废弃轮胎橡胶粉改良膨胀土的室内试验研究

杜 静，徐丽丽，阳利君

（广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引言

膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩的高塑性非饱和黏性土，具有多裂隙性、崩解性、超固结性、强度衰减等性质。由于膨胀土的胀缩特性，给工程带来巨大的危害。

目前，国内外各类工程对膨胀土处理的方法可主要归纳为施工技术手段和土质改良两种途径。前者有换填法、封闭包盖法、湿度控制法等；后者通过将各种掺料或溶液加入膨胀土中，达到土质改良的目的。夏琼、杨有海［1］依托于襄樊至老河口段改建铁路的路基工程，研究石灰改良膨胀土的胀缩性和强度变动规律。刘清秉等［2］以河南安阳弱膨胀土为研究对象，研究ISS离子土固化剂改良膨胀土的机理。杨俊［3］等将风化砂掺入膨胀土，对膨胀土实施物理改良。张胜军等［5］通过击实和碾压试验，得出合理的水泥改性膨胀土的碾压控制指标。这些改良都可以有效地减小膨胀土的胀缩性，提高强度，但处理费用高，有些还会对当地的生态环境造成不良影响。所以杜静、周东等［6］依托南宁－百色高速公路，筛选出能有效改性膨胀土的微生物。张德恒［7］为提高废弃物的循环利用，将秸秆灰渣加入膨胀土进行改良试验，研究表明膨胀土的各项胀缩性指标均得到降低。

随着汽车工业的发展，废弃轮胎的再利用成为国内外关注的重大课题，不少专家学者开始尝试利用废弃轮胎橡胶粉改良普通黏性土和砂土特性的研究，但利用其改性膨胀土［8－9］的研究目前还比较少。本试验旨在利用橡胶粉进行改性膨胀土的研究。将不同比例和不同目数的废橡胶粉与膨胀土混合后进行击实试验、胀缩性试验和直接剪切试验，研究改良后膨胀土性质的变化特征。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

试验用土取自南宁四塘地区，取土深度为0.5～1m，膨胀土土样颜色呈灰白色，中间夹有紫色，有滑感，其物理性质指标如下：液限ωL＝60.5%，塑限ωP＝29.8%，塑性指数IP＝30.7最优含水率22.4%，比表面积41.096m2／g，自由膨胀率70%，由规范［10］判定为中等膨胀土。

废橡胶粉从新乡市某橡胶公司购得，考虑到橡胶粉粒度过粗不易压实，粒度过细不易拌和且造价高，本试验选用20目和30目的橡胶粉分别进行试验。

1.2 土样制备

根据规范［10］取适量膨胀土，将其烘干碾碎后过2mm筛，把橡胶粉按0%、10%、15%、20%、25%、30%的比例掺入，加水均匀拌和，焖至一昼夜。为着重研究废弃轮胎橡胶粉对膨胀土工程性质的影响，混合土样的含水率控制在最优含水率状态。在拌制过程中发现当20目橡胶粉含量达到30%，30目橡胶粉含量达到25%时试样难以成型，呈粉碎状，故舍弃相应比例以上的拌和土。

2 试验结果及分析

2.1 掺废旧轮胎橡胶粉对膨胀土物理性质的影响

将拌和好的土样进行轻型击实试验。轻型击实试验的单位体积击实功约为592kJ／m3，击实试验分为2组，第一组为20目橡胶粉，其掺入量分别为0%、10%、15%、20%、25%；第二组为30目橡胶粉，掺入量为0%、10%、15%、20%。由图1可以看出，膨胀土的干密度随着废橡胶粉掺入量的增加而减小，当废橡胶粉的掺量从0%增加到20%，掺20目和30目改性土的最大干密度分别从1.69g／cm3降到1.46g／cm3和1.42g／cm3，掺30目橡胶粉的改性膨胀土干密度下降幅度比20目的大，这是由于橡胶粉的密度比膨胀土密度小，所以随掺量的增加，改性膨胀土的密度必然下降。而30目的废橡胶粉的粒度比20目的粒度小，表面积大，拌和时能更好地代替黏土颗粒。

图1 膨胀土与改性膨胀土的干密度曲线图

2.2 掺废旧轮胎橡胶粉对膨胀土强度的影响

根据《土工试验方法标准》，按照最优含水率，制备掺量分别为0%、10%、15%、20%、25%（仅限20目制备）的改性膨胀土试样，将制好的土样放在直剪仪上，在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向应力下，进行直接剪切试验。以法向应力为横坐标，剪应力为纵坐标，得到不同废橡胶粉掺量下抗剪强度曲线图2、图3。由图2和图3可以看出，掺入废橡胶粉可以提高膨胀土的抗剪强度，且随着掺量的增加，抗剪强度不断提高，当20目的橡胶粉掺量增加到20%，30目橡胶粉掺量增加到15%时，相同竖向应力下的抗剪强度不再增加，这个试验结果与魏永耀［9］研究的ESR的抗剪强度大致相同。

