废旧轮胎橡胶颗粒与黏土混合土的剪切特性

李珊珊，李大勇

(山东科技大学 a.山东省土木工程防灾减灾重点实验室；b.土木工程与建筑学院， 山东 青岛 266590)

废旧轮胎橡胶颗粒与黏土混合土的剪切特性

李珊珊a,b，李大勇a,b

(山东科技大学 a.山东省土木工程防灾减灾重点实验室；b.土木工程与建筑学院， 山东 青岛 266590)

采用Shear Trac-II型直剪仪，对废旧轮胎橡胶颗粒与黏土混合土的剪切特性进行了研究，探讨了橡胶颗粒掺量、粒径对黏土混合土抗剪强度的影响，建立了抗剪强度指标与橡胶颗粒掺量及粒径之间的关系，并通过轻型压实法分析了混合土的压实指标。结果表明：混合土的最大干密度与最优含水率均随橡胶颗粒掺量增加逐渐减小，当掺量高于15%后，其减小趋势明显减弱。当橡胶颗粒掺量为40%时，混合土的抗剪强度最高，其抗剪强度较黏土提高了20%～40%。橡胶颗粒掺量低于20%时，增大橡胶颗粒粒径可使混合土的抗剪强度显著提高。混合土的黏聚力随掺量增加先增大后减小，内摩擦角则逐渐增大。在剪切过程中，试样表现出先剪缩后剪胀的特性，且在低压力、掺入大粒径橡胶颗粒时，其剪胀特性较明显。

废旧轮胎橡胶颗粒；黏土; 混合土；橡胶颗粒掺量；压实特性；抗剪强度

1 研究背景

废旧橡胶加工成碎片状、颗粒状或粉状掺入土中，可改良土木材料的工程性质，如废旧橡胶与砂土、黏土混合用于挡墙、路面基层材料与路基填料等工程中，具有轻质、耐用、弹性好、渗透性好及可改善变形特性等优点；另外，废旧橡胶颗粒还可掺入混凝土中，提高混凝土的抗折强度、抗裂性能和变形能力，也可以改善混凝土的抗冻、抗渗和抗冲击性能，受到工程界的重视[1]。同时，还可减少“黑色污染”，起到保护资源和环境的作用[2]。橡胶混合土的工程性质研究一直引起国内外学者的兴趣，如Eldin等[3]、Lee等[4]分析了砂土中掺加废旧橡胶颗粒后作为路堤填料的基本工程性状，发现混合土体的剪应力峰值明显提高，抗剪强度指标呈增大趋势。近年来，轮胎橡胶碎片对砂土工程性状的影响以及混合土的动力特性试验及数值模拟与计算、本构关系分析等方面的研究也受到人们的重视[5-8]。此外，Bosscher等[9]研究了在反复荷载作用下，橡胶混合土的压缩性能和回弹变形性能。Cetin等[10]研究发现普通黏性土中掺加轮胎橡胶颗粒后可改良黏土的工程特性，并得出使黏土抗剪强度提高的橡胶颗粒最优掺量范围为20%～30%。Boominathan等[11]认为经橡胶颗粒改良后的粉煤灰具有保温性能好、动强度高、黏聚力和内摩擦角大的特点，可以作为季冻区路基冷阻层材料。辛凌等[12]研究了废弃轮胎橡胶颗粒轻质混合土的剪切强度特性，提出了材料配比对RST轻质土(light weight soil mixed with rubber chips of scrap tires)的抗剪强度、抗剪强度指标及孔隙水压力系数的影响。邹维列等[13]在素膨胀土中掺入废弃轮胎橡胶颗粒形成改良膨胀土，研究了改良膨胀土的物理特性、胀缩特性、强度特性。孙树林等[14]、Seda等[15]对废弃橡胶胶粉改良膨润土的抗剪强度进行了研究，证实了废旧橡胶胶粉改良膨润土效果较为显著。Zornberg等[16]认为橡胶混合土的应力-应变关系及体积变形特性受橡胶颗粒掺量的影响较明显，当掺量为35%～60%时，混合土有剪胀特性;当掺量>60%时，混合土呈现剪缩特性且没有峰值应力出现。

综上所述，国内外学者研究了在砂土、黏土、粉煤灰、轻质土、膨胀土、膨润土、混凝土中掺入废旧轮胎橡胶颗粒(粉)可改良原有素土的物理力学性能，但对橡胶颗粒改良黏土工程特性还需进一步探索和研究。

