橡膠紅黏土路用性能研究

楊德忠，陳開圣

(1.黔南州交通建設養(yǎng)護發(fā)展中心，貴州 都勻 558000；2.貴州大學 土木工程學院)

隨著汽車工業(yè)持續(xù)高速發(fā)展，日益增多的汽車廢棄輪胎成為一個十分棘手的問題。目前對廢舊輪胎的處理方法主要有翻新、囤積、焚燒和填埋，囤積會造成各種寄生蟲和蚊蟲的滋生，焚燒則會釋放有毒煙霧，而填埋會污染地下水。為了節(jié)約資源和保護環(huán)境，尋找廢舊輪胎橡膠再利用的新方法是擺在廣大科研工作者面前的一個重要課題。橡膠顆粒改變土體性質(zhì)的研究主要集中在橡膠顆粒與砂、膨脹土和粉土等方面。以膨脹土為例，孫樹林提出隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠膨脹土的抗剪強度增大，其中黏聚力較內(nèi)摩擦角變化顯著；鄒維列指出橡膠膨脹土的黏聚力和抗剪強度隨橡膠粉摻量的增大而降低；杜靜認為改性膨脹土抗剪強度和內(nèi)摩擦角較素膨脹土顯著增大，黏聚力值略有下降；顏椿釗通過橡膠紅黏土的三軸試驗表明，橡膠紅黏土的抗剪強度隨橡膠粉摻量的增大而增加，其中內(nèi)摩擦角增大是使得橡膠紅黏土抗剪強度增大的主要原因，并提出了橡膠紅黏土的有效摻量為2%～4%。

上述研究表明：橡膠顆粒改良土體工程性能尚不明確，研究結(jié)論不盡相同。該文通過室內(nèi)試驗研究不同粒徑和摻量下橡膠對混合土的液塑限、擊實特性、CBR值、膨脹率的影響，探討橡膠紅黏土的路用性能。

1 基本物理指標

試驗所用的土樣取自某路路基基坑，為褐色可塑紅黏土，級配良好，結(jié)構(gòu)致密，土料基本物理指標見表1。橡膠采用廢舊輪胎經(jīng)機械破碎并磨細的橡膠粉，分別選取10目、20目和60目三組粒徑，橡膠顆粒技術(shù)指標見表2。

2 試驗方法

定義橡膠粉摻量為橡膠粉質(zhì)量與橡膠紅黏土混合土質(zhì)量的比值，計算公式為式(1)。在完成擊實試驗得到最大干密度后，當需要配置不同壓實度、不同含水率的試樣時，根據(jù)試模體積，按式(2)計算各種壓實度下試樣所需土樣質(zhì)量。按照橡膠摻量為0%～10%分別配置土樣，充分攪拌均勻后，置于保濕缸中靜置24 h，試樣配置見表3。根據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》對不同摻量的混合土進行液塑限試驗、擊實試驗和CBR試驗。

表1 紅黏土基本物理指標

表2 橡膠粉技術(shù)指標

(1)

ms=Kρdmax(1+w)V

(2)

式中：χ為橡膠粉摻量(%)；mt為橡膠粉質(zhì)量(g)；m為橡膠粉質(zhì)量+干土質(zhì)量(g)；ms為混合土試樣質(zhì)量(g)；K為目標壓實度(%)；ρdmax為不同摻量下的最大干密度(g/cm3)；w為目標含水率；V為試模體積。

表3 試樣配置表

3 試驗結(jié)果

3.1 橡膠摻量對液塑限的影響

橡膠摻量對液塑限的影響見圖1。

圖1 橡膠紅黏土液塑限

由圖1可知：隨著橡膠粉摻量的增加，混合土的液限和塑性指數(shù)降低，而塑限增大。在膠粉摻量小于10%的條件下，混合土液限、塑性指數(shù)分別大于50%和26，仍不能滿足JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》第3.3.1.4條規(guī)定：液限大于50%、塑性指數(shù)大于26的細粒土，不能直接作為路堤填料來使用。究其原因，橡膠粉顆粒屬于憎水性高分子材料，本身不具有吸水性，但橡膠顆粒的比表面積大、形狀不規(guī)則，水分可以依附在其表面，使得紅黏土顆粒之間自由水減少，因此塑性指數(shù)降低。同時由于塑性指數(shù)隨橡膠粉摻量增加而降低，意味著摻橡膠粉可以適當降低紅黏土的脹縮性和親水性。

