干濕循環(huán)下橡膠-紅黏土抗剪強度及裂隙的演變規(guī)律研究

王琴琴，陳開圣

( 1.貴州大學土木工程學院，貴州貴陽550025；2.黔南交通試驗檢測有限公司，貴州都勻558000)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，廢棄輪胎處理已成為我國交通運輸工程領域一大難題，處理不當將會造成嚴重的“黑色污染”[1-2]。為了節(jié)約資源和保護環(huán)境，國內外巖土學者將橡膠顆粒加入土中對土體進行改良。鄒維列等[3]研究結果表明：在膨脹土內摻入橡膠粉后，除了混合土的內摩擦角受影響的程度較小外，混合土的抗剪強度和黏聚力均表現(xiàn)為隨著橡膠粉含量的增加而顯著減小。張磊等[4]進行橡膠混合土的直接剪切試驗，結果表明:隨著橡膠含量的增加，橡膠顆粒混合土的內摩擦角表現(xiàn)出先減小而后增大的趨勢；而黏聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。杜靜等[5]將橡膠粉摻入到膨脹土中進行直接剪切試驗，結果表明：與素膨脹土相比，改性膨脹土的抗剪強度和內摩擦角隨著橡膠粉含量的增加顯著增大，黏聚力卻因為橡膠粉含量的增加略有減小。孫樹林等[6]往膨脹土中摻入質量分數(shù)在30%以內的橡膠粉，發(fā)現(xiàn)摻入橡膠粉后能夠有效提高混合土的抗剪強度指標。上述研究表明，橡膠粉對土體改良的研究主要集中在膨脹土上，目前對紅黏土的改良情況還較少，且橡膠粉改良土體效果的結論不相同，因此，有必要研究橡膠改良紅黏土的力學特性。同時由于紅黏土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊工程特性，干燥時節(jié)由于失水收縮而產生裂隙，雨季由于雨水滲透而使土體抗剪強度降低，干濕循環(huán)使得土體強度衰減[7-8]，因此，開展橡膠紅黏土在干濕循環(huán)作用下的試驗研究，探究橡膠粉含量、干濕循環(huán)作用等因素對混合土的抗剪強度指標的影響和裂隙演變規(guī)律顯得十分必要。本文采用四聯(lián)直剪儀開展干濕循環(huán)下橡膠紅黏土的抗剪強度衰減規(guī)律，應用MATLAB圖形圖像處理功能分析干濕循環(huán)后試樣裂隙的發(fā)展規(guī)律，建立裂隙密度與抗剪強度指標的數(shù)學模型。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次試驗的土樣取自貴州大學新校區(qū)養(yǎng)牛坡公交站附近，取土深度約2 m。土料特征為：棕紅色、褐紅色和褐黃色，以黏粒為主，土質較為均勻，含水率較高，結構密實，土中含有少量植物根莖孔洞及蟲洞。土樣基本物理指標見表1。橡膠顆粒采用的是廢舊輪胎經過機械破碎后并磨細的粉狀顆粒，橡膠顆粒中一般會含有炭黑、硫磺、氧化鈣和氧化硅等成分。橡膠顆粒采用的是60目，技術指標見表2。

表1 紅黏土的基本物理指標Tab.1 Dasic physical indexes of red clay

1.2 試樣制備

依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430-2020)[9]，土料過孔徑2 mm篩，并測定其初始含水率，將不同含量的橡膠粉分別加入到已稱量好的土中，均勻噴灑已稱量好的水，充分攪拌均勻，然后用保鮮膜將其密封嚴實，靜置24 h。試樣的質量按公式(1)計算。采用靜力壓制成型，試樣配置見表3，每種配置制備4個樣品，進行4組平行試驗。

m=Kρd，max(1+ω)V，

(1)

式中：m為橡膠紅黏土的總質量，g；K為試驗目標壓實度%；ρd，max為橡膠紅黏土的最大干密度，g/cm3；ω為試驗目標含水率，%；V為試驗所用環(huán)刀體積，cm3。

