循环荷载下回收轮胎纤维改良路基土动力性能研究

张玉洁

(铜仁职业技术学院,贵州 铜仁 554300)

我国内陆湖区附近分布有大量软黏土，在该地区修筑的公路路基，如果能够充分利用这些软黏土，将大量减少外购路基土的成本[1,2]，常用的改良材料为水泥、石灰、火山灰等[3-5]，但水泥、石灰的使用无疑会加大建设成本，而且生产和使用过程中都带有一定的环境污染性。在过去的几十年里，对工业废弃物进行循环再生利用，从而用于路基土的改良加固引起了广泛的关注，为达到“变废为宝”的效果，许多学者开展了相关研究工作，木质素[6]、椰纤维[7]、建筑垃圾[8]、微生物橡胶颗粒[9]都曾被尝试作为路基土改良的改良剂，上述材料对土无侧限抗压强度、压缩模量、CBR、抗剪强度等指标的提升作用都得到了实验验证。

近年来，随着报废车辆数量的日益增加，产生了大量的废弃轮胎，其中的轮胎纤维用于给轮胎提供足够的抗拉强度。传统的轮胎纤维处理方法为掩埋或燃烧，前者占用大片垃圾填埋区域，后者则引起大气污染。考虑到回收轮胎纤维(recycled tyre fiber,RTF)可能有助于改善土的工程性质，文献[10]和[11]对其在改良土方面的应用进行了研究和探讨，但是仅限于评价其静力学指标，由于路基土受到交通荷载的影响，评价改良后路基土的动力性能也是至关重要的，但目前此方面的研究报道较少。鉴于此，对湖南省恩吉高速路基土进行了RTF改良，通过循环动三轴试验获取不同纤维含量下累积塑性应变、回弹模量、阻尼比等，分析了纤维含量对上述指标的影响规律，建立相关的动力性能表征指标预测模型，并从动力性能角度探讨采用轮胎纤维进行路基土改良的适用性，旨在为轮胎纤维改良路基土提供试验参考。

1 试验材料

试验用土取自湖南省恩吉高速，现场河网密集，属典型的湖沼积平原，沿河软基十分发育，表层黏土厚度达10.3～15.7 m，含水率高、承载力低，其基本物理力学性质如表1所示。

表1 黏土的基本物理性质

试验用土天然含水率高，而且天然孔隙比大于1，CBR达不到路基填筑要求，而周边取土难度较大，故尝试进行改良处理。使用的回收轮胎纤维本身是由许多纤细的尼龙聚合物构成的，上面附着了一些橡胶颗粒，其外观，由于其表面有凹槽和颠簸，纤维和土壤颗粒之间会形成相对较好的粘结。

2 试验方法

首先将试验用土进行翻晒，分别按0.5%、1%、2%、3%、4%质量比关系向其中掺入RTF以配置五种改良土，这五种改良土的最大干密度MDD分别为1.71 g/cm3、1.68 g/cm3、1.64 g/cm3、1.62 g/cm3、1.61 g/cm3，最优含水率OMC分别为18.55%、18.85%、18.7%、18.44%、18.8%，可以看出，随着纤维含量的增加，最大干密度有所降低，这也意味着在同一压实度下，干密度略微变小，这是由于轮胎纤维的比重(1.1～1.2)小于土的比重所致，而最优含水率基本维持稳定。

开展循环动三轴试验前，首先将土的含水率控制在其最优含水率±1%附近，利用双瓣模制作直径为40 mm、高度为80 mm的圆柱体试样，为了获得较为均匀的试样，进行了5层压实，考虑到改良土用于填筑路堤，因此压实度按照路堤层的压实度要求控制，为0.93。施加的循环动力荷载为周期=1 s的半正弦荷载，其中0.1 s为加载试验，0.9 s为间歇时间，围压选择40 kPa，而动偏应力为25 kPa，该荷载接近于公路路基的代表性的荷载条件[12]，循环加载次数最大为10 000次。

