廢舊輪胎顆粒摻量對黏性土壓縮特性的影響

李珊珊，李大勇，張雨坤

(1.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；2.河海大學 巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098)

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廢舊輪胎顆粒摻量對黏性土壓縮特性的影響

李珊珊1，李大勇1，張雨坤2

(1.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；2.河海大學 巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098)

通過壓縮試驗研究了廢舊輪胎橡膠顆粒與黏性土混合土的壓縮特性，及豎向壓力、橡膠顆粒摻量對混合土各參數的影響。研究結果表明：混合土的壓縮性介于黏性土與純橡膠顆粒之間，在低摻量下呈現出中壓縮性，而在高摻量下呈現出高壓縮性；隨豎向壓力增大，混合土的孔隙比與壓縮系數減小、壓縮模量增大；隨橡膠顆粒摻量增加，混合土的孔隙比與壓縮系數均先減小后增大，且以30%摻量混合土的孔隙比與壓縮系數最小，而混合土的壓縮模量先增大后減小，當摻量為30%時，其值最大；摻入輪胎橡膠顆?？墒桂ば酝恋墓探Y速率提高400%，當橡膠顆粒摻量為30%～40%時，混合土的壓實效果最好。

廢舊輪胎橡膠顆粒；橡膠顆粒摻量；壓縮性指標；黏性土

黏土在我國分布廣泛，具有初始含水率高、壓縮性大、滲透性低、抗剪強度及承載力低等特點。研究表明，向黏性土中摻入顆粒或片狀的廢舊輪胎橡膠、粉煤灰等材料，能顯著提高其強度，同時能改善其滲透性和變形能力，可用于填土工程。對于填土材料而言，壓縮變形特性是影響其工程應用的主要因素之一。此外，與砂性類填土比較而言，黏性填土的變形特性更易受內部與外界因素的影響[1-4]。目前，國內外主要通過壓縮試驗來研究土體的壓縮變形特性，并繪制壓縮曲線獲得用于評價土體壓縮性質和反映土體力學性能的壓縮性指標，進而將壓縮性指標應用于工程實際中[5-7]。國內外學者對黏性土的壓縮特性進行了一系列試驗研究，如：陳波等[8]對江蘇地區海相軟黏土的原狀樣和重塑樣進行了單向和等向壓縮，比較了原狀樣與重塑樣的歸一化壓縮曲線的差異；張力霆等[9]研究了淤填黏土固結過程中孔隙比的變化規律，建立了以孔隙比為控制變量的固結微分方程；Murakami[10]認為黏性土體的次固結不僅在孔隙水壓力完全消散后出現，而是在土體受荷后便已產生；吳宏偉[11]、高彥斌[12]等對上海地區原狀以及重塑黏土的壓縮特性進行了研究，發現當固結壓力小于或接近前期固結壓力時，土體的次壓縮系數基本不變，反之，次壓縮系數隨時間急劇減小。

橡膠混合土是一種新型巖土工程材料，輪胎橡膠顆粒與砂土以及黏性土混合可用作擋墻、路面基層材料與路基填料等工程，具有輕質、耐用、彈性好、滲透性好等優點，還可減少“黑色污染”，起到保護資源和環境的作用。Edil[13]和Lee等[14]對不同摻量橡膠顆粒與砂土混合物進行了壓縮試驗，得出橡膠顆粒摻量越高壓縮性越大，特別當摻量大于30%后，壓縮明顯增加；Mohamed等[15]對輪胎碎片及多種輪胎碎片混合土進行了壓縮試驗，發現輪胎碎片與砂土、粉土、黏性土混合土的壓縮曲線相似；當基質土為粘性土時，混合土的壓縮性最高；隨輪胎碎片含量增大，混合土的壓縮模量降低，但在高含量時壓縮模量降低趨勢減弱；Wartman等[16]研究了輪胎混合土的壓縮及長期壓縮特性，得出瞬時壓縮特性受輪胎顆粒粒徑、摻量及壓力影響明顯，而輪胎顆粒粒徑和摻量對長期壓縮的影響不明顯。

通過開展廢舊輪胎顆粒-黏性土混合土的壓縮試驗，研究輪胎顆粒摻量對黏性土壓縮特性的影響，可為改良后的黏性土用作填土材料、建造土工構筑物等提供壓縮性指標參考。

1 試驗用土及橡膠顆粒

試驗用土為青島地區黏性土，土質較均勻、純凈，通過室內試驗測得天然含水率47.95%、液限37.2、塑限17.1、天然孔隙比1.13、天然密度1.86 g·cm-3、比重2.72。所用橡膠顆粒為廢舊輪胎除去鋼束帶后切割而成的等錐度顆粒(如圖1)，其中，顆粒粒徑在2～5 mm的占總質量的85.7%，橡膠顆粒級配曲線如圖2所示，屬級配不良；測得橡膠顆粒比重為1.15，吸水率低于2%，試驗中忽略了橡膠顆粒自身吸水率。

