废旧轮胎橡胶颗粒的应用及研究现状

(山东科技大学土木工程与建筑学院， 山东 青岛266590)

废旧轮胎橡胶颗粒的应用及研究现状

丁鲁强 李彦志

(山东科技大学土木工程与建筑学院， 山东 青岛266590)

废弃物的回收利用是当今世界的热点话题，如何正确处理废弃物将关系到社会和经济的发展，这也是很多国家亟待解决的难题。本文介绍了大量废旧轮胎的危害性及回收利用的方法，分析讨论了废旧轮胎橡胶颗粒在不同土体中的改良效果，认为废旧轮胎橡胶颗粒可有效提高砂土的抗剪强度，改善黏性土的黏聚力、渗透性和耐久性以及改良黄土和膨胀土的不良工程性质。

废旧轮胎；橡胶颗粒；危害性；回收利用；改良

我国是公认的轮胎生产大国，轮胎产量一直遥遥领先。21年来，我国的轮胎产量已经超过13356万，位列世界第三，然而每年产生的废旧轮胎数量也高达5多万条。随着越来越来多的家庭使用轿车代步，人们拥有的汽车数量逐年增多，毋庸置疑，也将会产生更多的废旧轮胎。随之而来的是一个世界性难题：如何有效回收利用，防止对环境造成污染。在再生资源的回收利用方面，这同时也是我国面临的一个新课题。什么是废旧轮胎，即失去使用价值，被淘汰或者替换下来和工厂大量产生的报废轮胎。废旧轮胎长达几十年都不会自然降解和消失，因为它的强抗热性、热生物和抗力学特性。露天条件下长期堆放，占用和荒废了大量土地，还使蚊虫滋生泛滥，大大增加了疾病的传播率，并且极易引发火灾，所以人们称之为"黑色污染"。目前形势严峻，我们面临着一个棘手的问题，大家如何将这些废旧的轮胎有效回收并合理加以利用，使之能够变废为宝、转害为利。这是一个不容忽视，并亟待解决的问题。

1 废旧轮胎的危害性

随着国民对汽车的需求量猛增，废旧轮胎已经逐渐成为新的固体废弃物污染源，工业化程度较高的国家都在寻求最佳的废旧轮胎回收利用方法。要处理越积越多的废旧轮胎，可以选择填埋、焚烧及化学法。但是废旧轮胎是高分子弹性材料，有不熔性或难熔性，在-50℃—+150℃内，它的高弹性和高韧性都基本不会改变，它们的分解产物进入土壤后，要经过数百年才能不影响植物生长；焚烧后产生的一氧化碳和烟雾，还会对大气造成严重污染；即使采用化学法处理，也会形成二次污染。所以像填埋、焚烧及化学法等常用的处理固体废弃物的方法，对废旧轮胎都不适用。废旧轮胎是最有害的垃圾之一，它破坏自然环境、影响植被生长、对人类健康不利、还严重危及地球的生态环境，这种"黑色污染"造成的恶劣影响远超过"白色污染"。如何解决这个迫切的问题—处理不断新生的"黑色污染"—固体废弃物，已经成为了新时代社会讨论和关注的热点。因此，对废旧轮胎的合理资源化利用已迫在眉睫。

2 废旧轮胎的回收利用

由于废旧轮胎回收处理的难度远远大于其它固体废弃物，如何将其回收利用、变废为宝各国都处在探索阶段，处理的方法也不尽相同：除加拿大等少数国家用作燃料外，回收废旧轮胎的方法主要是制成橡胶颗粒的机械方法。将废旧轮胎经过物理加工制成橡胶颗粒应用于工程建设，是解决环境污染及资源浪费的重要途径之一。由于其质量轻、强度高、变形协调性好、减少地震液化、良好的保温隔热性能和透水性等优点，可作为加筋材料应用于工程建设中，会很大程度上改善地基变形程度和建筑物使用年限，具有明显的经济效益和环保价值。该轻质加筋材料已在美国得到广泛应用。

