廢棄輪胎橡膠顆粒改良砂土路用性能試驗(yàn)研究

陸楊瑞雪，易 文，劉奧林，眭子凡，劉益芳

（中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

隨著我國(guó)道路工程快速發(fā)展，車輛數(shù)目急劇增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2010 年我國(guó)輪胎生產(chǎn)量達(dá)到3 億多條，預(yù)計(jì)到2020 年，廢舊輪胎的產(chǎn)量將達(dá)到2000 萬(wàn)t[1]。而隨之而來(lái)的是廢舊輪胎難以回收和環(huán)境污染問(wèn)題。目前，廢棄輪胎的處理主要分為回收利用、加工處理，廢棄輪胎分解加工后得到廢棄橡膠顆粒，橡膠粉是今后的再利用主要方向。我國(guó)對(duì)于廢棄橡膠再利用的研究起步較晚，目前多用于將廢棄橡膠粉摻入瀝青混合料中制成橡膠改性瀝青混合料，具有提高瀝青低溫延度、增強(qiáng)瀝青路面水穩(wěn)定性等作用[2-3]。而國(guó)外早期已將廢棄橡膠碎片在軟土地基中應(yīng)用，改善其穩(wěn)定性和長(zhǎng)期沉降[4]。如BOSSCHER[5]在1997 年將廢棄輪胎橡膠碎片和路基土混合，制成填筑材料，提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)對(duì)于廢棄橡膠混合土性能研究多集中于膨脹土和黏土[6]。孫樹(shù)林[7]利用廢棄輪胎膠粉對(duì)膨脹土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，膨脹土抗剪強(qiáng)度增大主要是由于黏聚力增大引起的?？椎律璠8]利用廢棄橡膠顆粒、少量水泥與礫砂制成混合土，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)水土比、膠粒土比均會(huì)對(duì)混合土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

砂土如作為路基填料單獨(dú)使用，容易液化、流動(dòng)性強(qiáng)，導(dǎo)致路基穩(wěn)定性和強(qiáng)度不足，通過(guò)與廢棄橡膠顆?；旌希杉哟笃淠Σ两呛宛ぞ哿?，從而顯著增強(qiáng)路基強(qiáng)度。文章通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)找出其最大干密度變化規(guī)律，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和CBR 試驗(yàn)找出橡膠顆粒的最佳摻量和橡膠顆粒改良砂土的強(qiáng)度變化規(guī)律。

1 原材料試驗(yàn)

（1）土性試驗(yàn)。本試驗(yàn)用土取自湖南省長(zhǎng)沙市湘龍西路某一級(jí)公路，對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行顆粒篩分試驗(yàn)，篩分結(jié)果如表1 所示，試驗(yàn)用土級(jí)配曲線如圖1 所示。土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)按照規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）中的（T 0118-2007）液限和塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定出，其指標(biāo)如表2 所示。

不均勻系數(shù)Cu=20.7，曲率系數(shù)Cc=0.961，經(jīng)判定，土樣類別為級(jí)配不良砂（SP）。

（2）廢棄輪胎橡膠顆粒。試驗(yàn)選用四川某橡膠廠將廢舊輪胎粉碎加工而成的橡膠顆粒，呈黑色不規(guī)則狀。橡膠顆粒過(guò)大會(huì)導(dǎo)致砂土顆粒無(wú)法與膠粉充分結(jié)合，顆粒過(guò)小導(dǎo)致成本增加，不利于工程經(jīng)濟(jì)，因此選擇20目（0.85mm）橡膠顆粒。

表1 土樣篩分結(jié)果

圖1 土樣級(jí)配曲線

表2 土樣液塑限和塑性指數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）中的擊實(shí)試驗(yàn)（T0131-2007）進(jìn)行，所用擊實(shí)儀器為重型擊實(shí)儀。