表3 試樣配置表Tab.3 Sample configuration

1.3 干濕循環(huán)試驗方法

干燥期間，將烘箱調節(jié)105 ℃對上述制備的樣品進行恒溫烘干，并每隔1 h檢測一次含水率，直到試樣保持恒重。加濕期間，將所需加水量分為2份，利用注射器往試樣內注水，先往試樣上表面注入一半水量，待水分完全滲入土體內部后，再將原試樣下表面翻朝上，往試樣注入剩余水量，使試樣含水率達到25%，待水分完全滲入土體內部后，用保鮮膜將試樣包裹，防止水分蒸發(fā)，燜料一晝夜。干濕循環(huán)過程如圖1所示。

圖1 干濕循環(huán)過程Fig.1 Dry and wet cycle process

1.4 直剪試驗

對初始狀態(tài)橡膠紅黏土及每次干濕循環(huán)后的橡膠紅黏土試樣采用四聯(lián)直剪儀進行直剪試驗(快剪)，上覆荷載分別為100、200、300、400 kPa，剪切速率為0.8 mm/min，停機位移為6 mm。

1.5 圖像處理

裂隙的表達方式有分布密度、寬度、長度以及走向等幾何要素[10]。本文使用裂隙密度來描述試樣干濕循環(huán)下裂隙的演變規(guī)律。裂隙密度(面積比)定義為

(2)

式中：A為試樣面積，mm2；Ai為第i條裂隙面積，mm2；i為裂隙編號。

具體試驗方法：①利用高清數(shù)碼相機對完成預定次數(shù)的試樣進行拍照，為了使得所有試樣與相機的位置、距離等保持一致性，試驗設計了一種用于固定相機和試驗的支架；②為了排除外界光源對圖像的影響，利用黑色布料遮蔽整個支架，并在支架內部設置日光燈源；③利用Photoshop軟件提取圖像中試樣邊緣；④利用MATLAB軟件對土樣圖像進行灰度轉化、中值濾波等處理，最終轉化為二值圖像(見圖2)；⑤統(tǒng)計圖像中的黑白像素，其中根據(jù)公式(2)計算裂隙密度[11]。MATLAB軟件在識別統(tǒng)計裂隙時，為了排除試樣凹凸的表面以及黑色橡膠粉對軟件識別裂隙的干擾，減小誤差，更為接近裂隙密度的真實值，所以采用0次循環(huán)的裂隙密度為0，而第1，2，…，5次干濕循環(huán)后的裂隙密度在軟件識別的統(tǒng)計值上減去3.69%。

圖2 二值圖像Fig.2 Binarization image

2 試驗結果分析

2.1 干濕循環(huán)作用下橡膠紅黏土抗剪強度指標變化規(guī)律

黏聚力、內摩擦角與壓實度關系曲線如圖3所示。

(a) 黏聚力

(b) 內摩擦角

由圖3可知，橡膠紅黏土的抗剪強度指標均表現(xiàn)為：隨著壓實度的增大而增大，隨著橡膠粉含量的增加而減小。相較于內摩擦角，壓實度和橡膠含量對黏聚力的影響要更為明顯。以橡膠含量為4%為例，壓實度為85%、90%和96%時，試樣內摩擦角分別為10.21%、10.24%和12.71%。黏聚力分別為：145.33、152.14、160.21 kPa。究其原因：①本試驗使用的是60目的橡膠，橡膠顆粒直徑較小，導致紅黏土中的自由水無法吸附在橡膠顆粒上；②摻入橡膠顆粒后，試樣中的土顆粒被橡膠顆粒包圍，使得進入土顆粒中的水分減少，故土顆粒中的親水物質無法充分發(fā)生水化反應，進而導致混合土的黏聚力減??；③小直徑的橡膠顆粒外形多為粉末狀或者類似球狀，表面較為光滑，在壓力作用下與土顆粒容易發(fā)生錯位滑移，無法很好地咬合，對于內摩擦角的提高也無明顯效果[12]。

