改性黏土的單軸抗壓特性分析

姜大山

濰坊龍文建設(shè)投資股份有限公司，山東 濰坊 261100

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車開(kāi)始走進(jìn)千家萬(wàn)戶，汽車的更新?lián)Q代導(dǎo)致產(chǎn)生了大量的廢舊輪胎。儲(chǔ)存廢舊輪胎不僅占用大量的土地資源，還容易造成環(huán)境污染。例如，經(jīng)過(guò)日曬雨淋，容易滋生蚊蟲(chóng)、傳播疾病，危及生態(tài)環(huán)境；廢舊輪胎的大量堆積容易引發(fā)火災(zāi)，造成空氣污染，影響人類健康。如何處理或有效利用廢舊輪胎引起了世界各國(guó)的關(guān)注[1]。那些被替代、淘汰或者報(bào)廢的輪胎雖然失去了輪胎本身的使用價(jià)值，但仍具有較好的抗拉性、彈性和摩阻性[2]。從20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，橡膠材料在巖土工程、結(jié)構(gòu)工程和道路橋梁工程等領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，可以用作加筋土材料[3]、輕質(zhì)混凝土材料[4]以及橋梁隔振材料[5]等。其中，橡膠輕質(zhì)土工材料不僅能減少?gòu)U舊輪胎量，而且能改善原有素土的工程特性，可用于擋土墻、路面基層材料與路基填料等工程。土體的單軸抗壓強(qiáng)度及控制變形的能力是擋土墻、路面基層和路基、回填土工程等應(yīng)考慮的重要問(wèn)題。另外，隨著港口和近海建設(shè)的迅速發(fā)展，大量的海洋吹填淤泥也在不斷產(chǎn)生和增加。吹填淤泥質(zhì)黏土具有含水率高、顆粒細(xì)、強(qiáng)度低且固結(jié)困難等劣勢(shì)，使其在巖土工程上難以直接利用而多被廢棄處理。因此，如何有效利用吹填淤泥也是亟待解決的問(wèn)題。

為拓寬淤泥質(zhì)黏土的利用范圍及尋找廢舊輪胎的利用途徑，前期已對(duì)橡膠顆粒-黏土的剪切特性、固結(jié)特性開(kāi)展試驗(yàn)研究。文章主要探討橡膠顆粒摻量對(duì)橡膠顆粒-黏土單軸抗壓強(qiáng)度及變形特性的影響，并討論橡膠顆粒-黏土中摻入少量水泥固化后的抗壓特性，彌補(bǔ)前期試驗(yàn)的研究空白，為橡膠顆粒-黏土用作回填材料、道路工程材料、建筑土工構(gòu)筑物等工程提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)材料

單軸抗壓試驗(yàn)設(shè)備采用YYW-2 型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀。黏土取自黃海前灣港海域吹填淤泥質(zhì)黏土，并測(cè)得黏土的基本物理參量（見(jiàn)表1）。橡膠顆粒為廢棄輪胎去除鋼束帶切割成的等錐度顆粒，粒徑范圍為2 ～4mm，平均粒徑為3.5mm；橡膠顆粒的比重為1.15，橡膠顆粒的吸水率為2%，試驗(yàn)中忽略橡膠顆粒吸水性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

表1 原狀黏土的物理參量

1.2 制備試樣

首先，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）[6]對(duì)橡膠顆粒-黏土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)輕型壓實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得純黏土、橡膠顆粒-黏土的最大干密度和最優(yōu)含水率（見(jiàn)表2）。由表2 可知，試樣的最大干密度與最優(yōu)含水率均隨橡膠顆粒摻量的增加而減小，且當(dāng)橡膠顆粒摻量大于15%后，最優(yōu)含水率減小趨勢(shì)減弱。

