趙勝

(內(nèi)蒙古路橋有限責(zé)任公司第五工程處，呼和浩特 010050)

三趾馬黏土強(qiáng)度對(duì)膠粒徑級(jí)和含量的響應(yīng)

趙勝

(內(nèi)蒙古路橋有限責(zé)任公司第五工程處，呼和浩特 010050)

三趾馬黏土具有特殊的持水性質(zhì)，易引發(fā)多種工程問(wèn)題。為了解決三趾馬黏土填筑路基時(shí)產(chǎn)生的多種工程問(wèn)題，進(jìn)一步確定對(duì)其進(jìn)行改良的適宜膠粒含量，采用不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)摻入膠粒徑級(jí)(4、8、10、12、14目)、膠粒含量(2%、4%、6%、8%、10%、12%)的三趾馬黏土以及素三趾馬黏土的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明：三趾馬黏土的黏聚力在膠粒含量為2%時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)超過(guò)2%時(shí)，膠粒含量越大粘聚力越小，且不同膠粒徑級(jí)下膠粒含量對(duì)黏聚力的影響趨勢(shì)具有一致性。當(dāng)膠粒含量為4%時(shí)，摻入4目膠粒的三趾馬黏土內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值，其它粒徑的內(nèi)摩擦角在膠粒含量為6%時(shí)達(dá)到最大值。從而得出對(duì)三趾馬黏土進(jìn)行改良的適宜的膠粒含量為2%的結(jié)論。該研究為廢棄輪胎在工程領(lǐng)域的再利用和三趾馬黏土路基填料穩(wěn)定性的提高提供了良好的參考。

三趾馬黏土；膠粒；徑級(jí)；含量；強(qiáng)度

0 引言

三趾馬黏土是一種呈褐黃色、棕紅色或褐紅色的黏性土，是碳酸巖經(jīng)過(guò)化學(xué)風(fēng)化、物理風(fēng)化及紅土化等作用的產(chǎn)物[1-2]。由于其高塑性指數(shù)、高液限、高含水率等特征，作為筑路材料使用時(shí)，易使路基產(chǎn)生強(qiáng)度不穩(wěn)、沉降不均，壓實(shí)困難等一系列工程問(wèn)題[3-5]。在我國(guó)大部分地區(qū)尤其是西南地區(qū)都有大量的三趾馬黏土分布，在該類地區(qū)修建道路時(shí)必須對(duì)其問(wèn)題進(jìn)行處理。目前，國(guó)內(nèi)外常采用的改善方式是摻加水泥、石灰、煤矸石和砂等方法[6-10]。

在中國(guó)，隨著汽車的普及，廢舊輪胎數(shù)量以每年12%的速度在增加，如果處置不當(dāng)，將對(duì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重污染。將廢舊輪胎粉碎成膠粒作為路用材料使用，在大量消耗廢舊輪胎的同時(shí)，又可改善道路的路用性能[11]。目前，國(guó)內(nèi)外在應(yīng)用膠粒改善膨脹土性能方面取得了較大的突破[12-16]。而三趾馬黏土與膨脹土的成分、性質(zhì)具有較多的相似之處[17]。基于此，本文通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)來(lái)研究膠粒對(duì)三趾馬黏土抗剪強(qiáng)度的影響，探索膠粒徑級(jí)和含量對(duì)三趾馬黏土抗剪強(qiáng)度的響應(yīng)性，從而為三趾馬黏土的工程應(yīng)用提供一種有效途徑。

1 原材料檢測(cè)

依據(jù)公路土工試驗(yàn)規(guī)程對(duì)三趾馬黏土和膠粒的性質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見表1。

表1 三趾馬黏土檢測(cè)指標(biāo)

