路釗馳 楊忠年 劉繼明 呂建航 張 琦 凌賢長(zhǎng)②

(①青島理工大學(xué)， 青島 266000， 中國(guó))

(②哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 哈爾濱 150000， 中國(guó))

0 引 言

隨工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，近年來(lái)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(lái)中國(guó)的輪胎產(chǎn)量及回收量，中國(guó)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(zhǎng)(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(duì)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(dòng)廢舊輪胎循環(huán)再利用是引導(dǎo)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

圖1 近十年中國(guó)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(guò)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(jiǎn)單的方式(Ruwona et al.，2019)，然而，橡膠的長(zhǎng)期放置不僅浪費(fèi)土地對(duì)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(kāi)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(chǎng)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(lái)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(kāi)裂，從而對(duì)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(guò)物理及化學(xué)方式來(lái)處理膨脹土以達(dá)到改性的目的(劉清秉等， 2011； 沈勝?gòu)?qiáng)等， 2017； 項(xiàng)國(guó)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(duì)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(shì)，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(duì)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(shì)，因此橡膠也被認(rèn)為是改性膨脹土的良好材料。近年來(lái)學(xué)者們對(duì)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(dòng)剪切模量與液化強(qiáng)度，并分析了不同接觸類型對(duì)兩者的影響。Ding et al.(2021)通過(guò)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(dòng)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(dòng)力特性等，但橡膠加筋土的動(dòng)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(chǎng)墊層時(shí)，循環(huán)動(dòng)荷載的影響是極為主要的。因此，進(jìn)一步研究?jī)鼋Y(jié)橡膠加筋膨脹土的動(dòng)力特性，將有助于對(duì)邊坡、路堤、擋土墻等的動(dòng)力分析。

綜上所述，為了對(duì)凍結(jié)條件下橡膠加筋膨脹土進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力特性研究，本文進(jìn)行了一系列不固結(jié)不排水低溫動(dòng)三軸試驗(yàn)，借助動(dòng)三軸儀來(lái)模擬循環(huán)動(dòng)荷載。試驗(yàn)研究了4種橡膠摻量對(duì)ESR的滯回曲線、骨干曲線、動(dòng)剪切模量及阻尼比的影響。本文的研究成果對(duì)廢棄橡膠在季凍區(qū)的膨脹土工程提供理論支撐，并通過(guò)對(duì)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組，2019)對(duì)其液塑限、最大干密度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，并用XRD測(cè)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(lái)自于中國(guó)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?？紤]橡膠摻量對(duì)橡膠加筋膨脹土的動(dòng)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(rùn)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采取蒸餾水對(duì)試樣進(jìn)行真空飽和，抽真空2h以保證飽和缸內(nèi)無(wú)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所引進(jìn)的MTS-810(Material Test System 810)低溫動(dòng)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(dòng)采集系統(tǒng)。對(duì)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(guò)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(dòng)三軸試驗(yàn)。

圖4 制樣-凍結(jié)-加載過(guò)程示意圖

動(dòng)應(yīng)力加載方式如圖5所示，加載過(guò)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(dòng)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(dòng)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(jí)循環(huán)加載

2 動(dòng)剪切模量及阻尼比的參數(shù)測(cè)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(huì)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(lái)表征土體的力學(xué)性能。本文將在動(dòng)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(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變皆用σd和εd表示。動(dòng)荷載作用下動(dòng)剪切模量與阻尼比是表征土體的重要?jiǎng)恿?shù)，動(dòng)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(dòng)過(guò)程中土體能量的消散。圖6為等效線性動(dòng)黏彈性模型圖，表征土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

圖6 動(dòng)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(duì)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(duì)應(yīng)的并不是最大應(yīng)變，顯示了應(yīng)變對(duì)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(dòng)剪切模量G為動(dòng)剪應(yīng)力與動(dòng)剪應(yīng)變的比值，見(jiàn)式(4)：

(4)

土樣阻尼比的基本計(jì)算公式見(jiàn)(5)：

(5)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 橡膠摻量對(duì)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(guò)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(jí)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(zhǎng)狀分布且隨剪應(yīng)變的增加而逐漸扁平化。

圖7 各級(jí)加載下的滯回曲線

在第15級(jí)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(shuō)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(zhǎng)。與ESR-2相比，ESR-4在第15級(jí)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(jí)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(dòng)黏彈性體，在彈性范圍內(nèi)動(dòng)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(shì)，這也進(jìn)一步說(shuō)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(duì)骨干曲線的影響

每一級(jí)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(duì)增加。由于薄膜水附著在顆粒表面從而具有潤(rùn)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(guò)10%時(shí)，會(huì)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(duì)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(duì)動(dòng)剪切模量的影響

圖10顯示了不同橡膠摻量下ESR的動(dòng)剪切模量曲線。曲線變化趨勢(shì)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?cè)黾拥?.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(duì)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(guò)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(dòng)剪切模量

相比土顆粒，橡膠的剛度較低，當(dāng)被施加軸向動(dòng)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(guò)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(dòng)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(dòng)剪切模量比關(guān)系曲線。由圖11可知，ESR的動(dòng)剪切模量比與剪應(yīng)變呈非線性關(guān)系，動(dòng)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(dòng)剪切模量比達(dá)到峰值。本試驗(yàn)采用Hardin-Drnevich模型對(duì)動(dòng)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(dòng)剪切模量比

3.4 橡膠摻量對(duì)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(guò)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(wú)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(shì)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?cè)黾?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(duì)土樣施加軸向動(dòng)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(chǔ)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(guò)對(duì)不同橡膠摻量下的ESR進(jìn)行低溫動(dòng)三軸試驗(yàn)，得到ESR的滯回曲線、骨干曲線、動(dòng)剪切模量及阻尼比，討論了在凍結(jié)狀態(tài)下ESR的動(dòng)力特性，結(jié)論如下：

(1)凍結(jié)時(shí)隨動(dòng)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(jí)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(duì)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(dòng)剪切模量與動(dòng)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(shì)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(shì)； 相對(duì)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%。