废旧轮胎颗粒水泥混合土三轴试验研究

李丽华，马 强，王翠英，陈 辉，杨 超，刘 毅

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068)

0 引言

随着国内外汽车工业的篷勃发展，废旧轮胎产量逐年增加，废旧轮胎具有耐高温，难降解，耐机械性能等性能，如果不合理处理，不仅占用大量土地资源，而且对环境会造成严重污染，如滋生病菌，引发火灾，对地表和地下水造成污染，威胁人类健康等．

如果对废旧轮胎加以合理利用，将会成为一种宝贵的资源．目前对废旧轮胎的回收利用主要有如下几种［1］:①原形利用，如将轮胎绑于轮船两侧用于防撞、用于江河两岸防洪护堤等．②旧胎翻新，旧胎翻新的成本只有生产新胎成本的1/3，而翻新胎的使用寿命远大于新胎的1/2，具有很高的经济价值．③再生胶，废胎经过粉碎、加热、机械处理等物理化学过程，可以制造品种繁多的再生胶制品．④热能利用，废旧轮胎是一种很好的燃料，广泛用于水泥厂、发电厂、造纸厂、钢铁厂和冶炼厂中．⑤热分解，将废旧轮胎进行热分解，可以提炼出可燃气体、燃油、碳粉等工业产品．⑥机械加工利用法，如将橡胶轮胎磨成橡胶粉用于沥青混凝土，可以起到减震降噪的作用．将轮胎切割粉碎成轮胎碎片混合砂土用于填料． 磨成橡胶颗粒与水泥土混合用于防渗等．

废旧轮胎应用前景广阔，国内外较多学者开展了相关研究．邓安等［2-3］主要研究了橡胶轮胎颗粒混合砂土的土工性能;李朝晖等［4］主要研究橡胶轮胎颗粒混合黄土的土工特性;辛凌等［5-6］等主要研究橡胶轮胎颗粒混合黏土的特性;张余［7］则对废旧轮胎应用于浮式防波堤方面进行了模型试验．

目前，国内外学者的研究大多集中在废胎碎片(颗粒)混合黏土(砂土)应用方面，而对于废旧轮胎颗粒水泥混合土的研究还没有广泛开展． 废旧轮胎颗粒水泥黏土具有较高的强度和韧性，较低的渗透性，可用于护岸护坡的涂层材料以减小裂缝和变形［8］．

笔者对废旧轮胎颗粒、水泥、黏土混合土试样进行了固结不排水三轴试验研究，主要探讨了水泥含量一定的情况下，混合土的强度特性以及废旧轮胎颗粒含量对混合土强度和变形的影响．

1 试验

1．1 试验材料

废旧橡胶轮胎颗粒(Rubber Chips，简称R):将废旧轮胎进行机械研磨，经过筛，取直径＜1 mm 的颗粒．

黏土(Clay，简称S):取自武汉南湖板桥村1．5 ～3 m 深的低液限黏土，此土为工程弃土． 天然含水率ω= 45．6%，土粒比重Gs=2．68，天然孔隙比e=1．578，天然密度ρ =1．59 g/cm3，液限ωL= 41．9%，塑限ωp=25．1%．

普通硅酸盐水泥(Cement，简称C)．

水(Water，简称W):取自来水．

1．2 试样配比方案

保持水泥的含量不变，变换黏土和橡胶颗粒的质量比例，主要探讨轮胎颗粒含量对废旧轮胎颗粒、水泥、黏土混合土强度和变形的影响．混合土中轮胎颗粒的含量质量比(mR/(mS+mR))分别为0%、10%、20%、30%，保持水泥含量(mc/(mS+mR))为0．5%，含水量(mw/(mS+mR))为25%．

1．3 试样制备

将天然黏土在烘箱中烘烤8 h，进行研磨，过2 mm 筛，将混合土中各种原料按照试样配比方案分别称量烘干后黏土，橡胶颗粒，水泥，水，进行搅拌，按照分层压实的方法压入高125 mm，直径为61．8 mm 的模具内，后经真空抽气饱和法进行饱和，制样如图1 和2 所示．同一配比试样取3 个样，在不同的围压σ3(50，100，200 kPa)作用下进行试验，得到极限应力圆，绘该土样的抗剪强度包线．

