顧建波 周恩全 姚緣

摘要 為了研究橡膠混合土作為路基填料的可行性，文章以橡膠混合土為研究對(duì)象，開(kāi)展了一系列加州承載比（CBR）、壓縮及直接剪切試驗(yàn)，分析了橡膠摻量（0%、5%、10%、15%）及橡膠粒徑（1～5 mm、0.25～0.5 mm、0.1～0.25 mm）的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：橡膠粒徑相同時(shí)，混合土的CBR隨著橡膠摻量的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在5%橡膠摻量時(shí)CBR達(dá)到峰值；橡膠摻量一定時(shí)，橡膠粒徑越大，混合土的CBR更高，橡膠粒徑為1～5 mm且橡膠摻量為5%時(shí)混合土的CBR相比純土提升約104%。隨橡膠摻量的增加，混合土的彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變及壓縮系數(shù)均顯著增大，表明混合土的可變形能力逐漸增大。隨著橡膠摻量增加，混合土的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，表現(xiàn)出顯著的剪切硬化特性。研究結(jié)果可為橡膠混合土在道路工程中的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 橡膠混合土；加州承載比；壓縮；抗剪強(qiáng)度

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）04-0111-03

0 引言

隨著交通業(yè)的不斷發(fā)展，中國(guó)廢舊輪胎產(chǎn)生量以6%～8%的速度逐年遞增^[1]，盡管每年廢舊輪胎回收率有所提升，但基本在50%以下。將廢舊輪胎以塊、條、顆粒等形式用于土體處理，作為路基填料等工程材料使用，是目前公認(rèn)處理廢舊輪胎最有前途的措施之一。Sivapriya等^[2]研究發(fā)現(xiàn)，橡膠摻量15%之前，混合土CBR有所增加，超過(guò)此值混合土CBR下降。王瓊^[3]研究發(fā)現(xiàn)，橡膠砂的壓縮變形明顯高于純砂。張巖^[4]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠砂復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。Akbarimehr等^[5]研究表明，使用10%的橡膠粉略微提高了混合土的強(qiáng)度，但超過(guò)該值后強(qiáng)度有所降低。

該文重點(diǎn)關(guān)注橡膠摻量、橡膠粒徑對(duì)橡膠混合土的CBR、壓縮特性及剪切特性的影響，為橡膠混合土在道路工程中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)所用黏土塑限為21.6%、液限為40.1%，塑性指數(shù)為18.5。試驗(yàn)所用橡膠均由廢舊汽車輪胎經(jīng)過(guò)機(jī)械切割、破碎并抽去鋼絞線所得，所用橡膠顆粒分別為R1顆粒（粒徑1～5 mm）、R0.25顆粒（粒徑0.25～0.5 mm）和R0.1顆粒（粒徑0.1～0.25 mm）。黏土及R1顆粒、R0.25顆粒、R0.1顆粒的均值粒徑分別為0.02、3.01、0.36、0.16，不均勻系數(shù)分別為8.33、1.66、1.41、1.60，曲率系數(shù)分別為1.61、0.91、0.94、0.92。

下列試驗(yàn)均依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）開(kāi)展。

采用重型擊實(shí)法制樣，測(cè)定橡膠混合土浸水4 d后的CBR值，考慮橡膠粒徑及橡膠摻量的影響，橡膠顆粒體積摻量C_R選為0%、5%、10%、15%共4組，橡膠粒徑選擇1～5 mm、0.25～0.5 mm、0.1～0.25 mm共三類。

壓縮試驗(yàn)考慮橡膠摻量的影響，橡膠顆粒體積摻量C_R選為0%、5%、10%、15%共4組，橡膠粒徑為1～5 mm，試樣尺寸為直徑61.8 mm，高度20 mm。所加豎向荷載依次為12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、200 kPa、100 kPa、50 kPa、25 kPa、12.5 kPa、0 kPa，每級(jí)荷載加載時(shí)間為24 h。

不固結(jié)快剪試驗(yàn)考慮橡膠摻量的影響，橡膠顆粒體積摻量C_R選為0%、5%、10%、15%共4組，橡膠粒徑為1～5 mm，試樣尺寸直徑為61.8 mm，高度為20 mm。測(cè)定試樣在不同豎向應(yīng)力下（100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa）的抗剪強(qiáng)度，剪切速率為0.8 mm/min。

2 CBR試驗(yàn)結(jié)果

如圖1所示，為不同摻量及粒徑下橡膠混合土CBR變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）當(dāng)橡膠粒徑一定時(shí)，隨橡膠摻量的增加，CBR先增大后減小，5%橡膠摻量下的CBR數(shù)值最大；超過(guò)5%橡膠摻量后，黏土中摻入越多的橡膠，由于其高回彈變形性，混合土越容易被壓縮，導(dǎo)致CBR數(shù)值減小。

