廢舊輪胎橡膠顆粒的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 山東 青島266590)

廢舊輪胎橡膠顆粒的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

丁魯強(qiáng) 李彥志

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 山東 青島266590)

廢棄物的回收利用是當(dāng)今世界的熱點(diǎn)話題，如何正確處理廢棄物將關(guān)系到社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這也是很多國家亟待解決的難題。本文介紹了大量廢舊輪胎的危害性及回收利用的方法，分析討論了廢舊輪胎橡膠顆粒在不同土體中的改良效果，認(rèn)為廢舊輪胎橡膠顆粒可有效提高砂土的抗剪強(qiáng)度，改善黏性土的黏聚力、滲透性和耐久性以及改良黃土和膨脹土的不良工程性質(zhì)。

廢舊輪胎；橡膠顆粒；危害性；回收利用；改良

我國是公認(rèn)的輪胎生產(chǎn)大國，輪胎產(chǎn)量一直遙遙領(lǐng)先。21年來，我國的輪胎產(chǎn)量已經(jīng)超過13356萬，位列世界第三，然而每年產(chǎn)生的廢舊輪胎數(shù)量也高達(dá)5多萬條。隨著越來越來多的家庭使用轎車代步，人們擁有的汽車數(shù)量逐年增多，毋庸置疑，也將會產(chǎn)生更多的廢舊輪胎。隨之而來的是一個(gè)世界性難題：如何有效回收利用，防止對環(huán)境造成污染。在再生資源的回收利用方面，這同時(shí)也是我國面臨的一個(gè)新課題。什么是廢舊輪胎，即失去使用價(jià)值，被淘汰或者替換下來和工廠大量產(chǎn)生的報(bào)廢輪胎。廢舊輪胎長達(dá)幾十年都不會自然降解和消失，因?yàn)樗膹?qiáng)抗熱性、熱生物和抗力學(xué)特性。露天條件下長期堆放，占用和荒廢了大量土地，還使蚊蟲滋生泛濫，大大增加了疾病的傳播率，并且極易引發(fā)火災(zāi)，所以人們稱之為"黑色污染"。目前形勢嚴(yán)峻，我們面臨著一個(gè)棘手的問題，大家如何將這些廢舊的輪胎有效回收并合理加以利用，使之能夠變廢為寶、轉(zhuǎn)害為利。這是一個(gè)不容忽視，并亟待解決的問題。

1 廢舊輪胎的危害性

隨著國民對汽車的需求量猛增，廢舊輪胎已經(jīng)逐漸成為新的固體廢棄物污染源，工業(yè)化程度較高的國家都在尋求最佳的廢舊輪胎回收利用方法。要處理越積越多的廢舊輪胎，可以選擇填埋、焚燒及化學(xué)法。但是廢舊輪胎是高分子彈性材料，有不熔性或難熔性，在-50℃—+150℃內(nèi)，它的高彈性和高韌性都基本不會改變，它們的分解產(chǎn)物進(jìn)入土壤后，要經(jīng)過數(shù)百年才能不影響植物生長；焚燒后產(chǎn)生的一氧化碳和煙霧，還會對大氣造成嚴(yán)重污染；即使采用化學(xué)法處理，也會形成二次污染。所以像填埋、焚燒及化學(xué)法等常用的處理固體廢棄物的方法，對廢舊輪胎都不適用。廢舊輪胎是最有害的垃圾之一，它破壞自然環(huán)境、影響植被生長、對人類健康不利、還嚴(yán)重危及地球的生態(tài)環(huán)境，這種"黑色污染"造成的惡劣影響遠(yuǎn)超過"白色污染"。如何解決這個(gè)迫切的問題—處理不斷新生的"黑色污染"—固體廢棄物，已經(jīng)成為了新時(shí)代社會討論和關(guān)注的熱點(diǎn)。因此，對廢舊輪胎的合理資源化利用已迫在眉睫。

2 廢舊輪胎的回收利用

由于廢舊輪胎回收處理的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它固體廢棄物，如何將其回收利用、變廢為寶各國都處在探索階段，處理的方法也不盡相同：除加拿大等少數(shù)國家用作燃料外，回收廢舊輪胎的方法主要是制成橡膠顆粒的機(jī)械方法。將廢舊輪胎經(jīng)過物理加工制成橡膠顆粒應(yīng)用于工程建設(shè)，是解決環(huán)境污染及資源浪費(fèi)的重要途徑之一。由于其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、變形協(xié)調(diào)性好、減少地震液化、良好的保溫隔熱性能和透水性等優(yōu)點(diǎn)，可作為加筋材料應(yīng)用于工程建設(shè)中，會很大程度上改善地基變形程度和建筑物使用年限，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保價(jià)值。該輕質(zhì)加筋材料已在美國得到廣泛應(yīng)用。

