季凍土地區(qū)橡膠顆?；旌贤谅酚眯阅苎芯?/h1>
2020-03-23 06:19:36劉文曉張利敏劉文挺
中國建材科技 2020年6期 關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)
劉文曉 張利敏 劉文挺
（1包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014060；2神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）
1 研究背景
內(nèi)蒙古多分布季節(jié)性凍土。在這類地區(qū)，鐵路路基土體冬季溫度低，土體中孔隙水凍脹，夏季溫度高，凍土消融，在凍融反復(fù)循環(huán)作用下，常會(huì)使路基產(chǎn)生下沉、翻漿冒泥等病害，嚴(yán)重影響鐵路的維護(hù)工作及列車的正常運(yùn)行，因此，對路基填料有更高的要求。橡膠顆?；旌贤潦切屡d發(fā)展的一種土工材料，將廢棄輪胎橡膠顆粒摻入水泥土中來提高其抗凍融性能。
近年來，國內(nèi)外在凍融循環(huán)作用下路基土的性能研究方面取得了一定的成果，但是基于凍融循環(huán)作用下橡膠顆?；旌贤恋膹?qiáng)度特性研究較少。廢棄輪胎作為現(xiàn)代工業(yè)下的產(chǎn)物，屬于有害廢棄物，污染性強(qiáng)，屬于難溶解高分子化合物，對環(huán)境的危害是持久的，自然狀態(tài)下降解難度大[1]。就目前常用的廢棄輪胎處理方式，成本相對較高，利用率也較低，且可能產(chǎn)生二次污染。因此，將廢棄輪胎粉碎成一定粒徑的顆粒狀，與原料土、水泥均勻混合形成RST混合土[2]，不僅可以很好地解決上述問題，而且可以優(yōu)化環(huán)境。為了發(fā)展新型土工材料在季凍土地區(qū)路基填料的運(yùn)用，本文分組對試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了凍融循環(huán)作用下與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下膠粒比、灰土比、水土比對RST混合土的強(qiáng)度影響規(guī)律。
2 試樣制備
2.1 原材料特性
制備RST混合土的原料土來自包神鐵路季節(jié)性凍土地區(qū)某鐵路路基試驗(yàn)段，通過顆粒大小分析試驗(yàn)確定，該土樣為中砂。表1為該原料土的物理性質(zhì)指標(biāo)。所用橡膠顆粒為廢棄輪胎機(jī)械粉碎而成，如圖1所示，橡膠顆粒粒徑3.5mm左右，棱角分明，呈黑色不規(guī)則顆粒狀，具有一定彈性性能。制備試件所用水泥為P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，試驗(yàn)用水為自來水。
表1 土樣物理性質(zhì)指標(biāo)
圖1 廢棄輪胎橡膠顆粒
2.2 試樣制備
制備試件尺寸為70.7mm*70.7mm*70.7mm[3]，制備過程中，需先將原料土與水泥混合攪拌均勻，再加入橡膠顆粒，繼續(xù)將三者充分?jǐn)嚢?，最后加入水，攪?分鐘左右。
試件分為標(biāo)準(zhǔn)組和凍融組，所有試件均標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。標(biāo)準(zhǔn)組試件到養(yǎng)護(hù)齡期后做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；凍融組試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的最后1d將試件放入水中浸泡24h，取出后放入低溫箱，低溫-18℃凍結(jié)16h，再放入20℃的水中融化8h，此為一次凍融循環(huán)，然后繼續(xù)放入低溫箱開始第二次凍融循環(huán)。
由于冷熱交替作用，試件表面會(huì)出現(xiàn)裂紋、破損，因此在整個(gè)凍融循環(huán)過程中，試件會(huì)有所損失，要求平均損失率不得超過5%，否則應(yīng)停止試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)組與凍融組試件對比如圖2所示。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)組與凍融組試件對比
由圖可以看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件表面平整光滑，整體質(zhì)量較好；經(jīng)歷多次凍融循環(huán)之后，試件表面出現(xiàn)輕微裂縫、破損，但試件平均損失率沒有超過5%，可以進(jìn)行試驗(yàn)[4]。
3 試樣方案
為了分析標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)條件下橡膠顆?；旌贤恋膹?qiáng)度性能，確定試驗(yàn)方案如下：
①研究標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)及凍融循環(huán)作用后不同膠粒比對RST混合土的強(qiáng)度影響規(guī)律，膠粒比J取0%,10%，25%,灰土比C取10%,水土比S取25%。
②研究標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)及凍融循環(huán)作用后不同灰土比對RST混合土的強(qiáng)度影響規(guī)律，膠粒比J取10%，灰土比C取5%，10%，15%，水土比S取25%。
③研究標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)及凍融循環(huán)作用后不同水土比對RST混合土的強(qiáng)度影響規(guī)律，膠粒比J取10%，灰土比C取10%，水土比S取20%，25%，30%。
其中，膠粒比J表示橡膠顆粒與原料土的質(zhì)量百分比，灰土比C表示水泥與原料土的質(zhì)量百分比，水土比S表示水與原料土的質(zhì)量百分比[5]。
4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素分析
4.1 不同膠粒比對RST混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律
試件J=0%,10%，25%,C=10%,S=25%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下及凍融循環(huán)作用后對試件做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同膠粒比對試件強(qiáng)度影響
