粉煤灰+石灰+廢舊輪胎橡膠顆粒對(duì)濕陷性黃土地基改良試驗(yàn)研究

王富奎

（河南六建建筑集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471000）

在我國西北地區(qū)，分布著廣泛的黃土地貌，黃土的濕陷性會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)的不均勻沉降變形，對(duì)工程建設(shè)安全和運(yùn)營穩(wěn)定具有重要影響，因此，必須采取措施對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行處理［1］。

當(dāng)前，常用的處理濕陷性黃土地基的方法包括置換、強(qiáng)夯、預(yù)浸水法、灰土樁等，其中灰土墊層或者擠密樁的使用非常廣泛［2-5］。但是，石灰在工程建設(shè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵污染，對(duì)環(huán)境而言將產(chǎn)生不利影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的老舊汽車報(bào)廢，留下了大量的廢舊輪胎，這些廢舊輪胎具有很強(qiáng)的抗熱性和抗機(jī)械性能，處理起來十分困難，不僅造成了大量的資源浪費(fèi)，而且產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的固體廢棄物污染，因此，增加廢舊輪胎的利用渠道和綜合回收利用率成為當(dāng)前的一大難題［6-9］。在巖土工程中，廢舊輪胎顆粒主要作為一種加筋材料來增強(qiáng)土體的特性，雖然能取得一定的研究成果，但仍然沒有取得系統(tǒng)的理論依據(jù)和應(yīng)用嘗試［10-11］。

本研究將粉煤灰、石灰和廢舊輪胎橡膠顆粒應(yīng)用到濕陷性黃土的改良試驗(yàn)中，一來是為了減少石灰在工程建設(shè)中所帶來的粉塵污染，二來是為了在灰土基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升土體強(qiáng)度和抵抗變形的能力，以期能為廢舊輪胎子在濕陷性黃土地基中的普及應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）濕陷性黃土：取樣深度為5m，平均含水率22.5%，初始干密度為1.56g/cm3，最大干密度1.7g/cm3，液限值為25.1，塑限值為16.3，塑性指數(shù)值為8.8，濕陷性系數(shù)值為0.023。

（2）廢舊輪胎顆粒：于當(dāng)?shù)貜U舊輪胎商場采購，首先將其抽取鋼絲，然后將其切割成3～5 cm長的碎片，最后再放入粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎，制成粒徑＜5mm的橡膠顆粒。

（3）粉煤灰：采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度為8.4%，需水量為91%，燒失量為0.33%～1.78%，SO3含量為0.5%～1.8%，天然密度1.13g/cm3，平均粒徑0.05，含水量為25%，主要化學(xué)成分為SiO3和Al2O3，占比分別為61.5%和27%。

（4）石灰：鈣質(zhì)生石灰，對(duì)其進(jìn)行篩分取粒徑＜5mm的石灰粉作為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)方案

石灰在工程實(shí)踐中容易產(chǎn)生粉塵污染，為了解決這一問題，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中的相關(guān)技術(shù)要求，在二灰土中需要盡量降低石灰的摻量，同時(shí)還要兼顧黃土地基自身承載力要求。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中對(duì)于廢舊輪胎顆粒二灰土的壓實(shí)系數(shù)要求值為≥95%。綜合兩種規(guī)范的技術(shù)要求，本研究設(shè)計(jì)了低石灰摻比下的廢舊輪胎橡膠顆粒二灰土來對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行改良。具體試驗(yàn)方案為：試驗(yàn)組1為素土試驗(yàn)組；試驗(yàn)組2為灰土試驗(yàn)組，灰土的體積摻比為30%；試驗(yàn)組3為廢舊輪胎顆粒二灰土A，石灰、粉煤灰、廢舊輪胎顆粒的體積摻比分別為5%、10%和10%；試驗(yàn)組4為廢舊輪胎顆粒二灰土B，石灰、粉煤灰、廢舊輪胎顆粒的體積摻比分別為10%、10%和30%；試驗(yàn)組5為廢舊輪胎顆粒二灰土C，石灰、粉煤灰、廢舊輪胎顆粒的體積摻比分別為4%、10%和46%。不同試驗(yàn)組的體積配比情況見表1。