3 试验结果分析

3.1 永久变形

图1 基于安定理论的永久变形行为

车辙问题是公路设计需要考虑的主要问题之一，因此尽量减少动力荷载作用下的路基永久变形(累积塑性应变)至关重要。安定理论是一类常用于评估路基填料的永久变形行为的方法，根据这一理论，材料可分为三类，第一类(A)为塑性安定，其材料在有限的循环次数内表现出塑性变形，但塑性变形增长很快消失，材料表现出完全的弹性变形。第二类(B)为塑性蠕变，材料在前几个循环中表现较大的塑性变形，但随着循环次数的增加，塑性变形增粘速率变小，最终达到一个恒定值。第三类(C)为增量破坏，永久变形始终快速增加，最后试样在有限的加载次数内破坏。如果在3 000～5 000次加载下累积塑性应变小于4.5×10-5，则材料属于塑性安定状态；若累积塑性应变介于4.5×10-5和4.0×10-4之间，则材料属于塑性蠕变状态；若累积塑性应变大于4.0×10-4，则材料属于增量破坏状态。为了避免车辙快速发展，保障公路的耐久性，路基填料应该处于A类和B类，而应该采取措施防止填料进入C类。

从不同RTF含量下试样的累积塑性应变可以看出，相对于素土(RTF掺入量=0%)，经过10 000次加载后，RTF含量为0.5%、1%、2%、3%、4%试样的累积塑性应变增加了9.9%、15.8%、101%、367%和543%。累积塑性应变的急剧增大是由干密度降低(随着纤维掺入干密度下降)、纤维的相对高压缩性等因素引起的，由此可见，RTF的含量不能一味增大。

在2 000～5 000次循环加载期间累积塑性应变的变化Δεp如图1所示，在土中添加0.5%、1%和2%的RTF可以使Δεp分别得的67.3%、85.1%和53.6%的降低，根据标准，这三种改良土属于塑性安定状态。而RTF含量继续增加时，Δεp的变化会增大，例如，当RTF含量分别为3%和4%时，Δεp分别增加了613%和967%，根据3.1节中的标准，这两种试样属于塑性蠕变状态。总体来看，0.5%～4%的RTF掺入不会过于牺牲土抵抗永久变形的能力，导致土在交通荷载下发生快速的永久变形增加。美国新建和修复的路面结构力学—经验设计指南(MEPDG)推荐了一种常用于预测颗粒材料累积塑性应变的模型，即

εp(N)=ε0exp-(ρ/N)β

(1)

式中：εp为累积塑性应变；N为循环加载数；ε0为最大累积塑性应变；ρ为尺度因子；β为形状因子。

采用该模型，对试验数据进行了拟合，其拟合效果见图2中实线，与实验数据基本吻合，由此可见，模型也适用于轮胎纤维改良土，可作为预测其长期永久变形的工具。

图2 利用安定理论标准对不同纤维含量改良土的状态划分

回弹模量表征路基层的应力—应变关系，其值是滞回圈端点连线的斜率，本次试验中素土和纤维含量=4%改良土的滞回圈如图3所示。

图3 滞回圈

从回弹模量随循环加载次数的变化可以看出，回弹模量随着循环加载次数的增加而提高，从3 000次加载到5 000次加载，0%、0.5%、1%、2%、3%、4%纤维含量下改良土的回弹模量分别增加了1.77 MPa、2.35 MPa、4.51 MPa、6.49 MPa、16.1 MPa和4.1 MPa，这一现象是由是土颗粒重排列、土压实致密所引起的。值得注意的是，同一加载次数下，回弹模量随着纤维含量的增加而先增后减，纤维含量为2%时土的回弹模量最大。结合3.1节可以看出，随着纤维含量的增加，弹性变形和塑性变形并没有表现出同样的趋势，这种现象可以解释为土的弹性变形(可恢复变形)取决于土颗粒本身的压缩变形和土颗粒的重排列，而塑性性能取决于颗粒的粘聚、颗粒相互嵌固以及颗粒的磨损(级配发生变化)。在每个加载次数下，弹性变形和塑性变形同时发生，但又相互独立。因此，在土中加入回收轮胎纤维，对土的弹性变形和塑性变形的影响会有所不同。

基于回弹模量随循环加载次数的变化，采用如下模型来预测回弹模量值

Mr(N)=k1×Nk2+k3

(2)