3 废旧轮胎橡胶颗粒对土体的改良

3.1对黏性土的改良

近年来已有学者利用废弃轮胎橡胶颗粒改良膨胀土特性，同时也证明了橡胶的浸出液不会造成地下水污染。邹维列通过试验进行研究，他将废弃的轮胎橡胶颗粒以不同配比掺入到膨胀土，制成改性土样，通过对膨胀土改性前后的物理性质、强度和胀缩特性对比分析，研究废弃轮胎的橡胶颗粒对膨胀土的改性效果，得到其最佳配比，为该方法接下来的探索提供了有利依据和参考。从试验结果可以看出：膨胀土中掺入橡胶颗粒后，改性后的膨胀土的液限与塑性指数随着橡胶颗粒数目的增加而增大，黏聚力减小，而内摩擦角和抗剪强度变化不大。孙树林通过固结快剪试验探究了不同含水率(15%、18%、21%)下不同掺量(10%、20%、30%)废弃轮胎胶粉与膨胀土混合后土体抗剪强度，发现混合土的抗剪强度随胶粉含量的增加而增大，混合土内摩擦角的变化和胶粉含量变化无相关性。同时表明黏聚力的增大导致混合土抗剪强度增大，验证了废弃轮胎的胶粉对于膨胀土的改良效果比较显著，在膨胀土的改良问题上提供了一个全新的改良方法。

李长雨通过动三轴试验研究了废旧轮胎橡胶颗粒对粉煤灰土的动强度、动模量、混合土抗剪强度指标的影响，并将试验结果与粉煤灰土的动力特性加以对比，分析表明在相同围压下，橡胶颗粒-粉煤灰土混合土动强度均随着破坏周数的增加而减小；在相同破坏周数的条件下，试样动强度随着围压的增大而增加。橡胶颗粒-粉煤灰土混合土的初始切线模量及平均动模量均低于粉煤灰土的初始切线模量及平均动模量，说明橡胶颗粒-粉煤灰土混合土具有动强度高、黏聚力和内摩擦角大的特点，可以作为冬季寒冷地区路基保温层材料。

黏性土在我国分布十分广泛，因其压缩性大，抗剪强度低，故将废旧轮胎橡胶颗粒掺入其中，提高黏性土的抗剪强度、渗透性和耐久性。李珊珊研究了废旧轮胎橡胶颗粒对黏性土压缩特性的影响，及竖向压力、橡胶颗粒掺量对混合土各参数的影响。研究发现，纯压实黏性土和20%左右掺量试样呈现中压缩性，40%掺量和100%掺量的试样呈现出高压缩性。随着竖向压力的增大，混合土的孔隙比减小，压缩系数减小，压缩模量增大；随着橡胶颗粒掺量增加，混合土压缩系数呈现先减小后增大趋势，当橡胶颗粒掺量为30%时，压缩系数最小，也就是说试样的压缩模量最大。黏性土中掺入废旧轮胎橡胶颗粒，可以显著提高其固结速率，尤其是在掺量为30%-40%时，混合土的固结速率最大，压实效果最好。

3.2 对砂性土的改良

张永富通过固结排水三轴剪切试验，研究了橡胶颗粒含量及围压对橡胶颗粒-砂土剪切特性的影响，分析了不同配合比和围压条件下土体的偏应力-轴向应变曲线及体应变-轴向应变曲线变化特性。试验结果表明：掺入10%-30% 橡胶颗粒时，可以有效改善土体的抗剪强度特性；当掺入10%橡胶颗粒时，土体的内摩擦角达到最大值；当掺入20%橡胶颗粒时，其粘聚力达到最大值。邓安利用废弃轮胎橡胶颗粒的良好表面摩擦性与低重度特性，提高砂土填料的抗剪强度并降低其重度。通过直剪和三轴压缩试验，研究多种掺入比与不同围压条件下砂土剪切性状，对应力—应变特征进行模拟，发现随着橡胶颗粒掺入量的不断增加，其抗剪强度越来越低，峰值偏应力或峰值应力比在100-200 kPa围压下基本不变，在300-400 kPa围压下越来越小。砂土泊松比受橡胶颗粒掺入量影响，并随主应力发生“弯转”。围压小于200 kPa，当掺入的轮胎橡胶颗粒达到10%-20%时，砂土的抗剪强度明显提高，材料重度显著降低，砂胶混合材料应力—应变关系可用Duncan-Chang模型模拟。

