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
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1、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
2、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:
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
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