膠粒源自于汽車廢舊輪胎胎側(cè)橡膠，常溫粉碎加工而成，呈黑色不規(guī)則幾何形狀，根據(jù)文獻(xiàn)[18]測(cè)定不同粒徑的膠粒技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 膠粒檢測(cè)指標(biāo)Tab.2 Test index of rubber particle/(°)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大粒徑膠粒具有更為顯著的阻尼和彈性效果[11]，更適用于土的改良，研究選用4、8、10、12、14目5種較大粒徑的膠粒。在使用膠粒改善土性質(zhì)的相關(guān)研究結(jié)果中，膠粒的最佳摻量主要集中在2%～12%[12-17]，本文按用量的2%、4%、6%、8%、10%、12%在三趾馬黏土中外摻膠粒，為加以對(duì)比，同時(shí)對(duì)素三趾馬黏土進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)試件按如下過(guò)程制備：將土樣烘干、碾碎、過(guò)篩按上述6種膠粒含量分別進(jìn)行拌合。攪拌均勻后，再加水配制至三趾馬黏土最佳含水率，在保濕器中靜置24 h。按照標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法，制成6組高140 mm、直徑為70 mm的試樣，每組各2個(gè)，試件的壓實(shí)度統(tǒng)一控制為95%，密封保存24 h 后，進(jìn)行三軸試驗(yàn)。為避免水分流失，將各個(gè)試樣均用塑料薄膜密封好后再置于養(yǎng)護(hù)箱(溫度為(20±1)℃，相對(duì)濕度為(96±2)%)內(nèi)養(yǎng)護(hù)7d。采用剪切速率為4.5 mm/min的不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。

3 三軸試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2007，分別對(duì)素三趾馬黏土和不同膠粒徑級(jí)和含量下的三趾馬黏土進(jìn)行試驗(yàn)，每組試件每個(gè)初始圍壓條件下的結(jié)果取兩次平行試驗(yàn)的中值，以素三趾馬黏土和膠粒徑級(jí)4目的三趾馬黏土為例，強(qiáng)度包線如圖1和圖2所示。全部試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖1 素三趾馬黏土的強(qiáng)度包線Fig.1 Strength envelope of normal Hipparion clay

(a)膠粒含量2%

(b)膠粒含量為4%

(c)膠粒含量為6%

(d)膠粒含量為8%

(e)膠粒含量為10%

(f)膠粒含量為12%圖2 4目膠粒下三趾馬黏土的抗剪強(qiáng)度線Fig.2 Shear strength line of Hipparion clay with 4 orders rubber particle

膠粒徑級(jí)/目抗剪強(qiáng)度指標(biāo)不同膠粒含量/%02468104c/kPa1635411241035448φ/o1291432752602331866c/kPa1635131361237668φ/o1291352062302151768c/kPa1635131361237668φ/o12913520623021517610c/kPa1635361541346864φ/o12913219824120416512c/kPa1634861461247861φ/o12911420422719815114c/kPa1634731671499671φ/o129104228235186147

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果表3進(jìn)行分析和處理，得出不同膠粒含量、不同膠粒粒徑下三趾馬黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和摩擦角φ，如圖3和圖4所示。

由圖3可知，素土的黏聚力為16.6 kPa，摻入2%的不同粒徑的膠粒后，黏聚力的最小值(膠粒粒徑為14目時(shí))為47.3 kPa，也提高了近20%。當(dāng)膠粒含量從2%增加到4%時(shí)，黏聚力又迅速下降，甚至低于未摻加膠粒的素三趾馬黏土的粘聚力，且隨著膠粒含量的繼續(xù)增加，黏聚力呈現(xiàn)更為明顯的下降趨勢(shì)，膠粒粒徑偏大的，粘聚力下降的偏快。土的黏聚力主要取決于土中礦物成分、黏粒含量、含水量以及土的結(jié)構(gòu)[10，13-18]，在最佳含水率下的三趾馬黏土中摻加少量的膠粒雖然在一定程度上減少了土中黏性礦物含量，但增強(qiáng)了土的結(jié)構(gòu)性，從而增大黏聚力。當(dāng)膠粒含量過(guò)多時(shí)，土中黏性礦物的對(duì)黏聚力削弱作用大于土的結(jié)構(gòu)性的增強(qiáng)作用，從而黏聚力減小。由于膠粒摻量較少，不同目數(shù)的膠粒在相同摻量條件下，其黏聚力大小及變化趨勢(shì)幾乎相同。

圖4 膠粒含量與摩擦角的關(guān)系Fig.4 Relationship of crumb rubber content and the friction angle

