廢棄輪胎橡膠顆粒混合土無側限抗壓強度試驗研究

孔德森，賈騰，王曉敏， 張偉偉，吳燕開(.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島，266590? 2.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島，266590)

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廢棄輪胎橡膠顆粒混合土無側限抗壓強度試驗研究

孔德森1,2，賈騰1，王曉敏1， 張偉偉1，吳燕開1,2
(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島，266590? 2.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島，266590)

摘要：為了分析廢棄輪胎橡膠顆粒混合土（RST 混合土）的工程特性，采用無側限抗壓強度試驗對 RST 混合土的無側限抗壓強度進行研究。首先，對組成 RST 混合土的原材料的物理特性進行分析，然后，進行 RST 混合土試樣的配比方案設計和制備方法研究，進而采用無側限抗壓強度試驗，研究養護齡期、膠粒土比、灰土比以及水土比對RST混合土無側限抗壓強度的影響規律。研究結果表明：在28 d的養護齡期內，RST混合土的無側限抗壓強度隨養護齡期的延長而增大，且灰土比約為10%的RST混合土試樣的無側限抗壓強度對養護齡期尤為敏感；RST混合土的無側限抗壓強度還隨膠粒土比的增大而減小，隨灰土比的增大而增大；RST混合土無側限抗壓強度對應的最優水土比約為25%。

關鍵詞：RST混合土；無側限抗壓強度；養護齡期；膠粒土比；灰土比；水土比

近年來，隨著我國國民經濟的持續高速發展，汽車成為人們日常生活中不可或缺的交通工具。然而，汽車在給我們帶來快捷便利的同時，也給社會造成了種種不利影響。其中，對于日益增多的廢棄輪胎的處理便是一個十分棘手的現實問題。據不完全統計，僅2011年我國新增的廢棄輪胎就高達2.76億個，而2012年的廢棄輪胎數量則增至 2.83 億個，預計 2015 年新增的廢棄輪胎數量將會達到前所未有的 3.68 億個[1]。廢棄輪胎屬于工業有害固體廢棄物，會帶來許多環境污染問題，它占用土地資源，惡化自然環境，破壞植被生長，且經過日曬雨淋，極易滋生蚊蟲，傳播疾病，影響人類健康，危及生態環境，容易引發火災，而且輪胎橡膠屬于不熔或難熔的高分子彈性材料，具有很強的抗熱、抗機械和抗腐蝕性，很難降解，在自然力的作用下，廢棄輪胎幾十年甚至上百年都不會消失，會對環境造成長期危害[2?3]，因此，如何合理利用廢棄輪胎、節約資源、防止環境污染就成為我國社會經濟可持續發展迫切需要解決的問題。目前，世界各國對廢棄輪胎的資源化處理主要包括舊輪胎翻新、燃燒再利用和廢棄輪胎裂解3種方式。但無論哪種方式在我國現階段的利用率都比較低，并且成本都相對較高，有時還會產生二次污染。而把廢棄輪胎作為建筑材料用于土木工程建設中卻能很好地解決上述問題[4?5]。廢棄輪胎作為建筑材料具有質量小、減震性能好、吸聲強等優點，在減少環境污染的同時還可以在一定程度上降低工程建設成本。國外對廢棄輪胎在巖土工程領域中的應用開展了一些研究工作，如 BOSSCHER 等[6?7]將廢棄輪胎碎片與土的混合物用作路基填筑材料；ROWE 等[8]則將廢棄輪胎粉碎用作垃圾填埋場過濾層；PIERCE等[9]用廢棄輪胎生產流動性填料。在國內，賈騰等[10?12]分別將砂土和淤泥土與廢棄輪胎橡膠顆粒混合，并進行了物理特性與力學特性的試驗研究，李朝暉[13]則將廢輪胎顆粒與黃土混合，并進行了相關試驗研究。針對廢棄輪胎造成的資源浪費和環境污染問題，本文作者將廢棄輪胎橡膠顆粒作為填料，以水泥為固化劑，與工程棄土混合，形成一種新型的輕質混合土，即廢棄輪胎橡膠顆粒混合土(RST 混合土)。為了將這種既環保又具有良好工程特性的新型土工材料推向工程實踐，首先，對組成RST混合土的各種原材料的物理特性進行研究，確定RST混合土試樣的配比方案和制備方法；然后，通過無側限抗壓強度試驗，對各種配比的RST混合土的抗壓強度進行研究，重點分析養護齡期、膠粒土比、灰土比以及水土比對RST混合土無側限抗壓強度的影響規律。