根據(jù)已有國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)研究，橡膠粉或顆粒改良土其摻量一般在6%～20%[9]。本試驗(yàn)選取橡膠粉摻量為0、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%。根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程，按四分法稱取一定質(zhì)量的土樣，按2%含水量遞增加入水和橡膠顆粒，充分?jǐn)嚢韬髳灹弦粫円箓溆?。采用擊?shí)儀分層擊實(shí)后，用削土刀削平套筒口多余土樣，用液壓脫模機(jī)將土樣從套筒中脫出后從試樣中取樣測(cè)含水率，最后計(jì)算最大干密度。得出不同摻膠率下的試樣擊實(shí)曲線，如圖2 所示。

圖2 試樣擊實(shí)曲線

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在素土中加入廢棄輪胎橡膠顆粒，土的最大干密度隨著橡膠顆粒摻膠率增加而減小且變化較大，在摻膠率為10%時(shí)，混合土的最大干密度比素土下降了0.26g/cm-3，說(shuō)明廢棄橡膠顆粒改良土作路基填料時(shí)能有效降低路基自重，是很好的路基輕質(zhì)填料。通過(guò)不同橡膠顆粒摻量的改良土擊實(shí)曲線可以發(fā)現(xiàn)在摻膠率遞增，而擊實(shí)曲線逐漸變得平緩，而最佳含水率在9%～10%波動(dòng)，可以認(rèn)為摻膠率對(duì)混合土的最佳含水率幾乎沒(méi)有影響。

2.2 改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

評(píng)價(jià)材料的路用性能，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是一個(gè)很重要的指標(biāo)[10]。對(duì)混合土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）進(jìn)行，在擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度和最佳含水率的基礎(chǔ)上制備試件，試件完成養(yǎng)護(hù)后擦干周圍水分并在兩端涂抹凡士林，將試件放置于路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀底座上，進(jìn)行加載試驗(yàn)，試件被壓壞時(shí)記錄瞬間最大壓力。本實(shí)驗(yàn)對(duì)試件在7d、14d、21d、28d，溫度為20℃±2℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，保持濕度≥95%。通過(guò)試驗(yàn)得出試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)生齡期的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

由圖3 可知，摻膠率為0～4%，養(yǎng)生齡期低于21d時(shí)，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度差異并不明顯，在摻膠率達(dá)到6%時(shí)，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大提高且與養(yǎng)生齡期呈明顯的線性關(guān)系。隨著摻膠率遞增，曲線斜率上升（試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)更明顯），這是因?yàn)殡S著養(yǎng)生齡期增加，橡膠顆粒與水分、土樣顆粒充分結(jié)合，使混合土強(qiáng)度明顯增大。當(dāng)摻膠率達(dá)到12%時(shí)，曲線已經(jīng)部分重合，雖強(qiáng)度略有增加但增加幅度非常小，當(dāng)摻膠率達(dá)到14%時(shí)，由于橡膠顆粒過(guò)多使橡膠顆粒與土顆粒無(wú)法粘結(jié)，從而導(dǎo)致無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降。因此可以確定最佳摻膠率為10%～12%。

2.3 承載比試驗(yàn)

為研究不同橡膠摻量對(duì)于混合土CBR 值的影響，對(duì)試樣的CBR 承載比試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）SL237-1999 進(jìn)行。將土樣過(guò)20mm 篩，依據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到最佳含水率，按照重型擊實(shí)的方法將土樣分3 層擊實(shí)，每層擊實(shí)98 次。擊實(shí)完成后將濾紙、多孔板置于試件頂部后放入4 塊1.25kg 的荷載片。將試樣放在水箱中浸水4d（水箱中保持水面高于試件25mm以上）后拿出，靜置排水后在貫入桿上施加45kN 的荷載，將計(jì)量表調(diào)零后加荷使貫入桿以1～1.25mm/min 的速度壓入試件，當(dāng)測(cè)力計(jì)到達(dá)20、40、60 時(shí)計(jì)入貫入量，記錄貫入量達(dá)到2.5mm 時(shí)的承載比。為探明摻膠率和CBR 值的關(guān)系，規(guī)定試件在最佳含水率條件下?lián)魧?shí)次數(shù)為每層98 次，分三次擊實(shí)，選取養(yǎng)生齡期為7d、14d、28d。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析在不同摻膠率、不同養(yǎng)生齡期條件下改良土的承載比變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 摻膠率與承載比關(guān)系圖