從圖4可知，素土的內(nèi)摩擦角為13.1°，在三趾馬黏土里摻入2%含量的膠粒，膠粒粒徑較大時(shí)，內(nèi)摩擦角幾乎未變，膠粒粒徑較小時(shí)，內(nèi)摩擦角變化幅度稍明顯。當(dāng)膠粒含量增加到4%時(shí)，所有三趾馬黏土的內(nèi)摩擦角都得到大幅度的提高。當(dāng)膠粒含量增加到6%時(shí)，除摻4目膠粒三趾馬黏土的內(nèi)摩擦角少量下降外，其它的內(nèi)摩擦角繼續(xù)提高。隨著膠粒含量的進(jìn)一步增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。土的內(nèi)摩擦角主要取決于土的密實(shí)度、土粒形狀以及表面粗糙程度等[10，13-18]，在三趾馬黏土摻入少量不規(guī)則形狀和柔性的膠粒，在受壓時(shí)相對(duì)增加了顆粒間的接觸面積，從而提高了土體內(nèi)部顆粒間相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的阻力；當(dāng)膠粒含量較大時(shí)，由于膠粒的高彈性、大阻尼特點(diǎn)，土體的密實(shí)度受到抑制而減小，土樣反而變得相對(duì)松散，減小了土粒間的接觸面，從而降低了內(nèi)摩擦角。當(dāng)膠粒摻量大于6%時(shí)，膠粒粒徑越大，膠粒的高彈性、大阻尼特點(diǎn)越明顯，三趾馬黏土的內(nèi)摩擦角越小。

圖5 100kPa圍壓下抗剪強(qiáng)度與膠粒含量的關(guān)系Fig.5 Nexus of shear strength curve and rubber particles content for 100kPa confining pressure

圖6 150kPa圍壓下抗剪強(qiáng)度與膠粒含量的關(guān)系Fig.6 Nexus of shear strength curve and rubber particles content for 150kPa confining pressure

圖7 200kPa圍壓下抗剪強(qiáng)度與膠粒含量的關(guān)系Fig.7 Nexus of shear strength curve and rubber particles content for 200kPa confining pressure

依據(jù)摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論，對(duì)100、150、200kPa三個(gè)不同圍壓下不同膠粒粒徑和含量時(shí)三趾馬黏土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5～圖7所示。

隨著膠粒含量的增加，三趾馬黏土的抗剪強(qiáng)度在3組圍壓下均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。在相同含量膠粒下，圍壓越大抗剪強(qiáng)度越大。膠粒含量在2%時(shí)，三趾馬黏土具有最大的粘聚力。當(dāng)膠粒含量在4%～8%之間時(shí)，三趾馬黏土的內(nèi)摩擦角具有明顯的提高。在三個(gè)圍壓下，膠粒含量在2%～8%之間時(shí)，三趾馬黏土的抗剪強(qiáng)度均能得到有效改變，尤其是4目膠粒含量下，這種現(xiàn)象更為明顯。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，不同圍壓下，抗剪強(qiáng)度的變化與內(nèi)摩擦角的變化具有較大的相似性。雖然內(nèi)摩擦角在土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程中需做正切變化，本身很小，但其是以數(shù)值較大的主應(yīng)力作為系數(shù)的，所以，其對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響并不弱于黏聚力。當(dāng)膠粒摻量過(guò)大時(shí)，膠粒的高彈性、大阻尼特性使三趾馬黏土呈現(xiàn)出“彈簧”現(xiàn)象，難于壓實(shí)，結(jié)構(gòu)性變?nèi)?，其黏聚?qiáng)度和摩擦強(qiáng)度甚至不如素土。因此，在應(yīng)用膠粒對(duì)三趾馬黏土進(jìn)行改良時(shí)，膠粒的含量不應(yīng)過(guò)大，2%較為適宜。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)膠粒含量為2%時(shí)，三趾馬黏土的黏聚力達(dá)到最大值。隨著膠粒含量的繼續(xù)增加，黏聚力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，膠粒粒徑偏大的，黏聚力下降的偏快。

(2)在三趾馬黏土里摻入2%含量的膠粒時(shí)，其內(nèi)摩擦角變化不大。當(dāng)膠粒含量增加到4%時(shí)，內(nèi)摩擦角普遍得到提高。當(dāng)膠粒含量增加到6%時(shí)，除摻4目膠粒三趾馬黏土的內(nèi)摩擦角少量下降外，其它的內(nèi)摩擦角繼續(xù)提高。隨著膠粒含量的進(jìn)一步增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。

(3)應(yīng)用膠粒對(duì)三趾馬黏土進(jìn)行改良時(shí)，膠粒的適宜含量為2%。內(nèi)摩擦角對(duì)膠粒三趾馬黏土的影響不弱于黏聚力。

[1] 張?jiān)葡?，岳?lè)平，曹紅霞.黃河中游新近紀(jì)三趾馬動(dòng) 物群生態(tài)序列[J].科學(xué)通報(bào)，2001，46(14)：1196-1199.

