粉煤灰+ 石灰+ 廢舊輪胎橡膠顆粒對濕陷性黃土地基改良試驗研究

王富奎

（河南六建建筑集團有限公司，河南洛陽 471000）

在我國西北地區，分布著廣泛的黃土地貌，黃土的濕陷性會引發結構的不均勻沉降變形，對工程建設安全和運營穩定具有重要影響，因此，必須采取措施對濕陷性黃土進行處理［1］。

當前，常用的處理濕陷性黃土地基的方法包括置換、強夯、預浸水法、灰土樁等，其中灰土墊層或者擠密樁的使用非常廣泛［2-5］。但是，石灰在工程建設過程中會產生大量的粉塵污染，對環境而言將產生不利影響。隨著社會經濟的發展，大量的老舊汽車報廢，留下了大量的廢舊輪胎，這些廢舊輪胎具有很強的抗熱性和抗機械性能，處理起來十分困難，不僅造成了大量的資源浪費，而且產生了較為嚴重的固體廢棄物污染，因此，增加廢舊輪胎的利用渠道和綜合回收利用率成為當前的一大難題［6-9］。在巖土工程中，廢舊輪胎顆粒主要作為一種加筋材料來增強土體的特性，雖然能取得一定的研究成果，但仍然沒有取得系統的理論依據和應用嘗試［10-11］。

本研究將粉煤灰、石灰和廢舊輪胎橡膠顆粒應用到濕陷性黃土的改良試驗中，一來是為了減少石灰在工程建設中所帶來的粉塵污染，二來是為了在灰土基礎上進一步提升土體強度和抵抗變形的能力，以期能為廢舊輪胎子在濕陷性黃土地基中的普及應用提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

（1）濕陷性黃土：取樣深度為5m，平均含水率22.5%，初始干密度為1.56g/cm3，最大干密度1.7g/cm3，液限值為25.1，塑限值為16.3，塑性指數值為8.8，濕陷性系數值為0.023。

（2）廢舊輪胎顆粒：于當地廢舊輪胎商場采購，首先將其抽取鋼絲，然后將其切割成3～5 cm 長的碎片，最后再放入粉碎機中進行粉碎，制成粒徑＜5mm 的橡膠顆粒。

（3）粉煤灰：采用Ⅱ級粉煤灰，細度為8.4%，需水量為91%，燒失量為0.33%～1.78%，SO3含量為0.5%～1.8%，天然密度1.13g/cm3，平均粒徑0.05，含水量為25%，主要化學成分為SiO3和Al2O3，占比分別為61.5% 和27%。

（4）石灰：鈣質生石灰，對其進行篩分取粒徑＜5mm 的石灰粉作為試驗材料。

1.2 試驗方案

石灰在工程實踐中容易產生粉塵污染，為了解決這一問題，根據《濕陷性黃土地區建筑規范》中的相關技術要求，在二灰土中需要盡量降低石灰的摻量，同時還要兼顧黃土地基自身承載力要求。根據《建筑地基處理技術規范》中對于廢舊輪胎顆粒二灰土的壓實系數要求值為≥95%。綜合兩種規范的技術要求，本研究設計了低石灰摻比下的廢舊輪胎橡膠顆粒二灰土來對濕陷性黃土進行改良。具體試驗方案為：試驗組1 為素土試驗組；試驗組2 為灰土試驗組，灰土的體積摻比為30%；試驗組3 為廢舊輪胎顆粒二灰土A，石灰、粉煤灰、廢舊輪胎顆粒的體積摻比分別為5%、10% 和10%；試驗組4為廢舊輪胎顆粒二灰土B，石灰、粉煤灰、廢舊輪胎顆粒的體積摻比分別為10%、10% 和30%；試驗組5 為廢舊輪胎顆粒二灰土C，石灰、粉煤灰、廢舊輪胎顆粒的體積摻比分別為4%、10% 和46%。不同試驗組的體積配比情況見表1。

表1 試驗配比方案Table 1 Test proportion scheme

1.3 試驗過程

試驗步驟為：(1) 試件制備，將素土、灰土以及廢舊輪胎二灰土按照表1 中的配合比進行配制，然后擊實，制成直徑為100mm、高為200mm 的圓柱形試件，并稱取試件質量；(2) 對試件分別標準養護0d、7d、10d、14d、28d 和56d；(3) 取不同養護齡期下試件分別進行標準固結試驗和直接剪切試驗；(4) 取養護齡期為28d 的試件進行浸水，然后進行不同含水率下的直接剪切試驗；(5) 取養護齡期為28d 的試件，然后進行不同干密度下的直接剪切試驗；(6) 整理試驗數據，得出試驗結論。

