碎橡膠改良粘土試驗研究

崔夢麟等

摘 要：碎橡膠屬高分子材料，具有粘彈性高、彈性模量低等特點(diǎn)。利用碎橡膠的這些優(yōu)點(diǎn)可用于粘土的改良。針對長期以來把經(jīng)物理化學(xué)處理后的粘土作為橡膠補(bǔ)強(qiáng)填充劑使用的情況，文章從工程實用性的角度出發(fā)，研究碎橡膠的物理添加比例對粘土物理力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：碎橡膠；改性粘土；物理力學(xué)性能

引言

2009年以來中國已成為汽車產(chǎn)銷第一大國。隨著相關(guān)環(huán)境保護(hù)及汽車輪胎報廢法律的日趨健全，廢舊輪胎問題也日益凸顯。然而，傳統(tǒng)處理工藝遠(yuǎn)不能完全處置數(shù)量龐大的廢舊輪胎。國內(nèi)外針對廢輪胎問題，除了采用傳統(tǒng)的處理方法外，已將完整廢輪胎、輪胎破碎物或稱輪胎派生骨料（Tire Derived Aggregates，TDA）與天然土的混合物應(yīng)用于巖土工程中。該領(lǐng)域近三十年的研究表明，廢輪胎不易降解的“缺點(diǎn)”在巖土工程中可成為建筑材料耐久性的“優(yōu)點(diǎn)”，同時因廢輪胎具有輕質(zhì)、隔熱、高彈性、高摩擦性等特點(diǎn)，可用于天然土的改良，解決與應(yīng)力、變形有關(guān)的巖土工程問題，如路堤回填、邊坡支當(dāng)、軟弱地基處理等?；诖藸顩r，國內(nèi)外眾多學(xué)者從不同方面進(jìn)行研究，并取得了一系列有益成果。但由于粘土結(jié)構(gòu)的特殊性，目前研究成果主要集中在將粘土做特殊工藝處理后，把改性粘土作為橡膠的補(bǔ)強(qiáng)填充劑使用[1-7]，而將碎橡膠作為客體，研究其物理添加對未經(jīng)處理的粘土造成的影響的研究成果卻較少。另外，除碎橡膠在工程應(yīng)用中面臨著一系列技術(shù)難題之外，目前研究最大的缺陷在于不能很好地貼合實際工況。文章立足于工程實用性，對碎橡膠改性粘土的物理力學(xué)性能進(jìn)行研究，可為實際工程應(yīng)用提供一定的借鑒。

1 理論基礎(chǔ)

粘土礦物的顆粒一般較細(xì)小，有獨(dú)特的晶層重疊結(jié)構(gòu)。晶層之間還有一定的空隙，這導(dǎo)致其比表面積較大；同時，顆粒邊緣還具有電荷不飽和性，對其它物質(zhì)有吸附性[8]。當(dāng)碎橡膠均布在粘土中時，會改變粘土膠的性能[9]，從而影響粘土顆粒之間的化學(xué)鍵作用和范德華力，進(jìn)而影響改性粘土的物理力學(xué)性能。另外，廢舊橡膠中含有纖維，具有摩擦性高的特點(diǎn)，可對粘土體的摩擦角產(chǎn)生重要的影響。廢舊橡膠屬高分子材料，從宏觀角度而言，具有彈性強(qiáng)、變形大、粘彈性高、彈性模量低、疏水等特點(diǎn)[10]。因而，當(dāng)向粘土中摻加不同比例某目數(shù)的碎橡膠時，可能直接影響改良后的粘土的壓縮、抗剪、滲透等性能。文章正是基于粘土、碎橡膠顆粒各自的特點(diǎn)及其能夠相互影響的特性，展開碎橡膠改良粘土物理力學(xué)性能的研究的。

2 實驗方案設(shè)計

2.1 試驗材料

本試驗中，粘土選用南昌地區(qū)常見的紅粘土，碎橡膠采用通過目前生產(chǎn)工藝可廣泛獲得的規(guī)格型號為30目-40目（GB/T 19208-2008）的碎橡膠。其基本物理指標(biāo)如表1和表2所示。