式中：N为加载次数，k1、k2和k3为模型参数。模型参数与RTF含量的关系如表2。

根据表2中的模型参数，可以计算出各个纤维含量下特定加载次数下的回弹模量。图7对比了实验得到的回弹模量值与预测的回弹模量值，可以看出，利用表2和式(2)可以较准确地预测改良土的回弹模量，纤维含量为0.5%、1%、2%、3%和4%时的R2分别为0.932 3、0.945 3、0.973 1、0.939 5、0.87 19。

表2 模型参数拟合值

3.3 能量耗散和阻尼比

循环加载下试样耗散能量和阻尼比的计算方法如图4所示。不同改良土耗散能量随循环加载次数的变化如图5所示，高的耗散能量并不一定对应较高的阻尼比。

图4 动力作用下滞回圈示意图

图5 耗散能量与加载次数的关系

根据图5，对于前500个循环，耗散能量随着循环次数的增加而减少，这种现象可归因于土颗粒的重排列以及试样弹性变形的减少。在前500次加载中，RTF含量从0%增加至2%，将导致耗散能量降低，而RTF含量继续增加时，耗散能量开始略有增加。例如，对于纤维含量为0%、0.5%、1%、2%、3%和4%的土，100次加载时耗散能量分别为0.94、0.71、0.43、0.06、0.51和0.53毫焦(mJ)。然而，这一规律随着循环次数的增加而改变，在10 000次加载条件下，各个纤维含量土的耗散能量分别为0.32、0.47、0.3、0.04、0.61和0.41 mJ。随着RTF含量的增加，RTF降低耗散能量的作用减弱，例如在10 000次加载条件下，0.5%、1%、2%和3%纤维含量改良土的耗散能量下降到1.86、1.17、0.23和0.14 mJ(素土为2.29 mJ)，纤维含量在2%时，降低耗散能量的效果最为明显。

不同RTF含量下的阻尼比随循环加载次数的变化如图6所示。可以看出，相对于素土，各个纤维含量下阻尼比的增幅分别为19.8%、86.6%、69.8%、53%和27%，当纤维含量为1%时，阻尼比增加效果最优。

图6 阻尼比与加载次数的关系

4 机理分析

纤维对土的加固作用主要是纤维的张拉强度发挥所致，当含有纤维的土单元出现裂缝，纤维将被扭曲、拉伸，只要纤维足够长而不被拉出土体，其抗拉强度(T)将发挥作用，使得土在裂缝处仍然有一定连接，从而增强改良土整体的强度。纤维的抗拉强度由纤维与土颗粒之间的摩阻力决定，包含纤维与土颗粒的黏着、摩擦和嵌固作用，这些作用又与纤维类型(表面质地、直径、长度、弹性等)以及围压、压实程度有关。

RTF改良土一部分RTF嵌入了土中，土粘附在RTF表面，土颗粒与纤维之间的摩擦会导致土动力性能的改善。

5 结 论

(1)RTF加入会导致永久应变显著增加，这主要是由于干密度减小、纤维压缩性较高引起的。根据安定理论标准，RTF含量为0%、0.5%、1%和2%时，改良土表现出塑性安定状态(A类)，而含量为3%、4%时试样表现出塑性蠕变状态(B类)。总体来看，0.5%～4%的RTF掺入不会导致土在交通荷载下发生快速的永久变形增加，从永久变形的角度出发，轮胎纤维改良土可以用于路堤填筑的。

(2)回弹模量随着循环加载次数的增加而提高，同一加载次数下，回弹模量随着纤维含量的增加而先增后减，纤维含量为2%时土的回弹模量最大，随后RTF含量继续增加时，回弹模量将降低。

(3)对于前500个循环，耗散能量随着循环次数的增加而减少，当RTF含量从0%增加至2%，将导致耗散能量降低，而RTF含量继续增加时，耗散能量开始略有增加。阻尼比随着纤维含量的增加而先增后减，最佳RTF含量为1%，与素土相比，该纤维含量下阻尼比提高了近87%。

(4)根据试验，掺入RTF尽管会略微降低路基土的干密度，但可明显改善其动力性能，减少车辙，增加回弹模量和阻尼比，有助于减少路面层厚度，节约路面材料，同时还能缓解废弃物填埋或焚烧带来的环境危害，具有较好的应用前景。