凍融循環(huán)下廢舊輪胎顆粒改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

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(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

凍融循環(huán)下廢舊輪胎顆粒改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

宗佳敏，宋迎俊，魯洋，許雷，張雨灼

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

為了研究膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與橡膠顆粒含量、凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，在控制含水率一定的條件下，對經(jīng)歷凍融循環(huán)的廢舊輪胎顆粒改性膨脹土試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在膨脹土中加入橡膠顆?？稍谝欢ǔ潭壬咸岣吲蛎浲恋臒o側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并能降低其剛性;在同一凍融循環(huán)次數(shù)下，改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著橡膠顆粒含量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)橡膠顆粒含量為3%時，橡膠顆粒改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大；在同一橡膠顆粒含量下，改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及單次凍融循環(huán)對試樣強(qiáng)度削弱作用均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小;當(dāng)含水率為20%時，凍融循環(huán)條件下，改性膨脹土試樣的尺寸變化率隨橡膠顆粒含量的增大總體呈增大趨勢；橡膠顆粒含量較低情況下(≤7%)，膨脹土尺寸變化規(guī)律為“凍縮融脹”；橡膠顆粒含量較高情況下(9%)，膨脹土尺寸變化規(guī)律為“凍脹融縮”。

廢舊輪胎顆粒；膨脹土；凍融循環(huán)；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；尺寸變化率

1 研究背景

凍土按土的凍結(jié)狀態(tài)保持時間的長短可分為短時凍土、季節(jié)性凍土和多年凍土3類[1]。在我國凍土分布廣闊，其中季節(jié)性凍土分布于秦嶺—淮河線以北的大部分地區(qū)[2]。在季節(jié)性凍土地區(qū)，冬季凍脹，夏季融沉，這種現(xiàn)象的交替出現(xiàn)使土體受到凍融循環(huán)的影響[3]。當(dāng)溫度降低達(dá)到負(fù)溫時，土體產(chǎn)生凍結(jié)，由于冰的存在致使土體膨脹，產(chǎn)生開裂現(xiàn)象；當(dāng)溫度回升時，凍土開始融化，大量游離狀的水使得土體強(qiáng)度下降。而膨脹土作為一種具有多裂隙性、強(qiáng)脹縮性和強(qiáng)度衰減性的高塑性黏土，凍融循環(huán)對其產(chǎn)生的不利影響格外顯著，曾造成許多巖土工程地質(zhì)災(zāi)害，引起了工程地質(zhì)人員的極大關(guān)注。

因此，國內(nèi)外研究者已開展圍繞膨脹土及其改良的特性研究，并取得了一些有意義的成果[4-8]。目前，膨脹土改良方法的研究主要有物理方法、化學(xué)方法、生物技術(shù)改良及利用固體廢棄物改良等[9]。其中，利用廢舊輪胎顆粒或碎片改良膨脹土力學(xué)性能的方法憑借其質(zhì)量輕、耐久性好、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，擁有非常廣闊的應(yīng)用前景，成為國際推廣應(yīng)用的新趨勢。目前國內(nèi)外對于利用廢舊輪胎改良膨脹土方面已有較多研究，孫樹林等[10-11]在不同含水率下以不同比例廢棄輪胎粉膠與膨脹土混合后進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，總結(jié)出膨脹土改良后的抗剪強(qiáng)度變化特征；鄒維列等[12]對廢棄輪胎橡膠顆粒改性膨脹土的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，摻入廢舊輪胎粉末可改善土的工程特性，并且得到對脹縮特性改善效果最佳的橡膠顆粒摻量；李麗華等[13]對輪胎碎片-砂混合土進(jìn)行系列剪切試驗(yàn)，探討碎片含量和縱橫比、密實(shí)度等不同因素對混合土抗剪性能的影響規(guī)律，但考慮凍融循環(huán)條件下廢舊輪胎顆粒改良膨脹土力學(xué)性能的研究文獻(xiàn)還較少。

本文旨在研究不同輪胎顆粒摻量及不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下，改良后膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和體積變化規(guī)律，為該方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)用材料