表1 試驗(yàn)配比方案Table 1 Test proportion scheme

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)步驟為：(1)試件制備，將素土、灰土以及廢舊輪胎二灰土按照表1中的配合比進(jìn)行配制，然后擊實(shí)，制成直徑為100mm、高為200mm的圓柱形試件，并稱取試件質(zhì)量；(2)對(duì)試件分別標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)0d、7d、10d、14d、28d和56d；(3)取不同養(yǎng)護(hù)齡期下試件分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)；(4)取養(yǎng)護(hù)齡期為28d的試件進(jìn)行浸水，然后進(jìn)行不同含水率下的直接剪切試驗(yàn)；(5)取養(yǎng)護(hù)齡期為28d的試件，然后進(jìn)行不同干密度下的直接剪切試驗(yàn)；(6)整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出試驗(yàn)結(jié)論。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 密度變化特征

試驗(yàn)得到的不同試驗(yàn)組改良黃土密度隨齡期的變化特征如圖1所示。從圖1中可知：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，灰土（試驗(yàn)組2）的密度呈先降低后升高再降低的變化特征，當(dāng)齡期為0～10 d時(shí)，由于試樣內(nèi)部水分大量蒸發(fā)，導(dǎo)致質(zhì)量降低，因而密度下降明顯，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到10d之后，灰土試樣內(nèi)部會(huì)碳化形成大量的硬質(zhì)CaCO3，導(dǎo)致試件質(zhì)量和密度增加，當(dāng)齡期為28d時(shí)，密度達(dá)到最大值，當(dāng)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)時(shí)，試樣的密度反而會(huì)有所降低，這可能是因?yàn)樗掷^續(xù)，導(dǎo)致灰土試驗(yàn)產(chǎn)生干裂，從而密度下降；試驗(yàn)組3和試驗(yàn)組4的密度均隨齡期增加呈先增長后降低再增長的變化特征，當(dāng)摻入粉煤灰后，由于其含有的大量活性礦物質(zhì)（SiO、Al2O3、Fe2O3、MgO）會(huì)與Ca(OH)2發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，生成絮凝物質(zhì)，因而在短期內(nèi)試樣的密度會(huì)增加，隨著化學(xué)反應(yīng)的不斷深化，部分絮凝物質(zhì)會(huì)逐漸硬化，使得土體顆粒更加緊密地團(tuán)結(jié)在一起；試驗(yàn)組5的密度隨齡期呈先降低后升高再降低的變化特征，這可能是因?yàn)閺U舊輪胎顆粒摻入量過多之后，導(dǎo)致灰土和粉煤灰含量不足，化學(xué)反應(yīng)不充分，因而密度會(huì)降低，但是由于橡膠顆粒具有較好的彈塑性，能夠在一定程度上恢復(fù)變形空間，因而密度會(huì)逐漸上升。相同齡期下，灰土的密度最大，廢舊輪胎顆粒二灰土的密度較小，且橡膠顆粒摻量越多，密度越小。

圖1 密度隨齡期的變化Fig.1 Variation of density with age

2.2 累計(jì)沉降變形量

試驗(yàn)得到的不同試驗(yàn)組改良土累計(jì)沉降變形量與觀測時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。從圖2中可以看到：隨著觀測時(shí)間的增加，不同試驗(yàn)組的累計(jì)沉降變形量呈逐漸增大的變化特征，但沉降變形速率在逐漸降低，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值；相同觀測時(shí)間下，原狀黃土的累計(jì)變形量最大，其次為灰土改良試驗(yàn)組，廢舊輪胎橡膠顆粒二灰土改良試驗(yàn)組的累計(jì)沉降變形量最小，這是因?yàn)閺U舊輪胎顆粒是一種彈塑性材料，當(dāng)被外界壓力擠壓時(shí)，廢舊輪胎顆粒會(huì)發(fā)生回彈，延緩?fù)馏w的變形，因而累計(jì)沉降變形量將大大降低。

