廢棄輪胎橡膠顆粒改良砂土路用性能試驗研究

陸楊瑞雪，易 文，劉奧林，眭子凡，劉益芳

（中南林業科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410004）

隨著我國道路工程快速發展，車輛數目急劇增加。據不完全統計，2010 年我國輪胎生產量達到3 億多條，預計到2020 年，廢舊輪胎的產量將達到2000 萬t[1]。而隨之而來的是廢舊輪胎難以回收和環境污染問題。目前，廢棄輪胎的處理主要分為回收利用、加工處理，廢棄輪胎分解加工后得到廢棄橡膠顆粒，橡膠粉是今后的再利用主要方向。我國對于廢棄橡膠再利用的研究起步較晚，目前多用于將廢棄橡膠粉摻入瀝青混合料中制成橡膠改性瀝青混合料，具有提高瀝青低溫延度、增強瀝青路面水穩定性等作用[2-3]。而國外早期已將廢棄橡膠碎片在軟土地基中應用，改善其穩定性和長期沉降[4]。如BOSSCHER[5]在1997 年將廢棄輪胎橡膠碎片和路基土混合，制成填筑材料，提高其強度和穩定性。國內對于廢棄橡膠混合土性能研究多集中于膨脹土和黏土[6]。孫樹林[7]利用廢棄輪胎膠粉對膨脹土的抗剪強度試驗中發現，膨脹土抗剪強度增大主要是由于黏聚力增大引起的?？椎律璠8]利用廢棄橡膠顆粒、少量水泥與礫砂制成混合土，通過無側限抗壓強度試驗研究發現水土比、膠粒土比均會對混合土的無側限抗壓強度產生影響。

砂土如作為路基填料單獨使用，容易液化、流動性強，導致路基穩定性和強度不足，通過與廢棄橡膠顆粒混合，可加大其摩擦角和黏聚力，從而顯著增強路基強度。文章通過擊實試驗找出其最大干密度變化規律，通過無側限抗壓強度試驗和CBR 試驗找出橡膠顆粒的最佳摻量和橡膠顆粒改良砂土的強度變化規律。

1 原材料試驗

（1）土性試驗。本試驗用土取自湖南省長沙市湘龍西路某一級公路，對試驗土樣進行顆粒篩分試驗，篩分結果如表1 所示，試驗用土級配曲線如圖1 所示。土樣的基本物理力學性質按照規范《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）中的（T 0118-2007）液限和塑限聯合測定法測定出，其指標如表2 所示。

不均勻系數Cu=20.7，曲率系數Cc=0.961，經判定，土樣類別為級配不良砂（SP）。

（2）廢棄輪胎橡膠顆粒。試驗選用四川某橡膠廠將廢舊輪胎粉碎加工而成的橡膠顆粒，呈黑色不規則狀。橡膠顆粒過大會導致砂土顆粒無法與膠粉充分結合，顆粒過小導致成本增加，不利于工程經濟，因此選擇20目（0.85mm）橡膠顆粒。

表1 土樣篩分結果

圖1 土樣級配曲線

表2 土樣液塑限和塑性指數

2 試驗結果

2.1 室內擊實試驗

擊實試驗參照《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）中的擊實試驗（T0131-2007）進行，所用擊實儀器為重型擊實儀。

根據已有國內外文獻研究，橡膠粉或顆粒改良土其摻量一般在6%～20%[9]。本試驗選取橡膠粉摻量為0、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%。根據土工試驗規程，按四分法稱取一定質量的土樣，按2%含水量遞增加入水和橡膠顆粒，充分攪拌后悶料一晝夜備用。采用擊實儀分層擊實后，用削土刀削平套筒口多余土樣，用液壓脫模機將土樣從套筒中脫出后從試樣中取樣測含水率，最后計算最大干密度。得出不同摻膠率下的試樣擊實曲線，如圖2 所示。

圖2 試樣擊實曲線

通過擊實試驗發現：在素土中加入廢棄輪胎橡膠顆粒，土的最大干密度隨著橡膠顆粒摻膠率增加而減小且變化較大，在摻膠率為10%時，混合土的最大干密度比素土下降了0.26g/cm-3，說明廢棄橡膠顆粒改良土作路基填料時能有效降低路基自重，是很好的路基輕質填料。通過不同橡膠顆粒摻量的改良土擊實曲線可以發現在摻膠率遞增，而擊實曲線逐漸變得平緩，而最佳含水率在9%～10%波動，可以認為摻膠率對混合土的最佳含水率幾乎沒有影響。

2.2 改良土無側限抗壓強度試驗

評價材料的路用性能，無側限抗壓強度是一個很重要的指標[10]。對混合土樣的無側限抗壓強度試驗依據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）進行，在擊實試驗確定的最大干密度和最佳含水率的基礎上制備試件，試件完成養護后擦干周圍水分并在兩端涂抹凡士林，將試件放置于路面材料強度試驗儀底座上，進行加載試驗，試件被壓壞時記錄瞬間最大壓力。本實驗對試件在7d、14d、21d、28d，溫度為20℃±2℃的標準養生，保持濕度≥95%。通過試驗得出試件無側限抗壓強度與養生齡期的關系如圖3 所示。