图3 抗剪强度与30目橡胶粉掺量关系曲线图

不同目数和不同比例的橡胶粉加入后，膨胀土的抗剪强度指标有明显变化，其中内摩擦角φ值明显提高，掺入20目橡胶粉的增加幅度最大的是掺量为20%，增加量8.98°，掺入30目橡胶粉的增加幅度最大的是掺量也是20%，增加量9.66°，是素土的2倍。这与 Attom，Mousa（2006）［11］在加入轮胎碎片可以提高砂土的抗剪强度的报道中提到的轮胎碎片含量的增加可以提高内摩擦角的研究基本一致。而粘聚力c值略有降低，掺入20目橡胶粉的最大降低幅度为19.2%，掺30目为23.2%。这是由于膨胀土和橡胶粉均为惰性材料，相互间一般不发生化学反应，所以掺量越大，土样越松散，使得粘聚力降低。

表1 膨胀土及其改性土的强度指标对比表

表2 膨胀土及其改性土的强度指标对比表

2.3 掺橡胶粉对膨胀土胀缩性的影响

根据《土工试验方法标准》，按照最优含水率，制备掺量分别为0%，10%，15%，20%，25%（仅限20目制备）的膨胀土试样，进行无荷载膨胀、50 kPa下有荷载膨胀、膨胀力和收缩试验。由图4～6可知，掺入橡胶粉后膨胀土的膨胀性指标均随掺量的增加有明显降低，当20目的橡胶粉掺量增加到20%，30目橡胶粉掺量增加到15%时，降幅基本不再增加，掺20目橡胶粉的无荷载膨胀率比素膨胀土降低了60.6%，50 kPa下膨胀率降低了70%，膨胀力降低了64.3%。掺30目橡胶粉的无荷载膨胀率比素膨胀土降低了63.3%，50 kPa下膨胀率分别降低了71.9%，膨胀力降低了62%。

由收缩试验结果（见下页表3～4）可知，掺入橡胶粉后膨胀土的收缩性得到改善，收缩性指标均有所降低，同素膨胀土相比，掺20目橡胶粉的收缩系数最大降幅为24.4%，掺30目橡胶粉的最大降幅为32.2%；掺20目和30目的线缩率降低百分数为48.6%和57.1%。

图4 掺30目橡胶粉膨胀土膨胀性试验结果示意图

图5 掺20目橡胶粉膨胀土膨胀性试验结果示意图

图6 膨胀土膨胀力试验结果示意图

表3 膨胀土及其改性土的收缩性指标对比表

表4 膨胀土及其改性土的收缩性指标对比表

3 结论

（1）膨胀土的最大干密度随着废弃轮胎橡胶粉含量的增加而降低，主要是因为橡胶粉的密度小于膨胀土。

（2）添加废弃轮胎橡胶粉后，膨胀土的抗剪强度明显提高，而抗剪强度指标内摩擦角φ值均有提高，最高增加量至116.04%；粘聚力c值略有降低。

（3）添加废弃轮胎橡胶粉后，土的膨胀率和膨胀力明显减小，收缩系数、线缩率明显降低，说明由于橡胶粉对于土粒的包围作用，阻碍了膨胀土中亲水矿物与水分的作用，吸水膨胀能力减弱。

（4）综合试验成果，20目橡胶粉的最佳配比为20%，30目橡胶粉为15%。

［1］夏 琼，杨有海.石灰改良膨胀土填料试验研究［J］.兰州交通大学学报，2009，28（4）：30－34.

［2］刘清秉，项 伟，崔德山，等.离子土固化剂改良膨胀土的机理研究［J］.岩土工程学报，2011，33（4）：648－653.

［3］杨 俊，黎新春，张国栋，等，谢支钢.风化砂不同掺入率对膨胀土特性影响的研究［J］.工业建筑，2013，43（1）：55－60.

［4］汪明武，李 健，徐 鹏，等.膨胀土与石灰改良膨胀土胀缩性的云模型评价［J］.东南大学学报（自然科学版），2014，44（2）：396－400.

［5］张胜军，何 娇，赵 峰，等.水泥改性土碾压控制指标确定方法研究［J］.人民长江，2014，45（21）：4－6.

［6］杜 静，周 东.微生物改良膨胀土的试验研究［J］.水利水电技术，2012，43（7）：103－105，87.

［7］张德恒.废弃秸秆灰渣改良膨胀土的体积变化特征研究［J］.南京工程学院学报（自然科学版），2014，12（2）：39－44.

［8］孙树林，魏永耀，张 鑫.废弃轮胎胶粉改良膨胀土的抗剪强度研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（z1）：3070－3075.

［9］魏永耀，孙树林，郑华章.膨胀土－胶粉（ESR）强度特性室内试验研究［J］.工程地质学报.2010，18（4）：543－547.

［10］GB／T50123－1999，土工试验方法标准［S］.

［11］Attom.Mousa F.The use of shredded waste tires to improve the geotechnical engineering properties of sands［J］.Environmental Geology Journal.Springer.Germany.2006，49（4）.