段伟宏进行了一系列不同橡胶颗粒掺量的混合砂土的固结试验，得出了不同橡胶颗粒含量情况下试样的密度以及不同橡胶颗粒掺量条件下各试样的压缩变形曲线，并分析了橡胶颗粒-砂土混合土的压缩特性，发现混合土的压缩性随着橡胶颗粒掺量的增大而逐渐增大，橡胶颗粒掺量越大，混合土的残余应变越大；橡胶颗粒-砂土混合土的侧限压缩模量随着橡胶颗粒掺量的减小而增大，当橡胶颗粒掺量小于40%时增大速度最显著。李丽华研究了废旧轮胎橡胶碎片-砂土混合土抗剪特性，进行了一系列的剪切试验，探讨了碎片掺量、纵横比和密实度等不同因素对废旧轮胎橡胶碎片-砂土混合土抗剪性能的影响规律。研究发现，随着废旧轮胎橡胶碎片掺量的增大，混合土的抗剪强度、内摩擦角均呈现增大的趋势，且二者都变现出非线性的增大特性。只改变废旧轮胎橡胶碎片的宽度不能有效的增大混合土的抗剪强度，但是纵横比对混合土的抗剪强度影响显著，对于一定宽度的废旧轮胎橡胶碎片，有唯一的碎片长度使混合土的内摩擦角达到最大，说明通过优化废旧轮胎橡胶碎片纵横比、掺量及密实度，可以使混合土的抗剪强度达到最大值。

4 结束语

循环经济是一种经济发展模式，它以物质不断循环并加以利用为基础，在社会经济活动中把废旧物资变废为宝，遵循“减量无害化、资源再利用和循环使用”的行为规范，按照自然生态系统的存在模式，旨在把经济活动发展成一个“资源—产品—再生资源”的过程，使物质得以反复循环使用，从而使整个经济系统，以及在社会生产和消费的过程中很少产生甚至不产生废弃物。我国橡胶的消耗量巨大，但是橡胶资源又及其短缺，每年大约有一半橡胶依赖进口。所以对我国来说，能否回收废旧轮胎并加以利用尤为重要。这同时也是保护橡胶资源，维护生态平衡，造福千秋万代，利国利民的大事。废旧轮胎橡胶颗粒给环境带来了巨大的压力，工程上开始探究将废旧轮胎橡胶颗粒与土体混合以改良不良的工程特性，如将废旧轮胎经过物理加工制成橡胶颗粒应用于道路工程中，可有效提高砂土的抗剪强度，大大增强黏性土的黏聚力、渗透特性和耐久性，并能使黄土和膨胀土的某些不良工程性质得以改善，使我国废旧轮胎处理工作走上可持续发展的绿色道路。

[1] 张正甫，刘松玉，蔡光华，等. 废旧轮胎在道路工程中的研究进展[J]. 土木工程学报，2015，48（2）：361-368.

[2] 邹维列，谢 鹏，马其天，等. 废旧轮胎橡胶颗粒改性膨胀土的试验研究[J].四川大学学报，2011，43（3）：44-48.

[3] 孙树林，魏永耀，张 鑫. 废弃轮胎胶粉改良膨胀土的抗剪强度研究[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28（1）：3070-3075.

[4] 李长雨，刘寒冰，魏海滨. 橡胶颗粒改良粉煤灰土的动力特性试验研究[J].岩土力学，2011，32（7）：2025-2033.

[5] 张永富，刘方成，任东滨，等. 橡胶颗粒-砂混合物三轴CD剪切试验研究[J]. 湖南工业大学学报，2015，29（1）：17-23.

[6] 邓 安，冯金荣. 砂-轮胎橡胶颗粒轻质土工填料试验研究[J]. 建筑材料学报，2010，13（1）：116-120.

[7] 段伟宏，张 涛，蔡国军. 橡胶颗粒-砂混合物压缩特性试验研究[J]. 工程地质学报，2015，23（1）：200-204.

U416

：A

1007-6344（2017）08-0299-02

丁鲁强，1991年8月，男，汉族，山东省聊城市，山东科技大学岩土工程专业在读研究生。