掺入橡胶颗粒的钢渣混合土料压缩力学性能试验研究

王丽艳,王中原,周 骏,曹晓婷

(江苏科技大学 土木工程与建筑学院, 镇江 212003)

我国目前存在很多工业废弃物,譬如废弃钢渣和废旧轮胎等．钢渣是冶金工业中产生的废渣,其产生率为粗钢产量的8%～15%[1],2015年我国的粗钢产量约为8亿吨,而废弃钢渣的利用率仅为10%,大量堆积不仅占用土地,且严重污染环境,因此，提高废弃钢渣的应用价值是一项重要研究内容[2]．另外，我国每年产生的废旧轮胎以8%～10%的速度递增[3],2015年,中国废旧轮胎产生量达3.3亿条,重量达1 200万吨,回收利用率仅为50%左右,造成巨大的资源浪费;废旧轮胎不仅占据大面积的堆场或填埋场,对其不正确的处置(比如不合理焚烧)还可能对环境造成极大的危害,因此,如何循环利用废旧轮胎也是目前亟待研究的重要课题．

关于废弃资源再生利用问题已成为众多学者研究的热门方向之一,其中文献[4-5]将废弃钢渣与砂土混合用做路基填料;文献[6]将废弃的橡胶颗粒与粘性土混合,制成新型轻质土用做填料;文献[7]研究了轻质土作为路堤填料后所降低的工程成本和所起的经济效应．由于废弃钢渣质重、废旧轮胎胶粉需足够细磨或整块施工难度大,文中扬长避短,充分发挥各自的优点,提出将两种工业废弃物混合起来使用形成一种新型土工混合料．为了研究这种新型土工混合料的压缩力学性能,采用单向压缩仪开展具体的试验研究．

1 试验

1.1 试验材料

试验中所用试样具体材料有钢渣、橡胶颗粒、砂土和水．所用的钢渣为张家港永钢集团生产过程中产生的平炉钢渣,钢渣密度为1.94 g/cm3,级配曲线如图1,其中不均匀系数Cu=12,曲率系数Cc=2.08,级配良好;轮胎颗粒为EPDM(三元乙丙)橡胶颗粒,0.075～1、1～2、2～3 mm 3个粒径范围,如图2.堆积密度如表1,黏土取自镇江市九华山路段工程弃土,为低液限黏土,水为普通的自来水．

图1 钢渣的级配曲线Fig.1 Gradation curve of steel slag

图2 试验材料Fig.2 Test materials

表1 橡胶的堆积密度与粒径的关系Table 1 Relation between bulk density and particle size of rubber

1.2 试验方法

为了方便比较钢渣和橡胶的掺入比对新型土工填料压缩变形特性的影响,将水定为20%．其他材料具体质量配比根据工程实施案例进行调配,如表2,αs为钢渣掺入比,αr为橡胶掺入比,αc为黏土掺入比,αw为水掺入比．

表2 新型土工混合料的质量配比Table 2 Quality ratio of each component in newgeo-material

由于橡胶掺入比大于10%时孔隙比较大,掺入黏土可降低孔隙比,文中为进一步研究黏土掺入比对新型土工混合料压缩特性的影响,将橡胶掺入比定为10%,研究黏土替代钢渣量对混合料压缩特性的影响．

试验采用的压缩仪为南京宁曦土壤仪器有限公司生产的WG型系列单杠杆压缩仪,如图3(a),该仪器是通过杠杆原理进行加载,在杠杆一端逐级加载砝码模拟另一端的不同竖向压力,图3(b)为百分表装置,测量试样竖向变形,图4为加载前试样和加载压缩稳定后的试样．根据试验数据绘制钢渣的应力-应变曲线和压缩曲线,从而得到压缩系数,推出压缩模量,具体操作参照文献[8],每组3个试样进行平行试验．

图3 单杠压缩仪试验装置Fig.3 Test setup of horizontal-bar compression

图4 压缩前后的试样Fig.4 Samples before and after compression

1.3 密度

表3为各掺入比下的混合料密度,图5和6为密度变化曲线．

表3 各掺入比下的密度Table 3 Densities under different mixing ratios

从图5可以看出,随着橡胶掺入比的增加,混合料的密度随之减小．当橡胶颗粒质量掺入比为5%时,混合料密度降低了15%,因为橡胶的密度较小,其体积掺入比大于5%,所以混合料的密度减小显著．从图5还可以看出,相同橡胶掺入比的情况下,粒径越大,密度越大,这是因为钢渣中80%左右的颗粒粒径处于0～2 mm之间,相同密实条件下,2～4 mm较大粒径下的橡胶颗粒与钢渣正好形成较好级配的混合料,孔隙体积越小,因而密度越大．

