三趾马黏土强度对胶粒径级和含量的响应

赵胜

(内蒙古路桥有限责任公司第五工程处，呼和浩特 010050)

三趾马黏土强度对胶粒径级和含量的响应

赵胜

(内蒙古路桥有限责任公司第五工程处，呼和浩特 010050)

三趾马黏土具有特殊的持水性质，易引发多种工程问题。为了解决三趾马黏土填筑路基时产生的多种工程问题，进一步确定对其进行改良的适宜胶粒含量，采用不固结不排水三轴压缩试验对掺入胶粒径级(4、8、10、12、14目)、胶粒含量(2%、4%、6%、8%、10%、12%)的三趾马黏土以及素三趾马黏土的强度进行检测。结果表明：三趾马黏土的黏聚力在胶粒含量为2%时达到最大值，当超过2%时，胶粒含量越大粘聚力越小，且不同胶粒径级下胶粒含量对黏聚力的影响趋势具有一致性。当胶粒含量为4%时，掺入4目胶粒的三趾马黏土内摩擦角达到最大值，其它粒径的内摩擦角在胶粒含量为6%时达到最大值。从而得出对三趾马黏土进行改良的适宜的胶粒含量为2%的结论。该研究为废弃轮胎在工程领域的再利用和三趾马黏土路基填料稳定性的提高提供了良好的参考。

三趾马黏土；胶粒；径级；含量；强度

0 引言

三趾马黏土是一种呈褐黄色、棕红色或褐红色的黏性土，是碳酸岩经过化学风化、物理风化及红土化等作用的产物[1-2]。由于其高塑性指数、高液限、高含水率等特征，作为筑路材料使用时，易使路基产生强度不稳、沉降不均，压实困难等一系列工程问题[3-5]。在我国大部分地区尤其是西南地区都有大量的三趾马黏土分布，在该类地区修建道路时必须对其问题进行处理。目前，国内外常采用的改善方式是掺加水泥、石灰、煤矸石和砂等方法[6-10]。

在中国，随着汽车的普及，废旧轮胎数量以每年12%的速度在增加，如果处置不当，将对环境构成严重污染。将废旧轮胎粉碎成胶粒作为路用材料使用，在大量消耗废旧轮胎的同时，又可改善道路的路用性能[11]。目前，国内外在应用胶粒改善膨胀土性能方面取得了较大的突破[12-16]。而三趾马黏土与膨胀土的成分、性质具有较多的相似之处[17]。基于此，本文通过三轴压缩试验来研究胶粒对三趾马黏土抗剪强度的影响，探索胶粒径级和含量对三趾马黏土抗剪强度的响应性，从而为三趾马黏土的工程应用提供一种有效途径。

1 原材料检测

依据公路土工试验规程对三趾马黏土和胶粒的性质进行了检测，结果见表1。

表1 三趾马黏土检测指标

胶粒源自于汽车废旧轮胎胎侧橡胶，常温粉碎加工而成，呈黑色不规则几何形状，根据文献[18]测定不同粒径的胶粒技术指标见表2。

表2 胶粒检测指标Tab.2 Test index of rubber particle/(°)

2 试验设计

大粒径胶粒具有更为显著的阻尼和弹性效果[11]，更适用于土的改良，研究选用4、8、10、12、14目5种较大粒径的胶粒。在使用胶粒改善土性质的相关研究结果中，胶粒的最佳掺量主要集中在2%～12%[12-17]，本文按用量的2%、4%、6%、8%、10%、12%在三趾马黏土中外掺胶粒，为加以对比，同时对素三趾马黏土进行试验。

试验试件按如下过程制备：将土样烘干、碾碎、过筛按上述6种胶粒含量分别进行拌合。搅拌均匀后，再加水配制至三趾马黏土最佳含水率，在保湿器中静置24 h。按照标准击实方法，制成6组高140 mm、直径为70 mm的试样，每组各2个，试件的压实度统一控制为95%，密封保存24 h 后，进行三轴试验。为避免水分流失，将各个试样均用塑料薄膜密封好后再置于养护箱(温度为(20±1)℃，相对湿度为(96±2)%)内养护7d。采用剪切速率为4.5 mm/min的不固结不排水剪切试验进行三轴剪切试验。