2 試驗結果分析

2.1 密度變化特征

試驗得到的不同試驗組改良黃土密度隨齡期的變化特征如圖1 所示。從圖1 中可知：隨著養護齡期的增長，灰土（試驗組2）的密度呈先降低后升高再降低的變化特征，當齡期為0～10 d 時，由于試樣內部水分大量蒸發，導致質量降低，因而密度下降明顯，當養護齡期達到10d 之后，灰土試樣內部會碳化形成大量的硬質CaCO3，導致試件質量和密度增加，當齡期為28d 時，密度達到最大值，當繼續養護時，試樣的密度反而會有所降低，這可能是因為水分繼續，導致灰土試驗產生干裂，從而密度下降；試驗組3 和試驗組4 的密度均隨齡期增加呈先增長后降低再增長的變化特征，當摻入粉煤灰后，由于其含有的大量活性礦物質（SiO、Al2O3、Fe2O3、MgO）會與Ca(OH)2發生一系列化學反應，生成絮凝物質，因而在短期內試樣的密度會增加，隨著化學反應的不斷深化，部分絮凝物質會逐漸硬化，使得土體顆粒更加緊密地團結在一起；試驗組5 的密度隨齡期呈先降低后升高再降低的變化特征，這可能是因為廢舊輪胎顆粒摻入量過多之后，導致灰土和粉煤灰含量不足，化學反應不充分，因而密度會降低，但是由于橡膠顆粒具有較好的彈塑性，能夠在一定程度上恢復變形空間，因而密度會逐漸上升。相同齡期下，灰土的密度最大，廢舊輪胎顆粒二灰土的密度較小，且橡膠顆粒摻量越多，密度越小。

圖1 密度隨齡期的變化Fig. 1 Variation of density with age

2.2 累計沉降變形量

試驗得到的不同試驗組改良土累計沉降變形量與觀測時間的關系如圖2 所示。從圖2 中可以看到：隨著觀測時間的增加，不同試驗組的累計沉降變形量呈逐漸增大的變化特征，但沉降變形速率在逐漸降低，最終趨于一個穩定值；相同觀測時間下，原狀黃土的累計變形量最大，其次為灰土改良試驗組，廢舊輪胎橡膠顆粒二灰土改良試驗組的累計沉降變形量最小，這是因為廢舊輪胎顆粒是一種彈塑性材料，當被外界壓力擠壓時，廢舊輪胎顆粒會發生回彈，延緩土體的變形，因而累計沉降變形量將大大降低。

圖2 累積沉降變形量與觀測時間的關系Fig. 2 Relationship between accumulated settlement deformation and observation time

2.3 配合比對強度的影響

試驗得到的不同試驗組改良土的剪切強度變化特征見圖3。從圖3 中可以看到：隨著正壓力的逐漸增大，原狀土和改良土的剪切強度均逐漸增大，但是當正壓力超過400kPa 后，剪切強度的增長幅度會逐漸放緩；相同正壓力情況下，原狀黃土（試驗1 組）的剪切強度最小，灰土改良試驗組（試驗組2）的略大于原狀土，而當摻入廢舊輪胎顆粒和粉煤灰之后，土體的強度有較大幅度的提升，其中：試驗組4＞試驗組3＞試驗組5，表明廢舊輪胎橡膠顆粒的摻料對于土體的強度影響較大，當石灰：粉煤灰：廢舊輪胎顆粒：黃土=1：1：3：5 時，改良土體的抗剪強度最佳。可見，廢舊輪胎顆粒的摻量也不是越多越好，這是因為當過多摻入廢舊輪胎顆粒時，就會造成石灰和粉煤灰摻量大幅減少，試樣中因化學反應生成的硅酸鈣、鋁酸鈣等絮凝狀物質將減少，從而土顆粒之間的膠結力會降低；再者，碳化生成的硬質CaCO3含量也會顯著降低，使得土體的強度反而降低。

圖3 不同配合比下抗剪強度隨正壓力的變化規律Fig. 3 Variation of shear strength with normal pressure under different mix proportions

2.4 齡期對強度的影響

試驗得到的不同試驗組改良土的剪切強度隨齡期的變化特征如圖4 所示。從圖4 中可以看到：隨著齡期的增長，改良土的剪切強度不斷增加，但是廢舊輪胎二灰土的強度改良效果要明顯優于灰土的改良效果，這主要是因為廢舊輪胎顆粒的彈塑性變形特性，可以填充土顆粒的大量空隙，使得土體的密實度大大增強，因而承載力會有大幅提升；但是，廢舊輪胎顆粒摻量對于改良土體的強度有重要影響，當廢舊輪胎摻入量過多時，反而會因為水化反應不足導致土體承載力降低，相比較而言，試驗組4 的剪切強度最大，后期強度的增長幅度也最大，改良效果最佳。