目前，我国城市建设的蓬勃发展，对土地资源需求量日益增加，将疏浚出来的黏土用来填海造陆已成为像青岛这样的沿海城市缓解土资源紧张的一种途径。以此为工程背景，本文对废旧橡胶颗粒与黏土混合土的压实特性、剪切及变形特性进行了研究，期望为解决黏土的工程问题提出一种新途径，亦为工程设计与工程实践提供参考。

2 试验条件

2.1 试验设备

采用美国生产的Shear Trac-II型直剪仪(图1)，可全自动完成标准直剪、残余剪切试验中的固结和剪切试验，水平剪切的施加方式可按照一个特定的变形速率、特定的水平力或在一个特定的时间段分级施加力；该系统还可实时显示当前的试验状态和试验曲线，并可在试验的任何阶段改变试验过程和试验条件；试验过程中，系统运行非常稳定，大大提高了试验数据可靠度。

图1 Shear Trac-II 型应变控制式直剪仪

图2 橡胶颗粒级配曲线Fig.2 Curves of size distribution of rubber particles

2.2 试验材料

土样取自黄海海床，土质较为均匀、纯净，天然含水率为47.95%，液限为37.2%，塑限为17.1%，初始孔隙比为1.13，相对密度为2.70，密度为1.86 g/cm3。选用2组除去钢束带后切割成近于等锥度废旧轮胎颗粒，其颗粒级配曲线如图2所示。

其中，一组为粒径在2 ～5 mm占85.7%的颗粒；另一组为粒径在0.5～2 mm占88.2%的颗粒，且2种橡胶颗粒均属级配不良。橡胶颗粒的相对密度和吸水率试验按ASTM C127—04[17]进行，测得颗粒相对密度约为1.15，吸水率<2%，试验中可忽略其自身含水率和吸水率。

3 试验准备

混合土为废旧轮胎橡胶颗粒(粗粒)与黏土(细粒)的混合物，掺量为轮胎橡胶颗粒占混合土干土质量的百分比，忽略了轮胎橡胶颗粒自身含水率及吸水率，材料用量按式(1)—式(3)进行计算。

(1)

(2)

(3)

式中：m为混合土干土质量(g)；mt为橡胶颗粒质量(g)；ms为黏土干土质量(g)；x为橡胶颗粒掺量(%)；mw为用水量(g)；ω为预配含水率(%)。其中，在黏土中掺入大粒径的橡胶颗粒后命名为混合土Ⅰ；掺入小粒径的橡胶颗粒后命名为混合土Ⅱ。

3.1 制备试样

将软黏土样烘干、碾碎，过孔径为0.1 mm的筛，除去杂质；称取过筛土，按压实试验测得的最优含水率进行土样调配，调配过程中分层洒水并充分搅拌，用保鲜膜密封保存3 h，使土样内部水分分散均匀；将调配好的土样在试筒内分层压实，用推土器将筒内土推出，再用涂有凡士林的环刀切取试样，放入饱和器中，在真空缸内抽气6 h，并在水中静置12 h。

3.2 试验方法

试验采用Shear Trac-II型剪切仪，试样尺寸为直径×高=63.5 mm×20 mm，饱和试样先在竖向压力下固结至稳定，稳定标准为每小时变形<0.001 mm，再保持竖向压力不变，以0.8 mm/min剪切速率进行水平剪切。其中，竖向压力分别为50，100，200，300 kPa；废旧轮胎橡胶颗粒掺量分别为0%，10%，20%，30%，40%，50%，100%。

4 试验结果及分析

4.1 压实试验

以混合土Ⅰ为例，按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[18]对其进行标准轻型压实试验，得到了干密度-含水率的关系曲线(图3)。曲线最高点对应的纵坐标为最大干密度，横坐标为最优含水率。由图3可知混合土均表现出与纯黏土相似的压实规律，即干密度随含水率增加先增大后减小。图3中虚线为试样最大干密度随橡胶颗粒掺量(可简称“掺量”)变化趋势线，从其走势可看出，最大干密度对应的含水率随掺量增加而逐渐减小。

图3 干密度-含水率关系曲线Fig.3 Curve of dry density vs. water content

将图3所得各掺量下混合土的击实参数汇总于表1中。由表1中数据绘制最大干密度和最优含水率与掺量关系曲线(图4)，发现试样的最大干密度与最优含水率均随掺量增大而逐渐减小。其中，当掺量<15%时，最大干密度与最优含水率随掺量变化明显；而当掺量>15%后，其减小趋势明显减弱。这与Cetin等[10]的试验结果类似，Cetin得出普通黏土与废旧轮胎橡胶颗粒混合土的最优含水率随掺量的增加无明显减小趋势，尤其当掺量>10%后其值变化不大。此外，有研究结果表明，橡胶颗粒的粒径大小对混合土的密度及最优含水率的影响较弱[19]，故混合土Ⅱ的最优含水率亦按上述试验结果进行取值。

