广州大学土木工程学院 广东广州 510000
摘要：回收废旧轮胎与土混合后，可作为轻质材料在挡土墙和路堤、机械地基和地震带铁路路基中发挥重要作用。橡胶具有高阻尼特性，在地震荷载较大的情况下，可以作为土的替代品或与土混合使用以降低振动。因此，在实际应用之前评估这种混合物的动态特性是具有重大意义的。除了橡胶掺入量外，橡胶颗粒的粒径与围压应力也是影响橡胶砂混合物动力特性的重要因素，因此对于这两者所带来的影响进行深入的分析是非常有必要的。本文总结了近些年，国内外学者对橡胶砂动力特性的研究现状，重点分析了橡胶粒径和围压应力在动力特性方面的影响。
引言
在美国，每年都有大量的废轮胎以2亿到2.5亿的速度被生产出来，其中85%被露天存放。废轮胎库存可能造成严重的地质环境问题，因为轮胎不会天然分解，并可能通过排放渗滤液污染地下水[1]。然而，颗粒状轮胎碎片特殊的力学特性促进了这种材料的二次使用，通常与土壤材料混合，在土木工程应用，特别是在土工结构。使用土胶混合物作为工程材料，不仅可以提供再生利用轮胎的替代方法，而且可以改善软土和问题土的力学性能，如强度不足、不稳定性和低阻尼。例如，橡胶粉可用于增强沥青的性能；用作挡土墙的回填料，减少挡土墙上的侧向土压力；用于埋入桩的填料以及用于边坡修复或路堤或提供过滤层，用于填埋场的排水[2]。这些实际应用促使研究人员对土壤-橡胶混合物的一般岩土力学特性进行表征，包括其压实特性、弹性模量和泊松比、剪切强度、渗透性和压缩性以及它们的微观力学行为。然而，很少有研究集中在土壤-橡胶混合物的动态行为。橡胶具有较高的弹性变形能力、较低的体积密度和高阻尼能力 [3]。为推动橡胶混凝土在隔震材料领域的发展，有待开展更进一步的研究。基于此，本文对橡胶砂的动力特性研究现状进行了总结，重点分析了橡胶粒径和围压应力对剪切模量和阻尼比等动力参数的影响，为后续的研究工作开展提供参考。
1.动剪切模量
LI Li-hua等人[4]的研究表明，随着围压不断增大，动剪切模量随围压增加而增大的趋势也不断减小，与其对动强度影响规律和原理基本一致。Sarajpoor等人[2]的研究表明，随着围压应力水平的增大，混合料的剪切模量增大。随着橡胶粒径的增大，剪切模量增大。其他研究如Lopera Perez等人[5]进行的数值模拟结果表明，当橡胶含量保持不变时，较高的橡胶粒径会导致砂粒之间的接触点数量增加，从而增加混合物的剪切模量。Nakhaei等人[6]指出，随着围压的增大，混合物的剪切模量增大。这一现象是由于围压的增加导致晶间摩擦增加，从而导致刚度的增加。
2.阻尼比
Sarajpoor等人[2]发现，随着围压应力水平的增大而阻尼比减小。随着围压应力水平的增加，混合料的阻尼比减小，其线性特性增强。试验结果还表明，随着围压应力的增大，纯砂和纯橡胶试样的阻尼曲线交点向较高的应变幅值移动。随着橡胶粒径值的减小，橡胶-砂和橡胶接触点的数量增加，有利于砂粒在剪切荷载作用下的运动，最终导致较高的阻尼值。Nakhaei等人[6]的研究结果表明，围压为50和100kpa时，随着橡胶颗粒的增加，阻尼比下降；围压为200和300kpa时，阻尼比下降趋势相反。这种差异可能是因为，在低围压（50和100kpa）下，随着橡胶颗粒的增加，由于橡胶颗粒具有较高的弹性变形能力，弹性应变增大，压缩阻尼比减小。
但在高围压条件下（200 kPa和300kpa），橡胶晶粒受到挤压而变屈，这导致在偏应力作用下，晶粒的相对位移增大，最终塑性应变和阻尼比均增大。对这种行为的解释是，随着围压的增加而引起的粒间摩擦的增加，塑性应变减小。因此，磁滞回线宽度减小，导致阻尼比减小。对于含橡胶颗粒的土体，随着围压的增大，阻尼比增大，而对于不含橡胶颗粒的土体，阻尼比则相反。
3.结论与展望
通过以上对比分析可以发现，随着围压应力的增加，剪切模量是随之增大的。这是因为围压的增加导致晶间摩擦增加，从而导致刚度的增加。阻尼比则是呈现相反的趋势，这在很多研究中都能找到相似的结论。其次，当橡胶含量保持不变时，较高的橡胶粒径会导致砂粒之间的接触点数量增加，从而增加混合物的剪切模量。随着橡胶粒径值的减小，砂胶和橡胶接触点的数量增加，有利于砂粒在剪切荷载作用下的运动，最终导致较高的阻尼值。可见，大部分学者对围压和粒径在橡胶砂混合物动力特性的影响的认识，是相近的。橡胶与砂混合之后，内部的接触发生改变是一个明显的特点，进而影响混合物的动力特性，而当围压和粒径不同时，这种接触的形式又会不同。因此，下一步应该加强，围压和粒径分别与橡胶掺入量对橡胶混合物动力特性的综合影响分析。
参考文献：
[1]EHSANI M，SHARIATMADARI N，MIRHOSSEINI S.Shear modulus and damping ratio of sand-granulated rubber mixtures [J].Journal of Central South University，2015，22（8）：3159-67.
[2]SARAJPOOR S，KAVAND A，ZOGH P，et al.Dynamic behavior of sand-rubber mixtures based on hollow cylinder tests [J].Construction and Building Materials，2020，251
[3]MADHUSUDHAN B R，BOOMINATHAN A，BANERJEE S.Static and Large-Strain Dynamic Properties of Sand–Rubber Tire Shred Mixtures [J].Journal of Materials in Civil Engineering，2017，29（10）：
[4]李丽华，肖衡林，唐辉明，et al.轮胎颗粒混合土动力特性参数影响规律试验研究 [J].岩土力学，2014，35（2）：359-64.
[5]LOPERA PEREZ J C，KWOK C Y，SENETAKIS K.Effect of rubber size on the behaviour of sand-rubber mixtures：A numerical investigation [J].Computers and Geotechnics，2016，80（199-214.
[6]NAKHAEI A，MARANDI S M，SANI KERMANI S，et al.Dynamic properties of granular soils mixed with granulated rubber [J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2012，43（124-32.