改性黏土的單軸抗壓特性分析

姜大山

濰坊龍文建設投資股份有限公司，山東 濰坊 261100

隨著全球經濟的快速發展，汽車開始走進千家萬戶，汽車的更新換代導致產生了大量的廢舊輪胎。儲存廢舊輪胎不僅占用大量的土地資源，還容易造成環境污染。例如，經過日曬雨淋，容易滋生蚊蟲、傳播疾病，危及生態環境；廢舊輪胎的大量堆積容易引發火災，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的關注[1]。那些被替代、淘汰或者報廢的輪胎雖然失去了輪胎本身的使用價值，但仍具有較好的抗拉性、彈性和摩阻性[2]。從20 世紀60 年代以來，橡膠材料在巖土工程、結構工程和道路橋梁工程等領域已得到了廣泛的應用，可以用作加筋土材料[3]、輕質混凝土材料[4]以及橋梁隔振材料[5]等。其中，橡膠輕質土工材料不僅能減少廢舊輪胎量，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、回填土工程等應考慮的重要問題。另外，隨著港口和近海建設的迅速發展，大量的海洋吹填淤泥也在不斷產生和增加。吹填淤泥質黏土具有含水率高、顆粒細、強度低且固結困難等劣勢，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題。

為拓寬淤泥質黏土的利用范圍及尋找廢舊輪胎的利用途徑，前期已對橡膠顆粒-黏土的剪切特性、固結特性開展試驗研究。文章主要探討橡膠顆粒摻量對橡膠顆粒-黏土單軸抗壓強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，彌補前期試驗的研究空白，為橡膠顆粒-黏土用作回填材料、道路工程材料、建筑土工構筑物等工程提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設備及試驗材料

單軸抗壓試驗設備采用YYW-2 型應變控制式無側限壓力儀。黏土取自黃海前灣港海域吹填淤泥質黏土，并測得黏土的基本物理參量（見表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%，試驗中忽略橡膠顆粒吸水性對試驗結果的影響。

表1 原狀黏土的物理參量

1.2 制備試樣

首先，根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）[6]對橡膠顆粒-黏土進行標準輕型壓實試驗，測得純黏土、橡膠顆粒-黏土的最大干密度和最優含水率（見表2）。由表2 可知，試樣的最大干密度與最優含水率均隨橡膠顆粒摻量的增加而減小，且當橡膠顆粒摻量大于15%后，最優含水率減小趨勢減弱。

然后，根據表2 中的最優含水率來調配重塑試樣，具體步驟如下：（1）將原狀黏土烘干、碾碎，過篩（篩孔為0.1mm）。（2）稱取定量過篩土及橡膠顆粒，并按最優含水率計算用水量；分層灑水、充分攪拌，用保鮮膜密封土樣保存3h。（3）將調配好的土樣在擊實器內分4 層進行擊實，每層擊打23 次。（4）將試樣上下表面抹平，放入飽和器中，在真空缸內抽氣飽和4h 后，然后水中靜置12h，使試樣充分飽和。

1.3 試驗步驟

取出飽和試樣，用濾紙將試樣外圍水分輕輕擦凈，并用游標卡尺測量試樣的高度及側面、上下兩面的直徑。由于天氣干燥，為防止水分蒸發，測量結束后需在試樣的側面、上下兩面涂抹薄層凡士林。然后將試樣放到試驗設備的底座上，轉動手輪使底座上的試樣緩緩上升到剛好接觸到加載板后；開啟電機使底座以2.4mm/min 的速度上升，每隔5s 記錄一次試驗數據，但考慮存在時間誤差，試驗中使用錄像機將整個試驗過程中軸向位移表、壓力表的數值變化，以及試樣變形的過程拍攝下來；再通過電腦視頻回放，精確讀取試驗數據。

表2 輕型壓實試驗結果

圖2 試驗前后試樣的形態

2 試驗結果及分析

試樣的軸向應力-應變關系曲線見圖1。由圖1 可知，純黏土、10%～50%橡膠顆粒摻量黏土的軸向應力均隨軸向應變的增加而增大，呈現應變硬化特性；試樣的抗壓強度隨廢舊輪胎橡膠顆粒摻量的增加而逐漸減小。

圖1 應力-應變關系曲線

通過比較試驗前后橡膠顆粒-黏土的破壞形態（見圖2），發現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，試樣的軸向應變和橫向應變最大，這是由于橡膠顆粒-黏土的內黏聚力隨橡膠顆粒摻量的增加而減小，試樣脆性特征越來越明顯。

3 橡膠顆粒-黏土的固化特性

為提高橡膠顆粒-黏土的單軸抗壓強度，將水泥、橡膠顆粒和黏土混合，對改性黏土進行固化。其中，水泥為普通硅酸鹽水泥，摻量分別為5%、10%和15%，此時橡膠顆粒摻量為30%。試樣脫模后在養護箱中養護7d，采用上述相同試驗方法測得橡膠顆粒-水泥-黏土的單軸抗壓強度。

結果表明：隨水泥摻量的增大，改性黏土的抗壓強度逐漸增大。與純黏土相比，當水泥摻量為5%～15%時，改性黏土的抗壓強度分別提高了10%、20%和38%。另外，單軸壓力下橡膠顆粒-水泥-黏土的破壞形態呈現剪切破壞形式（見圖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

4 結論

（1）與純黏土相比，橡膠顆粒-黏土的單軸抗壓強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度顯著提高。

（2）單軸壓縮過程中，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，即呈現脆性破壞。