表1 击实参数

4.2 剪切特性分析

图5、图6分别为不同竖向压力P(50，100，200，300 kPa)下混合土Ⅰ、混合土Ⅱ的剪应力-剪切位移关系曲线。可以发现：在掺入2种粒径橡胶颗粒下，各掺量混合土试样均呈现出应变硬化现象，即剪应力随剪切位移增加没有明显下降段，曲线亦无峰值点，且掺量越高,硬化水平越高，与Cetin等[10]所得结论一致。

图5 混合土I的剪应力-剪切位移关系曲线Fig.5 Shear stress vs. shear displacement for mixture I

图6 混合土II的剪应力-剪切位移关系曲线Fig.6 Shear stress vs. displacement for mixture II

取图5、图6中剪切位移为4 mm处对应的剪应力为抗剪强度[18]，得到了0%(纯压实黏土)、100%(纯废旧橡胶颗粒)及10%～50%掺量混合土的抗剪强度，汇总于表2。由表2可知：在研究的竖向压力(≤300 kPa)下，在黏土中掺入橡胶颗粒可使其抗剪强度提高20%～40%；抗剪强度随橡胶颗粒掺量增加而增大，而当掺量增加到50%时，抗剪强度开始降低，橡胶颗粒的最优掺量为40%。由于试样尺寸及抗剪强度取值方法不同，Centin等[10]研究得出普通黏土中掺入橡胶碎片(2～4.75 mm)的最优掺量为20%，掺入粒径约为0.425 mm橡胶碎片时，其最优掺量为30%。

表2 混合土抗剪强度

4.3 橡胶颗粒粒径对抗剪强度的影响

图7给出了10%～50%掺量下，2种混合土的抗剪强度与竖向压力关系曲线，表明：当掺量为10%和20%时，2种混合土的抗剪强度约在160 kPa时出现交叉，即竖向压力<160 kPa时，掺入小粒径橡胶颗粒提高其抗剪强度的效果较好，反之，掺入大粒径效果较好；而当掺量为30%～50%时，2种混合土的抗剪强度接近，表明在较高掺量下，橡胶颗粒粒径对抗剪强度影响较弱。

图7 抗剪强度-竖向压力关系曲线Fig.7 Curves of shear strength vs. vertical pressure

4.4 橡胶颗粒对混合土抗剪强度指标的影响

抗剪强度指标(黏聚力c、内摩擦角φ)可反映土体抗剪强度，而混合土的抗剪强度指标与橡胶颗粒掺量及粒径大小密切相关。由混合土的抗剪强度包络线得出了各工况下试样的黏聚力和内摩擦角[18]，汇总于表3。

表3 抗剪强度指标

图8(a)为混合土的内摩擦角与橡胶颗粒掺量关系曲线。可知：①混合土Ⅰ与混合土Ⅱ的φ值均随掺量增加逐渐增大，但数值总体上差别不大；②拟合结果较理想，相关系数达0.9以上，认为抗剪强度指标φ随掺量增加呈二次函数型增长是合理的。其中，当掺量较小时，φ值增长较快，随掺量增加，其增长变缓，而当掺量>40%后，颗粒间的咬合力达到极限，φ也随之缓慢降低。图8(b)为2种混合土的黏聚力-掺量关系曲线，结果表明：①混合土的黏聚力均随掺量增加先增大后减小，这是由于橡胶颗粒本身具有一定黏聚力。当掺量较低时，黏土包裹橡胶颗粒，胶结作用增强故黏聚力增大。但随橡胶颗粒增加，混合土的“颗粒化”程度提高，胶结作用减弱，其黏聚力又开始降低。②对黏聚力-掺量关系进行线性拟合，符合二次型函数关系，且相关系数均达0.9以上，拟合结果较理想。

图8 内摩擦角、黏聚力与橡胶颗粒掺量关系曲线Fig.8 Relation curves of internal friction angle and cohesion vs. rubber particle content

4.5 混合土体积变形特性

以0%掺量(纯黏土)及30%和40%高掺量(此种掺量下软土抗剪强度提高明显)为例，对比阐述了不同掺量和粒径对土样体积变形特性的影响。剪切作用引起的竖向位移变化如图9所示，图9中负值代表试样的位移向下，体积减小发生剪缩；正值代表位移向上，体积增大发生剪胀。图例中30%(混合土Ⅰ)表示橡胶颗粒掺量为30%的混合土Ⅰ，其他以此类推。

