要
随着近年来汽车数量的的快速增长，汽车使用过程中产生的废旧轮胎数量也越来越多。废旧轮胎被称为“黑污染”，其会对自然环境造成严重破坏，所以如何环保有效的回收处理废旧轮胎成为世界各国需要面对的难题。
目前，将废旧轮胎粉碎成颗粒后应用于路基加筋土领域已经得到了有效推广。废旧轮胎颗粒混合砂因其质轻、渗透性强、弹性高、成本低廉等特点已被广泛应用于土木工程建设领域。尤其是将废旧轮胎颗粒应用于路基工程中不仅可以减少砂土的用量还可以提高路基在循环荷载作用下的稳定性能。
本文以某工厂回收生产的废旧轮胎颗粒和标准砂为原材料，通过开展室内动三轴试验研究循环荷载条件下橡胶颗粒混合砂的动孔隙水压力、动弹性模量、阻尼比和累积塑性应变变化规律。通过室内土工试验研究和Geo软件模拟来为废旧橡胶应用于工程实践提供理论参考。本文主要研究内容和成果如下：
（1）研究发现循环荷载作用下各组橡胶砂试样的动孔压增长分为三个阶段，分别为快速增长阶段、匀速增长阶段、稳定阶段。当掺入的橡胶颗粒粒径较大时混合砂试样的抗液化性能得到显著增强。将大粒径橡胶颗粒掺入砂土会使试样砂粒间孔隙变大所以渗透系数增大孔隙水压力更容易消散因此试样抗液化能力增
强；当将小粒径橡胶颗粒掺入砂土后试样的渗透系数减小孔隙水压力不易消散所以试样抗液化性能较弱。较大的围压和固结应力比会使试样的孔隙减小因此试样在动荷载作用下抗液化能力将增强。
（2）分析试验数据发现当橡胶颗粒掺入量达到30%时，此时橡胶颗粒在试样的受力骨架中占主导作用，整个试样失去了砂土的应力状态结构且在循环荷载作用下液化现象很难产生。因此即使高掺量橡胶颗粒可以提高纯砂试样的抗液化能力，但此种做法在工程施工中并不符合实际条件。
（3）研究得出在循环荷载作用下橡胶砂试样的动弹性模量均小于纯砂试样，橡胶砂试样的阻尼比均大于纯砂试样。橡胶颗粒掺入砂土后可以减小土体剪切刚度，发挥抗震减震优势。当试样掺入橡胶颗粒后，橡胶颗粒因其弹性会产生吸能效应，使得土体在循环荷载作用下滞后性增强，所以使得橡胶砂试样的阻尼比大于纯砂试样。
（4）研究发现在相同振次和频率的交通荷载作用下，掺入1.5mm粒径橡胶颗粒试样在三种固结围压作用下产生的累积塑性应变均小于纯砂试样，而掺入2.5mm粒径橡胶颗粒试样在三种固结围压作用下产生的累积塑性应变均大于纯砂试样。所以根据试验结果可知将橡胶颗粒掺入土体后可以在一定程度上减少土体在交通荷载下的沉降。并通过Geo软件进行路基建模分析对动三轴试验所得出的结论进行了验证。
关键词：废旧轮胎颗粒；抗液化性能；动力特性；滞回曲线。
第1章绪论
1.1 研究背景及意义
随着汽车工业发展日益蓬勃，全世界各国人均汽车保有数量急剧增多，因此各类汽车在使用过程中产生的废旧轮胎也日益增多。废旧轮胎是一种不熔或难熔的高分子耐烧材料，具有耐热性、抗生物性以及抗拉性。这种材料存在于自然环境中几乎不能被自然环境所降解，经过数百年的时间都不会自然消除。根据相关机构统计，世界各国废旧轮胎积存数量已达50亿条，且每年都有约12亿条废旧轮胎的新增数量。在美国，每年需要处理超过2.5亿条废旧轮胎，在加拿大，需要处理数量超过0.8亿条，在印度，需要处理数量超过1亿条。目前，中国已成为全世界最大的轮胎生产国，每年的轮胎产量超过3亿只，且每年轮胎报废的数量达到2亿只[1]。在全球各地城市中存在许多堆积如山的废旧轮胎堆积点如图1-1所示，这种堆积点一般都是露天堆积在自然环境中。这种处理方式所形成的堆积点极易滋生蚊虫和传播病菌，且占用了大量土地。一些缺乏环保意识的人直接将废旧轮胎在堆积点焚烧，如图1-2所示，这种方式会不仅对大气和环境造成严重污染而且严重威胁人类健康和安全，将废旧轮胎这种可回收材料燃烧也是对再生资源的一种浪费[2]。
图1-1 大量堆积的废旧轮胎图1-2 燃烧的废旧轮胎
Fig.1-1 Massive pile of waste tires Fig.1-2 Burning waste tires
我国属于橡胶资源消耗大国，但是我国的橡胶产量却十分有限，每年都必须从国外进口大量的橡胶资源。
