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.pdf

2023 年第 1 期(总第 347 期)黑龙江交通科技HEILONGJIANG JIAOTONG KEJINo1，2023(Sum No347)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)摘要:为了解循环荷载下回收轮胎纤维改良路基土的动力性能，对湖南省恩吉高速路路基土掺入了 0 5%4%的轮胎纤维进行改良。通过循环动三轴试验获取改良土的累积塑性应变、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。研究发现，0 5%4%的轮胎纤维加入会导致累积塑性应变显著增加，但根据安定理论，改良土在循环荷载下仍属于塑性安定和塑性蠕变状态，从永久变形的角度出发，轮胎纤维改良土是可以用于路基填筑的;而改良土的回弹模量随轮胎纤维含量的增加而先增后减，同一加载次数下，纤维含量为 2%时回弹模量最大;纤维的掺入同样可以明显提高土的阻尼比，尤其当纤维含量为1%时，相对素土阻尼比提高了 87%。轮胎纤维可以改善路基土的动力性能，减少车辙，增加回弹模量和阻尼比，有助于减少路面层厚度和节约路面材料，同时还能减少废弃物填埋或焚烧带来的环境危害，具有环保效益。关键词:回收轮胎纤维;路基土;循环动三轴试验;回弹模量;累积塑性应变;阻尼比中图分类号:U416 1文献标识码:A文章编号:1008 3383(2023)01 0042 04收稿日期:2022 03 20作者简介:张玉洁(1989)，女，湖北荆门人，硕士，讲师，主要从事公路工程检测及养护施工基金项目:武陵山区建筑废弃物再生材料的路用性能研究 以沥青混合料为例(铜市科研 2020 101 号)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、CB、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 tyrefiber，TF)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 TF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指标比重天然含水率/%最大干密度/(gcm1)最优含水率/%0075 mm颗粒含量/%液限 LL/%塑性指数PI/%USCS分类数值26840 451 76181932418228CL试验用土天然含水率高，而且天然孔隙比大于1，CB 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24DOI:10.16402/ki.issn1008-3383.2023.01.022第 1 期张玉洁:循环荷载下回收轮胎纤维改良路基土动力性能研究总第 347 期着了一些橡胶颗粒，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 TF 以配置五种改良土，这五种改良土的最大干密度 MDD 分别为171 g/cm3、168 g/cm3、164 g/cm3、162 g/cm3、161 g/cm3，最 优 含 水 率 OMC 分 别 为 18 55%、1885%、187%、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试验结果分析图 1基于安定理论的永久变形行为3 1永久变形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 5 105，则材料属于塑性安定状态;若累积塑性应变介于 4 5 105和 4 0 104之间，则材料属于塑性蠕变状态;若累积塑性应变大于4 0 104，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 TF 含量下试样的累积塑性应变可以看出，相对于素土(TF 掺入量=0%)，经过 10 000次加载后，TF 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，TF 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 p如图1 所示，在土中添加0 5%、1%和2%的 TF 可以使 p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 TF 含量继续增加时，p的变化会增大，例如，当 TF 含量分别为 3%和 4%时，p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 TF 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p(N)=0exp(/N)(1)式中:p为累积塑性应变;N 为循环加载数;0为最大累积塑性应变;为尺度因子;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。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。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34总第 347 期黑龙江交通科技第 1 期图 2利用安定理论标准对不同纤维含量改良土的状态划分图 3滞回圈1 77 MPa、2 35MPa、4 51MPa、6 49MPa、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 TF 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 2分别为 0 932 3、0 945 3、0 973 1、0 939 5、0 87 19。表 2模型参数拟合值纤维含量/%最终模量/MPa，N=10 000k1k2k301565216030194185205169757968019517660143040690497433213211321017915243248257301832644925503018592 773 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44第 1 期张玉洁:循环荷载下回收轮胎纤维改良路基土动力性能研究总第 347 期载中，TF 含量从 0%增加至 2%，将导致耗散能量降低，而 TF 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 TF含量的增加，TF 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 TF 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