3.2 橡膠紅黏土擊實試驗

橡膠紅黏土擊實曲線見圖2。膠粉摻量與最大干密度、最優(yōu)含水率之間關(guān)系試驗結(jié)果見圖3、4。橡膠紅黏土擊實過程中橡膠顆粒對土顆粒的附加作用示意圖見圖5。

從圖2～5可以看出：隨著橡膠粉摻量的增加，擊實曲線下降，曲線峰值往左側(cè)移動，即最優(yōu)含水率和最大干密度隨橡膠粉摻量的增大而減小。究其原因：① 橡膠顆粒的比表面積大于土顆粒，且橡膠屬于彈性材料，土粒為塑性材料。擊實過程中橡膠顆粒對土粒具有附加擊實功的作用，在擊實錘下落擊實階段，橡膠顆粒由于上下方向被擠壓而向四周膨脹，進而對土粒施加一定的附加作用力，使四周土粒被進一步擠密[圖5(b)]；在擊實錘抬升卸荷階段，橡膠顆粒上下方向回彈而對上下部位土體施加一定的附加荷載，土粒被擠密[圖5(c)]；② 摻入橡膠后，橡膠顆粒占據(jù)了部分土顆粒的體積，使得土粒含量減少，且橡膠顆粒吸水率小，因此混合土達到最密實狀態(tài)時所需的水分減少。

圖2 橡膠紅黏土擊實曲線

圖3 最優(yōu)含水率與橡膠粉摻量的關(guān)系

圖4 最大干密度與橡膠粉摻量的關(guān)系

圖5 橡膠紅黏土擊實過程中橡膠顆粒對土顆粒的附加作用示意圖

由于上述兩種作用，使得擊實曲線左移。干密度減小的原因是：橡膠顆粒密度小于土顆粒密度。摻入橡膠后橡膠顆粒占據(jù)部分土顆粒的體積，因此橡膠紅黏土的干密度降低。由圖2還可看出：隨著橡膠粉摻量的增加，曲線變陡變窄，表現(xiàn)出無黏性土的性質(zhì)。由圖3、4可知：橡膠紅黏土的最優(yōu)含水率和最大干密度均與橡膠粉摻量呈一元二次函數(shù)關(guān)系；最優(yōu)含水率、最大干密度和橡膠粉摻量三者具有較好的二元二次函數(shù)關(guān)系。即：

ρdmax=A1χ2+B1χ+C1

(3)

wopt=A2χ2+B2χ+C2

(4)

(5)

式中：A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、D3均為試驗參數(shù)。

3.3 橡膠紅黏土CBR試驗結(jié)果

3.3.1 膨脹率

根據(jù)式(6)計算橡膠紅黏土浸水4 h后的膨脹率。

(6)

式中：h0為試樣初始高度，此試驗為120 mm；hi為試樣浸泡4晝夜后的高度。

圖6為橡膠紅黏土膨脹率與各因素間的關(guān)系。

由圖6可知：膨脹率隨橡膠粉摻量的增大而減小，即摻入橡膠粉能有效降低土體的膨脹量。分析原因如下：① 橡膠粉摻量的增加，相同體積和相同擊實功下，試筒內(nèi)的土體含量減小，而橡膠粉幾乎不吸水膨脹，僅由土體吸水膨脹，因此橡膠摻量越大，膨脹率越??；② 橡膠顆粒表面為不規(guī)則形狀且表面粗糙，顆粒間的摩阻力增大，在土體膨脹過程中，土體與橡膠顆粒、橡膠顆粒與橡膠顆粒間相互摩擦，一部分膨脹力在這過程中被抵消；③ 橡膠粉表面具有憎水性，會對土粒起包圍作用，阻礙紅黏土中親水礦物與水分的作用與結(jié)合。橡膠紅黏土膨脹率受壓實度和含水率影響明顯，壓實度越大，膨脹率越大；含水率越小，膨脹率越大。橡膠目數(shù)越大即橡膠粒徑越小，比表面積越大，阻礙紅黏土中親水礦物與水分結(jié)合作用越強，所以橡膠粉粒徑越小，混合土膨脹率越小。

