廢舊輪胎橡膠顆粒的應用及研究現狀

(山東科技大學土木工程與建筑學院， 山東 青島266590)

廢舊輪胎橡膠顆粒的應用及研究現狀

丁魯強 李彥志

(山東科技大學土木工程與建筑學院， 山東 青島266590)

廢棄物的回收利用是當今世界的熱點話題，如何正確處理廢棄物將關系到社會和經濟的發展，這也是很多國家亟待解決的難題。本文介紹了大量廢舊輪胎的危害性及回收利用的方法，分析討論了廢舊輪胎橡膠顆粒在不同土體中的改良效果，認為廢舊輪胎橡膠顆粒可有效提高砂土的抗剪強度，改善黏性土的黏聚力、滲透性和耐久性以及改良黃土和膨脹土的不良工程性質。

廢舊輪胎；橡膠顆粒；危害性；回收利用；改良

我國是公認的輪胎生產大國，輪胎產量一直遙遙領先。21年來，我國的輪胎產量已經超過13356萬，位列世界第三，然而每年產生的廢舊輪胎數量也高達5多萬條。隨著越來越來多的家庭使用轎車代步，人們擁有的汽車數量逐年增多，毋庸置疑，也將會產生更多的廢舊輪胎。隨之而來的是一個世界性難題：如何有效回收利用，防止對環境造成污染。在再生資源的回收利用方面，這同時也是我國面臨的一個新課題。什么是廢舊輪胎，即失去使用價值，被淘汰或者替換下來和工廠大量產生的報廢輪胎。廢舊輪胎長達幾十年都不會自然降解和消失，因為它的強抗熱性、熱生物和抗力學特性。露天條件下長期堆放，占用和荒廢了大量土地，還使蚊蟲滋生泛濫，大大增加了疾病的傳播率，并且極易引發火災，所以人們稱之為"黑色污染"。目前形勢嚴峻，我們面臨著一個棘手的問題，大家如何將這些廢舊的輪胎有效回收并合理加以利用，使之能夠變廢為寶、轉害為利。這是一個不容忽視，并亟待解決的問題。

1 廢舊輪胎的危害性

隨著國民對汽車的需求量猛增，廢舊輪胎已經逐漸成為新的固體廢棄物污染源，工業化程度較高的國家都在尋求最佳的廢舊輪胎回收利用方法。要處理越積越多的廢舊輪胎，可以選擇填埋、焚燒及化學法。但是廢舊輪胎是高分子彈性材料，有不熔性或難熔性，在-50℃—+150℃內，它的高彈性和高韌性都基本不會改變，它們的分解產物進入土壤后，要經過數百年才能不影響植物生長；焚燒后產生的一氧化碳和煙霧，還會對大氣造成嚴重污染；即使采用化學法處理，也會形成二次污染。所以像填埋、焚燒及化學法等常用的處理固體廢棄物的方法，對廢舊輪胎都不適用。廢舊輪胎是最有害的垃圾之一，它破壞自然環境、影響植被生長、對人類健康不利、還嚴重危及地球的生態環境，這種"黑色污染"造成的惡劣影響遠超過"白色污染"。如何解決這個迫切的問題—處理不斷新生的"黑色污染"—固體廢棄物，已經成為了新時代社會討論和關注的熱點。因此，對廢舊輪胎的合理資源化利用已迫在眉睫。

2 廢舊輪胎的回收利用

由于廢舊輪胎回收處理的難度遠遠大于其它固體廢棄物，如何將其回收利用、變廢為寶各國都處在探索階段，處理的方法也不盡相同：除加拿大等少數國家用作燃料外，回收廢舊輪胎的方法主要是制成橡膠顆粒的機械方法。將廢舊輪胎經過物理加工制成橡膠顆粒應用于工程建設，是解決環境污染及資源浪費的重要途徑之一。由于其質量輕、強度高、變形協調性好、減少地震液化、良好的保溫隔熱性能和透水性等優點，可作為加筋材料應用于工程建設中，會很大程度上改善地基變形程度和建筑物使用年限，具有明顯的經濟效益和環保價值。該輕質加筋材料已在美國得到廣泛應用。

