橡膠砂復合土的抗剪性能試驗研究

2020-05-19 09:15:26王國忠胡江三

科學技術創新 2020年11期

王國忠張巖胡江三

（內蒙古農業大學能源與交通工程學院，內蒙古呼和浩特010000）

隨著社會飛速發展，廢舊輪胎回收再利用是目前需解決的問題。內蒙古部分地區處于沙漠環境，風積沙資源豐富，將輪胎碎片摻入砂土中作為填料，形成的橡膠砂不僅能改善砂土的力學性能，提高路基的穩定性，還能消耗大量廢舊輪胎，解決運輸問題并節省資金消耗。

圖1 級配曲線

目前，國內外學者針對橡膠砂復合土的力學性能主要做了以下研究。張永富等[1-2]在3 種不同初始狀態下對橡膠砂進行直剪試驗，發現橡膠顆粒質量在0～30%時可改善抗剪強度特性，內摩擦角在10%出現峰值，粘聚力的最大值在20%附近。董超等[3-4]等研究不同橡膠顆粒摻量和粒徑對細海砂及中粗砂抗剪強度的影響，發現橡膠顆粒摻量小于20%時的抗剪強度隨摻量的增加而減小，2～4mm 粒徑的橡膠顆粒可顯著提高砂土的抗剪強度。Yang 和Robert A.Lohnes[5]對2～10mm 的輪胎碎片進行直剪試驗，得到正應力與直剪強度、圍壓的經驗關系。Zornberg和Cabral[6]等對橡膠砂混合土中橡膠細粒含量、橡膠細粒尺寸和長寬比進行了直剪試驗，發現橡膠最佳顆粒含量為35%，增加細粒長寬比可提高抗剪強度。Aminaton Marto 等[7]探討不同摻量橡膠砂的抗剪強度特性，考慮砂與輪胎碎片混合不同的重量百分比，分析不同參數對內摩擦角的影響。Cabalar[8]研究橡膠顆粒以5%、10%、20%、50%的比例混合對細砂和粗砂抗剪強度的影響，發現隨橡膠顆粒摻量增大，抗剪強度及內摩擦角略有降低。

本文以橡膠砂復合土為研究對象，通過對橡膠顆粒不同摻量和不同粒徑選取，進行直剪試驗，獲得不同狀態下橡膠砂復合土的剪應力- 剪切位移關系曲線，分析其影響因素抗剪強度指標粘聚力c 和內摩擦角φ。

1 試驗方法及數據

1.1 試驗材料的基本性質

采用廢舊橡膠輪胎磨碎制成的橡膠顆粒，粒徑為1.18，2.36，4.75mm，密度分別是1.279g/cm3，1.258g/cm3，1.247g/cm3；砂土為內蒙古鄂爾多斯庫布齊沙漠的風積沙，其基本的物理量：不均勻系數為1.77，曲率系數為0.74，顆粒比重為2.64，粒徑分布范圍0.7～2.3mm。級配曲線如圖1。

1.2 試驗方法

實驗儀器為ZJ 型應變控制式直剪儀。選取3 種不同粒徑的橡膠顆粒進行擊實，橡膠和砂的配比用等體積法確定，擊實5層，每層27 次確定不同橡膠摻量（0、10%、20%、30%、40%、50%）的橡膠砂復合土的最大干密度和最佳含水率進行直剪試驗，剪切速率為0.8mm/min，施加的法向應力為50、100、200、300、400kPa，在3～5min 內剪損，每隔一定時間測百分表讀數，直至剪損。

圖2 剪切位移與剪應力關系曲線

圖3 橡膠摻量與抗剪強度曲線

2 直剪試驗結果及分析

2.1 剪位移- 剪應力、橡膠摻量- 抗剪強度關系

通過試驗對1.18mm、2.36mm、4.75mm 橡膠顆粒不同摻量（10%、20%、30%、40%、50%）繪制剪應力- 剪位移曲線，以1.18mm 為例如圖2。上述圖可從兩方面考慮：a.相同橡膠顆粒尺寸不同摻量橡膠砂復合土剪切位移與剪應力的關系。圖2 可知在不同豎向壓力范圍內，剪應力隨著剪切位移的增而增大，這與純砂在剪切過程中應力與應變的性質一樣，呈現硬化型趨勢。從圖3 前三幅圖發現在相同豎向壓力的條件下，橡膠顆粒摻量增加時抗剪強度基本都優于純砂的抗剪強度，說明摻橡膠顆?？梢圆煌潭忍岣呱巴恋目辜魪姸?。b.不同橡膠顆粒尺寸的橡膠砂復合土橡膠顆粒摻量與抗剪強度的關系。為對比3 種粒徑，圖3 末圖中的實線、點線、劃線分別表示1.18、2.36、4.75mm 橡膠砂的抗剪強度，可以看出不同豎向壓力下每種粒徑的橡膠砂復合土的抗剪強度趨勢，1.18mm 明顯高于其余兩種粒徑的抗剪強度，當摻量增加到40%以上，1.18mm 的抗剪強度逐漸呈下降趨勢，故綜合考慮橡膠砂復合土的最佳粒徑應為1.18mm。

2.2 內摩擦角及粘聚力

通過豎向壓力與抗剪強度曲線，擬合后根據曲線得出內摩擦角φ 和粘聚力c 指標，如圖4、5。

圖4 可以看出φ 的變化趨勢，1.18mm 和2.36mm 橡膠砂的φ 都在橡膠摻量為40%時最大，4.75mm 的則為50%摻量最佳，φ 愈大則抗剪強度愈高，故綜合考慮3 種粒徑橡膠砂復合土的最佳摻量應在40%～50%范圍之間可以提高抗剪強度。

這個趨勢是由于顆粒間的接觸力作用所導致，如摩擦力、嵌瑣力。嵌瑣和摩擦力共同作用形成內摩阻力，砂類土的抗剪強度主要依據內摩擦角來確定，而粘聚力的作用不是很明顯，這是因為粘聚力主要是靠土顆粒之間存在的分子力作用的，而風積沙是無粘性土，故風積沙之間不存在粘結性，只是與自由水的水膜產生了粘結作用，是一種“假”粘聚力。摻入橡膠后砂與砂接觸較少，致使摩擦力、嵌瑣力變大，因此抗剪強度性能提高，內摩擦角變大。