圖1 廢舊輪胎橡膠顆粒

Fig.1 Scrap tire crumbs used

圖2 橡膠顆粒級配曲線

Fig.2 Particle size distribution curve of tire crumbs

混合土的基本力學特性(直接剪切試驗、無側限抗壓強度試驗)及壓實特性分析結果匯總于表1、表2。可見：在黏性土中摻入廢舊輪胎顆?？擅黠@提高其抗剪強度，相應的最優摻量為30%～40%(豎向壓力≤300 kPa)；抗剪強度指標c(粘聚力)隨摻量增加先增大后減小，而摻入輪胎顆粒雖使黏性土的φ(內摩擦角)增大，但數值變化不大；摻入橡膠顆粒后，黏性土的抗壓強度降低；混合土的最大干密度與最優含水率均隨著摻量增加而逐漸減小，其中，當摻量大于15%后，其降低趨勢明顯減弱。因此，將廢棄輪胎顆粒摻入黏性土中可顯著提高其抗剪切能力，然而為綜合考慮廢舊輪胎顆粒與黏性土混合土的工程特性，需進一步對其壓縮特性開展研究。

表1 力學指標及壓實指標

Tab.1 Mechanical and compaction indexes

摻量/%c/kPaφ/(°)抗壓強度/kPa最優含水率/%最大干密度/(g·cm-3)040.820111.218.301.781029.8322.88106.517.881.622038.1223.7994.217.341.553040.8324.0389.617.161.534043.3724.5879.717.111.525037.5624.8775.617.041.52

表2 混合土抗剪強度

Tab.2 Shear strength of mixtures

kPa

2 試驗方案

2.1 試驗設備

采用美國Geocomp公司生產的Shear Trac-II型固結-剪切儀，該設備可自動完成標準直剪、殘余剪切試驗，亦可進行一維壓縮試驗。與傳統試驗儀器相比具有穩定性好、操作方便、可實時顯示當前的試驗狀態和試驗曲線，并可在試驗的任何階段改變試驗過程和試驗條件等優勢。

2.2 試樣制備

將黏性土樣烘干、碾碎、過0.1 mm孔徑篩；稱取過篩土，按擊實試驗測得的最優含水率調配土樣，分層灑水并充分攪拌，并用保鮮膜密封保存3 h，使土樣內水分均勻分布，復測其含水率；將調配好的土樣在試筒內分3層壓實，每層擊25次，用推土器將試筒內土推出，用涂有凡士林的標準環刀切取試樣，試樣直徑為63.5 mm，高度為20 mm；將試樣放入飽和器內，在真空缸中抽氣飽和6 h后，并在水中靜置12 h，使試樣充分飽和。

2.3 試驗方法

參照土工試驗標準方法[17]進行一維壓縮試驗。采用逐級加載法，荷載為50、100、200、300 kPa，每級荷載下試樣變形穩定標準為每小時變形小于0.001 mm；橡膠顆粒摻量為0%、10%、20%、30%、40%、50%和100%。本文將摻量定義為橡膠顆粒質量占干燥狀態下混合土質量的百分比，則混合土的平均重度、初始孔隙比可通過下述公式進行計算：

(1)

(2)

式中：Gst為混合土的平均重度；Gs為黏性土的比重；Gt為橡膠顆粒的比重；x為橡膠顆粒的摻量，%；ρw為水的密度，g·cm-3；ρ0為試樣的初始密度，g·cm-3；ω為試樣初始含水率。

3 試驗結果及分析

混合土試樣的初始物理參量匯總于表3中；表4為各級荷載壓縮穩定時，混合土試樣的孔隙比、壓縮系數及壓縮模量，可體現混合土壓縮特性及壓縮規律。

表3 試樣的初始物理參量值

Tab.3Initialvaluesofphysicalparametersofsamples

橡膠顆粒摻量/%初始含水率ω0/%初始密度ρ0/(g·cm-3)平均重度Gst初始孔隙比e0017.401.9282.7200.6561017.641.7852.3930.5772017.291.6622.1360.5073017.001.4501.8020.4544016.741.3791.7590.4895016.231.2301.6160.5211000.700.5991.1501.053

