图1 所示．

1．2 试样制备

试样的材料包括天然河砂、废旧轮胎橡胶颗粒．废旧轮胎颗粒-砂混合物作为一种回填料，回填的深度一般在地下水位以上，含水率接近为零［10］，本试验中的轮胎颗粒-砂混合物经过室内风干，含水率约为3．5%，由于试样含水率较小可近似等同于地基回填料，用于试验．试验中选用天然河砂的平均粒径为0．25 ～0．35 mm，堆积密度约为1．47 g/cm3，颗粒的级配曲线如图2 所示．选用的废旧轮胎橡胶颗粒为普通机械破碎颗粒，采用1 ～3 mm 和8 ～10 mm 两种粒径尺寸，其堆积密度分别约为0．85 g/cm3和0．93 g/cm3．河砂与废旧轮胎颗粒按体积比进行混合，装入剪切盒中．试样的规格为直径35．6 cm，高度30．0 cm．

图1 水平循环剪切试验装置Fig．1 Horizontal cyclic shear test device

图2 砂颗粒级配曲线Fig．2 Gradation curve of sand grain

1．3 试验方法

本试验采用的是水平循环剪切的方法，使用自行研制的水平循环剪切试验机，能够对较大试样的动力特性进行研究．本试验中采用8 种试样如表1所示，废旧轮胎颗粒的质量分数分别为10%，20%，30%，40%，并与纯砂做对比，试验中试样竖向荷载分别为50，100，150，200 kPa．试验中水平最大剪应变控制为1%，测定剪应力和剪应变．

2 试验结果

土体的等效动剪切模量和等效阻尼比是描述土体动力性能的重要参数［11-12］．由于土体的应力-应变关系是非线性的，并且土体应变对应力反应有一定的滞后性，所以当土体受水平循环剪切时，根据试验中剪切力与剪切位移量测结果可以绘出应力-应变关系曲线，形成椭圆状的滞回圈，典型的滞回圈的形状如图3 所示．根据图3，等效动剪切模量Gp与等效阻尼比λ 的计算公式为

式中:τc，γc为滞回圈顶点的剪应力和剪应变;AL为滞回圈的面积;SΔabc为三角形abc 的面积．

表1 试验中试样的堆积密度Tab．1 Bulk density of test specimen

图3 水平循环剪切试验下典型的应力－应变滞回圈Fig．3 Typical stress-strain hysteresis loop obtained from cyclic shear test

在不同竖向荷载50，100，150，200 kPa 作用下，最大剪应变控制在1%，废旧轮胎颗粒与砂体积比为20%，对试样进行水平循环剪切试验．图4为不同粒径废旧轮胎颗粒-砂混合物的等效动剪切模量随竖向荷载变化的关系曲线． 图5 为不同尺寸废旧轮胎颗粒-砂混合物的等效阻尼比随竖向荷载变化的关系曲线．

图4 竖向荷载－等效动剪切模量关系曲线Fig．4 Relationship curves of vertical load-dynamic equivalent shear modulus

图5 竖向荷载－等效阻尼比关系曲线Fig．5 Relationship curves of vertical load-equivalent damping ratio

3 结果分析与讨论

3．1 竖向荷载的影响

对不同粒径的废旧轮胎颗粒含量10%，20%，30%，40%混合物进行试验，在竖向荷载为100 kPa 作用下，最大剪切应变控制为1%． 图6为不同粒径的废旧轮胎颗粒-砂混合物动弹模量随废旧轮胎颗粒含量变化的关系曲线，图7 为不同粒径的废旧轮胎颗粒-砂混合物的等效阻尼比随废旧轮胎含量变化的关系曲线．

图6 轮胎颗粒含量－等效动剪切模量关系曲线Fig．6 Relationship curves of particle contentdynamic equivalent shear modulus

图7 轮胎颗粒含量－等效阻尼比关系曲线Fig．7 Relationship curves of particle contentequivalent damping ratio

从图4 中可以看出，河砂中掺入废旧轮胎颗粒后，等效动剪切模量有所减小，废旧轮胎颗粒-砂混合物的等效动剪切模量随着竖向荷载增加而变大，并且基本是呈线性关系．这是由于轮胎颗粒较砂颗粒更易于变形，故相对纯砂来说，河砂掺入轮胎颗粒后，所得到的混合物的剪切模量减小;在竖向荷载的作用下，轮胎橡胶颗粒-砂混合物中颗粒之间接触变得紧密，竖向荷载越大，颗粒间接触越紧密，并且大部分的体积变形在水平受剪切之前已经完成，其抵抗水平剪切变形能力增强，故其等效动剪切模量随着竖向荷载增加而增大．

