废旧轮胎在柔性路面中的应用性能

靳亚坤

(保定市保通公路勘测设计有限责任公司)

1 引 言

加固土技术由于它的多样性和灵活性在土木工程领域颇受欢迎。近年来,这一技术已经被引入多种岩土应用范畴。人造纤维加固土是一种潜在的提高土体强度的有效技术。废旧轮胎因为其自身的优点已经被投入实践应用。轮胎碎屑或其与砂的混合物的应用可以将目前存在的废旧轮胎处理难题大大减小。废旧轮胎碎屑作为一种轻型填充材料具有许多工程优点,当其用于公路基层或底基层时,可以改善地下排水,延长公路使用寿命。轮胎碎屑同时具有减震能力,且容易压实成型。轮胎碎屑作为填充材料,可以改善透水性,防止过压,减小土体垂直荷载。尝试用废旧轮胎加固膨胀土上柔性路面碎石和粉煤灰底基层,研究柔性路面底基层加固前后的关系。进行不同废旧轮胎比例时碎石和粉煤灰两种材料直剪力和 CBR值测试,从而获得加固材料的最佳掺加量。通过进一步建立最佳掺加量时不同底基层柔性路面模型,在饱和状态对路面系统进行周期荷载试验。

2 材料与方法

2.1 材料

(1)土

本研究所用膨胀土指标 WL=66%,WP=32%,WS=12%,I.S.Classification=CH(高压缩性粘土),OMC(最佳含水量)=23%,MDD(最大干密度)=15.69kN/m3,膨胀率为150%,饱和 CBR=2%。

(2)粉煤灰

粉煤灰指标为 MDD=13.24kN/m3,OMC=24%,WL=28%,饱和 CBR=4%。

(3)碎石

碎石指标为 WL=38%,WP=19%,OMC=12%,MDD=18.5kN/m3,饱和 CBR=8%。

(4)碎石路

碎石路满足 MOST规范,用于基层,总计 20mm。(5)废旧轮胎

废旧轮胎碎屑通过4.75mm筛孔,作为加固材料。

2.2 试验

(1)直剪力试验

直剪力测试中,所需废旧轮胎干燥称重,与土均匀混合。相当于自然土饱水状态的水含量加入土样中,用手拌和均匀。土样压实到自然土的最大干密度状态。

(2)加州承载比试验(CBR)

废旧轮胎碎屑加固碎石与粉煤灰材料在相同条件下分别进行CBR试验,对所有样本进行CBR试验。

(3)柔性路面模型制备

柔性路面模型在一个直径 60cm高 30cm的圆形钢罐中制备。20cm的高度是为了放置路基,5cm底基层和5cm基层。饱水状态土分 10层平铺于圆形罐中,每层压实厚度2cm,共计 20cm。路基上为混合了适宜废旧轮胎碎屑的碎石或粉煤灰底基层,厚度为 5cm,分两层压实。制备好的底基层上分两层压实总厚度 5cm的 WBM-III层。路基层放置厚度 10mm的湿砂,供土体吸收水分。

(4)柔性路面模型详细资料

本试验准备了四组不同柔性路面模型。试验中均用膨胀土作为路基,WBM-III作为基层。

表1 柔性路面模型资料

(5)周期荷载试验

周期荷载试验在饱水状态进行。罐体对边焊接两个水口以供水。荷载通过一个 10cm的金属圆盘置于柔性路面上。钢罐固定于试验仪上。5t称量值仪与荷载盘连接。两个精确度0.01mm的仪表置于金属盘,用来测定荷载下的竖向位移。荷载逐步 增大,分别为 500kPa、560kPa、630kPa、700kPa与1000kPa,每一荷载循环增大,直至两个连续循环间荷载盘无位移。荷载继续增大,直至试件失效,并记录最终荷载值。

(6)膨胀计量

柔性路面系统保持饱水状态,膨胀读数在仪表上定期间隔记录,记录读数至两个连续读数间无明显变化为止。

3 试验结果

3.1 实验室试验结果

直剪试验和CBR试验分别对不同废旧轮胎碎屑含量的碎石和粉煤灰材料进行,以找出废旧轮胎碎屑的最佳掺量。周期荷载试验在最佳废旧轮胎碎屑含量下,对碎石和粉煤灰底基层分别进行。

(1)直剪试验结果

图 1和图 2中可以看出,碎石材料的粘聚力和内摩擦角分别增大从 11.77～26.48kN/m2,36°～43°,废旧轮胎碎屑含量均为 5%,在此含量之后开始减小。粉煤灰材料的粘聚力和内摩擦角分别增大从 7.85～18.64kN/m2,33°～39°,废旧轮胎碎屑含量均为 6%,在此含量之后开始减小。试验结果表明,碎石和粉煤灰的最佳废旧轮胎碎屑含量分别为 5%和 6%。试验结果显示,废旧轮胎碎屑加固碎石材料较粉煤灰材料显示出更好的性能。

(2)加州承载比(CBR)

图 3中废旧轮胎碎屑含量 5.0%和 6.0%的碎石和粉煤灰底基层料饱水 CBR值分别由 8.0增至 13.32,4.0增至8.73,因此其废旧轮胎碎屑最佳含量分别为 5%和 6%。

图 1 不同废旧轮胎碎屑含量的碎石和粉煤灰材料粘聚力变化曲线

图 2 不同废旧轮胎碎屑含量的碎石和粉煤灰材料内摩擦角变化曲线

图3 不同废旧轮胎碎屑含量的碎石和粉煤灰材料 CBR值变化曲线

(3)周期荷载试验结果

如图 4所示试验结果,废旧轮胎碎屑增强柔性路面的承载能力明显改善。在所有应变水平中加固碎石底基层均显示出较加固粉煤灰底基层更好的性能。

图 4 膨胀土路基上柔性路面碎石、粉煤灰底基层压应变与压力变化关系曲线

3.2 废旧轮胎碎屑加固碎石和粉煤灰底基层对比

以上分析表明,加固碎石路面较加固粉煤灰路面表现出更好的性能。承载能力的提高可归结为加固底基层向路基分散荷载能力的提高。与此同时,也减小了底基层向路基传递压力的剧烈程度。

4 结 论

从不同含量的废旧轮胎碎屑加固碎石和粉煤灰的直剪力试验和CBR试验结果可以看出,废旧轮胎碎屑的最佳含量分别是 5%和6%。

膨胀土路基上最佳废旧轮胎碎屑含量的碎石底基层和粉煤灰底基层路面结构系统的承载力显著提高。

本研究中,膨胀土路基上废旧轮胎碎屑加固碎石和粉煤灰底基层柔性路面模型中,土体膨胀无明显控制规律。

在所有应变水平中,废旧轮胎碎屑加固碎石底基层较废旧轮胎加固粉煤灰底基层均表现出更好的性能。

[1]公路工程试验规程(GBJ92-93).2001.

[2]张登良.沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1998.

[3]幸德刚.高速公路沥青路面材料与结构[M].北京:人民交通出版社,2001.