橡膠混合土路用性能研究

顧建波 周恩全 姚緣

摘要 為了研究橡膠混合土作為路基填料的可行性，文章以橡膠混合土為研究對象，開展了一系列加州承載比（CBR）、壓縮及直接剪切試驗，分析了橡膠摻量（0%、5%、10%、15%）及橡膠粒徑（1～5 mm、0.25～0.5 mm、0.1～0.25 mm）的影響。試驗結果表明：橡膠粒徑相同時，混合土的CBR隨著橡膠摻量的增加，呈現先上升后下降的趨勢，在5%橡膠摻量時CBR達到峰值；橡膠摻量一定時，橡膠粒徑越大，混合土的CBR更高，橡膠粒徑為1～5 mm且橡膠摻量為5%時混合土的CBR相比純土提升約104%。隨橡膠摻量的增加，混合土的彈性應變、塑性應變及壓縮系數均顯著增大，表明混合土的可變形能力逐漸增大。隨著橡膠摻量增加，混合土的抗剪強度、內摩擦角、黏聚力均呈現增大的趨勢，表現出顯著的剪切硬化特性。研究結果可為橡膠混合土在道路工程中的應用提供技術指導。

關鍵詞 橡膠混合土；加州承載比；壓縮；抗剪強度

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0111-03

0 引言

隨著交通業的不斷發展，中國廢舊輪胎產生量以6%～8%的速度逐年遞增^[1]，盡管每年廢舊輪胎回收率有所提升，但基本在50%以下。將廢舊輪胎以塊、條、顆粒等形式用于土體處理，作為路基填料等工程材料使用，是目前公認處理廢舊輪胎最有前途的措施之一。Sivapriya等^[2]研究發現，橡膠摻量15%之前，混合土CBR有所增加，超過此值混合土CBR下降。王瓊^[3]研究發現，橡膠砂的壓縮變形明顯高于純砂。張巖^[4]試驗發現，隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠砂復合土的抗剪強度呈現先增大后減小的趨勢。Akbarimehr等^[5]研究表明，使用10%的橡膠粉略微提高了混合土的強度，但超過該值后強度有所降低。

該文重點關注橡膠摻量、橡膠粒徑對橡膠混合土的CBR、壓縮特性及剪切特性的影響，為橡膠混合土在道路工程中的應用提供了技術支持。

1 試驗概況

試驗所用黏土塑限為21.6%、液限為40.1%，塑性指數為18.5。試驗所用橡膠均由廢舊汽車輪胎經過機械切割、破碎并抽去鋼絞線所得，所用橡膠顆粒分別為R1顆粒（粒徑1～5 mm）、R0.25顆粒（粒徑0.25～0.5 mm）和R0.1顆粒（粒徑0.1～0.25 mm）。黏土及R1顆粒、R0.25顆粒、R0.1顆粒的均值粒徑分別為0.02、3.01、0.36、0.16，不均勻系數分別為8.33、1.66、1.41、1.60，曲率系數分別為1.61、0.91、0.94、0.92。

下列試驗均依據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）開展。

采用重型擊實法制樣，測定橡膠混合土浸水4 d后的CBR值，考慮橡膠粒徑及橡膠摻量的影響，橡膠顆粒體積摻量C_R選為0%、5%、10%、15%共4組，橡膠粒徑選擇1～5 mm、0.25～0.5 mm、0.1～0.25 mm共三類。

壓縮試驗考慮橡膠摻量的影響，橡膠顆粒體積摻量C_R選為0%、5%、10%、15%共4組，橡膠粒徑為1～5 mm，試樣尺寸為直徑61.8 mm，高度20 mm。所加豎向荷載依次為12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、200 kPa、100 kPa、50 kPa、25 kPa、12.5 kPa、0 kPa，每級荷載加載時間為24 h。

不固結快剪試驗考慮橡膠摻量的影響，橡膠顆粒體積摻量C_R選為0%、5%、10%、15%共4組，橡膠粒徑為1～5 mm，試樣尺寸直徑為61.8 mm，高度為20 mm。測定試樣在不同豎向應力下（100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa）的抗剪強度，剪切速率為0.8 mm/min。

2 CBR試驗結果

如圖1所示，為不同摻量及粒徑下橡膠混合土CBR變化規律，可以發現：

（1）當橡膠粒徑一定時，隨橡膠摻量的增加，CBR先增大后減小，5%橡膠摻量下的CBR數值最大；超過5%橡膠摻量后，黏土中摻入越多的橡膠，由于其高回彈變形性，混合土越容易被壓縮，導致CBR數值減小。

