三趾馬黏土強度對膠粒徑級和含量的響應

趙勝

(內蒙古路橋有限責任公司第五工程處，呼和浩特 010050)

三趾馬黏土強度對膠粒徑級和含量的響應

趙勝

(內蒙古路橋有限責任公司第五工程處，呼和浩特 010050)

三趾馬黏土具有特殊的持水性質，易引發多種工程問題。為了解決三趾馬黏土填筑路基時產生的多種工程問題，進一步確定對其進行改良的適宜膠粒含量，采用不固結不排水三軸壓縮試驗對摻入膠粒徑級(4、8、10、12、14目)、膠粒含量(2%、4%、6%、8%、10%、12%)的三趾馬黏土以及素三趾馬黏土的強度進行檢測。結果表明：三趾馬黏土的黏聚力在膠粒含量為2%時達到最大值，當超過2%時，膠粒含量越大粘聚力越小，且不同膠粒徑級下膠粒含量對黏聚力的影響趨勢具有一致性。當膠粒含量為4%時，摻入4目膠粒的三趾馬黏土內摩擦角達到最大值，其它粒徑的內摩擦角在膠粒含量為6%時達到最大值。從而得出對三趾馬黏土進行改良的適宜的膠粒含量為2%的結論。該研究為廢棄輪胎在工程領域的再利用和三趾馬黏土路基填料穩定性的提高提供了良好的參考。

三趾馬黏土；膠粒；徑級；含量；強度

0 引言

三趾馬黏土是一種呈褐黃色、棕紅色或褐紅色的黏性土，是碳酸巖經過化學風化、物理風化及紅土化等作用的產物[1-2]。由于其高塑性指數、高液限、高含水率等特征，作為筑路材料使用時，易使路基產生強度不穩、沉降不均，壓實困難等一系列工程問題[3-5]。在我國大部分地區尤其是西南地區都有大量的三趾馬黏土分布，在該類地區修建道路時必須對其問題進行處理。目前，國內外常采用的改善方式是摻加水泥、石灰、煤矸石和砂等方法[6-10]。

在中國，隨著汽車的普及，廢舊輪胎數量以每年12%的速度在增加，如果處置不當，將對環境構成嚴重污染。將廢舊輪胎粉碎成膠粒作為路用材料使用，在大量消耗廢舊輪胎的同時，又可改善道路的路用性能[11]。目前，國內外在應用膠粒改善膨脹土性能方面取得了較大的突破[12-16]。而三趾馬黏土與膨脹土的成分、性質具有較多的相似之處[17]。基于此，本文通過三軸壓縮試驗來研究膠粒對三趾馬黏土抗剪強度的影響，探索膠粒徑級和含量對三趾馬黏土抗剪強度的響應性，從而為三趾馬黏土的工程應用提供一種有效途徑。

1 原材料檢測

依據公路土工試驗規程對三趾馬黏土和膠粒的性質進行了檢測，結果見表1。

表1 三趾馬黏土檢測指標

膠粒源自于汽車廢舊輪胎胎側橡膠，常溫粉碎加工而成，呈黑色不規則幾何形狀，根據文獻[18]測定不同粒徑的膠粒技術指標見表2。

表2 膠粒檢測指標Tab.2 Test index of rubber particle/(°)

2 試驗設計

大粒徑膠粒具有更為顯著的阻尼和彈性效果[11]，更適用于土的改良，研究選用4、8、10、12、14目5種較大粒徑的膠粒。在使用膠粒改善土性質的相關研究結果中，膠粒的最佳摻量主要集中在2%～12%[12-17]，本文按用量的2%、4%、6%、8%、10%、12%在三趾馬黏土中外摻膠粒，為加以對比，同時對素三趾馬黏土進行試驗。

試驗試件按如下過程制備：將土樣烘干、碾碎、過篩按上述6種膠粒含量分別進行拌合。攪拌均勻后，再加水配制至三趾馬黏土最佳含水率，在保濕器中靜置24 h。按照標準擊實方法，制成6組高140 mm、直徑為70 mm的試樣，每組各2個，試件的壓實度統一控制為95%，密封保存24 h 后，進行三軸試驗。為避免水分流失，將各個試樣均用塑料薄膜密封好后再置于養護箱(溫度為(20±1)℃，相對濕度為(96±2)%)內養護7d。采用剪切速率為4.5 mm/min的不固結不排水剪切試驗進行三軸剪切試驗。