圖1　工程棄土的顆粒級配曲線Fig.1　Grain-size distributionCurve of discarded engineering soil

圖2廢棄輪胎橡膠顆粒Fig.2RubberChips of scrap tires

1　配比方案設計與試樣制備

1.1原材料的特性

RST混合土是由工程棄土、廢棄輪胎橡膠顆粒、水泥和水按照一定比例均勻混合而形成的一種新型土工材料。工程棄土取自正在施工中的某一建筑工地，經粒度成分分析試驗得到該土的顆粒級配曲線如圖1所示，并由此可以確定，該工程棄土為礫砂[14]。

制備 RST 混合土試樣所用的廢棄輪胎橡膠顆粒是由淘汰的廢舊輪胎經過機械粉碎得到，如圖2所示。粉碎后的廢棄輪胎橡膠顆粒的形狀呈棱角不規則的粒狀，顏色為黑色，具有一定的彈性，其粒徑范圍為3.0～ 4.0 mm，平均粒徑為3.5 mm。經試驗測定可知，橡膠顆粒的相對密度為1.42 g/cm3，堆積密度為0.68 g/cm3。

制備RST混合土試樣所用的水泥為P?C 32.5復合硅酸鹽水泥，試驗用水為實驗室自來水。

1.2配比方案設計

為了研究不同配比條件下 RST 混合土無側限抗壓強度的變化規律，綜合考慮養護齡期、橡膠顆粒質量分數、 水泥質量分數以及水質量分數對RST混合土無側限抗壓強度的影響，研究確定了RST混合土試樣的配比方案：

1)為了分析養護齡期 Q 對 RST 混合土無側限抗壓強度的影響規律，膠粒土比 J取為 40%，灰土比 H分別取為 5%，10%和15%，水土比 S 取為 20%，養護齡期Q分別取為7，14，21和28 d。

2)為了分析膠粒土比 J 對 RST 混合土無側限抗壓強度的影響規律，膠粒土比J分別取為0，2 0%，4 0%，60%和80%，灰土比H分別取為5%，8%和10%，水土比S取為20%，養護齡期Q取為14 d。

3)為了分析灰土比 H 對 RST 混合土無側限抗壓強度的影響規律，膠粒土比J取為40%和60%，灰土比H分別取為5%，8%，10%和15%，水土比S取為20%和25%，養護齡期Q取為14 d。

4)為了分析水土比 S 對 RST 混合土無側限抗壓強度的影響規律，膠粒土比J取為40%和60%，灰土比H分別取為10%和15%，水土比S取為20%，25% 和30%，養護齡期Q取為14 d。

其中，膠粒土比 J、灰土比 H 和水土比 S 分別表示橡膠顆粒、水泥以及水與工程棄土的質量分數，%。

1.3試樣制備方法

在按配比方案將原材料按比例混合制備 RST 混合土試樣時，由于試樣中添加了粒徑較大的廢棄輪胎橡膠顆粒和少量固化劑水泥，因此，原材料的混合順序要格外注意。首先，將工程棄土和水泥混合在一起，待攪拌均勻后加入廢棄輪胎橡膠顆粒，三者繼續充分攪拌均勻，最后，加入實驗室用水，用攪拌器勻速攪拌5～10 min。

制作RST混合土試樣時，將攪拌均勻的原材料裝入內徑為39.1mm、高度為80 mm的標準三開模中，并分4次進行分層擊實，待擊實完成后將土樣連同三開模一同放入標準養護箱中進行恒溫恒濕養護。養護箱的溫度控制在(20±2)℃，濕度控制在95%以上。RST混合土試樣養護24 h 后進行脫模，再將脫模后的試樣放回到養護箱中繼續養護。待試樣達到設計養護齡期后，進行無側限抗壓強度試驗[15]。

2 無側限抗壓強度試驗

2.1試驗條件

本次試驗所用儀器為 YYW?2 型應變控制式無側限壓力儀，該儀器主要由測力計、加壓框架、升降設備組成，其應變速率為2.4 mm/min。在對RST混合土試樣進行豎向壓力加載時，軸向應變每增加0.2 mm，記錄1次鋼環變形。當RST混合土的強度接近峰值時，應變每增加0.1mm記錄1次鋼環變形數據。

