廢棄輪胎橡膠粉改良膨脹土的室內試驗研究

杜 靜，徐麗麗，陽利君

（廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮的高塑性非飽和黏性土，具有多裂隙性、崩解性、超固結性、強度衰減等性質。由于膨脹土的脹縮特性，給工程帶來巨大的危害。

目前，國內外各類工程對膨脹土處理的方法可主要歸納為施工技術手段和土質改良兩種途徑。前者有換填法、封閉包蓋法、濕度控制法等；后者通過將各種摻料或溶液加入膨脹土中，達到土質改良的目的。夏瓊、楊有海［1］依托于襄樊至老河口段改建鐵路的路基工程，研究石灰改良膨脹土的脹縮性和強度變動規律。劉清秉等［2］以河南安陽弱膨脹土為研究對象，研究ISS離子土固化劑改良膨脹土的機理。楊俊［3］等將風化砂摻入膨脹土，對膨脹土實施物理改良。張勝軍等［5］通過擊實和碾壓試驗，得出合理的水泥改性膨脹土的碾壓控制指標。這些改良都可以有效地減小膨脹土的脹縮性，提高強度，但處理費用高，有些還會對當地的生態環境造成不良影響。所以杜靜、周東等［6］依托南寧－百色高速公路，篩選出能有效改性膨脹土的微生物。張德恒［7］為提高廢棄物的循環利用，將秸稈灰渣加入膨脹土進行改良試驗，研究表明膨脹土的各項脹縮性指標均得到降低。

隨著汽車工業的發展，廢棄輪胎的再利用成為國內外關注的重大課題，不少專家學者開始嘗試利用廢棄輪胎橡膠粉改良普通黏性土和砂土特性的研究，但利用其改性膨脹土［8－9］的研究目前還比較少。本試驗旨在利用橡膠粉進行改性膨脹土的研究。將不同比例和不同目數的廢橡膠粉與膨脹土混合后進行擊實試驗、脹縮性試驗和直接剪切試驗，研究改良后膨脹土性質的變化特征。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自南寧四塘地區，取土深度為0.5～1m，膨脹土土樣顏色呈灰白色，中間夾有紫色，有滑感，其物理性質指標如下：液限ωL＝60.5%，塑限ωP＝29.8%，塑性指數IP＝30.7最優含水率22.4%，比表面積41.096m2／g，自由膨脹率70%，由規范［10］判定為中等膨脹土。

廢橡膠粉從新鄉市某橡膠公司購得，考慮到橡膠粉粒度過粗不易壓實，粒度過細不易拌和且造價高，本試驗選用20目和30目的橡膠粉分別進行試驗。

1.2 土樣制備

根據規范［10］取適量膨脹土，將其烘干碾碎后過2mm篩，把橡膠粉按0%、10%、15%、20%、25%、30%的比例摻入，加水均勻拌和，燜至一晝夜。為著重研究廢棄輪胎橡膠粉對膨脹土工程性質的影響，混合土樣的含水率控制在最優含水率狀態。在拌制過程中發現當20目橡膠粉含量達到30%，30目橡膠粉含量達到25%時試樣難以成型，呈粉碎狀，故舍棄相應比例以上的拌和土。

2 試驗結果及分析

2.1 摻廢舊輪胎橡膠粉對膨脹土物理性質的影響

將拌和好的土樣進行輕型擊實試驗。輕型擊實試驗的單位體積擊實功約為592kJ／m3，擊實試驗分為2組，第一組為20目橡膠粉，其摻入量分別為0%、10%、15%、20%、25%；第二組為30目橡膠粉，摻入量為0%、10%、15%、20%。由圖1可以看出，膨脹土的干密度隨著廢橡膠粉摻入量的增加而減小，當廢橡膠粉的摻量從0%增加到20%，摻20目和30目改性土的最大干密度分別從1.69g／cm3降到1.46g／cm3和1.42g／cm3，摻30目橡膠粉的改性膨脹土干密度下降幅度比20目的大，這是由于橡膠粉的密度比膨脹土密度小，所以隨摻量的增加，改性膨脹土的密度必然下降。而30目的廢橡膠粉的粒度比20目的粒度小，表面積大，拌和時能更好地代替黏土顆粒。

圖1 膨脹土與改性膨脹土的干密度曲線圖

2.2 摻廢舊輪胎橡膠粉對膨脹土強度的影響

根據《土工試驗方法標準》，按照最優含水率，制備摻量分別為0%、10%、15%、20%、25%（僅限20目制備）的改性膨脹土試樣，將制好的土樣放在直剪儀上，在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向應力下，進行直接剪切試驗。以法向應力為橫坐標，剪應力為縱坐標，得到不同廢橡膠粉摻量下抗剪強度曲線圖2、圖3。由圖2和圖3可以看出，摻入廢橡膠粉可以提高膨脹土的抗剪強度，且隨著摻量的增加，抗剪強度不斷提高，當20目的橡膠粉摻量增加到20%，30目橡膠粉摻量增加到15%時，相同豎向應力下的抗剪強度不再增加，這個試驗結果與魏永耀［9］研究的ESR的抗剪強度大致相同。