2.1.1 膨脹土

試驗(yàn)用膨脹土取自南水北調(diào)中線工程輸水總干渠南陽段建設(shè)工地，土樣呈棕黃色，屬中膨脹土。其物理參數(shù)見表1。

表1 膨脹土基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of expansive soil

2.1.2 廢舊輪胎顆粒

試驗(yàn)用橡膠顆粒由普通汽車廢棄輪胎經(jīng)加工制得，粒徑均在1 mm以下，松散密度為0.621 g/cm3。

2.2 試樣制備

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[14]，將從現(xiàn)場運(yùn)回的土樣進(jìn)行碾壓翻曬，并過2 mm篩，測定風(fēng)干土的初始含水率，向土中加入適量的水配制含水率為20%的土樣，將土樣裝入密封的塑料袋中潤濕一晝夜使含水率均勻。將潤濕后的土樣取出并稱量質(zhì)量略大于計算所需的土樣，根據(jù)試驗(yàn)要求的橡膠顆粒含量加入相應(yīng)質(zhì)量的廢舊輪胎顆粒。橡膠顆粒含量的定義為廢舊輪胎顆粒質(zhì)量與風(fēng)干膨脹土質(zhì)量的百分比。

本試驗(yàn)采用分層擊實(shí)法制樣，共分5層制得圓柱形重塑土樣，試樣高度取125 mm，直徑取61.8 mm。試樣干密度控制為1.56 g/cm3。為防止凍融循環(huán)過程中水分的散失，將脫模后的試樣套上塑料薄膜密封。

2.3 試驗(yàn)方案

制備橡膠顆粒含量分別為0,1%,3%,5%,7%,9%的改性膨脹土樣，將制備好的不同橡膠含量的試樣進(jìn)行分組編號，然后放入河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究所自制的凍融凍脹模型試驗(yàn)裝置[15]中進(jìn)行凍融循環(huán)控制。冷凍溫度設(shè)為-20 ℃，時間為12 h；然后關(guān)閉冷凍裝置，將試樣在常溫下(平均室溫約為18 ℃)放置12 h，以上為一次完整的凍融循環(huán)過程。重復(fù)以上步驟，取凍融循環(huán)次數(shù)為0,1,3,6,9次的試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)(圖1)，設(shè)置試件變形速率為1.25 mm/min，得到壓力-位移關(guān)系曲線及相應(yīng)的最大壓力，進(jìn)一步通過計算得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同橡膠顆粒含量試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，對應(yīng)的最大應(yīng)力即為該試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下破壞時的橡膠顆粒含量為9%的膨脹土試樣Fig.1 Photos of expansive soil samples with rubber ratio of 9% at failure in the presence of different freeze-thaw cycles

在每個凍融循環(huán)過程結(jié)束后進(jìn)行試樣尺寸的測量，用游標(biāo)卡尺分別測量出凍結(jié)完和融化完的試樣的直徑和高度，計算出不同橡膠顆粒含量試樣在凍融循環(huán)作用下的線變化率和體變化率，繪制尺寸變化率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 橡膠顆粒含量對膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

不同橡膠顆粒含量、不同凍融循環(huán)次數(shù)下，廢舊輪胎顆粒改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表2所示。

表2 廢舊輪胎顆粒改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test result of unconfined compressive strengthof expansive soil samples improved by waste tire rubber

注：**代表試件發(fā)生崩裂

對未凍融情況下的土樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，以軸應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，軸應(yīng)力為縱坐標(biāo)，繪制應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖2所示。圖2中每條曲線縱坐標(biāo)的峰值即為該橡膠顆粒含量下改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，該狀態(tài)意味著試樣破壞。

圖2 未凍融情況下不同橡膠顆粒含量改性膨脹土無側(cè)限抗壓試驗(yàn)軸應(yīng)力與軸應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Axial stress-strain curves of improved expansion soil samples with different rubber ratios in unconfined compression test in the absence of freeze-thaw cycle