然后，根據(jù)表2 中的最優(yōu)含水率來(lái)調(diào)配重塑試樣，具體步驟如下：（1）將原狀黏土烘干、碾碎，過(guò)篩（篩孔為0.1mm）。（2）稱取定量過(guò)篩土及橡膠顆粒，并按最優(yōu)含水率計(jì)算用水量；分層灑水、充分?jǐn)嚢瑁帽ｕr膜密封土樣保存3h。（3）將調(diào)配好的土樣在擊實(shí)器內(nèi)分4 層進(jìn)行擊實(shí)，每層擊打23 次。（4）將試樣上下表面抹平，放入飽和器中，在真空缸內(nèi)抽氣飽和4h 后，然后水中靜置12h，使試樣充分飽和。

1.3 試驗(yàn)步驟

取出飽和試樣，用濾紙將試樣外圍水分輕輕擦凈，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的高度及側(cè)面、上下兩面的直徑。由于天氣干燥，為防止水分蒸發(fā)，測(cè)量結(jié)束后需在試樣的側(cè)面、上下兩面涂抹薄層凡士林。然后將試樣放到試驗(yàn)設(shè)備的底座上，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使底座上的試樣緩緩上升到剛好接觸到加載板后；開(kāi)啟電機(jī)使底座以2.4mm/min 的速度上升，每隔5s 記錄一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但考慮存在時(shí)間誤差，試驗(yàn)中使用錄像機(jī)將整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中軸向位移表、壓力表的數(shù)值變化，以及試樣變形的過(guò)程拍攝下來(lái)；再通過(guò)電腦視頻回放，精確讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 輕型壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 試驗(yàn)前后試樣的形態(tài)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。由圖1 可知，純黏土、10%～50%橡膠顆粒摻量黏土的軸向應(yīng)力均隨軸向應(yīng)變的增加而增大，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特性；試樣的抗壓強(qiáng)度隨廢舊輪胎橡膠顆粒摻量的增加而逐漸減小。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

通過(guò)比較試驗(yàn)前后橡膠顆粒-黏土的破壞形態(tài)（見(jiàn)圖2），發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠顆粒-黏土的破壞形式依次為鼓脹型破壞、剪切型破壞及鼓脹剪切型破壞等3 種形式；在鼓脹型破壞形式中，試樣的軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變最大，這是由于橡膠顆粒-黏土的內(nèi)黏聚力隨橡膠顆粒摻量的增加而減小，試樣脆性特征越來(lái)越明顯。

3 橡膠顆粒-黏土的固化特性

為提高橡膠顆粒-黏土的單軸抗壓強(qiáng)度，將水泥、橡膠顆粒和黏土混合，對(duì)改性黏土進(jìn)行固化。其中，水泥為普通硅酸鹽水泥，摻量分別為5%、10%和15%，此時(shí)橡膠顆粒摻量為30%。試樣脫模后在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7d，采用上述相同試驗(yàn)方法測(cè)得橡膠顆粒-水泥-黏土的單軸抗壓強(qiáng)度。

結(jié)果表明：隨水泥摻量的增大，改性黏土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。與純黏土相比，當(dāng)水泥摻量為5%～15%時(shí)，改性黏土的抗壓強(qiáng)度分別提高了10%、20%和38%。另外，單軸壓力下橡膠顆粒-水泥-黏土的破壞形態(tài)呈現(xiàn)剪切破壞形式（見(jiàn)圖3），摻入水泥后試樣的脆性特性顯著提高。

圖3 水泥固化后試樣的破壞形態(tài)

4 結(jié)論

（1）與純黏土相比，橡膠顆粒-黏土的單軸抗壓強(qiáng)度隨橡膠顆粒摻量的增加而減小，但摻入少量水泥固化后可使黏土的抗壓強(qiáng)度顯著提高。

（2）單軸壓縮過(guò)程中，橡膠顆粒-黏土存在鼓脹、剪切及鼓脹剪切三種破壞形式，而水泥固化后，橡膠顆粒-黏土的破壞形式偏向剪切破壞型，即呈現(xiàn)脆性破壞。