（2）同一橡膠摻量下，CBR隨著橡膠粒徑的減小而降低。

（3）總體來說，在該文試驗條件下橡膠粒徑為1～

5 mm且橡膠摻量為5%的混合土CBR數值最大，相比純土的CBR提升約104%。

當摻入土中的橡膠粒徑為1～5 mm，橡膠摻量為5%、10%、15%時，混合土CBR值均大于4，滿足各等級公路路堤的要求，因此該文僅研究摻入1～5 mm橡膠顆粒的混合土的壓縮和抗剪特性。

3 壓縮試驗結果

如圖2所示，圖2（a）中給出了不同橡膠摻量下混合土加載—卸載后的豎向總應變、塑性應變和彈性應變的變化規律，其中“總應變”由“塑性應變”和“彈性應變”這兩部分組成，橡膠摻量越大，混合土的總應變、塑性應變、彈性應變均增大，且彈性應變總是小于塑性應變。雖然在黏土中加入橡膠顆粒后，提升了混合土的回彈性能，但始終是塑性應變占主導地位。

橡膠摻量對橡膠混合土壓縮系數的影響見圖2（b）：試樣的壓縮系數均隨著豎向應力的增加而下降，且下降速率逐漸變緩慢。橡膠摻量從0%增至15%，混合土壓縮系數隨之增加。摻量15%的混合土在0～12.5 kPa豎向應力范圍內的壓縮系數是純黏土的4.5倍，特別需要說明的是所有試樣從100 kPa加載至200 kPa的壓縮系數均處于0.1～0.5 MPa^?1之間，屬于中壓縮性土。

4 直剪試驗結果

不同橡膠摻量下混合土的剪應力與剪切位移關系曲線如圖3所示。可見：純土的剪應力—水平位移曲線有出現明顯下降段或者穩定段，應取峰值點為其抗剪切強度值；混合土（C_R=5%、C_R=10%、C_R=15%）出現應力—應變硬化現象，即剪應力—水平位移曲線一直呈增長趨勢，此情況下應取4 mm剪切位移所對應的剪應力值為試樣的抗剪強度值。

根據圖3可進一步得到混合土在橡膠摻量0%、5%、10%、15%下的抗剪強度值與抗剪強度指標，如表1所示。可見，隨著橡膠摻量從0%增加到15%，混合土的抗剪強度及內摩擦角、黏聚力數值均呈現增大的趨勢。橡膠摻量從0%增加到15%，橡膠混合土的黏聚力和內摩擦角分別提升20.4%和19.1%。

5 結論

該文以橡膠混合土為研究對象，對CBR特性、壓縮特性及直接剪切特性進行了研究，主要結論如下：

（1）混合土的CBR隨著橡膠摻量的增加，呈現先上升后下降的趨勢，5%橡膠摻量下混合土的CBR值最大。混合土的CBR隨著橡膠粒徑的增大而增大，當摻入土中的橡膠粒徑為1～5 mm，橡膠摻量為5%、10%、15%時，混合土CBR值均大于4，滿足各等級公路路堤的要求。

（2）隨著橡膠摻量從0%增加到15%，混合土的壓縮量與回彈量逐漸增大，其壓縮變形越明顯，壓縮系數也更大，表明橡膠摻量越大，混合土的可變形能力越大。

（3）隨著橡膠摻量從0%增加到15%，混合土的抗剪強度逐漸增大，黏聚力和內摩擦角分別提升20.4%和19.1%。

參考文獻

[1]2022—2026年中國輪胎翻新行業預測分析[J]. 中國輪胎資源綜合利用， 2022（5）： 18-19.

[2]Sivapriya S V， Charumathy N. Effect of crumb rubber on inorganic and high compressible clay[J]. Lecture Notes in Mechanical Engineering， 2019： 67-73.

[3]王瓊. 橡膠砂動力特性試驗研究[D]. 鎮江：江蘇大學， 2019.

[4]張巖. 橡膠砂復合土特征性參數本構模型研究[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學， 2021.

[5]D Akbarimehr， Eslami A， Aflaki E. Geotechnical behavior of clay soil mixed with rubber waste[J]. Journal of Cleaner Production， 2020， 271： 122-136.

收稿日期：2023-12-15

作者簡介：顧建波（1979—），男，本科，高級工程師，研究方向：高等級公路建設管理。

基金項目：南京市交通運輸科技項目“近零碳公路示范工程關鍵技術研究（2022）”。