通過(guò)對(duì)不同摻膠率的改良土進(jìn)行CBR 試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：摻入廢棄橡膠顆粒的混合土樣較素土對(duì)CBR 值的改變更小，當(dāng)摻膠率為8%時(shí)，改良土的承載比達(dá)到最高值，當(dāng)摻膠率＞8%時(shí)改良土的承載比開(kāi)始下降，當(dāng)摻膠率達(dá)到14%時(shí)，由于摻膠比過(guò)高導(dǎo)致混合土松散，這主要是因?yàn)橄鹉z顆粒自身彈性不足，不能抵抗局部荷載[11]。在養(yǎng)生初期7～14d 時(shí)改良土的承載比增長(zhǎng)較快，在養(yǎng)生14～28d 后改良土的承載比趨于穩(wěn)定或有小幅增長(zhǎng)，因此確定橡膠顆粒改良土故作為路基輕質(zhì)填料時(shí)，最佳橡膠顆粒摻量為8%～10%。

2.4 直剪試驗(yàn)

試樣的直剪試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）進(jìn)行，首先制成h=20mm、d=61.8mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，完成后將剪切盒的上下盒對(duì)準(zhǔn)，將插銷插入固定，在盒最下方放入濾紙、透水板，將試樣放入后移動(dòng)傳動(dòng)裝置，使上盒前端鋼珠剛好與測(cè)力計(jì)接觸，依次放上傳壓板、加壓框架，安裝垂直位移和水平位移量測(cè)裝置，并調(diào)至零位或測(cè)記初讀數(shù)，分別施加不同的垂直壓力，將固定銷拔出后以0.8mm/min 的速度進(jìn)行剪切。為研究不同摻膠率的混合土樣在最佳含水率的條件下抗剪強(qiáng)度隨圍壓的變化關(guān)系，選取摻膠率為0、2%、6%、10%、14%的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出在圍壓為100kPa、200kPa、300kPa 時(shí)五組混合土的抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 抗剪強(qiáng)度與橡膠摻量的關(guān)系圖

由圖5 可知，在混合土樣摻膠率相同時(shí)，隨著圍壓的增大，抗剪強(qiáng)度明顯增大。在摻膠率從2%遞增至6%時(shí)，抗剪強(qiáng)度有大幅度增加，當(dāng)摻膠率超過(guò)6%，且圍壓為200kPa 和300kPa 時(shí)，混合土試樣抗剪強(qiáng)度開(kāi)始下降，但摻膠率為6%～10%時(shí)抗剪強(qiáng)度下降幅度較小，因此得出最佳橡膠顆粒摻量為6%～8%。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)廢棄橡膠顆?；旌贤恋? 種試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出如下結(jié)論：（1）經(jīng)過(guò)對(duì)土的粒徑、物理性質(zhì)分析，綜合判定土樣為級(jí)配不良砂SP。（2）通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠摻量的增加，改良土樣的最大干密度明顯減小，而最佳含水率幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明橡膠顆?；旌贤磷鳛槁坊盍蠒r(shí)可以有效降低路基自重。（3）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，橡膠顆粒摻量為0～4%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯，摻量達(dá)到6%時(shí)抗壓強(qiáng)度有明顯增加，當(dāng)摻膠率達(dá)到14%時(shí)，隨著摻量增加強(qiáng)度下降且不經(jīng)濟(jì)，因此確定最佳橡膠摻膠為10%～12%。（4）通過(guò)承載比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠顆粒對(duì)試樣CBR 值改變較小，在養(yǎng)生初期強(qiáng)度增長(zhǎng)較后期快。在摻量為8%時(shí)，試樣承載比較大。（5）由直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著垂直壓力增大，試樣抗剪強(qiáng)度明顯增大，摻入橡膠顆粒使混合土樣內(nèi)摩擦角φ 增大、黏聚力增強(qiáng)，且20 目橡膠顆粒能與粗顆粒土在水分作用下黏結(jié)，形成骨架架構(gòu)，可承擔(dān)更多的應(yīng)力[12]。