由圖3可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下，隨著膠粒比的增大，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢，而凍融循環(huán)5次、12次后，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著膠粒比的增加并沒有明顯降低，反而在膠粒比為10%時(shí)稍有增大，說明橡膠顆粒的摻入對水泥土的抗凍性能的提高有幫助。
4.2 不同灰土比對RST混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律
試件J=10%，C=5%，10%，15%，S=25%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下及凍融循環(huán)作用后對試件做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同灰土比對試件強(qiáng)度影響
由圖4可知，無論是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下還是凍融循環(huán)作用后，RST混合土的強(qiáng)度均隨著灰土比的增大而增大，這是因?yàn)榛彝帘仍龃?，水泥水化反?yīng)后膠結(jié)作用加強(qiáng)[6-7]，使試件強(qiáng)度提高，但是凍融循環(huán)作用5次后，RST混合土的強(qiáng)度增長速率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的強(qiáng)度增長率。
4.3 不同水土比對RST混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律
試件J=10%，C=10%，S=20%，25%，30%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下及凍融循環(huán)作用后對試件做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同水土比對試件強(qiáng)度影響
由圖5可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)作用后，隨著水土比的增大，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均在S=25%時(shí)出現(xiàn)峰值，這說明在水土比為變量時(shí)，RST混合土的強(qiáng)度變化規(guī)律及抗凍性能均表現(xiàn)出相似的先增大后減小的趨勢，且均在水土比為25%左右時(shí)強(qiáng)度最高。
5 結(jié)論
1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下RST混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著膠粒比的增加而減小，凍融循環(huán)作用后，這種趨勢并不明顯，甚至強(qiáng)度會(huì)稍有提高，廢棄橡膠顆粒的加入提高了水泥土的抗凍性能，這是RST混合土應(yīng)用于季凍區(qū)路基作為填料的最大優(yōu)勢。
2）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)作用下RST混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著灰土比的增大而增大，凍融循環(huán)作用下強(qiáng)度增長速率降低。
3）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)作用后，試件強(qiáng)度均在水土比為25%左右時(shí)最高。
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近年來，國內(nèi)外在凍融循環(huán)作用下路基土的性能研究方面取得了一定的成果，但是基于凍融循環(huán)作用下橡膠顆?；旌贤恋膹?qiáng)度特性研究較少。廢棄輪胎作為現(xiàn)代工業(yè)下的產(chǎn)物，屬于有害廢棄物，污染性強(qiáng)，屬于難溶解高分子化合物，對環(huán)境的危害是持久的，自然狀態(tài)下降解難度大[1]。就目前常用的廢棄輪胎處理方式，成本相對較高，利用率也較低，且可能產(chǎn)生二次污染。因此，將廢棄輪胎粉碎成一定粒徑的顆粒狀，與原料土、水泥均勻混合形成RST混合土[2]，不僅可以很好地解決上述問題，而且可以優(yōu)化環(huán)境。為了發(fā)展新型土工材料在季凍土地區(qū)路基填料的運(yùn)用，本文分組對試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了凍融循環(huán)作用下與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下膠粒比、灰土比、水土比對RST混合土的強(qiáng)度影響規(guī)律。
2 試樣制備
2.1 原材料特性
制備RST混合土的原料土來自包神鐵路季節(jié)性凍土地區(qū)某鐵路路基試驗(yàn)段，通過顆粒大小分析試驗(yàn)確定，該土樣為中砂。表1為該原料土的物理性質(zhì)指標(biāo)。所用橡膠顆粒為廢棄輪胎機(jī)械粉碎而成，如圖1所示，橡膠顆粒粒徑3.5mm左右，棱角分明，呈黑色不規(guī)則顆粒狀，具有一定彈性性能。制備試件所用水泥為P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，試驗(yàn)用水為自來水。
表1 土樣物理性質(zhì)指標(biāo)
圖1 廢棄輪胎橡膠顆粒
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制備試件尺寸為70.7mm*70.7mm*70.7mm[3]，制備過程中，需先將原料土與水泥混合攪拌均勻，再加入橡膠顆粒，繼續(xù)將三者充分?jǐn)嚢?，最后加入水，攪?分鐘左右。
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由于冷熱交替作用，試件表面會(huì)出現(xiàn)裂紋、破損，因此在整個(gè)凍融循環(huán)過程中，試件會(huì)有所損失，要求平均損失率不得超過5%，否則應(yīng)停止試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)組與凍融組試件對比如圖2所示。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)組與凍融組試件對比
