廢棄橡膠輪胎顆?；旌吓蛎浲谅酚眯阅苎芯?/h1>
2018-01-11 00:44:01楊慶剛王雨飛
山西建筑 2017年36期
楊慶剛 王雨飛
(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000； 2.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)
0 引言
交通運(yùn)輸業(yè)的大力發(fā)展，廢棄橡膠輪胎也日益增多，不當(dāng)處理勢必會(huì)造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。利用廢棄橡膠顆粒質(zhì)輕、抗壓等特性，將其應(yīng)用于道路工程中具有較好的應(yīng)用優(yōu)勢[1,2]。膨脹土由于其高塑性、水脹性，以及多裂縫性，使得與膨脹土相關(guān)的填土工程長期存在潛在隱患，裂縫對道路路基的堅(jiān)實(shí)性和穩(wěn)定性造成了一定影響，各類自然災(zāi)害頻發(fā)，故對膨脹土的改良已是刻不容緩[3]。
廢棄橡膠顆粒用于改良膨脹土的材料組成設(shè)計(jì)、強(qiáng)度形成機(jī)理、物理力學(xué)性能分析等還缺乏相對詳細(xì)的研究，故本次通過室內(nèi)試驗(yàn)探討廢棄橡膠輪胎對膨脹土改良的可行性。
1 實(shí)驗(yàn)材料
1.1 膨脹土
選取土樣為硬塑型的棕黃色粉質(zhì)粘土。
液限為39%，塑限為17.5%，天然含水10.7%。以粉粘粒為主，砂粒含量很低，具有弱或中膨脹土的性質(zhì)，且其不均勻系數(shù)為15(大于10)，曲率系數(shù)為1.67(介于1～3之間)，級配良好。
1.2 廢棄橡膠輪胎顆粒
本次實(shí)驗(yàn)考慮到工程能力和經(jīng)濟(jì)性。顆粒過大，否則易導(dǎo)致膨脹土與膠粒結(jié)合不牢，顆粒過小將導(dǎo)致成本增加，因此粒徑選擇為20目。
2 實(shí)驗(yàn)方案
2.1 實(shí)驗(yàn)方案變量選擇
摻膠率:10%,15%,20%,25%；含水率：15%,16.7%(最優(yōu)含水率),18%,21%。
2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，直剪試驗(yàn)，承載比試驗(yàn)探究橡膠顆粒的最佳摻量以及混合土的物理力學(xué)性能，并通過掃描電鏡實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究混合土的強(qiáng)度形成機(jī)理。
3 實(shí)驗(yàn)
3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)
無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)主要研究廢棄橡膠顆粒混合土與含水率、摻膠率、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系。
養(yǎng)護(hù)時(shí)間：選取不同含水率的四種試樣，分別進(jìn)行7 d,14 d,28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到如下關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，同一摻膠率下，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增加，考慮由于水和土充分結(jié)合，且與橡膠粘結(jié)程度提高。
含水率：分別對含水率15%,16.7%,18%,21%的試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)含水率約為16.7%時(shí)，即最優(yōu)含水率時(shí)得到強(qiáng)度最大值。并從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率較低時(shí)，試件破壞速度快，而含水率較高時(shí)，則維持較久后緩慢破壞，分析原因是由于橡膠顆粒自身具有彈性，且起到了骨架作用，故可適當(dāng)增加含水率來提高路基的長期穩(wěn)定性。
摻膠率：選取最優(yōu)含水率(16.7%)下0%,10%,15%,20%,25%橡膠摻量，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可得隨著摻膠率的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先上升后下降。當(dāng)摻膠率過高時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著下降，考慮是由于摻膠率過多導(dǎo)致土粒松散，無法與水充分結(jié)合，而橡膠又無法提供足夠的強(qiáng)度。摻膠率在20%時(shí)基本達(dá)到強(qiáng)度最大值。
3.2 直剪試驗(yàn)
研究在最優(yōu)含水率(16.7%)下，10%，15%，20%，25%橡膠顆粒含量的混合土的抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著橡膠顆粒含量的增加，內(nèi)摩擦角變化不大。10%～20%橡膠顆粒含量與抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)，而當(dāng)橡膠顆粒含量達(dá)到25%時(shí)，抗剪強(qiáng)度反而減小，故橡膠顆粒含量在20%左右時(shí)對路基的抗剪能力有較大提升。
3.3 承載比試驗(yàn)