由圖2可見，隨著橡膠顆粒含量的增大，試樣在破壞前應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的斜率逐步減小，如素膨脹土在軸應(yīng)變?yōu)?.3%時破壞，橡膠顆粒含量9%的試樣在軸應(yīng)變?yōu)?.2%時破壞，這一現(xiàn)象說明橡膠顆?？梢欢ǔ潭壬咸岣咂茐膽?yīng)變，即降低試樣的剛度。當(dāng)橡膠顆粒含量較少時，效果并不明顯；當(dāng)橡膠顆粒含量>5%時，試樣剛度的降低較為顯著。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，以橡膠顆粒含量為橫坐標(biāo),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制不同凍融循環(huán)次數(shù)下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與橡膠顆粒含量關(guān)系曲線，如圖3。

圖3 凍融循環(huán)下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與橡膠含量關(guān)系曲線Fig.3 Curves of unconfined compression strength vs.rubber content in the presence of different times of freeze-thaw cycle

由圖3可見，不同凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著橡膠顆粒含量的增大，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。以未進(jìn)行凍融循環(huán)的試樣為例，當(dāng)橡膠顆粒含量<3%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨橡膠顆粒含量的增大而增大；之后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨橡膠顆粒含量的增大而減小。當(dāng)橡膠顆粒含量為3%時，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值217.82 kPa，較素膨脹土提高18.37%。對這一現(xiàn)象的分析如下：橡膠顆粒的粒徑與膨脹土樣相當(dāng)，當(dāng)向膨脹土中加入橡膠顆粒時，2種材料相互作用并經(jīng)壓實(shí)緊密結(jié)合，共同構(gòu)成新的土體骨架。由于橡膠顆粒的強(qiáng)度>遇水后膨脹土的強(qiáng)度，并且橡膠顆粒與土顆粒之間存在較大的摩擦作用與咬合作用[16]，因此，當(dāng)加入少量的橡膠顆粒時，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨橡膠顆粒含量的增大而增大。但是，橡膠顆粒的加入也降低了土體的黏聚力，一定程度上破壞了土顆粒之間結(jié)合的整體性，當(dāng)橡膠顆粒含量較大時土樣崩解也印證了這一點(diǎn)，因而橡膠顆粒含量進(jìn)一步增大時試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而減小。

3.2 凍融循環(huán)作用對改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以凍融循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo),廢舊輪胎顆粒改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制不同橡膠顆粒含量下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線，如圖4。

圖4 不同橡膠顆粒含量下廢舊輪胎顆粒改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.4 Curves of unconfined compressive strength vs.times of freeze-thaw cycle with different waste tire rubber ratios

由圖4可以看出，在同一橡膠顆粒含量下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷減小的趨勢。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在膨脹土凍融循環(huán)過程中游離狀的水凍結(jié)成冰體積膨脹，造成土顆粒間發(fā)生相對錯動位移，宏觀上表現(xiàn)為裂縫的產(chǎn)生；當(dāng)冰融化成水后，僅有部分裂縫愈合，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，產(chǎn)生的無法愈合的裂縫數(shù)量不斷增多，導(dǎo)致土體強(qiáng)度不斷減小[17]。

由圖4還可以看出，第1次凍融循環(huán)對試樣強(qiáng)度削弱的影響最大，之后凍融循環(huán)對試樣強(qiáng)度削弱的影響越來越小，最終試樣強(qiáng)度趨于某一固定值。經(jīng)過1次凍融循環(huán)后，橡膠含量為0,1%,3%,5%,7%,9%的改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度衰減率依次為43.7%,41.4%,40.5%,48.6%,47.3%,49.6%?？梢钥闯鱿鹉z含量為1%和3%時，第1次凍融循環(huán)對試樣強(qiáng)度削弱的影響較素膨脹土試樣小，但效果并不明顯。經(jīng)過9次凍融循環(huán)后，除橡膠含量為7%和9%的試樣發(fā)生崩裂外，其他橡膠含量(0,1%,3%,5%)試樣的殘余強(qiáng)度與初始強(qiáng)度的比值分別為31.7%,33.2%,33.7%,24.2%?？梢钥闯鱿鹉z含量為1%和3%時，凍融循環(huán)作用下試樣的殘余強(qiáng)度較素膨脹土有所提高。當(dāng)橡膠顆粒含量≤3%時，凍融循環(huán)下改性膨脹土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素膨脹土增大；當(dāng)橡膠顆粒含量為5%左右時，在凍融循環(huán)次數(shù)為0的條件下，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素膨脹土大，但經(jīng)過凍融循環(huán)后，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅度減小，較素膨脹土衰減更為明顯；當(dāng)橡膠顆粒含量>5%時，凍融循環(huán)下改性膨脹土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素膨脹土小，并且橡膠顆粒含量為7%和9%的試樣分別在第9次與第6次凍融循環(huán)后進(jìn)行強(qiáng)度測量時發(fā)生崩裂。