為了更好反映橡膠紅黏土膨脹率隨橡膠粉摻量的衰減規(guī)律，定義膨脹率絕對衰減值Δ：

圖6 橡膠紅黏土的膨脹率與各因素間的關(guān)系

(7)

式中：δ0為橡膠粉摻量為0(純土)時的膨脹率；δi為各種摻量下混合土的膨脹率。

圖7為橡膠紅黏土的膨脹率絕對衰減值與橡膠粉摻量的關(guān)系。

因此可用該函數(shù)表示橡膠紅黏土的膨脹率絕對衰減值與橡膠粉摻量的關(guān)系。

3.3.2CBR值

將浸泡4 d的不同摻量橡膠紅黏土CBR試樣置于CBR試驗儀上進行試驗，試驗貫入速率為1 mm/min，得到CBR值與橡膠粉摻量的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知：除了壓實度為96%時10目、20目在橡膠摻量小于4%時，CBR值隨橡膠粉摻量增加而略為增加外，整體上CBR隨橡膠粉摻量的增大而波動減小。究其原因：當橡膠摻量較小時，此時壓實度起決定作用，壓實度大的試樣，由于橡膠粉表面粗糙，摻入土體后與土體顆粒相互嵌擠，對土體抗剪強度有一定的增強作用；同時由于摻入橡膠后，土體膨脹量降低，浸泡過程中由于膨脹而使土體松散的效果也減小，土粒間黏結(jié)效果較好，因此土體CBR略增大。橡膠紅黏土CBR值降低機理可由圖9解釋：① 在貫入桿側(cè)面即剪切面上的橡膠粉與貫入桿發(fā)生剪切的過程中，由于橡膠粉沒有黏聚力，僅靠橡膠粉表面與貫入桿摩擦產(chǎn)生微小的摩擦力提供剪切力；② 在貫入桿底面，由于橡膠粉是彈性材料，土體是塑性材料，因此橡膠粉更容易壓縮變形，而CBR試驗僅貫入2.5 mm或5 mm。這兩方面的效果造成了高摻量的橡膠紅黏土CBR值降低。高摻量的橡膠紅黏土隨膠粉摻量越高，改良效果越不佳。

表4 膨脹率絕對衰減值與橡膠粉摻量擬合模型參數(shù)

圖7 膨脹率絕對衰減值與橡膠粉摻量的關(guān)系

結(jié)合CBR與橡膠摻量的圖像，利用Origin軟件擬合發(fā)現(xiàn)函數(shù)CBR=A5χ3+B5χ2+C5χ+D5擬合效果較好，絕大部分R2在0.95以上，模型參數(shù)見表5。因此可用該函數(shù)表示橡膠紅黏土的CBR與橡膠粉摻量的關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)隨著橡膠粉摻量的增加，混合土的液限和塑性指數(shù)降低，但仍分別大于50%和26，不滿足JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》要求，不能直接用作路堤填料。

圖8 CBR與橡膠粉摻量的關(guān)系

圖9 CBR試驗示意圖

(4)橡膠紅黏土CBR值隨橡膠粉摻量的增大而波動減小。CBR值與橡膠粉摻量的數(shù)學模型滿足CBR=A5χ3+B5χ2+C5χ+D5。

(5)單一的橡膠粉改良紅黏土效果不佳，原因是輪胎橡膠粉或顆粒與紅黏土之間無化學反應或離子鍵反應，只能作為充填料。建議摻加固化劑(水泥、石灰等)使混合土發(fā)生化學反應增強土體強度。

表5 CBR與橡膠粉摻量擬合模型參數(shù)