研究純土和摻膠率分別為10%，15%，20%，25%混合土的承載比試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5看出，當(dāng)摻膠率為10%時(shí)，承載比較高，但橡膠含量低，不能有效降低路基自重，故不考慮作為路基的最佳摻膠率。當(dāng)摻膠率為20%和25%時(shí)的承載比都較低，且25%摻膠率時(shí)的承載比基本不變，考慮由于摻膠率過高導(dǎo)致混合土較為松散，且橡膠自身彈性力不足以抵抗局部載荷。因此，當(dāng)橡膠作為路基填料時(shí)，其摻量不應(yīng)小于15%。
3.4 掃描電鏡分析試驗(yàn)
制作養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，摻膠率為10%，15%，20%，25%的4個(gè)樣品，置于掃描電鏡下分析其表面形態(tài)，如圖6～圖9所示。由圖6～圖9可見，當(dāng)摻膠率為10%時(shí)，在膠粒周圍存在不規(guī)則的較大裂縫。當(dāng)摻膠率為15%～20%時(shí)，橡膠和土的混合相對完好，接縫處無較大裂縫。而當(dāng)摻膠率上升到25%時(shí)，土與膠粒發(fā)生剝落和黏附現(xiàn)象，故考慮摻膠率在15%～20%時(shí)，土與橡膠的粘結(jié)程度最高。
由圖6～圖9及上述分析可以看出，橡膠顆粒在土樣改良中起到骨架作用，由于橡膠顆粒本身的彈性，以及膠粒與土之間的粘結(jié)作用產(chǎn)生的摩阻力，能有效增加混合土的抗剪和抗壓性能，但當(dāng)橡膠顆粒較多時(shí)，顆粒之間的間隔減少，土與水的結(jié)合效果受到影響，膠粒和土之間粘結(jié)能力下降，容易剝落。
4 結(jié)語
1)橡膠顆粒能有效增加混合土的抗剪和抗壓性能；
2)混合土各項(xiàng)性能與養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)，水與混合土能形成更為穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)；
3)膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度隨著摻入橡膠顆粒而顯著提高，且在摻膠率為20%時(shí)取得極大值；
4)當(dāng)橡膠作為路基填料時(shí)，橡膠顆粒最佳摻量不應(yīng)超過15%;
5)通過掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，當(dāng)橡膠顆粒含量在15%～20%之間與土的粘結(jié)程度最高。
[1] 孔德森，賈 騰，王曉敏,等.廢棄輪胎橡膠顆?；旌贤翢o側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016(1)：225-231.
[2] 辛 凌，劉漢龍，沈 揚(yáng).廢棄輪胎橡膠顆粒輕質(zhì)混合土基本特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010(3)：428-433.
[3] 鄒維列，謝 鵬，馬其天,等.廢棄輪胎橡膠顆粒改性膨脹土的試驗(yàn)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2011,43(3)：44-48.
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(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000； 2.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)
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廢棄橡膠顆粒用于改良膨脹土的材料組成設(shè)計(jì)、強(qiáng)度形成機(jī)理、物理力學(xué)性能分析等還缺乏相對詳細(xì)的研究，故本次通過室內(nèi)試驗(yàn)探討廢棄橡膠輪胎對膨脹土改良的可行性。
1 實(shí)驗(yàn)材料
1.1 膨脹土
選取土樣為硬塑型的棕黃色粉質(zhì)粘土。
液限為39%，塑限為17.5%，天然含水10.7%。以粉粘粒為主，砂粒含量很低，具有弱或中膨脹土的性質(zhì)，且其不均勻系數(shù)為15(大于10)，曲率系數(shù)為1.67(介于1～3之間)，級配良好。
1.2 廢棄橡膠輪胎顆粒
本次實(shí)驗(yàn)考慮到工程能力和經(jīng)濟(jì)性。顆粒過大，否則易導(dǎo)致膨脹土與膠粒結(jié)合不牢，顆粒過小將導(dǎo)致成本增加，因此粒徑選擇為20目。
2 實(shí)驗(yàn)方案
2.1 實(shí)驗(yàn)方案變量選擇
摻膠率:10%,15%,20%,25%；含水率：15%,16.7%(最優(yōu)含水率),18%,21%。
2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，直剪試驗(yàn)，承載比試驗(yàn)探究橡膠顆粒的最佳摻量以及混合土的物理力學(xué)性能，并通過掃描電鏡實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究混合土的強(qiáng)度形成機(jī)理。
3 實(shí)驗(yàn)
3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)
無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)主要研究廢棄橡膠顆粒混合土與含水率、摻膠率、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系。