目前，如何有效环保的处理好废旧轮胎回收问题已成为全世界面临的难题[3]。传统的焚烧和露天堆积的方法不仅浪费土地资源而且严重破坏生态环境。如何有效回收利用废旧轮胎，将其带来的危害转化为对社会的益处，将废物转化为财富，已成为国际社会非常关注的一个环境问题。如果我们能够有效回收利用这些废旧轮胎，不仅有利于自然环境保护，而且可以为社会带来变废为宝的财富，这对于社会的可持续发展也都是有极大的益处的。
目前，世界各国正在研究如何开发新设备和新技术以翻新轮胎、生产橡胶粉、提高其热值转化率和能源开发利用率等。传统的二次加工（例如翻新）通常会消耗更多的能
源，并且成本更高，如果废弃物处理不当还会给生态环境带来了二次污染。在工程建设领域直接使用废旧轮胎与土木工程材料混合形成新型土工材料不仅可以处理大量的废旧轮胎，减少废旧轮胎引起的环境问题，还提供了大量的高质量和低成本的加固材料，节省了工程材料并降低了工程成本。
我国正在大力发展基础设施建设，将废旧轮胎应用于土木工程建设来代替某些工程材料成为了一种高效、方便的废旧轮胎回收利用途径。由于废旧轮胎颗粒具有抗拉强度高、耐久性优良、廉价等性质，这使得废旧轮胎应用于土木工程建设领域得以推广。将废旧轮胎应用于土木工程建设领域当中，成为了一种资源友好型的废旧轮胎回收利用新方法[4]。工程中所使用的废旧轮胎和填土材料均为可回收材料，所以这种改良加筋材料发展应用前景非常广阔。废旧轮胎颗粒与填土材料混合后应用于边坡、路堤、地基
和挡土墙等工程是国际推广和应用的新趋势。废旧轮胎用作加强材料，尤其是用于修整斜坡，非常适合可能发生滑坡的区域。关于废旧轮胎与工程材料加筋是一个国际性研究的热点问题，且与环境保护、节约资源、补充建筑材料和防止自然灾害等国际问题有关，特别是它与经济社会发展密切相关，所以废旧轮胎的回收利用具有重要的发展前景和应用价值。
路基是交通公路、铁路的重要组成部分，是路面的支撑，且承受路面上车辆等其他交通工具传递的荷载，路基的质量好坏与否直接影响路面的使用性能。随着道路货运数量的不断增长，道路运输中行驶的各种车辆对路基路面的的载荷也随之增加，为了保证道路的安全运输，路基整体安全稳定性显得尤为重要。路基的整体稳定性能由路基填料的性质、施工工序流程和路面荷载情况影响。而路基填料的性质为影响路基整体稳定性的主要方面，路基填料通常取自于工地附近的砂料厂或原始土堆。在一些道路附近没有符合要求填料的工程项目，为了节约成本将资源最大化利用可以采用加筋土的方法对不符合要求的填料进行改良，改良后的混合填料可以用作路基填料。我国交通基建飞速发展，大量公路铁路路基路面在使用过程中在交通荷载作用下产生了不均匀沉降破坏如图1-2所示，且经过地震区的交通路段极有可能在地震作用下路基液化失稳如图1-3所示。这两种危害对公路铁路的安全运输造成了极大的影响。由于橡胶颗粒具有良好的弹性、廉价性和耐腐蚀等属性，将橡胶颗粒与砂土混合应用于路基是不仅可以提高路基的抗液化能力并能减少路基在交通荷载的不均匀沉降。研究循环荷载作用下路基的抗液化性能、累积应变规律，得出交通循环荷载作用下橡胶砂土路基沉降变形曲线函数具有重要意义。
图1-2 路面不均匀沉降图1-3 土体地震液化Fig.1-2 Uneven subsidence of road Fig.1-3 Earthquake liquefaction
1.2 废旧轮胎的回收利用主要途径
伴随着21世纪汽车工业的飞速发展，各类汽车使用过程中产生的废旧轮胎数量也急速增加，废旧轮胎材料的回收利用问题已引起了世界各国的关注。在一些发达国家，国家制定了相关减税减免，政府补贴等法律措施来支持本国从事废旧轮胎回收利用的单位和企业。展望未来，废旧轮胎的回收利用行业将是新时代的多学科融合的技术产业。
1.2.1 废旧轮胎原形利用
