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。利用碎橡膠的這些優點可用于粘土的改良。針對長期以來把經物理化學處理后的粘土作為橡膠補強填充劑使用的情況，文章從工程實用性的角度出發，研究碎橡膠的物理添加比例對粘土物理力學性能產生的影響。

關鍵詞：碎橡膠；改性粘土；物理力學性能

引言

2009年以來中國已成為汽車產銷第一大國。隨著相關環境保護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，傳統處理工藝遠不能完全處置數量龐大的廢舊輪胎。國內外針對廢輪胎問題，除了采用傳統的處理方法外，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用于巖土工程中。該領域近三十年的研究表明，廢輪胎不易降解的“缺點”在巖土工程中可成為建筑材料耐久性的“優點”，同時因廢輪胎具有輕質、隔熱、高彈性、高摩擦性等特點，可用于天然土的改良，解決與應力、變形有關的巖土工程問題，如路堤回填、邊坡支當、軟弱地基處理等。基于此狀況，國內外眾多學者從不同方面進行研究，并取得了一系列有益成果。但由于粘土結構的特殊性，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強填充劑使用[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，除碎橡膠在工程應用中面臨著一系列技術難題之外，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性能進行研究，可為實際工程應用提供一定的借鑒。

1 理論基礎

粘土礦物的顆粒一般較細小，有獨特的晶層重疊結構。晶層之間還有一定的空隙，這導致其比表面積較大；同時，顆粒邊緣還具有電荷不飽和性，對其它物質有吸附性[8]。當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鍵作用和范德華力，進而影響改性粘土的物理力學性能。另外，廢舊橡膠中含有纖維，具有摩擦性高的特點，可對粘土體的摩擦角產生重要的影響。廢舊橡膠屬高分子材料，從宏觀角度而言，具有彈性強、變形大、粘彈性高、彈性模量低、疏水等特點[10]。因而，當向粘土中摻加不同比例某目數的碎橡膠時，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及其能夠相互影響的特性，展開碎橡膠改良粘土物理力學性能的研究的。

2 實驗方案設計

2.1 試驗材料

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

2.2 試驗設計

碎橡膠改良粘土試驗研究包括液塑限試驗、擊實試驗、固結試驗、直剪試驗和滲透試驗。試樣制備時，先將所取土樣風干再反復碾壓，進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含水量附近，并將其碾壓至相應最大干密度。為貼合實際工況，進行固結試驗、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最優含水量的試樣，進行擊實試驗。用內徑61.8mm，高20mm的環刀切取擊實后的試樣，作為試驗備用樣。為保證試驗的精度，當切取的試樣存在較大裂縫時應放棄使用，且備用樣應滿足0.05。試樣的配制及試驗操作遵循《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999）的規定。

上表所述的特制滲透試驗裝置，其試樣桶由兩節高20cm，直徑20cm有剛性護壁的圓管組成，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，每節圓管內的土均用特制的擊實器分四層擊實至相應最大干密度。

3 試驗結果分析

（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，最優含水量和最大干密度將發生明顯的波動。液塑限試驗和擊實試驗的結果如表4所示。

（2）如圖1壓縮試驗的結果所示，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，壓縮系數減小越快，在400KPa附近時壓縮系數趨于相同。

（3）在最優含水量和最大干密度試驗條件下，當碎橡膠摻量為2%時可獲得最大抗剪強度，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，粘土體的滲透系數減小，而碎橡膠摻量在8%～20%時，粘土體的滲透系數幾乎呈線性增長。

4 試驗結論

基于試驗研究結果，根據含有不同碎橡膠摻量的改性粘土的物理力學特征，可以得出以下結論：

（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度。

（2）碎橡膠的摻加改變了粘土體的孔隙比，但當碎橡膠摻量為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，壓縮系數減小越快。

參考文獻

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作者簡介：崔夢麟（1993-），男，江西寧都人，土木工程專業本科生。