2.2試驗過程

在進行無側限抗壓強度試驗時，將達到設計齡期的RST混合土試樣從養護箱中取出，用濾紙擦凈試樣周圍的水分，并在試樣兩端涂抹一薄層凡士林，然后，把試樣安放在無側限壓力儀的底座上，調整壓力儀并進行加壓試驗。

在進行無側限抗壓強度試驗過程中，應用攝像機對軸向位移計和測力計進行全程拍攝，后期數據處理時，通過視頻讀取所需要的瞬時試驗數據，既節省人力，又提高了試驗數據的準確度。試驗前后RST混合土試樣的形態如圖3所示。

圖3　試驗前后RST混合土試樣的形態Fig.3　Sample forms of RST mixed soil before and after tests

3 影響因素分析

3.1養護齡期對RST混合土強度的影響

為了分析養護齡期 Q 對 RST 混合土無側限抗壓強度的影響，根據試樣配比方案，膠粒土比J取40%，水土比S取20%，灰土比H分別取5%，10%和15%，養護齡期 Q 分別取 7，14，21和 28 d，并對 RST 混合土試樣進行試驗，所得到的輕質土不同養護齡期的無側限抗壓強度如表1所示，RST混合土的無側限抗壓強度隨養護齡期的變化規律如圖4所示。

表1　不同養護齡期RST混合土的無側限抗壓強度Table1　UnconfinedCompressive strength of RST mixed soil with differentCuring ages　kPa

圖4RST混合土無側限抗壓強度隨養護齡期的變化曲線Fig.4UnconfinedCompressive strengthCurves of RST mixed soil with differentCuring ages

從表1和圖4可知：在28 d養護齡期內，隨著養護齡期的延長，RST混合土試樣的無側限抗壓強度均有不同程度的提高；當養護齡期由7 d增加到28 d時，灰土比分別為5%和15%這 2種配比的 RST 混合土試樣的無側限抗壓強度增加不大，強度增加量分別為70.4 kPa和40.1kPa；而當灰土比為10%時，RST混合土試樣的無側限抗壓強度隨養護齡期的延長顯著增大，幾乎呈線性增長趨勢，當養護齡期由7d增加到28 d時，其強度的增加量為197.9 kPa；當養護齡期為28 d時，灰土比為10%的RST混合土試樣的無側限抗壓強度與灰土比為15%的 RST 混合土試樣的無側限抗壓強度相差不大，而灰土比為 5%的 RST 混合土試樣的無側限抗壓強度則小很多。這是因為當灰土比較小時，單位體積RST混合土試樣所含的水泥量較少，在RST混合土試樣養護初期，其中的大部分水泥就已經完成水化作用，養護后期能夠發生水化反應的水泥量十分有限，因而試樣的強度提高不大；而當灰土比較高時，單位體積 RST 混合土試樣所含的水泥量較大，在試樣養護初期有足量的水泥完成水化作用且有很多剩余，因此，灰土比大的RST混合土試樣的無側限抗壓強度在養護初期就可以達到1個較高值。對于灰土比為10%的RST混合土試樣，單位體積試樣中所含的水泥量較適中，隨著養護齡期的延長，所含的水泥會陸續發生水化反應，因此，RST混合土試樣的無側限抗壓強度呈線性增長趨勢。

以上分析表明：當灰土比為10%時，RST混合土試樣的無側限抗壓強度對養護齡期相對敏感，在養護初期，其強度就可以達到1個相對高值，且隨著養護齡期的延長，無側限抗壓強度線性增大；而當灰土比過高或過低時，RST混合土試樣的無側限抗壓強度在養護初期的值分別為1個很高和很低的值，但隨著養護齡期的延長，后期強度增長均不明顯，從而說明灰土比過高或過低時，養護齡期對RST混合土試樣的無側限抗壓強度影響較小。

表2不同膠粒土比RST混合土的無側限抗壓強度Table1　UnconfinedCompressive strength of RST mixed soil with different rubber-soil ratios kPa

3.2膠粒土比對RST混合土強度的影響

為了研究膠粒土比J對RST混合土無側限抗壓強度的影響規律，在灰土比 H 分別為5%,8%和10%，水土比 S 為 20%，養護齡期 Q 為14 d 的情況下，對膠粒土比J分別為0，20%，40%，60%和80%的RST混合土試樣進行無側限抗壓強度試驗，得到的不同膠粒土比試樣的無側限抗壓強度如表2所示。RST混合土試樣的無側限抗壓強度隨膠粒土比的變化規律如圖5所示。