圖2 累積沉降變形量與觀測時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between accumulated settlement deformation and observation time

2.3 配合比對(duì)強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)得到的不同試驗(yàn)組改良土的剪切強(qiáng)度變化特征見圖3。從圖3中可以看到：隨著正壓力的逐漸增大，原狀土和改良土的剪切強(qiáng)度均逐漸增大，但是當(dāng)正壓力超過400kPa后，剪切強(qiáng)度的增長幅度會(huì)逐漸放緩；相同正壓力情況下，原狀黃土（試驗(yàn)1組）的剪切強(qiáng)度最小，灰土改良試驗(yàn)組（試驗(yàn)組2）的略大于原狀土，而當(dāng)摻入廢舊輪胎顆粒和粉煤灰之后，土體的強(qiáng)度有較大幅度的提升，其中：試驗(yàn)組4＞試驗(yàn)組3＞試驗(yàn)組5，表明廢舊輪胎橡膠顆粒的摻料對(duì)于土體的強(qiáng)度影響較大，當(dāng)石灰：粉煤灰：廢舊輪胎顆粒：黃土 =1：1：3：5時(shí)，改良土體的抗剪強(qiáng)度最佳?？梢姡瑥U舊輪胎顆粒的摻量也不是越多越好，這是因?yàn)楫?dāng)過多摻入廢舊輪胎顆粒時(shí)，就會(huì)造成石灰和粉煤灰摻量大幅減少，試樣中因化學(xué)反應(yīng)生成的硅酸鈣、鋁酸鈣等絮凝狀物質(zhì)將減少，從而土顆粒之間的膠結(jié)力會(huì)降低；再者，碳化生成的硬質(zhì)CaCO3含量也會(huì)顯著降低，使得土體的強(qiáng)度反而降低。

圖3 不同配合比下抗剪強(qiáng)度隨正壓力的變化規(guī)律Fig.3 Variation of shear strength with normal pressure under different mix proportions

2.4 齡期對(duì)強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)得到的不同試驗(yàn)組改良土的剪切強(qiáng)度隨齡期的變化特征如圖4所示。從圖4中可以看到：隨著齡期的增長，改良土的剪切強(qiáng)度不斷增加，但是廢舊輪胎二灰土的強(qiáng)度改良效果要明顯優(yōu)于灰土的改良效果，這主要是因?yàn)閺U舊輪胎顆粒的彈塑性變形特性，可以填充土顆粒的大量空隙，使得土體的密實(shí)度大大增強(qiáng)，因而承載力會(huì)有大幅提升；但是，廢舊輪胎顆粒摻量對(duì)于改良土體的強(qiáng)度有重要影響，當(dāng)廢舊輪胎摻入量過多時(shí)，反而會(huì)因?yàn)樗磻?yīng)不足導(dǎo)致土體承載力降低，相比較而言，試驗(yàn)組4的剪切強(qiáng)度最大，后期強(qiáng)度的增長幅度也最大，改良效果最佳。

圖4 齡期對(duì)剪切強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of age on shear strength

2.5 含水率對(duì)強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)得到的不同試驗(yàn)組改良土的剪切強(qiáng)度隨含水率的變化特征如圖5所示。

圖5 含水率對(duì)剪切強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of moisture content on shear strength

從圖5中可知：隨著含水率的不斷增加，原狀土、灰土以及廢舊輪胎顆粒二灰土的強(qiáng)度均呈先增大后減小的變化特征，原狀土的最佳含水率為16%，灰土的最佳含水率為27%，而廢舊輪胎顆粒二灰土的最佳含水率均為22%，這說明廢舊輪胎顆粒二灰土最佳含水率受配比的影響較小。

通過上文分析可以總結(jié)得到：廢舊輪胎二灰土在強(qiáng)度和控制變形方面較傳統(tǒng)灰土改良方法更加有效，且廢舊輪胎顆粒的不宜摻加太多，當(dāng)石灰：粉煤灰：廢舊輪胎顆粒：黃土=1：1：3：5時(shí)，改良土體的力學(xué)性能表現(xiàn)最佳。