3 三軸試驗結果及分析

3.1 三軸壓縮試驗結果

按《公路土工試驗規程》JTG E40-2007，分別對素三趾馬黏土和不同膠粒徑級和含量下的三趾馬黏土進行試驗，每組試件每個初始圍壓條件下的結果取兩次平行試驗的中值，以素三趾馬黏土和膠粒徑級4目的三趾馬黏土為例，強度包線如圖1和圖2所示。全部試驗結果見表3。

圖1 素三趾馬黏土的強度包線Fig.1 Strength envelope of normal Hipparion clay

(a)膠粒含量2%

(b)膠粒含量為4%

(c)膠粒含量為6%

(d)膠粒含量為8%

(e)膠粒含量為10%

(f)膠粒含量為12%圖2 4目膠粒下三趾馬黏土的抗剪強度線Fig.2 Shear strength line of Hipparion clay with 4 orders rubber particle

膠粒徑級/目抗剪強度指標不同膠粒含量/%02468104c/kPa1635411241035448φ/o1291432752602331866c/kPa1635131361237668φ/o1291352062302151768c/kPa1635131361237668φ/o12913520623021517610c/kPa1635361541346864φ/o12913219824120416512c/kPa1634861461247861φ/o12911420422719815114c/kPa1634731671499671φ/o129104228235186147

2.3 試驗結果分析

對試驗結果表3進行分析和處理，得出不同膠粒含量、不同膠粒粒徑下三趾馬黏土的抗剪強度指標黏聚力c和摩擦角φ，如圖3和圖4所示。

由圖3可知，素土的黏聚力為16.6 kPa，摻入2%的不同粒徑的膠粒后，黏聚力的最小值(膠粒粒徑為14目時)為47.3 kPa，也提高了近20%。當膠粒含量從2%增加到4%時，黏聚力又迅速下降，甚至低于未摻加膠粒的素三趾馬黏土的粘聚力，且隨著膠粒含量的繼續增加，黏聚力呈現更為明顯的下降趨勢，膠粒粒徑偏大的，粘聚力下降的偏快。土的黏聚力主要取決于土中礦物成分、黏粒含量、含水量以及土的結構[10，13-18]，在最佳含水率下的三趾馬黏土中摻加少量的膠粒雖然在一定程度上減少了土中黏性礦物含量，但增強了土的結構性，從而增大黏聚力。當膠粒含量過多時，土中黏性礦物的對黏聚力削弱作用大于土的結構性的增強作用，從而黏聚力減小。由于膠粒摻量較少，不同目數的膠粒在相同摻量條件下，其黏聚力大小及變化趨勢幾乎相同。

圖4 膠粒含量與摩擦角的關系Fig.4 Relationship of crumb rubber content and the friction angle

從圖4可知，素土的內摩擦角為13.1°，在三趾馬黏土里摻入2%含量的膠粒，膠粒粒徑較大時，內摩擦角幾乎未變，膠粒粒徑較小時，內摩擦角變化幅度稍明顯。當膠粒含量增加到4%時，所有三趾馬黏土的內摩擦角都得到大幅度的提高。當膠粒含量增加到6%時，除摻4目膠粒三趾馬黏土的內摩擦角少量下降外，其它的內摩擦角繼續提高。隨著膠粒含量的進一步增加，內摩擦角呈現持續下降趨勢。土的內摩擦角主要取決于土的密實度、土粒形狀以及表面粗糙程度等[10，13-18]，在三趾馬黏土摻入少量不規則形狀和柔性的膠粒，在受壓時相對增加了顆粒間的接觸面積，從而提高了土體內部顆粒間相對滑動時的阻力；當膠粒含量較大時，由于膠粒的高彈性、大阻尼特點，土體的密實度受到抑制而減小，土樣反而變得相對松散，減小了土粒間的接觸面，從而降低了內摩擦角。當膠粒摻量大于6%時，膠粒粒徑越大，膠粒的高彈性、大阻尼特點越明顯，三趾馬黏土的內摩擦角越小。