2.2 試驗設(shè)計

碎橡膠改良粘土試驗研究包括液塑限試驗、擊實試驗、固結(jié)試驗、直剪試驗和滲透試驗。試樣制備時，先將所取土樣風(fēng)干再反復(fù)碾壓，進(jìn)行液塑限試驗時需將碾壓后的土樣過0.5mm的孔徑篩，其它四項試驗需將碾壓后的土樣過5mm的孔徑篩。取篩下土樣，用SFY30A型鹵素快速水分測定儀測定過篩后的土樣的含水量，之后向過篩后的粘土中分別均勻摻入占粘土干重量0、2%、4%、6%、8%、10%、15%、20%的碎橡膠。

當(dāng)擾動土作為建筑材料使用時，我們總是將其含水量控制在最優(yōu)含水量附近，并將其碾壓至相應(yīng)最大干密度。為貼合實際工況，進(jìn)行固結(jié)試驗、直剪試驗和滲透試驗之前，需要重新配制摻加不同碎橡膠比例且含水量為對應(yīng)最優(yōu)含水量的試樣，進(jìn)行擊實試驗。用內(nèi)徑61.8mm，高20mm的環(huán)刀切取擊實后的試樣，作為試驗備用樣。為保證試驗的精度，當(dāng)切取的試樣存在較大裂縫時應(yīng)放棄使用，且備用樣應(yīng)滿足0.05。試樣的配制及試驗操作遵循《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）的規(guī)定。

上表所述的特制滲透試驗裝置，其試樣桶由兩節(jié)高20cm，直徑20cm有剛性護(hù)壁的圓管組成，圓管之間由套箍連接緊固，套箍方便拆卸。滲透試樣制備時，將不同橡膠摻比的粘土放入試樣筒內(nèi)，每節(jié)圓管內(nèi)的土均用特制的擊實器分四層擊實至相應(yīng)最大干密度。

3 試驗結(jié)果分析

（1）相對于未摻加碎橡膠的粘土，碎橡膠摻量為2%時具有較高的液限和最大干密度。隨著碎橡膠摻量的增加，最優(yōu)含水量和最大干密度將發(fā)生明顯的波動。液塑限試驗和擊實試驗的結(jié)果如表4所示。

（2）如圖1壓縮試驗的結(jié)果所示，初始條件下較摻碎橡膠的粘土，不摻碎橡膠的粘土的孔隙比明顯偏高；同一壓力條件下，隨著碎橡膠摻量的增加孔隙比減小越明顯；試驗壓力條件下，碎橡膠摻量越高，壓縮系數(shù)減小越快，在400KPa附近時壓縮系數(shù)趨于相同。

（3）在最優(yōu)含水量和最大干密度試驗條件下，當(dāng)碎橡膠摻量為2%時可獲得最大抗剪強(qiáng)度，碎橡膠摻量4%時次之。

（4）碎橡膠摻量在0～6%時，隨著碎橡膠摻量的增加，粘土體的滲透系數(shù)減小，而碎橡膠摻量在8%～20%時，粘土體的滲透系數(shù)幾乎呈線性增長。

4 試驗結(jié)論

基于試驗研究結(jié)果，根據(jù)含有不同碎橡膠摻量的改性粘土的物理力學(xué)特征，可以得出以下結(jié)論：

（1）試驗條件下，向粘土體中摻入2%的碎橡膠可獲得最大抗剪強(qiáng)度。

（2）碎橡膠的摻加改變了粘土體的孔隙比，但當(dāng)碎橡膠摻量為2%～8%時對粘土體滲透性能的影響不明顯，碎橡膠摻量為10%～20%時，粘土體的滲透系數(shù)急劇增大。

（3）壓力小于200KPa時，碎橡膠的摻加顯著改變了粘土體的彈性性能。碎橡膠摻量越大，壓縮系數(shù)減小越快。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：崔夢麟（1993-），男，江西寧都人，土木工程專業(yè)本科生。