表4 各摻量下的壓縮指標

Tab.4Compressionindexesofsimplesundervariouscontents

參 數豎壓/kPa0%10%20%30%40%50%100%孔隙比ei500.6180.5390.4820.4300.4360.4690.8871000.5870.5110.4640.4070.3920.4270.7492000.5680.4770.4290.3810.3430.3710.6513000.5560.4500.4080.3630.3190.3330.600壓縮系數av/MPa-1500.7700.7600.5000.4801.0201.4603.3201000.5000.5600.3600.4600.9200.8402.7602000.1900.3400.3500.2600.5000.5600.9803000.1400.2700.2100.1800.2400.3800.510壓縮模量Es/MPa502.1802.0803.0203.0301.4601.4600.6201003.3103.1504.1903.1601.6201.8100.7402008.7404.6404.3105.5903.0402.7202.09030011.8005.8507.1808.0806.2104.0004.030

3.1 孔隙比的變化規律

圖3為孔隙比-豎向壓力關系曲線(e-p曲線)，分析知：各摻量試樣的孔隙比均隨豎向壓力增大而減小，其中，當壓力低于100kPa時，曲線相對較陡，說明孔隙比減小幅度明顯，而當壓力大于100kPa后，曲線變緩，孔隙比的減小趨勢亦減弱，表明在低壓力下混合土的壓縮性較高，但壓縮性隨豎向壓力增大而降低。此外，e-lgp曲線如圖4所示：黏性土與10%～20%摻量混合土的e-lgp曲線均近似于線性，即具有線性回歸特點，且直線斜率非常接近，而純橡膠顆粒及30%～50%摻量混合土的e-lgp曲線均呈非線性特征，即不具備線性回歸特征。

圖3 e-p曲線

Fig.3 Void ratios vs. vertical pressures

圖4 e-lgp曲線

Fig.4 Void ratios vs. logarithmic pressures

圖5顯示了摻入橡膠顆粒對黏土孔隙比的影響，可見試樣的孔隙比隨摻量增加先減小后增大。其中，當壓力小于100 kPa時，最小孔隙比出現在30%摻量處，說明混合土的應變最小，即壓實效果最好；而壓力大于100 kPa，以40%摻量混合土的應變最小，壓實效果最好。

圖5 孔隙比-橡膠顆粒摻量關系

Fig.5 Void ratio of mixtures vs. tire crumb contents

3.2 壓縮系數的變化規律

圖6顯示了試樣的壓縮系數-豎向壓力關系曲線，由圖可知：試樣的壓縮系數隨豎向壓力增大而減小。一般來說，選用100 kPa和200 kPa壓力對應的壓縮系數(用a1-2表示)來評價土的壓縮性[17]，試驗得出純壓實黏性土、10%～50%摻量混合土及純橡膠顆粒的a1-2值分別為：0.19、0.34、0.35、0.28、0.50、0.56和0.98 MPa-1。則純壓實黏性土及10%～30%摻量混合土均呈現出中壓縮性(0.5 MPa-1>a1-2≥0.1 MPa-1)，而40%～50%摻量混合土與廢舊輪胎橡膠顆粒表現為高壓縮性(a1-2≥0.5 MPa-1)。

試樣的壓縮系數隨橡膠顆粒摻量變化的關系曲線可參照圖7?？梢姡嚇拥膲嚎s系數隨橡膠顆粒摻量增大呈現出先減小后增大的變化規律。其中，當摻量為30%時，試樣的壓縮系數最小，此時混合土的壓實效果最好。出現上述現象的原因為：豎向壓力越低，混合土的壓縮系數相對越高，即在低壓力下試樣的壓縮性較高。

圖6 壓縮系數-壓力關系曲線

Fig.6 Compression coefficients vs. pressure

圖7 壓縮系數-橡膠顆粒摻量關系曲線

Fig.7 Compression coefficient vs. rubber crumb content

3.3 壓縮模量的變化規律

圖8為試驗試樣的壓縮模量與壓力關系曲線，發現：各摻量混合土試樣的壓縮模量隨豎向壓力增加呈逐漸增大趨勢，且混合土的壓縮模量介于黏性土與純廢舊輪胎顆粒之間；當豎向壓力低于100 kPa時，黏性土壓縮模量與混合土壓縮模量差別不大，而當豎向壓力高于100 kPa時，黏性土的壓縮模量明顯高于混合土。

試樣的壓縮模量隨橡膠顆粒摻量變化的關系曲線見圖9。表現出：試樣的壓縮模量隨橡膠顆粒摻量增加呈現出先增大后減小的變化規律。其中，當橡膠顆粒摻量為30%時，混合土的壓縮模量最大，即以30%橡膠顆粒摻量混合土的承載力最高、壓縮性最低、壓實效果最好。