為了探究循環(huán)次數(shù)對橡膠紅黏土抗剪強度指標的影響，限于篇幅，僅以橡膠粉含量為4%為例，試驗結果如圖4所示。

(a) 黏聚力

由圖4可知，橡膠紅黏土的黏聚力受干濕循環(huán)次數(shù)的影響較大，其中前2次循環(huán)的影響最明顯，之后干濕循環(huán)影響程度逐漸減小，表現(xiàn)為逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)；內摩擦角整體上表現(xiàn)為：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小的趨勢。以壓實度為90%為例，第0、2、5次干濕循環(huán)下試樣黏聚力分別為152.14、70.03、48.32 kPa，下降幅度為53.97%、68.24%；第0次、第2次和第5次干濕循環(huán)下試樣內摩擦角分別為10.24%、9.02%、7.3%，下降幅度為：11.91%、28.71%。造成這種現(xiàn)象的原因可解釋為：①干燥期間試樣內部產生大量的微裂縫，造成土顆粒間的黏結作用變弱，土團粒分散成小的土顆粒，孔隙率增加，顆粒間的間距變大，進而造成試樣抗剪強度降低。②在加濕過程中，外部作用的孔隙水壓力變大，使得顆粒間的粘結作用被進一步衰減破壞，試樣吸水軟化，這些因素的綜合作用使得試樣的強度急劇衰減。③由于橡膠顆粒并未與紅黏土產生化學反應，在干燥期間，由于土體失水收縮，在土粒與橡膠顆粒的結合面處，兩者的黏結能力降低，因而試樣強度也降低；在加濕期間，由于橡膠顆粒在水分的濕潤作用下使得土粒與橡膠顆粒的結合面黏結強度也降低。④第3次干濕循環(huán)后，由于試驗內部的孔隙變化已經達到穩(wěn)定狀態(tài)，孔隙變化不明顯，內部結構已經逐漸趨于新平衡狀態(tài)，因此試樣的強度衰減規(guī)律不明顯，表現(xiàn)為逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)[13]。

2.2 干濕循環(huán)作用下橡膠紅黏土裂隙演變規(guī)律

壓實度96%試樣干燥結束表面裂隙擴展情況和試樣濕化結束表面裂隙擴展情況分別如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，干濕循環(huán)過程中試驗表面性狀規(guī)律為：①初始狀態(tài)下試樣表面光滑且平整的；②試樣在第1次烘干后，在中部出現(xiàn)了大量細微的裂隙，同時試樣因為失水收縮與環(huán)刀內壁脫離出現(xiàn)了裂隙。在加濕后，由于水浸入試樣，試樣吸水膨脹，因此細微裂隙有一部分閉合；③第2次烘干后試樣內部的細微裂隙逐漸擴張，形成小裂隙。第2次加濕期間裂隙吸水合并；④第3次烘干后小裂隙從中部向四周繼續(xù)發(fā)展，開始出現(xiàn)較大的裂隙，第3次加濕后細微裂隙大部分閉合，而小裂隙少量閉合；⑤第4、5次烘干后試樣中的細微裂隙數(shù)量減少，大裂隙數(shù)量不變但其長度寬度均增大。綜上可知：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，細微裂隙首先出現(xiàn)在橡膠紅黏土試樣的中部，在之后的干濕循環(huán)下試樣失水收縮，試樣脫落環(huán)刀內部，裂隙由中部逐漸向四周擴散，大裂隙相繼出現(xiàn)，裂隙數(shù)量也表現(xiàn)為從少到多再變少，裂隙長度和寬度均增長、增大，甚至試樣表面出現(xiàn)松散、脫落的現(xiàn)象[14]。