废旧轮胎的原形利用主要集中在工程建设、减震防护和装饰绿化等方面。这其中废旧轮胎在工程建设方面应用的较为广泛。在道路市政工程管道施工中可以将整只废旧轮胎连续并排的铺设于市政管道下方作为防护层，这样可以避免市政管道受到施工的破坏和来自周围土体的压力作用。在水资源较丰富的桥梁基础和地下水水位较高的地基中将整只废旧轮胎连续埋置于构筑物周围用于防水和防潮保护并以此保护建筑物。在减震防护方面，主要应用在在河流，湖泊和海岸的堤坝，废旧轮胎可用于保护斜坡，以防止水流侵蚀堤坝。在船的两侧，码头护岸和高速公路的拐角处，经常可以见到将整只废旧轮胎作为防撞击缓冲隔离，以此来避免船舶靠岸时对船只本身和港口构筑物的撞击破坏，同时在高速公路拐弯处设置废
旧轮胎可以减少车辆撞击带来的损坏并保护人员免受生命威胁。目前废旧轮胎作为一种新型的人工造礁方式在渔业养殖方面取得了一定的效果，渔业养殖户将废旧轮胎捆绑在一起后将其沉入养殖区域水底，废旧轮胎便会成为人工岛礁吸引大量鱼繁殖觅食。
翻新轮胎目前，废旧轮胎的原形利用已经在很多方面得到推广，不过这部分回收利用的废旧轮胎数量很少还不到每年产生的废旧轮胎总量的1%[5]，所以废旧轮胎的原形利用并不能作为废旧轮胎的主流回收利用途径，科学家们还需研究更加有效、回收废旧轮胎数量大的办法来处理废旧轮胎。
1.2.2 废旧轮胎翻新
翻新旧轮胎的成本为生产新轮胎的成本的三分之一，翻新后轮胎的使用寿命是新轮
胎使用寿命的三分之二，所以旧胎翻新这种回收方法具有很高的经济价值。轮胎的典型使用寿命通常为50,000至70,000公里。翻新旧轮胎是要去除已被磨损损坏的废旧轮胎的外层，然后在将新橡胶层粘贴于已处理轮胎表面，随后再进行硫化处理，最后再进行包装加工后流入市场。旧胎翻新要经过一系列工序过程处理，包括进厂检验，轮胎磨削，硫化处理和成型加工等。当前，因为人们对轮胎翻新技术的不了解和对二次加工产品的排斥，所以这种情况给翻新轮胎推广使用带来了较大的阻力。但是，二次轮胎翻新技术已变得更加成熟有效在中国轮胎翻新的推广和利用已经广泛开展，在不久的将来，市面上将会出现许多种类二次翻新轮胎供消费者选择。
1.2.3 燃烧热能利用
轮胎的高分子橡胶材料是一种良好的燃料，在燃烧设备中进行燃烧可以提供出大量能量。比如在钢铁厂和水泥厂等工厂可以利用经过特殊处理废旧轮胎橡胶材料来提供能量[6]。热能的使用是用废旧轮胎代替燃料。首先是将废旧轮胎粉碎成碎片状，随后将碎片状的轮胎与可燃材料混合以形成混合燃料。用混合燃料代替石油，焦炭和煤炭用于高炉喷射，代替煤炭用于热力发电。同时，这套制作方法还可以产生副产物炭黑。炭黑可用作生产各种橡胶制品的补强剂。
1.2.4 轮胎热分解
通过对废旧轮胎进行热分解可以提取出相关的化学产品。热分解工艺是指在没有氧气或氧气含量非常低的情况下废旧轮胎发生的焚化或气化反应。热分解过程通常产生焦化油和合成气。废旧轮胎热分解过程包括热解反应，产生油气和焦炭，油气凝结后产生油和合成气，合成气也是发电和加热的能源。热分解过程中的条件、时间、压力和加热速率等因素会影响各种产物产生的比例。通过热解工艺生产的产物，例如焦炭和石油，是市场上的高价值产品。废旧轮胎中的钢丝回收后，也可以再次循环使用。而且，废旧轮胎经过这种处理方法带来很少的残留材料。在废旧轮胎热分解过程中还会产生焦炭。实际上，焦炭被用作炭黑混合物之一，它不同于轮胎中含有的天然炭黑和橡胶填充剂。另外，由于通过热分解而得到的合成气中夹杂着各种颗粒废物，因此制得的合成气纯度不高，所以在热分解产生的合成气在市场上也遇到了一些问题[7]。
热分解获得的产物中所含有的燃油可以与化学生产的燃油混合直接使用于工厂作为能量供应源，也可以用于工业柔软剂的制作过程中[8]。热分解过程还会产生副产物——碳粉，这种副产物可以经化学处理后制成吸附剂。吸附剂对水中污水内的有毒金属具有很强的过滤作用。研究人员对热分解的工艺流程进行了改进和提升后，有效提高了热分解产物产出的效率，使得该项技术更具广阔的发展应用前景[9]。
1.2.5 机械粉碎利用
由于废旧轮胎橡胶具有重量轻，韧性强等特点，因此可以将废轮胎粉碎成碎片，并与沥青，水泥，沙子等混合后作为工程填料。这种方法不仅可以提高路基路面的稳定性
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