3 工程應(yīng)用

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，同時(shí)是否適用于工程現(xiàn)場施工，在某工地現(xiàn)場進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)。場地情況如下：某28層高建筑場地黃土濕陷性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，濕陷性土層的最大深度達(dá)到24m，地基設(shè)計(jì)采用3：7灰土擠密樁進(jìn)行加固，樁身直徑為0.5m，長度為30m，樁間距為1m，呈等邊直角三角形布置，壓實(shí)系數(shù)均大于0.97。在施工過程中，做10根廢舊輪胎二灰土樁（石灰：粉煤灰：廢舊輪胎顆粒：黃土=1：1：3：5）作為對(duì)比試驗(yàn)。當(dāng)樁基完工28d后，分別對(duì)原狀黃土、灰土擠密樁和廢舊輪胎顆粒二灰土樁的樁間土濕陷性系數(shù)進(jìn)行檢測，然后再利用堆載方式對(duì)兩種樁基進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測試樁基沉降量。

現(xiàn)場檢測到的樁間土濕陷性系數(shù)隨地基深度的變化特征如圖6所示。從圖中可以看到：隨著深度的增加，樁土間的濕陷性系數(shù)呈波浪形變化特征，相同深度下，灰土樁和廢舊輪胎顆粒二灰土樁的濕陷性系數(shù)較未處理時(shí)要小得多，兩種樁體對(duì)于淺層樁間土體濕陷性的改善效果比較明顯，當(dāng)基礎(chǔ)深度達(dá)到13m后，三種樁間土的濕陷性系數(shù)基本相等，因此廢舊輪胎顆粒二灰土樁跟灰土樁一樣，改良加固深度均可達(dá)到10m以上，表明廢舊輪胎顆粒二灰土可以用于濕陷性黃土地基的加固處理。

圖6 樁間土濕陷性系數(shù)隨地基深度的變化特征Fig.6 Variation characteristics of collapsibility coefficient of soil between piles with foundation depth

灰土樁和廢舊輪胎顆粒二灰土樁的分級(jí)靜載試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 荷載-沉降曲線Fig.7 Load settlement curve

從圖7可以看到：隨著荷載的增加，沉降量呈逐漸增大的變化特征，當(dāng)荷載小于350kN時(shí)，沉降量隨荷載的增幅較小，且基本呈線性趨勢(shì)，當(dāng)荷載大于350kN后，沉降量均出現(xiàn)較大幅度增長，表明在此壓力下黃土內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷破壞，因而抗壓能力顯著降低；在相同荷載情況下，廢舊輪胎顆粒二灰土樁的沉降量明顯小于灰土樁，350kN荷載下，廢舊輪胎顆粒二灰土樁的沉降量為6mm，灰土樁的沉降量為9.5mm，表明利用廢舊輪胎顆粒二灰土可很好地抑制黃土地基的變形沉降，對(duì)于建筑物整體沉降變形的控制具有重要作用。

4 結(jié)論

（1）廢舊輪胎顆粒作為一種輕質(zhì)塑彈性材料，能夠降低改良土體的密度，抑制變形，同時(shí)提升土體的強(qiáng)度特性。

（2）原狀黃土的最佳含水率為16%，灰土的最佳含水率為27%，廢舊輪胎顆粒二灰土的最佳含水率均為22%，廢舊輪胎顆粒二灰土最佳含水率受配比的影響較小。

（3）當(dāng)石灰：粉煤灰：廢舊輪胎顆粒：黃土 =1：1：3：5時(shí)，改良黃土的各項(xiàng)力學(xué)性能最佳，強(qiáng)度和抑制變形的能力最好。

（4）通過對(duì)灰土樁和和廢舊輪胎顆粒二灰土樁在濕陷性黃土地基中的現(xiàn)場加固對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了廢舊輪胎顆粒二灰土可以用于濕陷性黃土地基的加固處理，有效加固深度可達(dá)10m以上，且同等深度下，抑制黃土地基變形沉降效果較灰土更好。