從表2和圖5可以看出：隨著膠粒土比的增大，3種不同灰土比的 RST 混合土試樣的無側限抗壓強度均顯著降低。這是因為隨著膠粒土比的增大，試樣中所含的橡膠顆粒增多，橡膠顆粒間的摩擦作用范圍大于水泥的水化膠結作用范圍，但橡膠顆粒間的摩擦咬合力遠低于水泥水化后所產生的膠結力，因此，同一灰土比時水泥水化產生的膠結力在整個試樣中所占的比例減小，作用范圍降低，從而使RST混合土試樣的無側限抗壓強度隨膠粒土比的增大而降低。

另外，對于同一膠粒土比的RST混合土試樣，當灰土比由 5%增大到10%時，試樣的無側限抗壓強度逐漸增大，這是因為膠粒土比一定時，隨著灰土比的增大，試樣中所含的水泥量逐漸增多，水泥水化產生的膠結作用增強，從而使RST混合土試樣的無側限抗壓強度增大。

圖5　RST混合土無側限抗壓強度隨膠粒土比的變化曲線Fig.5　UnconfinedCompressive strengthCurves of RST mixed soil with different rubber-soil ratios

3.3灰土比對RST混合土強度的影響

灰土比也是影響 RST 混合土無側限抗壓強度的一個十分重要的因素。為了研究灰土比對RST混合土無側限抗壓強度的影響規律，在膠粒土比 J 分別為40%和60%，水土比S分別為20%和25%，養護齡期Q為14 d的情況下，對灰土比H分別為5%，8%，10% 和15%的RST混合土試樣進行無側限抗壓強度試驗，所得到的不同灰土比 RST 混合土試樣的無側限抗壓強度如表3所示。RST混合土試樣的無側限抗壓強度隨灰土比的變化規律如圖6所示。

從表3和圖6可以看出：隨著灰土比的增大，RST混合土試樣的無側限抗壓強度均明顯增大。這是因為當灰土比增大時，試樣中所含的水泥量增多，水泥水化產生的膠結作用增強，從而使試樣的無側限抗壓強度增大。

表3　不同灰土比RST混合土的無側限抗壓強度Table1　UnconfinedCompressive strength of RST mixed soil with differentCement-soil ratios　kPa

圖6　RST混合土無側限抗壓強度隨灰土比的變化曲線Fig.6　UnconfinedCompressive strengthCurves of RST mixed soil with differentCement-soil ratios

同時，由圖6還可以看出：在同一膠粒土比和水土比的條件下，當灰土比在 5%～8%和10%～15%范圍內變化時，RST混合土試樣的無側限抗壓強度的增大速度較慢；但當灰土比由 8%增大到10%時，RST 混合土試樣的無側限抗壓強度的增大速度則相對較快。這是因為當灰土比過小時，水泥含量少，水泥水化后產生的膠結力較小，作用范圍也不大，由水泥水化產生的膠結作用在試樣總強度中所占的比例較小，從而使不同配比條件下 RST 混合土試樣的無側限抗壓強度相差不大，并且當灰土比在5%～8%范圍內變化時，RST混合土試樣的無側限抗壓強度隨灰土比的增大而增大的速度較慢。當灰土比過高時，試樣中所含的水泥量多，容易發生水泥水化反應不完全而使水泥產生過量剩余的情況，從而使灰土比在10%～15%范圍內變化時，RST混合土試樣的無側限抗壓強度隨灰土比的增大而提高的速度也較慢。而當灰土比在 8%～10%范圍內變化時，RST混合土試樣中所含的水泥量適中，水泥水化作用較徹底，水化膠結力的作用強度和作用范圍也較大，從而使RST混合土試樣的無側限抗壓強度隨著灰土比增大而提高的速度明顯增大。

3.4水土比對RST混合土強度的影響

為了分析水土比對 RST 混合土無側限抗壓強度的影響規律，在膠粒土比J分別為40%和60%，灰土比H分別為10%和15%，養護齡期Q為14 d的情況下，對水土比S分別為20%，25%和30%的RST混合土試樣進行無側限抗壓強度試驗，所得到的不同水土比RST混合土試樣的無側限抗壓強度值如表4所示。RST混合土試樣的無側限抗壓強度隨水土比的變化規律如圖7所示。