3 廢舊輪胎橡膠顆粒對土體的改良

3.1對黏性土的改良

近年來已有學者利用廢棄輪胎橡膠顆粒改良膨脹土特性，同時也證明了橡膠的浸出液不會造成地下水污染。鄒維列通過試驗進行研究，他將廢棄的輪胎橡膠顆粒以不同配比摻入到膨脹土，制成改性土樣，通過對膨脹土改性前后的物理性質、強度和脹縮特性對比分析，研究廢棄輪胎的橡膠顆粒對膨脹土的改性效果，得到其最佳配比，為該方法接下來的探索提供了有利依據和參考。從試驗結果可以看出：膨脹土中摻入橡膠顆粒后，改性后的膨脹土的液限與塑性指數隨著橡膠顆粒數目的增加而增大，黏聚力減小，而內摩擦角和抗剪強度變化不大。孫樹林通過固結快剪試驗探究了不同含水率(15%、18%、21%)下不同摻量(10%、20%、30%)廢棄輪胎膠粉與膨脹土混合后土體抗剪強度，發現混合土的抗剪強度隨膠粉含量的增加而增大，混合土內摩擦角的變化和膠粉含量變化無相關性。同時表明黏聚力的增大導致混合土抗剪強度增大，驗證了廢棄輪胎的膠粉對于膨脹土的改良效果比較顯著，在膨脹土的改良問題上提供了一個全新的改良方法。

李長雨通過動三軸試驗研究了廢舊輪胎橡膠顆粒對粉煤灰土的動強度、動模量、混合土抗剪強度指標的影響，并將試驗結果與粉煤灰土的動力特性加以對比，分析表明在相同圍壓下，橡膠顆粒-粉煤灰土混合土動強度均隨著破壞周數的增加而減小；在相同破壞周數的條件下，試樣動強度隨著圍壓的增大而增加。橡膠顆粒-粉煤灰土混合土的初始切線模量及平均動模量均低于粉煤灰土的初始切線模量及平均動模量，說明橡膠顆粒-粉煤灰土混合土具有動強度高、黏聚力和內摩擦角大的特點，可以作為冬季寒冷地區路基保溫層材料。

黏性土在我國分布十分廣泛，因其壓縮性大，抗剪強度低，故將廢舊輪胎橡膠顆粒摻入其中，提高黏性土的抗剪強度、滲透性和耐久性。李珊珊研究了廢舊輪胎橡膠顆粒對黏性土壓縮特性的影響，及豎向壓力、橡膠顆粒摻量對混合土各參數的影響。研究發現，純壓實黏性土和20%左右摻量試樣呈現中壓縮性，40%摻量和100%摻量的試樣呈現出高壓縮性。隨著豎向壓力的增大，混合土的孔隙比減小，壓縮系數減小，壓縮模量增大；隨著橡膠顆粒摻量增加，混合土壓縮系數呈現先減小后增大趨勢，當橡膠顆粒摻量為30%時，壓縮系數最小，也就是說試樣的壓縮模量最大。黏性土中摻入廢舊輪胎橡膠顆粒，可以顯著提高其固結速率，尤其是在摻量為30%-40%時，混合土的固結速率最大，壓實效果最好。