(a) 橡膠含量2%

(b) 橡膠含量4%

(a) 橡膠含量2%

(b) 橡膠含量4%

每一次濕化結束后，采用MATLAB圖形圖像處理功能統(tǒng)計試樣裂隙密度，結果如圖7所示。

(a) 無橡膠含量

由圖7可知，橡膠紅黏土的裂隙密度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大，其中前2次干濕循環(huán)作用下，試樣裂隙密度增長的幅度較大，之后裂隙密度增加的幅度較小，表現(xiàn)為逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。以橡膠含量為4%、壓實度為90%為例：第2、5次的裂隙密度分別為10.32%、12.37%。結合定性分析結果，在干濕循環(huán)作用下試樣由于失水收縮而產生的收縮變形主要發(fā)生在前2次循環(huán)。試樣收縮變形后使得混合土中的土粒與土粒間、膠粉與膠粉間以及膠粉與土粒間的膠結效果削弱，因此產生較大的裂隙。前2次干濕循環(huán)中試樣表面出現(xiàn)了大量的細、微裂隙，裂隙密度急劇增加，后3次干濕循環(huán)雖然出現(xiàn)小裂隙和大裂隙；但數(shù)量減少且大量的細、微裂閉合，所以裂隙密度基本變化不大。同時由于小直徑的橡膠顆粒在壓力作用下與土顆粒容易發(fā)生錯位滑移、咬合能力差，因此紅黏土顆粒與橡膠顆粒間的摩擦力減弱，無法較好地黏結在一起。在高溫烘干的過程中，由于橡膠顆粒和黏土顆粒的收縮不同步，使土體中的孔隙增加，因此導致隨著橡膠含量的增加，裂隙密度相應增加。另一方面，紅黏土的裂隙主要是在干縮過程中產生的，干縮會引起紅黏土顆粒的聚集和排列上的變化，由于小粒徑的橡膠顆粒的摻入，微觀結構發(fā)生了改變，導致了脹縮性能的變化。在干縮期間，由于各顆粒間存在的范德華力使得顆粒間相互聚集而形成聚集體，因此造成原先顆粒中的細粒含量、比表面積都相應地減少，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加土樣的脹縮特性也隨著土體達到平衡狀態(tài)而逐漸趨于穩(wěn)定[15-16]。

2.3 干濕循環(huán)作用下橡膠紅黏土抗剪強度與裂隙密度關系

(a) 壓實度85%

表4 黏聚力與裂隙密度擬合參數(shù)Tab.4 Fitting parameters of cohesion and crack density

(a) 壓實度85%

以壓實度96%為例，繪制抗剪強度與裂隙密度的關系曲線，如圖10所示。

(a) 橡膠含量為0

由圖10可知，隨著試樣裂隙密度的增大，橡膠紅黏土的抗剪強度指標逐漸減小。以上覆壓力為100 kPa，橡膠含量為2%和4%為例，第5次干濕循環(huán)時，裂隙密度分別由195.96 kPa下降到76.84 kPa和由182.76 kPa下降到68.38 kPa。究其原因，在試樣干燥期間，由于試驗外部直接與熱環(huán)境直接接觸，土體的導熱性較差，因此造成試樣外部的溫度遠大于試驗內部的溫度，即試樣內外部之間存在一定的溫度差。外部土體在熱空氣的作用下迅速脫水而收縮，而內部土體收縮的速度遠小于外部土體收縮速度，即存在溫度差，從而使上層土體的收縮變形被下層土體制約，產生了收縮拉應力，而且橡膠顆粒和紅黏土顆粒的收縮變形是不同步的，導致在收縮過程中橡膠顆粒和土顆粒之間產生了孔隙，使土體本身的抗拉強度降低，上、下層的土顆粒被拉開，形成橫向裂隙。在之后的加濕中，土體還會吸水膨脹使得裂隙閉合，但是并不能使橫向裂隙完全愈合。在之后的再次高溫烘干中，橫向裂隙會沿愈合的裂隙繼續(xù)擴展，形成新的臨界面，導致臨界面下的含水率被重新分布，土顆粒被進一步拉開，也正是應為這些橫向裂隙的存在，使土體之間的咬合力下降，抗剪強度隨著裂隙密度的增加而減小[17]。

3 結論

①橡膠紅黏土黏聚力和內摩擦角均隨橡膠含量的增加而減少；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，橡膠紅黏土的抗剪強度逐漸減小，前2次干濕循環(huán)抗剪強度大幅度衰減，之后干濕循環(huán)對抗剪強度的影響程度逐漸減小，并最終趨于穩(wěn)定；

③橡膠紅黏土的抗剪強度指標隨著裂隙密度的增加而減小。

④由于橡膠粉與紅黏土混合并未發(fā)生化學反應，因此改良效果不佳。建議在橡膠紅黏土中添加水泥、石灰等黏結劑，提高混合料強度。