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含水率：分別對含水率15%,16.7%,18%,21%的試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)含水率約為16.7%時(shí)，即最優(yōu)含水率時(shí)得到強(qiáng)度最大值。并從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率較低時(shí)，試件破壞速度快，而含水率較高時(shí)，則維持較久后緩慢破壞，分析原因是由于橡膠顆粒自身具有彈性，且起到了骨架作用，故可適當(dāng)增加含水率來提高路基的長期穩(wěn)定性。
摻膠率：選取最優(yōu)含水率(16.7%)下0%,10%,15%,20%,25%橡膠摻量，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可得隨著摻膠率的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先上升后下降。當(dāng)摻膠率過高時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著下降，考慮是由于摻膠率過多導(dǎo)致土粒松散，無法與水充分結(jié)合，而橡膠又無法提供足夠的強(qiáng)度。摻膠率在20%時(shí)基本達(dá)到強(qiáng)度最大值。
3.2 直剪試驗(yàn)
研究在最優(yōu)含水率(16.7%)下，10%，15%，20%，25%橡膠顆粒含量的混合土的抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著橡膠顆粒含量的增加，內(nèi)摩擦角變化不大。10%～20%橡膠顆粒含量與抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)，而當(dāng)橡膠顆粒含量達(dá)到25%時(shí)，抗剪強(qiáng)度反而減小，故橡膠顆粒含量在20%左右時(shí)對路基的抗剪能力有較大提升。
3.3 承載比試驗(yàn)
研究純土和摻膠率分別為10%，15%，20%，25%混合土的承載比試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5看出，當(dāng)摻膠率為10%時(shí)，承載比較高，但橡膠含量低，不能有效降低路基自重，故不考慮作為路基的最佳摻膠率。當(dāng)摻膠率為20%和25%時(shí)的承載比都較低，且25%摻膠率時(shí)的承載比基本不變，考慮由于摻膠率過高導(dǎo)致混合土較為松散，且橡膠自身彈性力不足以抵抗局部載荷。因此，當(dāng)橡膠作為路基填料時(shí)，其摻量不應(yīng)小于15%。
3.4 掃描電鏡分析試驗(yàn)
制作養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，摻膠率為10%，15%，20%，25%的4個(gè)樣品，置于掃描電鏡下分析其表面形態(tài)，如圖6～圖9所示。由圖6～圖9可見，當(dāng)摻膠率為10%時(shí)，在膠粒周圍存在不規(guī)則的較大裂縫。當(dāng)摻膠率為15%～20%時(shí)，橡膠和土的混合相對完好，接縫處無較大裂縫。而當(dāng)摻膠率上升到25%時(shí)，土與膠粒發(fā)生剝落和黏附現(xiàn)象，故考慮摻膠率在15%～20%時(shí)，土與橡膠的粘結(jié)程度最高。
由圖6～圖9及上述分析可以看出，橡膠顆粒在土樣改良中起到骨架作用，由于橡膠顆粒本身的彈性，以及膠粒與土之間的粘結(jié)作用產(chǎn)生的摩阻力，能有效增加混合土的抗剪和抗壓性能，但當(dāng)橡膠顆粒較多時(shí)，顆粒之間的間隔減少，土與水的結(jié)合效果受到影響，膠粒和土之間粘結(jié)能力下降，容易剝落。
4 結(jié)語
1)橡膠顆粒能有效增加混合土的抗剪和抗壓性能；
2)混合土各項(xiàng)性能與養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)，水與混合土能形成更為穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)；
3)膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度隨著摻入橡膠顆粒而顯著提高，且在摻膠率為20%時(shí)取得極大值；
4)當(dāng)橡膠作為路基填料時(shí)，橡膠顆粒最佳摻量不應(yīng)超過15%;
5)通過掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，當(dāng)橡膠顆粒含量在15%～20%之間與土的粘結(jié)程度最高。
[1] 孔德森，賈 騰，王曉敏,等.廢棄輪胎橡膠顆?；旌贤翢o側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016(1)：225-231.
[2] 辛 凌，劉漢龍，沈 揚(yáng).廢棄輪胎橡膠顆粒輕質(zhì)混合土基本特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010(3)：428-433.
[3] 鄒維列，謝 鵬，馬其天,等.廢棄輪胎橡膠顆粒改性膨脹土的試驗(yàn)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2011,43(3)：44-48.
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