3 廢舊輪胎橡膠顆粒對土體的改良

3.1對黏性土的改良

近年來已有學(xué)者利用廢棄輪胎橡膠顆粒改良膨脹土特性，同時(shí)也證明了橡膠的浸出液不會造成地下水污染。鄒維列通過試驗(yàn)進(jìn)行研究，他將廢棄的輪胎橡膠顆粒以不同配比摻入到膨脹土，制成改性土樣，通過對膨脹土改性前后的物理性質(zhì)、強(qiáng)度和脹縮特性對比分析，研究廢棄輪胎的橡膠顆粒對膨脹土的改性效果，得到其最佳配比，為該方法接下來的探索提供了有利依據(jù)和參考。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：膨脹土中摻入橡膠顆粒后，改性后的膨脹土的液限與塑性指數(shù)隨著橡膠顆粒數(shù)目的增加而增大，黏聚力減小，而內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度變化不大。孫樹林通過固結(jié)快剪試驗(yàn)探究了不同含水率(15%、18%、21%)下不同摻量(10%、20%、30%)廢棄輪胎膠粉與膨脹土混合后土體抗剪強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)混合土的抗剪強(qiáng)度隨膠粉含量的增加而增大，混合土內(nèi)摩擦角的變化和膠粉含量變化無相關(guān)性。同時(shí)表明黏聚力的增大導(dǎo)致混合土抗剪強(qiáng)度增大，驗(yàn)證了廢棄輪胎的膠粉對于膨脹土的改良效果比較顯著，在膨脹土的改良問題上提供了一個(gè)全新的改良方法。

李長雨通過動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了廢舊輪胎橡膠顆粒對粉煤灰土的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)模量、混合土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，并將試驗(yàn)結(jié)果與粉煤灰土的動(dòng)力特性加以對比，分析表明在相同圍壓下，橡膠顆粒-粉煤灰土混合土動(dòng)強(qiáng)度均隨著破壞周數(shù)的增加而減??；在相同破壞周數(shù)的條件下，試樣動(dòng)強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增加。橡膠顆粒-粉煤灰土混合土的初始切線模量及平均動(dòng)模量均低于粉煤灰土的初始切線模量及平均動(dòng)模量，說明橡膠顆粒-粉煤灰土混合土具有動(dòng)強(qiáng)度高、黏聚力和內(nèi)摩擦角大的特點(diǎn)，可以作為冬季寒冷地區(qū)路基保溫層材料。

黏性土在我國分布十分廣泛，因其壓縮性大，抗剪強(qiáng)度低，故將廢舊輪胎橡膠顆粒摻入其中，提高黏性土的抗剪強(qiáng)度、滲透性和耐久性。李珊珊研究了廢舊輪胎橡膠顆粒對黏性土壓縮特性的影響，及豎向壓力、橡膠顆粒摻量對混合土各參數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，純壓實(shí)黏性土和20%左右摻量試樣呈現(xiàn)中壓縮性，40%摻量和100%摻量的試樣呈現(xiàn)出高壓縮性。隨著豎向壓力的增大，混合土的孔隙比減小，壓縮系數(shù)減小，壓縮模量增大；隨著橡膠顆粒摻量增加，混合土壓縮系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，當(dāng)橡膠顆粒摻量為30%時(shí)，壓縮系數(shù)最小，也就是說試樣的壓縮模量最大。黏性土中摻入廢舊輪胎橡膠顆粒，可以顯著提高其固結(jié)速率，尤其是在摻量為30%-40%時(shí)，混合土的固結(jié)速率最大，壓實(shí)效果最好。

