橡膠顆粒—廢鑄砂復(fù)合填料凍脹試驗(yàn)

帕爾哈提

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院)

1 前 言

試驗(yàn)參照國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局與建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布的《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123 －1999。凍脹試樣尺寸為直徑φ×高度H 為100 mm×50 mm，試樣筒外徑為120 mm，壁厚為10 mm 的有機(jī)玻璃筒及與其配套的頂、底板組成。試樣無側(cè)向變形，軸向無約束，試樣單向自由凍結(jié)方式。凍脹率是相對(duì)值，通常用凍脹量與凍結(jié)土層厚度(凍結(jié)深度)之比來計(jì)算，用百分?jǐn)?shù)計(jì)，如式(1)。

式中:η 為凍脹率，%;Δh 為試驗(yàn)期間總凍脹量，mm;Hf為凍結(jié)深度(不包括凍脹量)，mm。

凍脹試驗(yàn)裝置由試樣筒、制冷系統(tǒng)、環(huán)境溫度箱、溫度采集系統(tǒng)、位移采集系統(tǒng)等五大部分組成。

2 試驗(yàn)內(nèi)容與步驟

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中選擇的影響凍脹的因素為水泥、廢鑄砂、橡膠顆粒含量、含水率，各種單因素凍脹試驗(yàn)安排如表1 所示，試驗(yàn)的養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。

2.2 試驗(yàn)方法

(1)試樣制備

首先，將材料充分?jǐn)嚢杈鶆?，然后在凍脹試樣筒?nèi)壁涂上一層凡士林，采用分三層搗實(shí)法制備凍脹試驗(yàn)用的試樣，在搗實(shí)過程中保證每層填料成型高度相同，試驗(yàn)的尺寸為直徑100 mm，高50 mm，與壓縮無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相似，要求密度與密度控制在±0.1 g/cm3，為了試樣與大氣隔絕，以免水分進(jìn)入試樣引起含水率的變化，試樣24h 后拆模并用保鮮袋包好放入恒溫室，養(yǎng)護(hù)28 d。

(2)抽氣飽和與裝樣

將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的凍脹用的試樣從恒溫室拿出來，抽氣飽和12 h;凍脹試樣筒內(nèi)涂上一層凡士林，筒底放一張濾紙，然后將抽氣飽和以后的試樣自由滑入試樣筒內(nèi)，試樣筒的周圍用5 cm 厚的泡沫塑料保溫，在試樣頂面再加上濾紙，然后蓋上頂板，然后將位移傳感器固定好，并與試樣筒頂板相接觸，位移傳感器的變化反應(yīng)了試樣不同時(shí)間的變形，其精度為±0.1 mm，位移記錄的時(shí)間間隔可以通過計(jì)算機(jī)任意的調(diào)整。這種全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)不僅減少了試驗(yàn)過程中人為因素的干擾，而且避免了人為讀數(shù)帶來的誤差，試驗(yàn)結(jié)果按照前面調(diào)好的時(shí)間間隔存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上。

(3)試樣恒溫

開啟環(huán)境溫度箱及溫度采集系統(tǒng)，試樣恒溫6 h，使得試樣以及環(huán)境初始溫度均勻達(dá)到1 ℃左右，并記錄恒溫過程當(dāng)中試樣變形值。

(4)開始凍脹試驗(yàn)

恒溫結(jié)束以后，底板溫度調(diào)節(jié)到－10 ℃，設(shè)置并啟動(dòng)位移采集系統(tǒng)，凍脹試驗(yàn)一般在12 h 之內(nèi)結(jié)束，每種配比做兩種試樣同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)有離散性則重新試驗(yàn)，若無異常則兩個(gè)試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值作為最終結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)以上試驗(yàn)方法，橡膠顆?！獜U鑄砂填料凍脹試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 凍脹試驗(yàn)結(jié)果