从图6可以看出,混合料的密度随黏土的掺入比增大而减小,因为黏土密度小于钢渣,用同等黏土取代钢渣,密度减小．

图5 橡胶掺入比和混合料的密度关系曲线Fig.5 Density curve under different mixing ratio of rubber particle

图6 黏土掺入比和混合料密度的关系曲线Fig.6 Density curve under different mixing ratio of clay

2 应力应变特性

2.1 橡胶掺入比的影响

由图7可以看出,随着橡胶颗粒掺入量的增加,试样的竖向应变在增大,主要是因为橡胶颗粒与钢渣相比,密度小、质地轻,压缩模量小,掺入量增大时混合料的应变增大．

图7 不同橡胶掺入比下应力应变曲线Fig.7 Stress-strain curves under different mixing ratio of rubber particle

从图7可以看出,当竖向应力小于100 kPa时,混合料的应力应变曲线呈线弹性,这是因为低应力时混合料的变形主要是受材料颗粒自身的性质影响,颗粒自身的弹性压缩引起了混合料整体线弹性变形;当竖向应力大于100 kPa,混合填料的应力应变关系呈现塑性变形的非线性特性．

2.2 黏土掺入比的影响

从图8可以看出,当黏土掺入5%时,新型土工混合料的竖向应变增大,是因为黏土的压缩性较钢渣差,用5%的黏土替代钢渣,使新型土工混合料的竖向变形增大．

图8 不同黏土掺入比下应力应变曲线Fig.8 Stress-strain curves under different mixing ratio of clay

但是,当黏土的掺入比由5%增加到10%时,新型土工混合料的应变减小,是因为黏土掺入量变多时,黏土的粘聚性增加了钢渣和橡胶颗粒之间的粘聚力,使其整体性增强,抗压性增强．当黏土的掺入比大于10%时,混合料应变又变大,是因为过多的黏土掺入,致使混合料的性质偏向于黏土,黏土的高压缩性凸显,使得混合料的压缩特性表现为不耐压．

2.3 橡胶粒径的影响

从图9可以看出,在相同橡胶掺入量的情况下,随着橡胶粒径的增大,新型土工混合料的应变逐渐降低,产生这一现象的原因可以从两个方面解释.

图9 不同橡胶粒径下应力应变曲线Fig.9 Stress-strain curves under different particle size of rubber

一是因为橡胶粒径过细,混合料的孔隙增加,破坏了橡胶颗粒自身的性质,从而降低了整体的抗压特性;二是因为当橡胶粒径增加到2～4 mm时,钢渣中80%左右的颗粒粒径处于0～2 mm之间,正好与此粒径的橡胶颗粒形成较好级配的混合料．

由图9(a)看出,当橡胶的掺入量αr=5%,混合料的施加应力在200 kPa低应力区时,颗粒的粒径对混合料的应变影响较小,在高应力区,混合料的应变受橡胶颗粒的影响明显,可能是因为橡胶掺入量少,不同粒径产生的孔隙体积相差较少,因此在低应力区影响较小．从图9(b)、(c)和(d)可以看出,当橡胶的掺入量增大,混合料的应变受低应力区的影响也较大,表明当橡胶掺入量变多时,不同粒径产生的孔隙体积相差较大．

3 压缩模量指标研究

3.1 橡胶掺入比的影响

从图10可以看出,不论哪种橡胶颗粒粒径的混合料,其压缩模量随橡胶颗粒的含量增加而降低,因为橡胶颗粒没有粘聚性,掺入比增加时,混合料之间的颗粒粘聚力减小,整体性降低,压缩模量随之降低．其中,当橡胶掺入比由0增加到5%时,粒径dr=2～4 mm时,压缩模量降低较大,达到了55%,这是因为橡胶密度较小,颗粒孔隙较大无粘聚力,相同钢渣质量替换下,体积替换率较大,抗压性能下降明显;但是,橡胶掺入比由5%增加到10%时,压缩模量只降低了14%,并且随着橡胶掺入量的继续增加,压缩模量也降低很少,这是因为橡胶密度很小,只有0.5 g/cm3左右,而钢渣的密度为1.9 g/cm3左右,随着掺入量增加,混合料中橡胶的体积呈近4倍的增加,因而随着掺入量的继续增加,混合料中橡胶体积占入比很大,钢渣的体积占入比很小,所以10%增加到20%时,压缩模量降低甚少．