3.2 對砂性土的改良

張永富通過固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)，研究了橡膠顆粒含量及圍壓對橡膠顆粒-砂土剪切特性的影響，分析了不同配合比和圍壓條件下土體的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線及體應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線變化特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入10%-30% 橡膠顆粒時(shí)，可以有效改善土體的抗剪強(qiáng)度特性；當(dāng)摻入10%橡膠顆粒時(shí)，土體的內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值；當(dāng)摻入20%橡膠顆粒時(shí)，其粘聚力達(dá)到最大值。鄧安利用廢棄輪胎橡膠顆粒的良好表面摩擦性與低重度特性，提高砂土填料的抗剪強(qiáng)度并降低其重度。通過直剪和三軸壓縮試驗(yàn)，研究多種摻入比與不同圍壓條件下砂土剪切性狀，對應(yīng)力—應(yīng)變特征進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒摻入量的不斷增加，其抗剪強(qiáng)度越來越低，峰值偏應(yīng)力或峰值應(yīng)力比在100-200 kPa圍壓下基本不變，在300-400 kPa圍壓下越來越小。砂土泊松比受橡膠顆粒摻入量影響，并隨主應(yīng)力發(fā)生“彎轉(zhuǎn)”。圍壓小于200 kPa，當(dāng)摻入的輪胎橡膠顆粒達(dá)到10%-20%時(shí)，砂土的抗剪強(qiáng)度明顯提高，材料重度顯著降低，砂膠混合材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系可用Duncan-Chang模型模擬。

段偉宏進(jìn)行了一系列不同橡膠顆粒摻量的混合砂土的固結(jié)試驗(yàn)，得出了不同橡膠顆粒含量情況下試樣的密度以及不同橡膠顆粒摻量條件下各試樣的壓縮變形曲線，并分析了橡膠顆粒-砂土混合土的壓縮特性，發(fā)現(xiàn)混合土的壓縮性隨著橡膠顆粒摻量的增大而逐漸增大，橡膠顆粒摻量越大，混合土的殘余應(yīng)變越大；橡膠顆粒-砂土混合土的側(cè)限壓縮模量隨著橡膠顆粒摻量的減小而增大，當(dāng)橡膠顆粒摻量小于40%時(shí)增大速度最顯著。李麗華研究了廢舊輪胎橡膠碎片-砂土混合土抗剪特性，進(jìn)行了一系列的剪切試驗(yàn)，探討了碎片摻量、縱橫比和密實(shí)度等不同因素對廢舊輪胎橡膠碎片-砂土混合土抗剪性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隨著廢舊輪胎橡膠碎片摻量的增大，混合土的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)增大的趨勢，且二者都變現(xiàn)出非線性的增大特性。只改變廢舊輪胎橡膠碎片的寬度不能有效的增大混合土的抗剪強(qiáng)度，但是縱橫比對混合土的抗剪強(qiáng)度影響顯著，對于一定寬度的廢舊輪胎橡膠碎片，有唯一的碎片長度使混合土的內(nèi)摩擦角達(dá)到最大，說明通過優(yōu)化廢舊輪胎橡膠碎片縱橫比、摻量及密實(shí)度，可以使混合土的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。

4 結(jié)束語

循環(huán)經(jīng)濟(jì)是一種經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，它以物質(zhì)不斷循環(huán)并加以利用為基礎(chǔ)，在社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中把廢舊物資變廢為寶，遵循“減量無害化、資源再利用和循環(huán)使用”的行為規(guī)范，按照自然生態(tài)系統(tǒng)的存在模式，旨在把經(jīng)濟(jì)活動(dòng)發(fā)展成一個(gè)“資源—產(chǎn)品—再生資源”的過程，使物質(zhì)得以反復(fù)循環(huán)使用，從而使整個(gè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，以及在社會生產(chǎn)和消費(fèi)的過程中很少產(chǎn)生甚至不產(chǎn)生廢棄物。我國橡膠的消耗量巨大，但是橡膠資源又及其短缺，每年大約有一半橡膠依賴進(jìn)口。所以對我國來說，能否回收廢舊輪胎并加以利用尤為重要。這同時(shí)也是保護(hù)橡膠資源，維護(hù)生態(tài)平衡，造福千秋萬代，利國利民的大事。廢舊輪胎橡膠顆粒給環(huán)境帶來了巨大的壓力，工程上開始探究將廢舊輪胎橡膠顆粒與土體混合以改良不良的工程特性，如將廢舊輪胎經(jīng)過物理加工制成橡膠顆粒應(yīng)用于道路工程中，可有效提高砂土的抗剪強(qiáng)度，大大增強(qiáng)黏性土的黏聚力、滲透特性和耐久性，并能使黃土和膨脹土的某些不良工程性質(zhì)得以改善，使我國廢舊輪胎處理工作走上可持續(xù)發(fā)展的綠色道路。

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U416

：A

1007-6344（2017）08-0299-02

丁魯強(qiáng)，1991年8月，男，漢族，山東省聊城市，山東科技大學(xué)巖土工程專業(yè)在讀研究生。