圖4 齡期對剪切強度的影響Fig. 4 Effect of age on shear strength

2.5 含水率對強度的影響

試驗得到的不同試驗組改良土的剪切強度隨含水率的變化特征如圖5 所示。

圖5 含水率對剪切強度的影響Fig. 5 Effect of moisture content on shear strength

從圖5 中可知：隨著含水率的不斷增加，原狀土、灰土以及廢舊輪胎顆粒二灰土的強度均呈先增大后減小的變化特征，原狀土的最佳含水率為16%，灰土的最佳含水率為27%，而廢舊輪胎顆粒二灰土的最佳含水率均為22%，這說明廢舊輪胎顆粒二灰土最佳含水率受配比的影響較小。

通過上文分析可以總結得到：廢舊輪胎二灰土在強度和控制變形方面較傳統灰土改良方法更加有效，且廢舊輪胎顆粒的不宜摻加太多，當石灰：粉煤灰：廢舊輪胎顆粒：黃土=1：1：3：5 時，改良土體的力學性能表現最佳。

3 工程應用

為了驗證試驗結果的可靠性，同時是否適用于工程現場施工，在某工地現場進行了現場應用試驗。場地情況如下：某28 層高建筑場地黃土濕陷性等級為Ⅱ級，濕陷性土層的最大深度達到24m，地基設計采用3：7 灰土擠密樁進行加固，樁身直徑為0.5m，長度為30m，樁間距為1m，呈等邊直角三角形布置，壓實系數均大于0.97。在施工過程中，做10 根廢舊輪胎二灰土樁（石灰：粉煤灰：廢舊輪胎顆粒：黃土=1：1：3：5）作為對比試驗。當樁基完工28d 后，分別對原狀黃土、灰土擠密樁和廢舊輪胎顆粒二灰土樁的樁間土濕陷性系數進行檢測，然后再利用堆載方式對兩種樁基進行靜載試驗，測試樁基沉降量。

現場檢測到的樁間土濕陷性系數隨地基深度的變化特征如圖6 所示。從圖中可以看到：隨著深度的增加，樁土間的濕陷性系數呈波浪形變化特征，相同深度下，灰土樁和廢舊輪胎顆粒二灰土樁的濕陷性系數較未處理時要小得多，兩種樁體對于淺層樁間土體濕陷性的改善效果比較明顯，當基礎深度達到13m 后，三種樁間土的濕陷性系數基本相等，因此廢舊輪胎顆粒二灰土樁跟灰土樁一樣，改良加固深度均可達到10m 以上，表明廢舊輪胎顆粒二灰土可以用于濕陷性黃土地基的加固處理。

圖6 樁間土濕陷性系數隨地基深度的變化特征Fig. 6 Variation characteristics of collapsibility coefficient of soil between piles with foundation depth

灰土樁和廢舊輪胎顆粒二灰土樁的分級靜載試驗結果如圖7 所示。

圖7 荷載- 沉降曲線Fig.7 Load settlement curve

從圖7 可以看到：隨著荷載的增加，沉降量呈逐漸增大的變化特征，當荷載小于350kN 時，沉降量隨荷載的增幅較小，且基本呈線性趨勢，當荷載大于350kN 后，沉降量均出現較大幅度增長，表明在此壓力下黃土內部空間結構發生損傷破壞，因而抗壓能力顯著降低；在相同荷載情況下，廢舊輪胎顆粒二灰土樁的沉降量明顯小于灰土樁，350kN 荷載下，廢舊輪胎顆粒二灰土樁的沉降量為6mm，灰土樁的沉降量為9.5mm，表明利用廢舊輪胎顆粒二灰土可很好地抑制黃土地基的變形沉降，對于建筑物整體沉降變形的控制具有重要作用。

4 結論

（1）廢舊輪胎顆粒作為一種輕質塑彈性材料，能夠降低改良土體的密度，抑制變形，同時提升土體的強度特性。

（2）原狀黃土的最佳含水率為16%，灰土的最佳含水率為27%，廢舊輪胎顆粒二灰土的最佳含水率均為22%，廢舊輪胎顆粒二灰土最佳含水率受配比的影響較小。

（3）當石灰：粉煤灰：廢舊輪胎顆粒：黃土=1：1：3：5 時，改良黃土的各項力學性能最佳，強度和抑制變形的能力最好。

（4）通過對灰土樁和和廢舊輪胎顆粒二灰土樁在濕陷性黃土地基中的現場加固對比試驗，驗證了廢舊輪胎顆粒二灰土可以用于濕陷性黃土地基的加固處理，有效加固深度可達10m 以上，且同等深度下，抑制黃土地基變形沉降效果較灰土更好。