橡胶颗粒—废铸砂复合填料冻胀试验

帕尔哈提

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院)

1 前 言

试验参照国家质量技术监督局与建设部联合发布的《土工试验方法标准》GB/T50123 －1999。冻胀试样尺寸为直径φ×高度H 为100 mm×50 mm，试样筒外径为120 mm，壁厚为10 mm 的有机玻璃筒及与其配套的顶、底板组成。试样无侧向变形，轴向无约束，试样单向自由冻结方式。冻胀率是相对值，通常用冻胀量与冻结土层厚度(冻结深度)之比来计算，用百分数计，如式(1)。

式中:η 为冻胀率，%;Δh 为试验期间总冻胀量，mm;Hf为冻结深度(不包括冻胀量)，mm。

冻胀试验装置由试样筒、制冷系统、环境温度箱、温度采集系统、位移采集系统等五大部分组成。

2 试验内容与步骤

2.1 试验设计

试验中选择的影响冻胀的因素为水泥、废铸砂、橡胶颗粒含量、含水率，各种单因素冻胀试验安排如表1 所示，试验的养护龄期为28 d。

2.2 试验方法

(1)试样制备

首先，将材料充分搅拌均匀，然后在冻胀试样筒内壁涂上一层凡士林，采用分三层捣实法制备冻胀试验用的试样，在捣实过程中保证每层填料成型高度相同，试验的尺寸为直径100 mm，高50 mm，与压缩无侧限抗压强度试验相似，要求密度与密度控制在±0.1 g/cm3，为了试样与大气隔绝，以免水分进入试样引起含水率的变化，试样24h 后拆模并用保鲜袋包好放入恒温室，养护28 d。

(2)抽气饱和与装样

将达到养护龄期的冻胀用的试样从恒温室拿出来，抽气饱和12 h;冻胀试样筒内涂上一层凡士林，筒底放一张滤纸，然后将抽气饱和以后的试样自由滑入试样筒内，试样筒的周围用5 cm 厚的泡沫塑料保温，在试样顶面再加上滤纸，然后盖上顶板，然后将位移传感器固定好，并与试样筒顶板相接触，位移传感器的变化反应了试样不同时间的变形，其精度为±0.1 mm，位移记录的时间间隔可以通过计算机任意的调整。这种全自动检测系统不仅减少了试验过程中人为因素的干扰，而且避免了人为读数带来的误差，试验结果按照前面调好的时间间隔存储在计算机上。

(3)试样恒温

开启环境温度箱及温度采集系统，试样恒温6 h，使得试样以及环境初始温度均匀达到1 ℃左右，并记录恒温过程当中试样变形值。

(4)开始冻胀试验

恒温结束以后，底板温度调节到－10 ℃，设置并启动位移采集系统，冻胀试验一般在12 h 之内结束，每种配比做两种试样同时进行试验，如果试验数据有离散性则重新试验，若无异常则两个试样的试验数据平均值作为最终结果。

3 试验结果与分析

根据以上试验方法，橡胶颗粒—废铸砂填料冻胀试验结果见表1。

表1 冻胀试验结果

(1)水泥含量对冻胀率的影响

含水率为30%，橡胶颗粒掺入比为0%及30%两种情况下只要水泥掺入比增加冻胀率会降低，例如，橡胶颗粒掺入比为30% 时，T3(水泥掺入比为4%)试样的冻胀率为1.02%，T11(水泥掺入比为8%)试样的冻胀率为0.5%，后者冻胀率比前者减少了50%，可见，水泥的掺入对抑制填料的冻胀效果很明显。水泥对冻胀的影响主要有三个方面。填料中的水分发育成冰晶体时体积增大，需要克服颗粒之间的粘聚力，水泥掺入比越多，填料颗粒之间的这种粘聚力就越大。日本学者生赖孝博研究表明土颗粒结合力增加时，冰晶发生的机会就少。随着水泥含量的增加，填料中的空隙被填满，改善了填料结构的密实度，冻结过程中水分迁移受阻，所以冻胀率就降低。填料中的水分多少直接影响冻胀率，水泥本身可以吸收水分形成水化物，水泥含量越高填料中的水化反应越充分，减少了填料中的自由水，冻胀率也越小。

(2)橡胶颗粒掺入比对冻胀率的影响

含水率为30%，水泥含量4%及6%两种情况下，通过橡胶颗粒掺入比与冻胀率之间的关系，可见，橡胶颗粒掺入比R=20%是分界点，R 大于20%时冻胀率降低的幅度比R 小于20%时的大一点;由水泥含量为6%的橡胶颗粒掺入比与冻胀率之间的关系曲线中可见，橡胶颗粒掺入比的增加冻胀率会减小，因为填料中的水分结冰膨胀，会增大填料中的空隙，使得填料中的颗粒重新组合，而填料中的橡胶颗粒有收缩的性能，这种性能容纳了填料中的部分膨胀，有效的抑制了对填料结构的破坏;当水泥含量为4%的情况下，橡胶颗粒掺入比40%时出现冻胀率增大的现象，因为各个成分以废铸砂为基数，每增加橡胶颗粒的掺入比，水泥含量占总填料的比例会减少，因为T4(橡胶颗粒掺入比为40%，水泥含量4%，含水率为30%)试样中的水泥提供的颗粒之间的粘聚力远远小于冻胀力，没有有效的抑制冻胀变形。

(3)含水率对冻胀率的影响

填料中的液态水由结合水、毛细水及重力水三部分组成。其中，毛细水和重力水也称为非结合水。非结合水为自由液态水，主要受重力作用的控制，在0 ℃或稍低于0 ℃时就冻结，而结合水一般要在－1 ℃或更低的温度下才冻结，因此，土的冻胀主要是由于冻结前土中的非结合水冻融引起的。非结合水反应在土的物理指标上为含水率，也就是说土冻前初始含水率决定着土的冻胀性;由水泥掺入比为6%，橡胶颗粒掺入比为30%时，冻胀率与含水率之间的关系可见，冻胀量随填料含水率增大而增大，而且含水率在30% ～35%之间变化时，冻胀率的增长幅度大于含水率在25% ～30%之间变化时的冻胀率;冻胀是由填料中的水分变成冰引起的，水分是冻胀的源头，填料中的水量越大，水结成冰膨胀时的体积就越大，填料的冻胀量也越大。

［1］中华人民共和国国家标准. 土工试验方法标准(GB/T50123 －1999)［S］.北京:中华人民共和国建设部，1999.

［2］谭丽华.水泥改良土冻胀融沉特性研究［D］.同济大学硕士论文，2008.

［3］敏辉，王少斌.季节性冻土路基冻胀性分析及治理措施［J］.铁道建筑，2009，(4):96 －98.