廢棄輪胎橡膠粉改良膨脹土的室內(nèi)試驗(yàn)研究

杜 靜，徐麗麗，陽利君

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮的高塑性非飽和黏性土，具有多裂隙性、崩解性、超固結(jié)性、強(qiáng)度衰減等性質(zhì)。由于膨脹土的脹縮特性，給工程帶來巨大的危害。

目前，國內(nèi)外各類工程對膨脹土處理的方法可主要?dú)w納為施工技術(shù)手段和土質(zhì)改良兩種途徑。前者有換填法、封閉包蓋法、濕度控制法等；后者通過將各種摻料或溶液加入膨脹土中，達(dá)到土質(zhì)改良的目的。夏瓊、楊有海［1］依托于襄樊至老河口段改建鐵路的路基工程，研究石灰改良膨脹土的脹縮性和強(qiáng)度變動規(guī)律。劉清秉等［2］以河南安陽弱膨脹土為研究對象，研究ISS離子土固化劑改良膨脹土的機(jī)理。楊?。?］等將風(fēng)化砂摻入膨脹土，對膨脹土實(shí)施物理改良。張勝軍等［5］通過擊實(shí)和碾壓試驗(yàn)，得出合理的水泥改性膨脹土的碾壓控制指標(biāo)。這些改良都可以有效地減小膨脹土的脹縮性，提高強(qiáng)度，但處理費(fèi)用高，有些還會對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成不良影響。所以杜靜、周東等［6］依托南寧－百色高速公路，篩選出能有效改性膨脹土的微生物。張德恒［7］為提高廢棄物的循環(huán)利用，將秸稈灰渣加入膨脹土進(jìn)行改良試驗(yàn)，研究表明膨脹土的各項(xiàng)脹縮性指標(biāo)均得到降低。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，廢棄輪胎的再利用成為國內(nèi)外關(guān)注的重大課題，不少專家學(xué)者開始嘗試?yán)脧U棄輪胎橡膠粉改良普通黏性土和砂土特性的研究，但利用其改性膨脹土［8－9］的研究目前還比較少。本試驗(yàn)旨在利用橡膠粉進(jìn)行改性膨脹土的研究。將不同比例和不同目數(shù)的廢橡膠粉與膨脹土混合后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、脹縮性試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，研究改良后膨脹土性質(zhì)的變化特征。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自南寧四塘地區(qū)，取土深度為0.5～1m，膨脹土土樣顏色呈灰白色，中間夾有紫色，有滑感，其物理性質(zhì)指標(biāo)如下：液限ωL＝60.5%，塑限ωP＝29.8%，塑性指數(shù)IP＝30.7最優(yōu)含水率22.4%，比表面積41.096m2／g，自由膨脹率70%，由規(guī)范［10］判定為中等膨脹土。

廢橡膠粉從新鄉(xiāng)市某橡膠公司購得，考慮到橡膠粉粒度過粗不易壓實(shí)，粒度過細(xì)不易拌和且造價高，本試驗(yàn)選用20目和30目的橡膠粉分別進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 土樣制備

根據(jù)規(guī)范［10］取適量膨脹土，將其烘干碾碎后過2mm篩，把橡膠粉按0%、10%、15%、20%、25%、30%的比例摻入，加水均勻拌和，燜至一晝夜。為著重研究廢棄輪胎橡膠粉對膨脹土工程性質(zhì)的影響，混合土樣的含水率控制在最優(yōu)含水率狀態(tài)。在拌制過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)20目橡膠粉含量達(dá)到30%，30目橡膠粉含量達(dá)到25%時試樣難以成型，呈粉碎狀，故舍棄相應(yīng)比例以上的拌和土。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 摻廢舊輪胎橡膠粉對膨脹土物理性質(zhì)的影響

將拌和好的土樣進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)。輕型擊實(shí)試驗(yàn)的單位體積擊實(shí)功約為592kJ／m3，擊實(shí)試驗(yàn)分為2組，第一組為20目橡膠粉，其摻入量分別為0%、10%、15%、20%、25%；第二組為30目橡膠粉，摻入量為0%、10%、15%、20%。由圖1可以看出，膨脹土的干密度隨著廢橡膠粉摻入量的增加而減小，當(dāng)廢橡膠粉的摻量從0%增加到20%，摻20目和30目改性土的最大干密度分別從1.69g／cm3降到1.46g／cm3和1.42g／cm3，摻30目橡膠粉的改性膨脹土干密度下降幅度比20目的大，這是由于橡膠粉的密度比膨脹土密度小，所以隨摻量的增加，改性膨脹土的密度必然下降。而30目的廢橡膠粉的粒度比20目的粒度小，表面積大，拌和時能更好地代替黏土顆粒。

圖1 膨脹土與改性膨脹土的干密度曲線圖

2.2 摻廢舊輪胎橡膠粉對膨脹土強(qiáng)度的影響

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，按照最優(yōu)含水率，制備摻量分別為0%、10%、15%、20%、25%（僅限20目制備）的改性膨脹土試樣，將制好的土樣放在直剪儀上，在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向應(yīng)力下，進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，得到不同廢橡膠粉摻量下抗剪強(qiáng)度曲線圖2、圖3。由圖2和圖3可以看出，摻入廢橡膠粉可以提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，且隨著摻量的增加，抗剪強(qiáng)度不斷提高，當(dāng)20目的橡膠粉摻量增加到20%，30目橡膠粉摻量增加到15%時，相同豎向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度不再增加，這個試驗(yàn)結(jié)果與魏永耀［9］研究的ESR的抗剪強(qiáng)度大致相同。