圖3 抗剪強度與30目橡膠粉摻量關系曲線圖

不同目數和不同比例的橡膠粉加入后，膨脹土的抗剪強度指標有明顯變化，其中內摩擦角φ值明顯提高，摻入20目橡膠粉的增加幅度最大的是摻量為20%，增加量8.98°，摻入30目橡膠粉的增加幅度最大的是摻量也是20%，增加量9.66°，是素土的2倍。這與 Attom，Mousa（2006）［11］在加入輪胎碎片可以提高砂土的抗剪強度的報道中提到的輪胎碎片含量的增加可以提高內摩擦角的研究基本一致。而粘聚力c值略有降低，摻入20目橡膠粉的最大降低幅度為19.2%，摻30目為23.2%。這是由于膨脹土和橡膠粉均為惰性材料，相互間一般不發生化學反應，所以摻量越大，土樣越松散，使得粘聚力降低。

表1 膨脹土及其改性土的強度指標對比表

表2 膨脹土及其改性土的強度指標對比表

2.3 摻橡膠粉對膨脹土脹縮性的影響

根據《土工試驗方法標準》，按照最優含水率，制備摻量分別為0%，10%，15%，20%，25%（僅限20目制備）的膨脹土試樣，進行無荷載膨脹、50 kPa下有荷載膨脹、膨脹力和收縮試驗。由圖4～6可知，摻入橡膠粉后膨脹土的膨脹性指標均隨摻量的增加有明顯降低，當20目的橡膠粉摻量增加到20%，30目橡膠粉摻量增加到15%時，降幅基本不再增加，摻20目橡膠粉的無荷載膨脹率比素膨脹土降低了60.6%，50 kPa下膨脹率降低了70%，膨脹力降低了64.3%。摻30目橡膠粉的無荷載膨脹率比素膨脹土降低了63.3%，50 kPa下膨脹率分別降低了71.9%，膨脹力降低了62%。

由收縮試驗結果（見下頁表3～4）可知，摻入橡膠粉后膨脹土的收縮性得到改善，收縮性指標均有所降低，同素膨脹土相比，摻20目橡膠粉的收縮系數最大降幅為24.4%，摻30目橡膠粉的最大降幅為32.2%；摻20目和30目的線縮率降低百分數為48.6%和57.1%。

圖4 摻30目橡膠粉膨脹土膨脹性試驗結果示意圖

圖5 摻20目橡膠粉膨脹土膨脹性試驗結果示意圖

圖6 膨脹土膨脹力試驗結果示意圖

表3 膨脹土及其改性土的收縮性指標對比表

表4 膨脹土及其改性土的收縮性指標對比表

3 結論

（1）膨脹土的最大干密度隨著廢棄輪胎橡膠粉含量的增加而降低，主要是因為橡膠粉的密度小于膨脹土。

（2）添加廢棄輪胎橡膠粉后，膨脹土的抗剪強度明顯提高，而抗剪強度指標內摩擦角φ值均有提高，最高增加量至116.04%；粘聚力c值略有降低。

（3）添加廢棄輪胎橡膠粉后，土的膨脹率和膨脹力明顯減小，收縮系數、線縮率明顯降低，說明由于橡膠粉對于土粒的包圍作用，阻礙了膨脹土中親水礦物與水分的作用，吸水膨脹能力減弱。

（4）綜合試驗成果，20目橡膠粉的最佳配比為20%，30目橡膠粉為15%。

［1］夏 瓊，楊有海.石灰改良膨脹土填料試驗研究［J］.蘭州交通大學學報，2009，28（4）：30－34.

［2］劉清秉，項 偉，崔德山，等.離子土固化劑改良膨脹土的機理研究［J］.巖土工程學報，2011，33（4）：648－653.

［3］楊 俊，黎新春，張國棟，等，謝支鋼.風化砂不同摻入率對膨脹土特性影響的研究［J］.工業建筑，2013，43（1）：55－60.

［4］汪明武，李 健，徐 鵬，等.膨脹土與石灰改良膨脹土脹縮性的云模型評價［J］.東南大學學報（自然科學版），2014，44（2）：396－400.

［5］張勝軍，何 嬌，趙 峰，等.水泥改性土碾壓控制指標確定方法研究［J］.人民長江，2014，45（21）：4－6.

［6］杜 靜，周 東.微生物改良膨脹土的試驗研究［J］.水利水電技術，2012，43（7）：103－105，87.

［7］張德恒.廢棄秸稈灰渣改良膨脹土的體積變化特征研究［J］.南京工程學院學報（自然科學版），2014，12（2）：39－44.

［8］孫樹林，魏永耀，張 鑫.廢棄輪胎膠粉改良膨脹土的抗剪強度研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（z1）：3070－3075.

［9］魏永耀，孫樹林，鄭華章.膨脹土－膠粉（ESR）強度特性室內試驗研究［J］.工程地質學報.2010，18（4）：543－547.

［10］GB／T50123－1999，土工試驗方法標準［S］.

［11］Attom.Mousa F.The use of shredded waste tires to improve the geotechnical engineering properties of sands［J］.Environmental Geology Journal.Springer.Germany.2006，49（4）.