3 三轴试验结果及分析

3.1 三轴压缩试验结果

按《公路土工试验规程》JTG E40-2007，分别对素三趾马黏土和不同胶粒径级和含量下的三趾马黏土进行试验，每组试件每个初始围压条件下的结果取两次平行试验的中值，以素三趾马黏土和胶粒径级4目的三趾马黏土为例，强度包线如图1和图2所示。全部试验结果见表3。

图1 素三趾马黏土的强度包线Fig.1 Strength envelope of normal Hipparion clay

(a)胶粒含量2%

(b)胶粒含量为4%

(c)胶粒含量为6%

(d)胶粒含量为8%

(e)胶粒含量为10%

(f)胶粒含量为12%图2 4目胶粒下三趾马黏土的抗剪强度线Fig.2 Shear strength line of Hipparion clay with 4 orders rubber particle

胶粒径级/目抗剪强度指标不同胶粒含量/%02468104c/kPa1635411241035448φ/o1291432752602331866c/kPa1635131361237668φ/o1291352062302151768c/kPa1635131361237668φ/o12913520623021517610c/kPa1635361541346864φ/o12913219824120416512c/kPa1634861461247861φ/o12911420422719815114c/kPa1634731671499671φ/o129104228235186147

2.3 试验结果分析

对试验结果表3进行分析和处理，得出不同胶粒含量、不同胶粒粒径下三趾马黏土的抗剪强度指标黏聚力c和摩擦角φ，如图3和图4所示。

由图3可知，素土的黏聚力为16.6 kPa，掺入2%的不同粒径的胶粒后，黏聚力的最小值(胶粒粒径为14目时)为47.3 kPa，也提高了近20%。当胶粒含量从2%增加到4%时，黏聚力又迅速下降，甚至低于未掺加胶粒的素三趾马黏土的粘聚力，且随着胶粒含量的继续增加，黏聚力呈现更为明显的下降趋势，胶粒粒径偏大的，粘聚力下降的偏快。土的黏聚力主要取决于土中矿物成分、黏粒含量、含水量以及土的结构[10，13-18]，在最佳含水率下的三趾马黏土中掺加少量的胶粒虽然在一定程度上减少了土中黏性矿物含量，但增强了土的结构性，从而增大黏聚力。当胶粒含量过多时，土中黏性矿物的对黏聚力削弱作用大于土的结构性的增强作用，从而黏聚力减小。由于胶粒掺量较少，不同目数的胶粒在相同掺量条件下，其黏聚力大小及变化趋势几乎相同。

图4 胶粒含量与摩擦角的关系Fig.4 Relationship of crumb rubber content and the friction angle

从图4可知，素土的内摩擦角为13.1°，在三趾马黏土里掺入2%含量的胶粒，胶粒粒径较大时，内摩擦角几乎未变，胶粒粒径较小时，内摩擦角变化幅度稍明显。当胶粒含量增加到4%时，所有三趾马黏土的内摩擦角都得到大幅度的提高。当胶粒含量增加到6%时，除掺4目胶粒三趾马黏土的内摩擦角少量下降外，其它的内摩擦角继续提高。随着胶粒含量的进一步增加，内摩擦角呈现持续下降趋势。土的内摩擦角主要取决于土的密实度、土粒形状以及表面粗糙程度等[10，13-18]，在三趾马黏土掺入少量不规则形状和柔性的胶粒，在受压时相对增加了颗粒间的接触面积，从而提高了土体内部颗粒间相对滑动时的阻力；当胶粒含量较大时，由于胶粒的高弹性、大阻尼特点，土体的密实度受到抑制而减小，土样反而变得相对松散，减小了土粒间的接触面，从而降低了内摩擦角。当胶粒掺量大于6%时，胶粒粒径越大，胶粒的高弹性、大阻尼特点越明显，三趾马黏土的内摩擦角越小。

图5 100kPa围压下抗剪强度与胶粒含量的关系Fig.5 Nexus of shear strength curve and rubber particles content for 100kPa confining pressure