分析原因?yàn)椋寒?dāng)向膨脹土試樣中加入橡膠顆粒后，橡膠顆粒與土顆粒之間通過摩擦作用產(chǎn)生一定的剪阻力，因此在橡膠顆粒含量≤3%時，改性膨脹土試樣在凍融循環(huán)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。但是，橡膠顆粒的加入降低了土顆粒間的黏聚力，這一特點(diǎn)在凍融循環(huán)條件下尤其顯著，由于凍融循環(huán)的作用，試樣內(nèi)部與表面的裂隙不斷發(fā)展，橡膠顆粒作為無黏性材料加劇了試樣不可愈合性裂縫的產(chǎn)生，破壞了試樣結(jié)構(gòu)的整體性，加速了試樣強(qiáng)度的降低。

綜上，當(dāng)橡膠顆粒含量為3%時，膨脹土試樣能達(dá)到較優(yōu)的改性效果；當(dāng)橡膠顆粒含量超過5%時，橡膠顆粒加入的弊大于利，此時采用橡膠顆粒改性膨脹土的方法不再合適。

3.3 凍融循環(huán)條件下，橡膠顆粒含量對膨脹土變形的影響

當(dāng)橡膠顆粒含量≥5%、凍融循環(huán)次數(shù)>2時，改性膨脹土樣出現(xiàn)較明顯的開裂現(xiàn)象，其中分層制樣的接觸面開裂現(xiàn)象尤為明顯，此時試樣高度變化主要由裂縫開度控制，膨脹土的體積變化規(guī)律性不明顯?；谏鲜銮闆r，本文將用規(guī)律性良好的試樣直徑變化代替試樣體積變化，并通過計算繪制凍融循環(huán)條件下橡膠顆粒含量為0,3%,5%,9%的改性膨脹土變形的線變化率(正值表示體積增大，負(fù)值表示體積減小)，如圖5。

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與橡膠顆粒改性膨脹土尺寸線變化率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between freeze-thaw cycle times and size change rate of expansive soil samples improved by rubber particles

由圖5可以看出，不同橡膠顆粒含量的膨脹土試樣在凍融循環(huán)作用下直徑大小均出現(xiàn)一定的波動規(guī)律，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，直徑變化幅度逐漸趨于穩(wěn)定；并且隨著橡膠顆粒含量的增大，凍融循環(huán)條件下試樣直徑的變化率增大。具體規(guī)律及分析如下：膨脹土由于自身存在的脹縮效應(yīng)在凍融循環(huán)條件下表現(xiàn)出的體積變化規(guī)律為“凍縮融脹”[18]。當(dāng)橡膠顆粒含量為3%時，在前3次凍融循環(huán)作用下，試樣的脹縮效應(yīng)明顯減小，但由于橡膠顆粒的加入，試樣更易產(chǎn)生不可愈合的裂縫，造成3次凍融循環(huán)后試樣直徑有增大的趨勢，在第7次凍融循環(huán)后試樣體積逐漸穩(wěn)定；當(dāng)橡膠顆粒含量為5%時，試樣在凍融循環(huán)作用下產(chǎn)生裂縫直徑變大的現(xiàn)象更加明顯，經(jīng)過1次凍融循環(huán)作用后，試樣的直徑隨凍融循環(huán)過程不斷增大，在第6次凍融循環(huán)作用后逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)橡膠顆粒含量為9%時，試樣直徑變化規(guī)律與橡膠含量較低時的直徑變化規(guī)律存在差異，橡膠含量高的試樣在凍融循環(huán)條件下出現(xiàn)較大開度的裂縫，土顆粒之間的間距增大，脹縮效應(yīng)被大幅度削弱，此時土樣中的冰水效應(yīng)占主導(dǎo)，因此在第2次凍融循環(huán)后試樣直徑變化由之前的“凍縮融脹”變?yōu)椤皟雒浫诳s”，這與非膨脹土變化規(guī)律無異。