(1)水泥含量對(duì)凍脹率的影響

含水率為30%，橡膠顆粒摻入比為0%及30%兩種情況下只要水泥摻入比增加凍脹率會(huì)降低，例如，橡膠顆粒摻入比為30% 時(shí)，T3(水泥摻入比為4%)試樣的凍脹率為1.02%，T11(水泥摻入比為8%)試樣的凍脹率為0.5%，后者凍脹率比前者減少了50%，可見，水泥的摻入對(duì)抑制填料的凍脹效果很明顯。水泥對(duì)凍脹的影響主要有三個(gè)方面。填料中的水分發(fā)育成冰晶體時(shí)體積增大，需要克服顆粒之間的粘聚力，水泥摻入比越多，填料顆粒之間的這種粘聚力就越大。日本學(xué)者生賴孝博研究表明土顆粒結(jié)合力增加時(shí)，冰晶發(fā)生的機(jī)會(huì)就少。隨著水泥含量的增加，填料中的空隙被填滿，改善了填料結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，凍結(jié)過程中水分遷移受阻，所以凍脹率就降低。填料中的水分多少直接影響凍脹率，水泥本身可以吸收水分形成水化物，水泥含量越高填料中的水化反應(yīng)越充分，減少了填料中的自由水，凍脹率也越小。

(2)橡膠顆粒摻入比對(duì)凍脹率的影響

含水率為30%，水泥含量4%及6%兩種情況下，通過橡膠顆粒摻入比與凍脹率之間的關(guān)系，可見，橡膠顆粒摻入比R=20%是分界點(diǎn)，R 大于20%時(shí)凍脹率降低的幅度比R 小于20%時(shí)的大一點(diǎn);由水泥含量為6%的橡膠顆粒摻入比與凍脹率之間的關(guān)系曲線中可見，橡膠顆粒摻入比的增加凍脹率會(huì)減小，因?yàn)樘盍现械乃纸Y(jié)冰膨脹，會(huì)增大填料中的空隙，使得填料中的顆粒重新組合，而填料中的橡膠顆粒有收縮的性能，這種性能容納了填料中的部分膨脹，有效的抑制了對(duì)填料結(jié)構(gòu)的破壞;當(dāng)水泥含量為4%的情況下，橡膠顆粒摻入比40%時(shí)出現(xiàn)凍脹率增大的現(xiàn)象，因?yàn)楦鱾€(gè)成分以廢鑄砂為基數(shù)，每增加橡膠顆粒的摻入比，水泥含量占總填料的比例會(huì)減少，因?yàn)門4(橡膠顆粒摻入比為40%，水泥含量4%，含水率為30%)試樣中的水泥提供的顆粒之間的粘聚力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于凍脹力，沒有有效的抑制凍脹變形。

(3)含水率對(duì)凍脹率的影響

填料中的液態(tài)水由結(jié)合水、毛細(xì)水及重力水三部分組成。其中，毛細(xì)水和重力水也稱為非結(jié)合水。非結(jié)合水為自由液態(tài)水，主要受重力作用的控制，在0 ℃或稍低于0 ℃時(shí)就凍結(jié)，而結(jié)合水一般要在－1 ℃或更低的溫度下才凍結(jié)，因此，土的凍脹主要是由于凍結(jié)前土中的非結(jié)合水凍融引起的。非結(jié)合水反應(yīng)在土的物理指標(biāo)上為含水率，也就是說土凍前初始含水率決定著土的凍脹性;由水泥摻入比為6%，橡膠顆粒摻入比為30%時(shí)，凍脹率與含水率之間的關(guān)系可見，凍脹量隨填料含水率增大而增大，而且含水率在30% ～35%之間變化時(shí)，凍脹率的增長(zhǎng)幅度大于含水率在25% ～30%之間變化時(shí)的凍脹率;凍脹是由填料中的水分變成冰引起的，水分是凍脹的源頭，填料中的水量越大，水結(jié)成冰膨脹時(shí)的體積就越大，填料的凍脹量也越大。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn). 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123 －1999)［S］.北京:中華人民共和國(guó)建設(shè)部，1999.

［2］譚麗華.水泥改良土凍脹融沉特性研究［D］.同濟(jì)大學(xué)碩士論文，2008.

［3］敏輝，王少斌.季節(jié)性凍土路基凍脹性分析及治理措施［J］.鐵道建筑，2009，(4):96 －98.