季凍土地區(qū)橡膠顆粒混合土路用性能研究

劉文曉 張利敏 劉文挺

（1包頭鐵道職業(yè)技術學院，內(nèi)蒙古 包頭 014060；2神華包神鐵路集團有限責任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 研究背景

內(nèi)蒙古多分布季節(jié)性凍土。在這類地區(qū)，鐵路路基土體冬季溫度低，土體中孔隙水凍脹，夏季溫度高，凍土消融，在凍融反復循環(huán)作用下，常會使路基產(chǎn)生下沉、翻漿冒泥等病害，嚴重影響鐵路的維護工作及列車的正常運行，因此，對路基填料有更高的要求。橡膠顆粒混合土是新興發(fā)展的一種土工材料，將廢棄輪胎橡膠顆粒摻入水泥土中來提高其抗凍融性能。

近年來，國內(nèi)外在凍融循環(huán)作用下路基土的性能研究方面取得了一定的成果，但是基于凍融循環(huán)作用下橡膠顆粒混合土的強度特性研究較少。廢棄輪胎作為現(xiàn)代工業(yè)下的產(chǎn)物，屬于有害廢棄物，污染性強，屬于難溶解高分子化合物，對環(huán)境的危害是持久的，自然狀態(tài)下降解難度大[1]。就目前常用的廢棄輪胎處理方式，成本相對較高，利用率也較低，且可能產(chǎn)生二次污染。因此，將廢棄輪胎粉碎成一定粒徑的顆粒狀，與原料土、水泥均勻混合形成RST混合土[2]，不僅可以很好地解決上述問題，而且可以優(yōu)化環(huán)境。為了發(fā)展新型土工材料在季凍土地區(qū)路基填料的運用，本文分組對試件進行無側(cè)限抗壓強度試驗，分析了凍融循環(huán)作用下與標準狀態(tài)下膠粒比、灰土比、水土比對RST混合土的強度影響規(guī)律。

2 試樣制備

2.1 原材料特性

制備RST混合土的原料土來自包神鐵路季節(jié)性凍土地區(qū)某鐵路路基試驗段，通過顆粒大小分析試驗確定，該土樣為中砂。表1為該原料土的物理性質(zhì)指標。所用橡膠顆粒為廢棄輪胎機械粉碎而成，如圖1所示，橡膠顆粒粒徑3.5mm左右，棱角分明，呈黑色不規(guī)則顆粒狀，具有一定彈性性能。制備試件所用水泥為P.C32.5復合硅酸鹽水泥，試驗用水為自來水。

表1 土樣物理性質(zhì)指標

圖1 廢棄輪胎橡膠顆粒

2.2 試樣制備

制備試件尺寸為70.7mm*70.7mm*70.7mm[3]，制備過程中，需先將原料土與水泥混合攪拌均勻，再加入橡膠顆粒，繼續(xù)將三者充分攪拌，最后加入水，攪拌6分鐘左右。

試件分為標準組和凍融組，所有試件均標準養(yǎng)護28d。標準組試件到養(yǎng)護齡期后做無側(cè)限抗壓強度試驗；凍融組試件在標準養(yǎng)護的最后1d將試件放入水中浸泡24h，取出后放入低溫箱，低溫-18℃凍結(jié)16h，再放入20℃的水中融化8h，此為一次凍融循環(huán)，然后繼續(xù)放入低溫箱開始第二次凍融循環(huán)。

由于冷熱交替作用，試件表面會出現(xiàn)裂紋、破損，因此在整個凍融循環(huán)過程中，試件會有所損失，要求平均損失率不得超過5%，否則應停止試驗。標準組與凍融組試件對比如圖2所示。

圖2 標準組與凍融組試件對比

由圖可以看出，標準養(yǎng)護的試件表面平整光滑，整體質(zhì)量較好；經(jīng)歷多次凍融循環(huán)之后，試件表面出現(xiàn)輕微裂縫、破損，但試件平均損失率沒有超過5%，可以進行試驗[4]。

3 試樣方案

為了分析標準養(yǎng)護及凍融循環(huán)條件下橡膠顆粒混合土的強度性能，確定試驗方案如下：

①研究標準養(yǎng)護狀態(tài)及凍融循環(huán)作用后不同膠粒比對RST混合土的強度影響規(guī)律，膠粒比J取0%,10%，25%,灰土比C取10%,水土比S取25%。

②研究標準養(yǎng)護狀態(tài)及凍融循環(huán)作用后不同灰土比對RST混合土的強度影響規(guī)律，膠粒比J取10%，灰土比C取5%，10%，15%，水土比S取25%。

③研究標準養(yǎng)護狀態(tài)及凍融循環(huán)作用后不同水土比對RST混合土的強度影響規(guī)律，膠粒比J取10%，灰土比C取10%，水土比S取20%，25%，30%。

其中，膠粒比J表示橡膠顆粒與原料土的質(zhì)量百分比，灰土比C表示水泥與原料土的質(zhì)量百分比，水土比S表示水與原料土的質(zhì)量百分比[5]。

4 無側(cè)限抗壓強度影響因素分析

4.1 不同膠粒比對RST混合土無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律

試件J=0%,10%，25%,C=10%,S=25%，標準養(yǎng)護狀態(tài)下及凍融循環(huán)作用后對試件做無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同膠粒比對試件強度影響

由圖3可知，標準養(yǎng)護狀態(tài)下，隨著膠粒比的增大，試件無側(cè)限抗壓強度呈降低趨勢，而凍融循環(huán)5次、12次后，試件的無側(cè)限抗壓強度隨著膠粒比的增加并沒有明顯降低，反而在膠粒比為10%時稍有增大，說明橡膠顆粒的摻入對水泥土的抗凍性能的提高有幫助。

4.2 不同灰土比對RST混合土無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律

試件J=10%，C=5%，10%，15%，S=25%，標準養(yǎng)護狀態(tài)下及凍融循環(huán)作用后對試件做無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同灰土比對試件強度影響

由圖4可知，無論是標準養(yǎng)護下還是凍融循環(huán)作用后，RST混合土的強度均隨著灰土比的增大而增大，這是因為灰土比增大，水泥水化反應后膠結(jié)作用加強[6-7]，使試件強度提高，但是凍融循環(huán)作用5次后，RST混合土的強度增長速率明顯低于標準狀態(tài)下的強度增長率。

4.3 不同水土比對RST混合土無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律

試件J=10%，C=10%，S=20%，25%，30%，標準養(yǎng)護狀態(tài)下及凍融循環(huán)作用后對試件做無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同水土比對試件強度影響

由圖5可知，在標準養(yǎng)護及凍融循環(huán)作用后，隨著水土比的增大，試件無側(cè)限抗壓強度均在S=25%時出現(xiàn)峰值，這說明在水土比為變量時，RST混合土的強度變化規(guī)律及抗凍性能均表現(xiàn)出相似的先增大后減小的趨勢，且均在水土比為25%左右時強度最高。

5 結(jié)論

1）標準養(yǎng)護下RST混合土無側(cè)限抗壓強度隨著膠粒比的增加而減小，凍融循環(huán)作用后，這種趨勢并不明顯，甚至強度會稍有提高，廢棄橡膠顆粒的加入提高了水泥土的抗凍性能，這是RST混合土應用于季凍區(qū)路基作為填料的最大優(yōu)勢。

2）標準養(yǎng)護及凍融循環(huán)作用下RST混合土無側(cè)限抗壓強度隨著灰土比的增大而增大，凍融循環(huán)作用下強度增長速率降低。

3）在標準養(yǎng)護及凍融循環(huán)作用后，試件強度均在水土比為25%左右時最高。