3.2 對砂性土的改良

張永富通過固結排水三軸剪切試驗，研究了橡膠顆粒含量及圍壓對橡膠顆粒-砂土剪切特性的影響，分析了不同配合比和圍壓條件下土體的偏應力-軸向應變曲線及體應變-軸向應變曲線變化特性。試驗結果表明：摻入10%-30% 橡膠顆粒時，可以有效改善土體的抗剪強度特性；當摻入10%橡膠顆粒時，土體的內摩擦角達到最大值；當摻入20%橡膠顆粒時，其粘聚力達到最大值。鄧安利用廢棄輪胎橡膠顆粒的良好表面摩擦性與低重度特性，提高砂土填料的抗剪強度并降低其重度。通過直剪和三軸壓縮試驗，研究多種摻入比與不同圍壓條件下砂土剪切性狀，對應力—應變特征進行模擬，發現隨著橡膠顆粒摻入量的不斷增加，其抗剪強度越來越低，峰值偏應力或峰值應力比在100-200 kPa圍壓下基本不變，在300-400 kPa圍壓下越來越小。砂土泊松比受橡膠顆粒摻入量影響，并隨主應力發生“彎轉”。圍壓小于200 kPa，當摻入的輪胎橡膠顆粒達到10%-20%時，砂土的抗剪強度明顯提高，材料重度顯著降低，砂膠混合材料應力—應變關系可用Duncan-Chang模型模擬。

段偉宏進行了一系列不同橡膠顆粒摻量的混合砂土的固結試驗，得出了不同橡膠顆粒含量情況下試樣的密度以及不同橡膠顆粒摻量條件下各試樣的壓縮變形曲線，并分析了橡膠顆粒-砂土混合土的壓縮特性，發現混合土的壓縮性隨著橡膠顆粒摻量的增大而逐漸增大，橡膠顆粒摻量越大，混合土的殘余應變越大；橡膠顆粒-砂土混合土的側限壓縮模量隨著橡膠顆粒摻量的減小而增大，當橡膠顆粒摻量小于40%時增大速度最顯著。李麗華研究了廢舊輪胎橡膠碎片-砂土混合土抗剪特性，進行了一系列的剪切試驗，探討了碎片摻量、縱橫比和密實度等不同因素對廢舊輪胎橡膠碎片-砂土混合土抗剪性能的影響規律。研究發現，隨著廢舊輪胎橡膠碎片摻量的增大，混合土的抗剪強度、內摩擦角均呈現增大的趨勢，且二者都變現出非線性的增大特性。只改變廢舊輪胎橡膠碎片的寬度不能有效的增大混合土的抗剪強度，但是縱橫比對混合土的抗剪強度影響顯著，對于一定寬度的廢舊輪胎橡膠碎片，有唯一的碎片長度使混合土的內摩擦角達到最大，說明通過優化廢舊輪胎橡膠碎片縱橫比、摻量及密實度，可以使混合土的抗剪強度達到最大值。

4 結束語

循環經濟是一種經濟發展模式，它以物質不斷循環并加以利用為基礎，在社會經濟活動中把廢舊物資變廢為寶，遵循“減量無害化、資源再利用和循環使用”的行為規范，按照自然生態系統的存在模式，旨在把經濟活動發展成一個“資源—產品—再生資源”的過程，使物質得以反復循環使用，從而使整個經濟系統，以及在社會生產和消費的過程中很少產生甚至不產生廢棄物。我國橡膠的消耗量巨大，但是橡膠資源又及其短缺，每年大約有一半橡膠依賴進口。所以對我國來說，能否回收廢舊輪胎并加以利用尤為重要。這同時也是保護橡膠資源，維護生態平衡，造福千秋萬代，利國利民的大事。廢舊輪胎橡膠顆粒給環境帶來了巨大的壓力，工程上開始探究將廢舊輪胎橡膠顆粒與土體混合以改良不良的工程特性，如將廢舊輪胎經過物理加工制成橡膠顆粒應用于道路工程中，可有效提高砂土的抗剪強度，大大增強黏性土的黏聚力、滲透特性和耐久性，并能使黃土和膨脹土的某些不良工程性質得以改善，使我國廢舊輪胎處理工作走上可持續發展的綠色道路。

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U416

：A

1007-6344（2017）08-0299-02

丁魯強，1991年8月，男，漢族，山東省聊城市，山東科技大學巖土工程專業在讀研究生。