橡膠顆粒—廢鑄砂復合填料凍脹試驗

帕爾哈提

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院)

1 前 言

試驗參照國家質量技術監督局與建設部聯合發布的《土工試驗方法標準》GB/T50123 －1999。凍脹試樣尺寸為直徑φ×高度H 為100 mm×50 mm，試樣筒外徑為120 mm，壁厚為10 mm 的有機玻璃筒及與其配套的頂、底板組成。試樣無側向變形，軸向無約束，試樣單向自由凍結方式。凍脹率是相對值，通常用凍脹量與凍結土層厚度(凍結深度)之比來計算，用百分數計，如式(1)。

式中:η 為凍脹率，%;Δh 為試驗期間總凍脹量，mm;Hf為凍結深度(不包括凍脹量)，mm。

凍脹試驗裝置由試樣筒、制冷系統、環境溫度箱、溫度采集系統、位移采集系統等五大部分組成。

2 試驗內容與步驟

2.1 試驗設計

試驗中選擇的影響凍脹的因素為水泥、廢鑄砂、橡膠顆粒含量、含水率，各種單因素凍脹試驗安排如表1 所示，試驗的養護齡期為28 d。

2.2 試驗方法

(1)試樣制備

首先，將材料充分攪拌均勻，然后在凍脹試樣筒內壁涂上一層凡士林，采用分三層搗實法制備凍脹試驗用的試樣，在搗實過程中保證每層填料成型高度相同，試驗的尺寸為直徑100 mm，高50 mm，與壓縮無側限抗壓強度試驗相似，要求密度與密度控制在±0.1 g/cm3，為了試樣與大氣隔絕，以免水分進入試樣引起含水率的變化，試樣24h 后拆模并用保鮮袋包好放入恒溫室，養護28 d。

(2)抽氣飽和與裝樣

將達到養護齡期的凍脹用的試樣從恒溫室拿出來，抽氣飽和12 h;凍脹試樣筒內涂上一層凡士林，筒底放一張濾紙，然后將抽氣飽和以后的試樣自由滑入試樣筒內，試樣筒的周圍用5 cm 厚的泡沫塑料保溫，在試樣頂面再加上濾紙，然后蓋上頂板，然后將位移傳感器固定好，并與試樣筒頂板相接觸，位移傳感器的變化反應了試樣不同時間的變形，其精度為±0.1 mm，位移記錄的時間間隔可以通過計算機任意的調整。這種全自動檢測系統不僅減少了試驗過程中人為因素的干擾，而且避免了人為讀數帶來的誤差，試驗結果按照前面調好的時間間隔存儲在計算機上。

(3)試樣恒溫

開啟環境溫度箱及溫度采集系統，試樣恒溫6 h，使得試樣以及環境初始溫度均勻達到1 ℃左右，并記錄恒溫過程當中試樣變形值。

(4)開始凍脹試驗

恒溫結束以后，底板溫度調節到－10 ℃，設置并啟動位移采集系統，凍脹試驗一般在12 h 之內結束，每種配比做兩種試樣同時進行試驗，如果試驗數據有離散性則重新試驗，若無異常則兩個試樣的試驗數據平均值作為最終結果。

3 試驗結果與分析

根據以上試驗方法，橡膠顆粒—廢鑄砂填料凍脹試驗結果見表1。

表1 凍脹試驗結果

(1)水泥含量對凍脹率的影響

含水率為30%，橡膠顆粒摻入比為0%及30%兩種情況下只要水泥摻入比增加凍脹率會降低，例如，橡膠顆粒摻入比為30% 時，T3(水泥摻入比為4%)試樣的凍脹率為1.02%，T11(水泥摻入比為8%)試樣的凍脹率為0.5%，后者凍脹率比前者減少了50%，可見，水泥的摻入對抑制填料的凍脹效果很明顯。水泥對凍脹的影響主要有三個方面。填料中的水分發育成冰晶體時體積增大，需要克服顆粒之間的粘聚力，水泥摻入比越多，填料顆粒之間的這種粘聚力就越大。日本學者生賴孝博研究表明土顆粒結合力增加時，冰晶發生的機會就少。隨著水泥含量的增加，填料中的空隙被填滿，改善了填料結構的密實度，凍結過程中水分遷移受阻，所以凍脹率就降低。填料中的水分多少直接影響凍脹率，水泥本身可以吸收水分形成水化物，水泥含量越高填料中的水化反應越充分，減少了填料中的自由水，凍脹率也越小。

(2)橡膠顆粒摻入比對凍脹率的影響

含水率為30%，水泥含量4%及6%兩種情況下，通過橡膠顆粒摻入比與凍脹率之間的關系，可見，橡膠顆粒摻入比R=20%是分界點，R 大于20%時凍脹率降低的幅度比R 小于20%時的大一點;由水泥含量為6%的橡膠顆粒摻入比與凍脹率之間的關系曲線中可見，橡膠顆粒摻入比的增加凍脹率會減小，因為填料中的水分結冰膨脹，會增大填料中的空隙，使得填料中的顆粒重新組合，而填料中的橡膠顆粒有收縮的性能，這種性能容納了填料中的部分膨脹，有效的抑制了對填料結構的破壞;當水泥含量為4%的情況下，橡膠顆粒摻入比40%時出現凍脹率增大的現象，因為各個成分以廢鑄砂為基數，每增加橡膠顆粒的摻入比，水泥含量占總填料的比例會減少，因為T4(橡膠顆粒摻入比為40%，水泥含量4%，含水率為30%)試樣中的水泥提供的顆粒之間的粘聚力遠遠小于凍脹力，沒有有效的抑制凍脹變形。

(3)含水率對凍脹率的影響

填料中的液態水由結合水、毛細水及重力水三部分組成。其中，毛細水和重力水也稱為非結合水。非結合水為自由液態水，主要受重力作用的控制，在0 ℃或稍低于0 ℃時就凍結，而結合水一般要在－1 ℃或更低的溫度下才凍結，因此，土的凍脹主要是由于凍結前土中的非結合水凍融引起的。非結合水反應在土的物理指標上為含水率，也就是說土凍前初始含水率決定著土的凍脹性;由水泥摻入比為6%，橡膠顆粒摻入比為30%時，凍脹率與含水率之間的關系可見，凍脹量隨填料含水率增大而增大，而且含水率在30% ～35%之間變化時，凍脹率的增長幅度大于含水率在25% ～30%之間變化時的凍脹率;凍脹是由填料中的水分變成冰引起的，水分是凍脹的源頭，填料中的水量越大，水結成冰膨脹時的體積就越大，填料的凍脹量也越大。

［1］中華人民共和國國家標準. 土工試驗方法標準(GB/T50123 －1999)［S］.北京:中華人民共和國建設部，1999.

［2］譚麗華.水泥改良土凍脹融沉特性研究［D］.同濟大學碩士論文，2008.

［3］敏輝，王少斌.季節性凍土路基凍脹性分析及治理措施［J］.鐵道建筑，2009，(4):96 －98.