图10 压缩模量与橡胶掺入比的关系Fig.10 Relation between compression modulus and mixing ratio of rubber particle

从图10发现,压缩模量与橡胶掺入比近乎呈指数关系,因此文中将相同粒径下的压缩模量与橡胶掺入比关系曲线进行了拟合,拟合公式如下:

Es=aexp(br)

式中:Es为压缩模量,MPa,r为橡胶掺入比,%;a,b均为试验参数,exp为自然常数e为底的指数函数,拟合指数衰减曲线如图11,拟合试验参数如表4．

图11 压缩模量与橡胶掺入比的拟合曲线Fig.11 Fitting exponential curves of deformation modulus and rubber particles ratios

表4 指数函数拟合参数Table 4 Fitting parameters of exponential curves

3.2 黏土掺入比的影响

图12为混合料压缩模量与黏土含量的关系曲线,从图中还可以看出,当黏土掺入比为5%时,混合料的压缩模量减小,因为用黏土替代钢渣,其压缩模量小于钢渣．当黏土的掺入比增加到10%,混合料的压缩模量又提高,当黏土掺入量继续增加时,新型土工混合料的压缩模量又随之降低,是因为过多的黏土掺入量,致使混合料中黏土的特性凸显,虽然粘聚力增加,但与同质量的低压缩性钢渣比,易被压缩而且残余应变较大,压缩模量随之降低．

图12 压缩模量与黏土含量的关系Fig.12 Relation between compression modulus and mixing ratio of clay

3.3 橡胶粒径的影响

图13为混合料压缩模量与橡胶粒径的变化曲线．从图可以看出不论哪种橡胶掺入比,压缩模量均随橡胶粒径的增大而增大,是因为相同质量比情况下,随着橡胶颗粒粒径的增大,混合料的孔隙体积减少,压缩模量随之增大．

从图中还可以看出,当橡胶掺入量达到20%时,橡胶粒径对混合料压缩模量影响不显著,说明橡胶掺入量较大时,混合料中橡胶的体积占有比较大,在相同密实条件下,无论哪种粒径下,橡胶的压缩特性在混合料中较为凸显．

图13 压缩模量与橡胶粒径的关系Fig.13 Relation between compression modulus and rubber particle size

3.4 工程应用

为了能将新型土工混合料应用于实际的土建工程中,将土工混合填料的压缩模量与传统中的砂土和粘性的压缩模量进行比较,参考文献[9],如表5,表中DGJ00、DGJ01和DGJ02代表橡胶掺入量0、3%和5%,粒径为2～4 mm的混合土料．

新型土工混合料与淤泥质土相比,掺入橡胶颗粒的大部分配比下的压缩模量比淤泥质土大,具有较好的耐压性,DGJ02可以应用于处理淤泥质土工程;与纯黏土相比,DGJ01的压缩模量达到半干硬状态的黏土;与砂土相比,DGJ01和DGJ00的压缩模量达到细砂的压缩模量,可替换细砂应用于实际工程中,如用于土工格栅加筋挡土墙和重力式挡土墙回填工程中,解决了固体废弃物处理问题,施工较简便,便于工程推广应用．

表5 新型土工混合料与传统土的压缩模量Table 5 Compression modulus of the new geo-material and traditional soils

4 结论

为解决固体废弃物处理问题,研究了掺入橡胶颗粒的钢渣混合料的密度特性和压缩力学性能,得出以下结论:

(1) 随着橡胶掺入比的增加,混合料密度逐渐减小,因黏土密度小于钢渣,用同等黏土取代钢渣,密度减小,混合料密度随黏土的掺入比增大而减小．

(2) 橡胶颗粒掺入量增大时混合料的应变增大,混合料的应力应变在低应力时呈线弹性,在高应力时呈塑性变形非线性特性．

(3) 橡胶颗粒掺入比增加时,混合料压缩模量随之降低,混合料压缩模量与橡胶掺入比呈指数关系;压缩模量随橡胶粒径的增大而提高,当橡胶掺入量达到20%时,橡胶粒径对压缩模量影响不显著．

(4) 橡胶掺入比5%时压缩模量较大且质地轻,可应用于处理淤泥质土;橡胶掺入比3%时压缩模量可达到半干硬状态的黏土;橡胶掺入比3%与纯钢渣压缩模量都达到细砂的压缩模量,可替换细砂应用工程中．