（2）同一橡膠摻量下，CBR隨著橡膠粒徑的減小而降低。

（3）總體來(lái)說(shuō)，在該文試驗(yàn)條件下橡膠粒徑為1～

5 mm且橡膠摻量為5%的混合土CBR數(shù)值最大，相比純土的CBR提升約104%。

當(dāng)摻入土中的橡膠粒徑為1～5 mm，橡膠摻量為5%、10%、15%時(shí)，混合土CBR值均大于4，滿足各等級(jí)公路路堤的要求，因此該文僅研究摻入1～5 mm橡膠顆粒的混合土的壓縮和抗剪特性。

3 壓縮試驗(yàn)結(jié)果

如圖2所示，圖2（a）中給出了不同橡膠摻量下混合土加載—卸載后的豎向總應(yīng)變、塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變的變化規(guī)律，其中“總應(yīng)變”由“塑性應(yīng)變”和“彈性應(yīng)變”這兩部分組成，橡膠摻量越大，混合土的總應(yīng)變、塑性應(yīng)變、彈性應(yīng)變均增大，且彈性應(yīng)變總是小于塑性應(yīng)變。雖然在黏土中加入橡膠顆粒后，提升了混合土的回彈性能，但始終是塑性應(yīng)變占主導(dǎo)地位。

橡膠摻量對(duì)橡膠混合土壓縮系數(shù)的影響見(jiàn)圖2（b）：試樣的壓縮系數(shù)均隨著豎向應(yīng)力的增加而下降，且下降速率逐漸變緩慢。橡膠摻量從0%增至15%，混合土壓縮系數(shù)隨之增加。摻量15%的混合土在0～12.5 kPa豎向應(yīng)力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)是純黏土的4.5倍，特別需要說(shuō)明的是所有試樣從100 kPa加載至200 kPa的壓縮系數(shù)均處于0.1～0.5 MPa^?1之間，屬于中壓縮性土。

4 直剪試驗(yàn)結(jié)果

不同橡膠摻量下混合土的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線如圖3所示?？梢?jiàn)：純土的剪應(yīng)力—水平位移曲線有出現(xiàn)明顯下降段或者穩(wěn)定段，應(yīng)取峰值點(diǎn)為其抗剪切強(qiáng)度值；混合土（C_R=5%、C_R=10%、C_R=15%）出現(xiàn)應(yīng)力—應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即剪應(yīng)力—水平位移曲線一直呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，此情況下應(yīng)取4 mm剪切位移所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力值為試樣的抗剪強(qiáng)度值。

根據(jù)圖3可進(jìn)一步得到混合土在橡膠摻量0%、5%、10%、15%下的抗剪強(qiáng)度值與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如表1所示?？梢?jiàn)，隨著橡膠摻量從0%增加到15%，混合土的抗剪強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角、黏聚力數(shù)值均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。橡膠摻量從0%增加到15%，橡膠混合土的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別提升20.4%和19.1%。

5 結(jié)論

該文以橡膠混合土為研究對(duì)象，對(duì)CBR特性、壓縮特性及直接剪切特性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）混合土的CBR隨著橡膠摻量的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，5%橡膠摻量下混合土的CBR值最大。混合土的CBR隨著橡膠粒徑的增大而增大，當(dāng)摻入土中的橡膠粒徑為1～5 mm，橡膠摻量為5%、10%、15%時(shí)，混合土CBR值均大于4，滿足各等級(jí)公路路堤的要求。

（2）隨著橡膠摻量從0%增加到15%，混合土的壓縮量與回彈量逐漸增大，其壓縮變形越明顯，壓縮系數(shù)也更大，表明橡膠摻量越大，混合土的可變形能力越大。

（3）隨著橡膠摻量從0%增加到15%，混合土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，黏聚力和內(nèi)摩擦角分別提升20.4%和19.1%。

參考文獻(xiàn)

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[2]Sivapriya S V， Charumathy N. Effect of crumb rubber on inorganic and high compressible clay[J]. Lecture Notes in Mechanical Engineering， 2019： 67-73.

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[5]D Akbarimehr， Eslami A， Aflaki E. Geotechnical behavior of clay soil mixed with rubber waste[J]. Journal of Cleaner Production， 2020， 271： 122-136.

收稿日期：2023-12-15

作者簡(jiǎn)介：顧建波（1979—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：高等級(jí)公路建設(shè)管理。

基金項(xiàng)目：南京市交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目“近零碳公路示范工程關(guān)鍵技術(shù)研究（2022）”。