3.4 用沉降速率法推算混合土的固結系數

圖8 壓縮模量-豎向壓力關系曲線

Fig.8 Compression modulus vs. vertical pressures

圖9 壓縮模量-摻量關系曲線

Fig.9 Compression modulus vs. contents

圖10 沉降速率-沉降關系曲線

Fig.10 Settlement rate vs. the settlement of mixtures

以初級荷載為例，采用沉降速率法推算試樣的固結系數，施加荷載后按下列時間進行數據篩選：6 s、15 s、1 min、2 min15 s、4 min、6 min15 s、9 min、12 min15 s、16 min、20 min15 s、25min、30 min15 s、36 min15 s、42 min15 s、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、23 h、24 h，至穩定為止[17]。得出0～50%橡膠顆粒摻量混合土試樣的沉降速率-沉降關系曲線(圖11)。

圖11 沉降速率-沉降關系曲線

Fig.11 Settlement rate vs. the settlement

將圖11得出的各工況下試樣的固結系數匯總于表5，可知：混合土的固結系數較黏性土增大，其固結速率亦顯著提高，提高幅度約為400%，且試樣的固結系數隨摻量增加先增大再減小，這是因為摻入橡膠顆粒后增大了黏性土的滲透性，加速了土體固結；另外，橡膠顆粒本身具有彈性，當摻量增大到30%后，其彈性減弱了壓力對固結沉降的作用，試樣固結系數減小，致使固結速率降低。由表5還可得出，0%～50%摻量混合土的次固結沉降量占總沉降量的比例分別為19.6%、24.3%、15.4%、7.9%、8.7%和11.8%。其中，以30%和40%摻量混合土的次壓縮量所占比例值最小，即當橡膠顆粒摻量為30%和40%時，混合土的壓實效果較好，與前文所得結果一致。

表5 固結系數計算結果表

Tab.5 Consolidation coefficient calculation results

摻量/%直線斜率β次固結沉降量(ab)/mm總沉降量/mm排水距離H/cm固結系數(cv×10-3)/(cm2·s-1)00.6680.1160.5900.9691.215100.6730.2290.9390.9713.013200.6880.1921.2470.9614.026300.7100.0921.1530.9634.449400.6400.0951.0820.9654.291500.6550.1050.8870.9724.293

4 結論

通過室內一維固結試驗研究了廢舊輪胎橡膠顆粒與黏性土混合后的壓縮特性，得出結論：

1) 隨豎向壓力增大，試樣的孔隙比減小、壓縮系數降低、壓縮模量增大?？紫侗入S橡膠顆粒摻量增加先減小后增大，其中，當壓力低于100 kPa時，以30%摻量時試樣的應變最小，壓實效果最好；當壓力大于100 kPa后，在40%摻量下壓實效果最好；壓縮系數隨摻量增加逐漸減小，當摻量為30%時，壓縮系數最小；壓縮模量隨摻量增加呈先增大后減小，且當摻量為30%時，試樣的壓縮模量最大、可壓縮性最低，即混合土的承載力最高。

2) 純壓實黏性土、10%～30%摻量試樣均呈現出中壓縮性，而40%～50%摻量混合土與100%橡膠顆粒則呈現出高壓縮性。

3) 采用沉降速率法推算了混合土的固結系數，發現在黏性土中摻入橡膠顆?？墒构探Y系數增大，固結速率可提高400%,且當摻量為30%～40%時,混合土的次固結沉降量占總沉降量比例最小。

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(責任編輯：呂海亮)

Effects of Scrap Tire Crumbs on Compression Behavior of Clay

LI Shanshan1,LI Dayong1,ZHANG Yukun2

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China；2.Geotechnical Research Institute,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China)

A series of compression tests was carried out to study the compression behaviors of the scrap tire crumb-clay mixture and the effect of the scrap tire crumb content and vertical pressure on the parameters of the mixture.The results show that the compressibility of the mixture fall between clay and pure scrap tire crumbs.The mixture exhibits medium compressibility under low tire crumb contents and high compressibility under high tire crumb contents.With the increase of the vertical pressure,the void ratio and compression coefficient of the mixture decrease while its compression modulus increases.With the increase of scrap tire crumb content,the void ratio and compression coefficient of the mixture first increase and then decrease while the compression modulus of the mixture first decreases and then increases.The mixture with 30% tire crumb content has the minimum void ratio and compression coefficient and the maximum compression modulus value.The addition of scrap tire crumbs to clay can increase the consolidation time of clay by 400%,and the mixture has the best compaction effect with 30%-40% scrap tire crumb content.

scrap tire crumb;tire crumb content;compression index;clay

2015-12-04

國家自然科學基金重點項目(51639002);國家自然科學基金項目(51379118);山東科技大學科研創新團隊資助項目(2015KYTD104)

李珊珊(1989—),女,山東泰安人,博士研究生,主要從事巖土工程理論與應用研究. 李大勇(1971—),男,山東泰安人,教授,博士,從事巖土工程方面的研究,本文通信作者.E-mail:ldy@sdust.edu.cn

TU435

A

1672-3767(2016)05-0055-08