由圖可以看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件表面平整光滑，整體質(zhì)量較好；經(jīng)歷多次凍融循環(huán)之后，試件表面出現(xiàn)輕微裂縫、破損，但試件平均損失率沒有超過5%，可以進(jìn)行試驗(yàn)[4]。
3 試樣方案
為了分析標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)條件下橡膠顆?；旌贤恋膹?qiáng)度性能，確定試驗(yàn)方案如下：
①研究標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)及凍融循環(huán)作用后不同膠粒比對RST混合土的強(qiáng)度影響規(guī)律，膠粒比J取0%,10%，25%,灰土比C取10%,水土比S取25%。
②研究標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)及凍融循環(huán)作用后不同灰土比對RST混合土的強(qiáng)度影響規(guī)律，膠粒比J取10%，灰土比C取5%，10%，15%，水土比S取25%。
③研究標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)及凍融循環(huán)作用后不同水土比對RST混合土的強(qiáng)度影響規(guī)律，膠粒比J取10%，灰土比C取10%，水土比S取20%，25%，30%。
其中，膠粒比J表示橡膠顆粒與原料土的質(zhì)量百分比，灰土比C表示水泥與原料土的質(zhì)量百分比，水土比S表示水與原料土的質(zhì)量百分比[5]。
4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素分析
4.1 不同膠粒比對RST混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律
試件J=0%,10%，25%,C=10%,S=25%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下及凍融循環(huán)作用后對試件做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同膠粒比對試件強(qiáng)度影響
由圖3可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下，隨著膠粒比的增大，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢，而凍融循環(huán)5次、12次后，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著膠粒比的增加并沒有明顯降低，反而在膠粒比為10%時(shí)稍有增大，說明橡膠顆粒的摻入對水泥土的抗凍性能的提高有幫助。
4.2 不同灰土比對RST混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律
試件J=10%，C=5%，10%，15%，S=25%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下及凍融循環(huán)作用后對試件做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同灰土比對試件強(qiáng)度影響
由圖4可知，無論是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下還是凍融循環(huán)作用后，RST混合土的強(qiáng)度均隨著灰土比的增大而增大，這是因?yàn)榛彝帘仍龃?，水泥水化反?yīng)后膠結(jié)作用加強(qiáng)[6-7]，使試件強(qiáng)度提高，但是凍融循環(huán)作用5次后，RST混合土的強(qiáng)度增長速率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的強(qiáng)度增長率。
4.3 不同水土比對RST混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律
試件J=10%，C=10%，S=20%，25%，30%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下及凍融循環(huán)作用后對試件做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同水土比對試件強(qiáng)度影響
由圖5可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)作用后，隨著水土比的增大，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均在S=25%時(shí)出現(xiàn)峰值，這說明在水土比為變量時(shí)，RST混合土的強(qiáng)度變化規(guī)律及抗凍性能均表現(xiàn)出相似的先增大后減小的趨勢，且均在水土比為25%左右時(shí)強(qiáng)度最高。
5 結(jié)論
1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下RST混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著膠粒比的增加而減小，凍融循環(huán)作用后，這種趨勢并不明顯，甚至強(qiáng)度會(huì)稍有提高，廢棄橡膠顆粒的加入提高了水泥土的抗凍性能，這是RST混合土應(yīng)用于季凍區(qū)路基作為填料的最大優(yōu)勢。
2）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)作用下RST混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著灰土比的增大而增大，凍融循環(huán)作用下強(qiáng)度增長速率降低。
3）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及凍融循環(huán)作用后，試件強(qiáng)度均在水土比為25%左右時(shí)最高。
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