[2] 黃質(zhì)宏，朱立軍，廖義玲，等.不同應(yīng)力路徑下紅粘土的力學(xué)特性[J]石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(15)：2599-2603.

[3] 劉前明.貴州紅粘土工程地質(zhì)特征探討[J].中國(guó)煤田地質(zhì)，2002，14(2)：47-48.

[4] 趙穎文，孔令偉，郭愛國(guó)，等.廣西紅粘土擊實(shí)樣強(qiáng)度特性與脹縮性能[J].巖土力學(xué)，2004，25(3)：369-373.

[5] 趙穎文，孔令偉，郭愛國(guó)，等.廣西原狀紅粘土力學(xué)性狀與水敏性特征[J].巖土力學(xué)，2003，24(4)：568-572.

[6] 萬(wàn)智，任毅，秦敏，等.改性紅粘土的擊實(shí)特性試驗(yàn)研究[J].公路工程，2013，38(2)：6-11.

[7] 吳瑞潛，謝康和，陳先華，等.水泥和粉煤灰加固三趾馬黏土的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2006，36(7)：29-31.

[8] 談云志，喻波，鄭愛，等.石灰穩(wěn)定三趾馬黏土強(qiáng)度的長(zhǎng)期碳化效應(yīng)[J].巖土力學(xué)，2013，34(S1)：73-79.

[9] 張雁，趙祥，張選.煤矸石摻紅粘土強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，30(3)：165-167.

[10] 關(guān)鵬.影響膠粒三趾馬紅黏土的關(guān)鍵因素分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16(7)：260-264.

[11] 高明星.連續(xù)級(jí)配橡膠顆粒瀝青路面降噪特性的研究[M].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[12] Seda J H，Lee J C，Carraro J A H.Beneficial use of waste tire rubber for swelling potential mitigation in expansive soils[J].Geotechnical Special Publication.Reston：American Society of Civil Engineers，2007：1-9.

[13] 孫樹林，魏永耀，張?chǎng)?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(S1)：3070-3075.

[14] 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.

[15] 潘軍輝.PET改性瀝青結(jié)合料性能試驗(yàn)研究[J].公路工程，2016，41(4)；286-289.

[16] 左春陽(yáng)，周俊，鄧文.膨脹土摻和橡膠顆粒改良效果評(píng)價(jià)綜述[J].山西建筑，2010，36(25)：83-84.

[17] 趙穎文，孔令偉，郭愛國(guó)，等.典型紅粘土與膨脹土的對(duì)比試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(15)：2593-2598.

[18] 錢建固，袁聚云，趙春風(fēng)，等.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)(第五版)[M].北京：人民交通出版社，2015

TheResponseofHipparionClayStrengthtoRubberParticleSizeandContent

Zhao Sheng

(The Fifth Engineering Office of Inner Mongolia Road and Bridge Limited Company，Hohhot 010050)

The hipparion clay has special water-holding properties，which can cause many kinds of engineering problems.In order to solve the problems of various engineering problems arising from the roadbed construction by the hipparion clay and determine the optimum of colloidal content.Unconsolidated and undrained triaxial compression test was applied to strength test for adding rubber particle size(4 orders to14 orders)，rubber particle content(2% to 8%)of the hipparion clay and normal hipparion clay.The results showed that the hipparion clay cohesive force reached the maximum when rubber particle content is 2%.When content is more than 2%，the smaller the content，the greater the cohesive force.The influence trend of rubber particles content on the cohesive force is consistent for different rubber particle size.When rubber particle content is 4%，mixed with 4 orders rubber particles，hipparion clay reaches maximum of internal friction angle.Mixed with other rubber particles size，internal friction angle of hipparion clay peaked in the rubber particle content is 6%.The suitable rubber particle content of hipparion clay was 2%.It provided a good reference for the waste tyres recycling in the field of engineering and hipparion clay subgrade filling stability.

hipparion clay；rubber particle；size；content；strength

U 416.218

：B

：1001-005X(2017)05-0104-04

趙勝，高級(jí)工程師。研究方向：道路工程。

2017-04-13

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BJ09-30)

趙勝.三趾馬黏土強(qiáng)度對(duì)膠粒徑級(jí)和含量的響應(yīng)[J].森林工程，2017，33(5)：104-107.