綜上所述，當(dāng)橡膠顆粒含量為3%時，膨脹土的脹縮效應(yīng)得到減弱；當(dāng)橡膠顆粒含量>5%時，試樣尺寸變化受凍融循環(huán)作用的影響較素膨脹土更大。

4 結(jié) 論

(1) 在膨脹土中加入橡膠顆粒能降低膨脹土的剛度。在同一凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著橡膠顆粒含量的增大，橡膠顆粒改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)橡膠顆粒含量為3%時，橡膠顆粒改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大。

(2) 在同一橡膠顆粒含量下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，且單次凍融循環(huán)對試樣強(qiáng)度的削弱作用隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而減小。

(3) 凍融循環(huán)條件下，隨著橡膠顆粒含量的增大，改性膨脹土試樣的直徑變化率總體呈增大趨勢，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，直徑變化幅度逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)含水率為20%時，在橡膠顆粒含量較低的情況下，膨脹土自身的脹縮效應(yīng)占主導(dǎo)，尺寸變化規(guī)律為“凍縮融脹”；在橡膠顆粒含量較高的情況下，膨脹土受冰水效應(yīng)影響較大，尺寸變化規(guī)律為“凍脹融縮”。當(dāng)橡膠顆粒含量為3%時，膨脹土的脹縮效應(yīng)得到減弱。

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(編輯：占學(xué)軍)

Unconfined Compressive Strength Test on Expansive Soil Improved byWaste Tire Rubber Particles under Freeze-thaw Cycles

ZONG Jia-min , SONG Ying-jun , LU Yang , XU Lei , ZHANG Yu-zhuo
(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

In order to investigate the relationship among unconfined compressive strength of expansive soil improved by waste rubber particles, rubber particle ratio and freeze-thaw cycle times,we conducted unconfined compressive strength test on expansive soil samples improved by waste tire rubber particles at given water content. Results show that adding rubber particles could improve the unconfined compressive strength to some extent and reduce the stiffness. When the number of freeze-thaw cycle was the same, the unconfined compressive strength of the improved expansive soil increased and then decreased with the increasing of rubber particle ratio. In particular, unconfined compressive strength reached the maximum when rubber particle ratio was 3%.When rubber particle ratio was the same, unconfined compressive strength of the expansive soil and the influence of single freeze-thaw cycle on strength weakening both decreased with the increase of freeze-thaw cycle times. When water content was 20%,the rate of change in expansive soil size increased in general with the increase of rubber particle ratio in freeze-thaw cycles. Finally, when rubber particle ratio was low (≤7%), the size of the expansive soil shrank under freezing and expanded under thawing; while when rubber particle ratio was higher (=9%), the change was the opposite.

waste tire rubber particles; expansive soil;freeze-thaw cycle; unconfined compressive strength; rate of size change

2016-05-24；

：2016-06-23

江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計劃項(xiàng)目(SJCX17_0127)

宗佳敏( 1992- )，女，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)及特殊土工程特性方面的研究，(電話)18251823895(電子信箱)zjmhhu@163.com。

魯 洋( 1991- )，男，江蘇南京人，博士研究生，主要從事水工巖土工程方面的研究，(電話)15161461318(電子信箱)luyhhu@163.com。

10.11988/ckyyb.20160511

2017,34(9):110-114

TU41

：A

：1001-5485(2017)09-0110-05