圖3 抗剪強(qiáng)度與30目橡膠粉摻量關(guān)系曲線圖

不同目數(shù)和不同比例的橡膠粉加入后，膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有明顯變化，其中內(nèi)摩擦角φ值明顯提高，摻入20目橡膠粉的增加幅度最大的是摻量為20%，增加量8.98°，摻入30目橡膠粉的增加幅度最大的是摻量也是20%，增加量9.66°，是素土的2倍。這與 Attom，Mousa（2006）［11］在加入輪胎碎片可以提高砂土的抗剪強(qiáng)度的報(bào)道中提到的輪胎碎片含量的增加可以提高內(nèi)摩擦角的研究基本一致。而粘聚力c值略有降低，摻入20目橡膠粉的最大降低幅度為19.2%，摻30目為23.2%。這是由于膨脹土和橡膠粉均為惰性材料，相互間一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以摻量越大，土樣越松散，使得粘聚力降低。

表1 膨脹土及其改性土的強(qiáng)度指標(biāo)對比表

表2 膨脹土及其改性土的強(qiáng)度指標(biāo)對比表

2.3 摻橡膠粉對膨脹土脹縮性的影響

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，按照最優(yōu)含水率，制備摻量分別為0%，10%，15%，20%，25%（僅限20目制備）的膨脹土試樣，進(jìn)行無荷載膨脹、50 kPa下有荷載膨脹、膨脹力和收縮試驗(yàn)。由圖4～6可知，摻入橡膠粉后膨脹土的膨脹性指標(biāo)均隨摻量的增加有明顯降低，當(dāng)20目的橡膠粉摻量增加到20%，30目橡膠粉摻量增加到15%時，降幅基本不再增加，摻20目橡膠粉的無荷載膨脹率比素膨脹土降低了60.6%，50 kPa下膨脹率降低了70%，膨脹力降低了64.3%。摻30目橡膠粉的無荷載膨脹率比素膨脹土降低了63.3%，50 kPa下膨脹率分別降低了71.9%，膨脹力降低了62%。

由收縮試驗(yàn)結(jié)果（見下頁表3～4）可知，摻入橡膠粉后膨脹土的收縮性得到改善，收縮性指標(biāo)均有所降低，同素膨脹土相比，摻20目橡膠粉的收縮系數(shù)最大降幅為24.4%，摻30目橡膠粉的最大降幅為32.2%；摻20目和30目的線縮率降低百分?jǐn)?shù)為48.6%和57.1%。

圖4 摻30目橡膠粉膨脹土膨脹性試驗(yàn)結(jié)果示意圖

圖5 摻20目橡膠粉膨脹土膨脹性試驗(yàn)結(jié)果示意圖

圖6 膨脹土膨脹力試驗(yàn)結(jié)果示意圖

表3 膨脹土及其改性土的收縮性指標(biāo)對比表

表4 膨脹土及其改性土的收縮性指標(biāo)對比表

3 結(jié)論

（1）膨脹土的最大干密度隨著廢棄輪胎橡膠粉含量的增加而降低，主要是因?yàn)橄鹉z粉的密度小于膨脹土。

（2）添加廢棄輪胎橡膠粉后，膨脹土的抗剪強(qiáng)度明顯提高，而抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ值均有提高，最高增加量至116.04%；粘聚力c值略有降低。

（3）添加廢棄輪胎橡膠粉后，土的膨脹率和膨脹力明顯減小，收縮系數(shù)、線縮率明顯降低，說明由于橡膠粉對于土粒的包圍作用，阻礙了膨脹土中親水礦物與水分的作用，吸水膨脹能力減弱。

（4）綜合試驗(yàn)成果，20目橡膠粉的最佳配比為20%，30目橡膠粉為15%。

［1］夏 瓊，楊有海.石灰改良膨脹土填料試驗(yàn)研究［J］.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（4）：30－34.

［2］劉清秉，項(xiàng) 偉，崔德山，等.離子土固化劑改良膨脹土的機(jī)理研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（4）：648－653.

［3］楊 俊，黎新春，張國棟，等，謝支鋼.風(fēng)化砂不同摻入率對膨脹土特性影響的研究［J］.工業(yè)建筑，2013，43（1）：55－60.

［4］汪明武，李 健，徐 鵬，等.膨脹土與石灰改良膨脹土脹縮性的云模型評價［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，44（2）：396－400.

［5］張勝軍，何 嬌，趙 峰，等.水泥改性土碾壓控制指標(biāo)確定方法研究［J］.人民長江，2014，45（21）：4－6.

［6］杜 靜，周 東.微生物改良膨脹土的試驗(yàn)研究［J］.水利水電技術(shù)，2012，43（7）：103－105，87.

［7］張德恒.廢棄秸稈灰渣改良膨脹土的體積變化特征研究［J］.南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，12（2）：39－44.

［8］孫樹林，魏永耀，張 鑫.廢棄輪胎膠粉改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（z1）：3070－3075.

［9］魏永耀，孫樹林，鄭華章.膨脹土－膠粉（ESR）強(qiáng)度特性室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào).2010，18（4）：543－547.

［10］GB／T50123－1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［11］Attom.Mousa F.The use of shredded waste tires to improve the geotechnical engineering properties of sands［J］.Environmental Geology Journal.Springer.Germany.2006，49（4）.