从图5 可以看出，废旧轮胎颗粒-砂混合物的等效阻尼比随着竖向荷载的增加而减小，这是由于随着竖向荷载加大，试样中颗粒间接触更加紧密，应力波在试样中传播速度变快［13］，使得试样对动荷载的反应速度变快，其等效阻尼比随之减小．

3．2 废旧轮胎颗粒含量的影响

从图6 可以看出，随着轮胎颗粒含量的增加，废旧轮胎颗粒-砂混合物等效动剪切模量逐渐减小．这是由于轮胎颗粒弹性较大，轮胎颗粒间接触较多，与河砂混合后，试样的弹性变大，随着轮胎颗粒含量增加，轮胎颗粒间接触增多，由于轮胎颗粒间接触变形较大，试样内部抵抗水平剪切变形的能力减小，所以混合物的等效动剪切模量逐渐减小．

从图7 可以看出，粒径较小废旧轮胎颗粒的混合物在轮胎颗粒含量30%以内时，等效阻尼比逐渐增加，当轮胎颗粒含量为40%时，等效阻尼比有较大幅度减小． 这是由于等效阻尼比受应力波在试样中传播速度的影响，刚开始轮胎颗粒含量逐渐增加时，应力波传播受到轮胎颗粒的阻碍，传播速度变慢，对于动力荷载的反应变慢，所以其等效阻尼比逐渐增大．但是，由于掺入轮胎颗粒后混合物的抗剪强度增加［5］，其主要是轮胎颗粒之间和轮胎与砂颗粒之间的摩擦起作用，使得相对运动更多地发生在砂颗粒之间，试样中轮胎颗粒之间和轮胎颗粒与砂颗粒之间更不容易发生相对运动而消耗能量．因此，当掺入的轮胎颗粒含量增加到一定水平时，后者的影响超过前者，等效阻尼比就会逐渐减小． 大粒径轮胎颗粒与砂混合物含量与等效阻尼比的关系曲线，也可以由上述原因解释．

3．3 废旧轮胎颗粒粒径的影响

图4 和图6 中较大粒径的废旧轮胎颗粒混合物的等效动剪切模量相对小粒径的废旧轮胎颗粒混合物要大一些，这是由于小粒径的轮胎颗粒间的接触机会相对大粒径的轮胎颗粒与砂混合物较多，轮胎颗粒间接触变形相对砂粒要大很多，故小粒径轮胎颗粒与砂混合的等效动剪切模量相对要小一些．其中，在图6 中要说明的是，较大粒径废旧轮胎颗粒的混合物的在轮胎颗粒含量为0 ～20%时，等效动剪切模量略有减小，轮胎颗粒含量为20% ～40%时，动剪切模量减小明显． 这是由于大粒径的轮胎颗粒含量较小时，轮胎颗粒被砂粒包围其中，成为悬浮颗粒，轮胎颗粒间接触很少或者不接触，其宏观力学性状由砂粒控制为主［8］，所以其动剪切模量没有明显变化，但随着大粒径轮胎颗粒含量增多，轮胎颗粒间的接触增多，试样的内部抵抗变形的能力减小，故动剪切模量出现明显减小．

从图5 和图7 中可以看出，粒径1 ～3 mm 废旧轮胎颗粒的混合物的等效阻尼比较粒径8 ～10 mm 废旧轮胎的混合物大，这是由于在相同竖向荷载和颗粒含量下，粒径小的轮胎颗粒间的接触相对较多，砂颗粒之间的接触相对较少，应力波在试样传播过程中受到轮胎颗粒阻碍较大，传播速度变慢，因此其等效阻尼比相对较大．

4 结论

(1)在不同竖向荷载作用下，轮胎颗粒-砂混合物的等效剪切模量随着竖向荷载增加而增大，其等效阻尼比随着竖向荷载的增加而减小;

(2)在不同的轮胎颗粒含量下，大粒径的轮胎颗粒-砂混合物先随着轮胎颗粒含量的增加，等效动剪切模量没有明显变化，随后逐渐减小，其等效阻尼比刚开始随轮胎含量增加逐渐增加，后逐渐减小，峰值含量在20% ～30%之间． 小粒径轮胎颗粒-砂混合物等效动剪切模量随着轮胎颗粒含量增加而逐渐减小，其等效阻尼比先增加后减小，峰值含量在30% ～40%之间;

(3)在相同竖向荷载和轮胎颗粒含量下，在减振隔震效果上，粒径为1 ～3 mm 轮胎颗粒-砂混合物要比粒径为8 ～10 mm 轮胎颗粒-砂混合物要更好一些．

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