图6 150kPa围压下抗剪强度与胶粒含量的关系Fig.6 Nexus of shear strength curve and rubber particles content for 150kPa confining pressure

图7 200kPa围压下抗剪强度与胶粒含量的关系Fig.7 Nexus of shear strength curve and rubber particles content for 200kPa confining pressure

依据摩尔-库仑强度理论，对100、150、200kPa三个不同围压下不同胶粒粒径和含量时三趾马黏土的抗剪强度进行计算，结果如图5～图7所示。

随着胶粒含量的增加，三趾马黏土的抗剪强度在3组围压下均呈现先增大后减小的规律。在相同含量胶粒下，围压越大抗剪强度越大。胶粒含量在2%时，三趾马黏土具有最大的粘聚力。当胶粒含量在4%～8%之间时，三趾马黏土的内摩擦角具有明显的提高。在三个围压下，胶粒含量在2%～8%之间时，三趾马黏土的抗剪强度均能得到有效改变，尤其是4目胶粒含量下，这种现象更为明显。通过比较可以发现，不同围压下，抗剪强度的变化与内摩擦角的变化具有较大的相似性。虽然内摩擦角在土的抗剪强度计算过程中需做正切变化，本身很小，但其是以数值较大的主应力作为系数的，所以，其对抗剪强度的影响并不弱于黏聚力。当胶粒掺量过大时，胶粒的高弹性、大阻尼特性使三趾马黏土呈现出“弹簧”现象，难于压实，结构性变弱，其黏聚强度和摩擦强度甚至不如素土。因此，在应用胶粒对三趾马黏土进行改良时，胶粒的含量不应过大，2%较为适宜。

3 结论

(1)当胶粒含量为2%时，三趾马黏土的黏聚力达到最大值。随着胶粒含量的继续增加，黏聚力呈现下降趋势，胶粒粒径偏大的，黏聚力下降的偏快。

(2)在三趾马黏土里掺入2%含量的胶粒时，其内摩擦角变化不大。当胶粒含量增加到4%时，内摩擦角普遍得到提高。当胶粒含量增加到6%时，除掺4目胶粒三趾马黏土的内摩擦角少量下降外，其它的内摩擦角继续提高。随着胶粒含量的进一步增加，内摩擦角呈现持续下降趋势。

(3)应用胶粒对三趾马黏土进行改良时，胶粒的适宜含量为2%。内摩擦角对胶粒三趾马黏土的影响不弱于黏聚力。

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TheResponseofHipparionClayStrengthtoRubberParticleSizeandContent

Zhao Sheng

(The Fifth Engineering Office of Inner Mongolia Road and Bridge Limited Company，Hohhot 010050)

The hipparion clay has special water-holding properties，which can cause many kinds of engineering problems.In order to solve the problems of various engineering problems arising from the roadbed construction by the hipparion clay and determine the optimum of colloidal content.Unconsolidated and undrained triaxial compression test was applied to strength test for adding rubber particle size(4 orders to14 orders)，rubber particle content(2% to 8%)of the hipparion clay and normal hipparion clay.The results showed that the hipparion clay cohesive force reached the maximum when rubber particle content is 2%.When content is more than 2%，the smaller the content，the greater the cohesive force.The influence trend of rubber particles content on the cohesive force is consistent for different rubber particle size.When rubber particle content is 4%，mixed with 4 orders rubber particles，hipparion clay reaches maximum of internal friction angle.Mixed with other rubber particles size，internal friction angle of hipparion clay peaked in the rubber particle content is 6%.The suitable rubber particle content of hipparion clay was 2%.It provided a good reference for the waste tyres recycling in the field of engineering and hipparion clay subgrade filling stability.

hipparion clay；rubber particle；size；content；strength

U 416.218

：B

：1001-005X(2017)05-0104-04

赵胜，高级工程师。研究方向：道路工程。

2017-04-13

内蒙古农业大学博士启动基金项目(BJ09-30)

赵胜.三趾马黏土强度对胶粒径级和含量的响应[J].森林工程，2017，33(5)：104-107.