圖3 試樣無側限抗壓強度值

由圖3 可知，摻膠率為0～4%，養生齡期低于21d時，改良土的無側限抗壓強度差異并不明顯，在摻膠率達到6%時，改良土的無側限抗壓強度有較大提高且與養生齡期呈明顯的線性關系。隨著摻膠率遞增，曲線斜率上升（試樣強度增長更明顯），這是因為隨著養生齡期增加，橡膠顆粒與水分、土樣顆粒充分結合，使混合土強度明顯增大。當摻膠率達到12%時，曲線已經部分重合，雖強度略有增加但增加幅度非常小，當摻膠率達到14%時，由于橡膠顆粒過多使橡膠顆粒與土顆粒無法粘結，從而導致無側限抗壓強度下降。因此可以確定最佳摻膠率為10%～12%。

2.3 承載比試驗

為研究不同橡膠摻量對于混合土CBR 值的影響，對試樣的CBR 承載比試驗參照《土工試驗規程》（JTG E40-2007）SL237-1999 進行。將土樣過20mm 篩，依據擊實試驗得到最佳含水率，按照重型擊實的方法將土樣分3 層擊實，每層擊實98 次。擊實完成后將濾紙、多孔板置于試件頂部后放入4 塊1.25kg 的荷載片。將試樣放在水箱中浸水4d（水箱中保持水面高于試件25mm以上）后拿出，靜置排水后在貫入桿上施加45kN 的荷載，將計量表調零后加荷使貫入桿以1～1.25mm/min 的速度壓入試件，當測力計到達20、40、60 時計入貫入量，記錄貫入量達到2.5mm 時的承載比。為探明摻膠率和CBR 值的關系，規定試件在最佳含水率條件下擊實次數為每層98 次，分三次擊實，選取養生齡期為7d、14d、28d。通過試驗結果分析在不同摻膠率、不同養生齡期條件下改良土的承載比變化，試驗結果如圖4 所示。

圖4 摻膠率與承載比關系圖

通過對不同摻膠率的改良土進行CBR 試驗結果發現：摻入廢棄橡膠顆粒的混合土樣較素土對CBR 值的改變更小，當摻膠率為8%時，改良土的承載比達到最高值，當摻膠率＞8%時改良土的承載比開始下降，當摻膠率達到14%時，由于摻膠比過高導致混合土松散，這主要是因為橡膠顆粒自身彈性不足，不能抵抗局部荷載[11]。在養生初期7～14d 時改良土的承載比增長較快，在養生14～28d 后改良土的承載比趨于穩定或有小幅增長，因此確定橡膠顆粒改良土故作為路基輕質填料時，最佳橡膠顆粒摻量為8%～10%。

2.4 直剪試驗

試樣的直剪試驗參照《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）進行，首先制成h=20mm、d=61.8mm 的標準試件，完成后將剪切盒的上下盒對準，將插銷插入固定，在盒最下方放入濾紙、透水板，將試樣放入后移動傳動裝置，使上盒前端鋼珠剛好與測力計接觸，依次放上傳壓板、加壓框架，安裝垂直位移和水平位移量測裝置，并調至零位或測記初讀數，分別施加不同的垂直壓力，將固定銷拔出后以0.8mm/min 的速度進行剪切。為研究不同摻膠率的混合土樣在最佳含水率的條件下抗剪強度隨圍壓的變化關系，選取摻膠率為0、2%、6%、10%、14%的試樣進行試驗，根據試驗結果計算出在圍壓為100kPa、200kPa、300kPa 時五組混合土的抗剪強度，試驗結果如圖5 所示。

圖5 抗剪強度與橡膠摻量的關系圖

由圖5 可知，在混合土樣摻膠率相同時，隨著圍壓的增大，抗剪強度明顯增大。在摻膠率從2%遞增至6%時，抗剪強度有大幅度增加，當摻膠率超過6%，且圍壓為200kPa 和300kPa 時，混合土試樣抗剪強度開始下降，但摻膠率為6%～10%時抗剪強度下降幅度較小，因此得出最佳橡膠顆粒摻量為6%～8%。

3 結束語

通過對廢棄橡膠顆粒混合土的4 種試驗結果的分析，可以得出如下結論：（1）經過對土的粒徑、物理性質分析，綜合判定土樣為級配不良砂SP。（2）通過擊實試驗發現，隨著橡膠摻量的增加，改良土樣的最大干密度明顯減小，而最佳含水率幾乎沒有變化，說明橡膠顆粒混合土作為路基填料時可以有效降低路基自重。（3）無側限抗壓強度試驗表明，橡膠顆粒摻量為0～4%時，強度增長不明顯，摻量達到6%時抗壓強度有明顯增加，當摻膠率達到14%時，隨著摻量增加強度下降且不經濟，因此確定最佳橡膠摻膠為10%～12%。（4）通過承載比試驗發現，摻入橡膠顆粒對試樣CBR 值改變較小，在養生初期強度增長較后期快。在摻量為8%時，試樣承載比較大。（5）由直剪試驗發現，隨著垂直壓力增大，試樣抗剪強度明顯增大，摻入橡膠顆粒使混合土樣內摩擦角φ 增大、黏聚力增強，且20 目橡膠顆粒能與粗顆粒土在水分作用下黏結，形成骨架架構，可承擔更多的應力[12]。