图9 剪切引起的竖向位移-剪切位移关系曲线Fig.9 Curves of vertical displacement induced by shearing vs. shear displacement

从图9中得出：①混合土Ⅱ的竖向位移均为负值，即在整个剪切过程中，混合土Ⅱ均发生剪缩，但随竖向压力增加其竖向位移逐渐减小，说明剪胀趋势增强。②当竖向压力P<100 kPa时，混合土Ⅰ呈现先剪缩后剪胀的特性，且在剪切位移为4～5 mm处开始剪胀；当竖向压力P>100 kPa后，30%掺量混合土Ⅰ体积减小，呈现出剪缩现象，而40%掺量混合土Ⅰ呈现出先剪缩后剪胀的特性。

因此，在掺入大粒径橡胶颗粒且竖向压力较低时，剪胀特性较明显。其中，土体产生剪胀是在剪切过程中，颗粒相互翻越或抬起，且在外力的作用下颗粒之间发生相互滑动，引起土体体积增大的现象，橡胶颗粒粒径越大，土颗粒间相互翻越、抬起及滑动的趋势越强，剪胀越明显。

5 结 论

本文通过室内试验研究了废旧轮胎橡胶颗粒与黏土混合土的力学特性，重点分析了橡胶颗粒掺量、粒径对混合土的压实特性、抗剪强度及抗剪强度指标的影响，得到如下结论：

(1) 各掺量混合土均表现出与黏土类似的压实规律，即干密度随含水率增加先增大后减小；混合土的最大干密度、最优含水率均随掺量增加逐渐减小，其中，当掺量高于15%后，其减小趋势明显减弱。

(2) 竖向压力P≤300 kPa时，在黏土中掺入废旧轮胎橡胶颗粒可提高其抗剪强度20%～40%，且橡胶颗粒的最优掺量为40%。在低掺量(10%～20%)下，混合土的抗剪强度受橡胶颗粒粒径影响明显，其中，竖向压力低于160 kPa时，添加小粒径橡胶颗粒提高其抗剪强度效果较好，反之，添加大粒径颗粒效果好；而在较高掺量(30%～50%)时，橡胶颗粒粒径对抗剪强度影响较弱。

(3) 混合土的黏聚力随橡胶颗粒掺量增加呈先增大后减小的变化规律，而内摩擦角则随掺量增加逐渐增大，但大粒径与小粒径颗粒对应的数值区别不大。

(4) 在剪切过程中，试样表现出先剪缩后剪胀的特性，尤其在低压力、掺入大粒径橡胶颗粒时，其剪胀特性较明显。

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(编辑：罗 娟)

Shearing Properties of Composite Soil Mixing Claywith Rubber Particle of Scrap Tire

LI Shan-shan1,2, LI Da-yong1,2

(1.Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2.College of Civil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

The shear properties of composite soil mixing clay with rubber particle of scrap are investigated by using direct shear apparatus Shear Trac-II. Effects of the scrap rubber particle contents and particle size on the shear strength of composite soil are analyzed. The relationships between shear strength indexes and rubber particle contents or particle sizes are established. Besides, compaction properties of composite soil are studied by light compaction tests. Results indicate that maximum dry densities and optimum water contents of composite soil decrease gradually with the increase of rubber particle contents. However, the reduction tendency significantly decreases when rubber particle content exceeds 15%. When rubber particle content is 40%, shear strength of composite soil reaches the highest increasing by 20%～40% compared with pure clay soil. Furthermore, increasing particle size could significantly enhance the shear strength of composite soil when particle contents are less than 20%. Additionally, cohesion of composite soil increases firstly and then decreases with the increase of particle contents, whereas internal friction angle increases gradually . During the shearing process, soil sample exhibits a property of shear shrinkage at first and then shear dilation. And shear dilation is obvious for composite soil mixed with large size particle in low vertical pressures.

rubber particle of scrap tire; clay; composite soil; rubber particle content;compaction characteristics; shear strength

2016-04-08;

2016-06-16

国家自然科学基金项目(51379118);山东科技大学科研创新团队资助项目(2015TDJH104);山东科技大学研究生创新项目(SDKDYC170324)

李珊珊(1989-)，女，山东泰安人，博士研究生，从事岩土工程理论与应用方面研究，(电话)15154292516(电子信箱)shanshan3709@ 163.com。

李大勇(1971-)，男，山东泰安人，教授，博士，从事海洋岩土工程等方面的研究，(电话)13668884284(电子信箱)ldy@sdust.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160328

2017,34(7):99-105

TU47

A

1001-5485(2017)07-0099-07