表4不同水土比RST混合土的無側限抗壓強度Table1　UnconfinedCompressive strength of RST mixed soil with different water-soil ratios kPa

圖7　RST混合土無側限抗壓強度隨水土比的變化曲線Fig.7　UnconfinedCompressive strengthCurves of RST mixed soil with different water-soil ratios

由表4和圖7可以看出：當水土比在 20%～25%范圍內變化時，RST混合土試樣的無側限抗壓強度隨水土比的增大而增大；但當水土比在25%～30%范圍內變化時，RST混合土試樣的無側限抗壓強度隨水土比的增大而減小，這說明RST混合土試樣配比方案中的最優水土比約為25%，即當水土比為25%時，RST混合土試樣的無側限抗壓強度最大。

3　結論

1)在 28 d 養護齡期內，RST 混合土的無側限抗壓強度隨養護齡期的延長而增大。當灰土比約為10%時，RST混合土試樣的無側限抗壓強度對養護齡期更敏感，即隨著養護齡期的延長，RST混合土試樣的無側限抗壓強度增長更快。

2)RST 混合土的無側限抗壓強度隨膠粒土比的增大而顯著降低。膠粒土比對RST混合土無側限抗壓強度的影響還與灰土比有一定的聯系，當灰土比不同時，膠粒土比對RST混合土試樣的無側限抗壓強度的影響規律也不同。

3)隨著灰土比的增大，RST混合土的無側限抗壓強度增大，但灰土比過小或過大都會在一定程度上降低RST混合土試樣無側限抗壓強度的增長速度。

4)RST 混合土試樣配比方案中的最優水土比約為25%，如果水土比低于或高于25%，那么，RST混合土的無側限抗壓強度都會不同程度地降低。

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[15]GB/T 50123—1999,土工試驗方法標準[S].GB/T 50123—1999,Standard for soil test method[S].

(編輯 羅金花)

Test on unconfinedCompressive strength of lightweight soil mixed with rubberChips of scrap tires

KONG Desen1,2,JIA Teng1, WANG Xiaomin1, ZHANG Weiwei1,WU Yankai1,2
(1.College ofCivil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China? 2.Shandong Provincial Key Laboratory ofCivil Engineering Disaster Prevention and Mitigation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

Abstract:In order to analyze the engineeringCharacteristics of lightweight soil mixed with rubberChips of scrap tires(RST mixed soil),the unconfinedCompressive strength tests wereCarried out.Firstly,physical properties of the ingredient materials in RST mixed soil were studied.Then,the mixture ratio scheme and the preparation method of RST mixed soil samples were designed.Furthermore,influence laws ofCuring age,rubber-soil ratio,cement-soil ratio and water-soil ratio on the unconfinedCompressive strength of RST mixed soil samples were studied through unconfinedCompression tests.The results show that the unconfinedCompressive strength of RST mixed soil increases with the prolonging ofCuring age during theCuring period of 28 d.When theCement-soil ratio is about10%,the unconfinedCompressive strength of RST mixed soil is more sensitive toCuring age.In addition,the unconfinedCompressive strength of RST mixed soil decreases with the increase of rubber-soil ratio,while it increases with the increase ofCement-soil ratio.The optimal water-soil ratio of RST mixed soilCorresponding to the unconfinedCompressive strength is about 25%.

Key words:RST mixed soil?unconfinedCompressive strength?curing age? rubber-soil ratio?Cement-soil ratio? water-soil ratio

中圖分類號：TU411.6

文獻標志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0225?07

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.031

收稿日期：2015?01?19；修回日期：2015?03?19

基金項目(Foundation item)：國家自然科學基金資助項目(41102166)；山東科技大學科研創新團隊支持計劃項目(2012KYTD104)；山東科技大學杰出青年科學基金資助項目(2012KYJQ102)(Project(41102166)supported by the National Natural Science Foundation ofChina? Project(2012KYTD104)supported by the Scientific Research Innovation Team Foundation of Shandong University of Science and Technology? Project(2012KYJQ102)supported by the Distinguished Young Science Foundation of Shandong University of Science and Technology)

通信作者：孔德森，博士，教授，從事環境巖土工程研究；E-mail: dskong828@163.com