圖5 100kPa圍壓下抗剪強度與膠粒含量的關系Fig.5 Nexus of shear strength curve and rubber particles content for 100kPa confining pressure

圖6 150kPa圍壓下抗剪強度與膠粒含量的關系Fig.6 Nexus of shear strength curve and rubber particles content for 150kPa confining pressure

圖7 200kPa圍壓下抗剪強度與膠粒含量的關系Fig.7 Nexus of shear strength curve and rubber particles content for 200kPa confining pressure

依據摩爾-庫侖強度理論，對100、150、200kPa三個不同圍壓下不同膠粒粒徑和含量時三趾馬黏土的抗剪強度進行計算，結果如圖5～圖7所示。

隨著膠粒含量的增加，三趾馬黏土的抗剪強度在3組圍壓下均呈現先增大后減小的規律。在相同含量膠粒下，圍壓越大抗剪強度越大。膠粒含量在2%時，三趾馬黏土具有最大的粘聚力。當膠粒含量在4%～8%之間時，三趾馬黏土的內摩擦角具有明顯的提高。在三個圍壓下，膠粒含量在2%～8%之間時，三趾馬黏土的抗剪強度均能得到有效改變，尤其是4目膠粒含量下，這種現象更為明顯。通過比較可以發現，不同圍壓下，抗剪強度的變化與內摩擦角的變化具有較大的相似性。雖然內摩擦角在土的抗剪強度計算過程中需做正切變化，本身很小，但其是以數值較大的主應力作為系數的，所以，其對抗剪強度的影響并不弱于黏聚力。當膠粒摻量過大時，膠粒的高彈性、大阻尼特性使三趾馬黏土呈現出“彈簧”現象，難于壓實，結構性變弱，其黏聚強度和摩擦強度甚至不如素土。因此，在應用膠粒對三趾馬黏土進行改良時，膠粒的含量不應過大，2%較為適宜。

3 結論

(1)當膠粒含量為2%時，三趾馬黏土的黏聚力達到最大值。隨著膠粒含量的繼續增加，黏聚力呈現下降趨勢，膠粒粒徑偏大的，黏聚力下降的偏快。

(2)在三趾馬黏土里摻入2%含量的膠粒時，其內摩擦角變化不大。當膠粒含量增加到4%時，內摩擦角普遍得到提高。當膠粒含量增加到6%時，除摻4目膠粒三趾馬黏土的內摩擦角少量下降外，其它的內摩擦角繼續提高。隨著膠粒含量的進一步增加，內摩擦角呈現持續下降趨勢。

(3)應用膠粒對三趾馬黏土進行改良時，膠粒的適宜含量為2%。內摩擦角對膠粒三趾馬黏土的影響不弱于黏聚力。

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TheResponseofHipparionClayStrengthtoRubberParticleSizeandContent

Zhao Sheng

(The Fifth Engineering Office of Inner Mongolia Road and Bridge Limited Company，Hohhot 010050)

The hipparion clay has special water-holding properties，which can cause many kinds of engineering problems.In order to solve the problems of various engineering problems arising from the roadbed construction by the hipparion clay and determine the optimum of colloidal content.Unconsolidated and undrained triaxial compression test was applied to strength test for adding rubber particle size(4 orders to14 orders)，rubber particle content(2% to 8%)of the hipparion clay and normal hipparion clay.The results showed that the hipparion clay cohesive force reached the maximum when rubber particle content is 2%.When content is more than 2%，the smaller the content，the greater the cohesive force.The influence trend of rubber particles content on the cohesive force is consistent for different rubber particle size.When rubber particle content is 4%，mixed with 4 orders rubber particles，hipparion clay reaches maximum of internal friction angle.Mixed with other rubber particles size，internal friction angle of hipparion clay peaked in the rubber particle content is 6%.The suitable rubber particle content of hipparion clay was 2%.It provided a good reference for the waste tyres recycling in the field of engineering and hipparion clay subgrade filling stability.

hipparion clay；rubber particle；size；content；strength

U 416.218

：B

：1001-005X(2017)05-0104-04

趙勝，高級工程師。研究方向：道路工程。

2017-04-13

內蒙古農業大學博士啟動基金項目(BJ09-30)

趙勝.三趾馬黏土強度對膠粒徑級和含量的響應[J].森林工程，2017，33(5)：104-107.