图1 制样Fig．1 Sample preparation

图2 压缩后的试样图Fig．2 Compression sample

1．4 试验结果

不同轮胎橡胶颗粒含量偏应力Δσ(Δσ =σ1-σ3)与轴向应变ε1关系分别如图3 所示． 同一配比试样随着围压的增大，应力应变曲线越来越陡，轴向极限应力逐渐增大．

图3 偏应力与轴应变关系Fig．3 Deviatoric stress and axial strain relations

同一配比试样，分别在3 个不同围压下，试样承受的轴向极限应力表1．

不同围压下，轴向极限偏应力Δσ1f与橡胶颗粒含量的关系如图4．由表1、图4 可知，同一围压下，轴向极限偏应力Δσ1f随着橡胶颗粒含量的增加先增大而后减小，当橡胶颗粒含量达到20%左右时，轴向极限偏应力Δσ1f最大． 当橡胶颗粒含量＜10%时，轴向极限偏应力缓慢增加，但不明显，当橡胶颗粒含量＞10%时，轴向极限偏应力先增加后减小，变化明显．同一配比试样下，轴向极限偏应力随着围压的增加而增大．

表1 不同围压下试样承受的轴向极限偏应力Tab.1 Axial limit deviatoric stress at different confining pressure

图4 轴向极限偏应力与橡胶颗粒含量关系Fig．4 Axial limit deviatoric stress and tire content relations

由摩尔圆可知混合土黏聚力与内摩擦角如表2．

表2 不同橡胶含量下试样黏聚力和内摩擦角Tab.2 Cohesion and internal friction angle at different tire content

通过抗剪强度公式绘制如图5 所示．

τf=c+σ tanφ．

式中:τf为土的抗剪强度，kPa;σ 为剪切滑动面上的法向应力，kPa;c 为土的黏聚力，kPa;φ 为土的内摩擦角，(°)．

由表2、图5 知，随着橡胶颗粒含量的提高，黏聚力先增大后减小，内摩擦角先增大后减小又出现反弹，变化不规律．黏土中掺入适量的橡胶颗粒，在少量水泥的胶结下，提高了橡胶颗粒水泥混合土的黏聚力，提高了混合土的抗剪强度．

图5 τf 与σ 关系图Fig．5 The relation of τf and σ

2 结 论

(1)同一围压下，轴向极限偏应力随轮胎颗粒含量的增加先增大而后减小，当橡胶颗粒含量达到20%左右时，轴向极限偏应力最大．

(2)当轮胎颗粒含量小于10%时，轴向极限偏应力缓慢增加，但不明显，当橡胶颗粒含量大于10%时，轴向极限偏应力先增加后减小，变化明显．同一配比试样下，轴向极限偏应力随着围压的增加而增大．

(3)随着橡胶颗粒含量的提高，黏聚力先增大后减小，内摩擦角先增大后减小又出现反弹．掺入一定比例的废旧橡胶轮胎颗粒，能够提高轻质混合土的抗剪强度，当橡胶轮胎颗粒含量为20%左右时，黏聚力最大，强度达到最大．

［1］ 陈辉． 废旧轮胎碎片混合土土工特性研究［D］． 武汉:湖北工业大学土木工程与建筑学院，2013．

［2］ 邓安，冯金荣． 掺入轮胎橡胶颗粒对砂土剪切性状的影响［J］． 解放军理工大学学报:自然科学版，2009，10(5):483 -487．

［3］ 邓安，冯金荣．砂_轮胎橡胶颗粒轻质土工填料试验研究［J］．建筑材料学报，2010，13(1):116 -120．

［4］ 李朝晖，张虎元． 废轮胎颗粒与黄土混合物压实性能研究［J］．岩土力学，2010，31(12):3715 -3720．

［5］ 辛凌，刘汉龙，沈扬，等．废弃轮胎橡胶颗粒轻质混合土强度特性试验研究［J］． 岩土工程学报，2010，32(3):428 -433．

［6］ 辛凌，刘汉龙，沈扬，等．废弃轮胎橡胶颗粒轻质混合土无侧限抗压试验［J］．解放军理工大学学报:自然科学版，2010，11(1):79 -83．

［7］ 张余，王学永，肖霄．废旧轮胎浮式防波堤模型试验［J］．水利水电科技进展，2010，30(3):74 -76．

［8］ LI Li-hua，TANG Hui-ming，XIAO Ben-lin． Discarded tire implications in reinforced slope［C］//4th International Conference on Technology of Architecture and Structure． Xi'an:Advanced Materials Research，2011，9:1430 -1433．