改性黏土的单轴抗压特性分析

姜大山

潍坊龙文建设投资股份有限公司，山东 潍坊 261100

随着全球经济的快速发展，汽车开始走进千家万户，汽车的更新换代导致产生了大量的废旧轮胎。储存废旧轮胎不仅占用大量的土地资源，还容易造成环境污染。例如，经过日晒雨淋，容易滋生蚊虫、传播疾病，危及生态环境；废旧轮胎的大量堆积容易引发火灾，造成空气污染，影响人类健康。如何处理或有效利用废旧轮胎引起了世界各国的关注[1]。那些被替代、淘汰或者报废的轮胎虽然失去了轮胎本身的使用价值，但仍具有较好的抗拉性、弹性和摩阻性[2]。从20 世纪60 年代以来，橡胶材料在岩土工程、结构工程和道路桥梁工程等领域已得到了广泛的应用，可以用作加筋土材料[3]、轻质混凝土材料[4]以及桥梁隔振材料[5]等。其中，橡胶轻质土工材料不仅能减少废旧轮胎量，而且能改善原有素土的工程特性，可用于挡土墙、路面基层材料与路基填料等工程。土体的单轴抗压强度及控制变形的能力是挡土墙、路面基层和路基、回填土工程等应考虑的重要问题。另外，随着港口和近海建设的迅速发展，大量的海洋吹填淤泥也在不断产生和增加。吹填淤泥质黏土具有含水率高、颗粒细、强度低且固结困难等劣势，使其在岩土工程上难以直接利用而多被废弃处理。因此，如何有效利用吹填淤泥也是亟待解决的问题。

为拓宽淤泥质黏土的利用范围及寻找废旧轮胎的利用途径，前期已对橡胶颗粒-黏土的剪切特性、固结特性开展试验研究。文章主要探讨橡胶颗粒掺量对橡胶颗粒-黏土单轴抗压强度及变形特性的影响，并讨论橡胶颗粒-黏土中掺入少量水泥固化后的抗压特性，弥补前期试验的研究空白，为橡胶颗粒-黏土用作回填材料、道路工程材料、建筑土工构筑物等工程提供参考。

1 试验概况

1.1 试验设备及试验材料

单轴抗压试验设备采用YYW-2 型应变控制式无侧限压力仪。黏土取自黄海前湾港海域吹填淤泥质黏土，并测得黏土的基本物理参量（见表1）。橡胶颗粒为废弃轮胎去除钢束带切割成的等锥度颗粒，粒径范围为2 ～4mm，平均粒径为3.5mm；橡胶颗粒的比重为1.15，橡胶颗粒的吸水率为2%，试验中忽略橡胶颗粒吸水性对试验结果的影响。

表1 原状黏土的物理参量

1.2 制备试样

首先，根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）[6]对橡胶颗粒-黏土进行标准轻型压实试验，测得纯黏土、橡胶颗粒-黏土的最大干密度和最优含水率（见表2）。由表2 可知，试样的最大干密度与最优含水率均随橡胶颗粒掺量的增加而减小，且当橡胶颗粒掺量大于15%后，最优含水率减小趋势减弱。

然后，根据表2 中的最优含水率来调配重塑试样，具体步骤如下：（1）将原状黏土烘干、碾碎，过筛（筛孔为0.1mm）。（2）称取定量过筛土及橡胶颗粒，并按最优含水率计算用水量；分层洒水、充分搅拌，用保鲜膜密封土样保存3h。（3）将调配好的土样在击实器内分4 层进行击实，每层击打23 次。（4）将试样上下表面抹平，放入饱和器中，在真空缸内抽气饱和4h 后，然后水中静置12h，使试样充分饱和。

1.3 试验步骤

取出饱和试样，用滤纸将试样外围水分轻轻擦净，并用游标卡尺测量试样的高度及侧面、上下两面的直径。由于天气干燥，为防止水分蒸发，测量结束后需在试样的侧面、上下两面涂抹薄层凡士林。然后将试样放到试验设备的底座上，转动手轮使底座上的试样缓缓上升到刚好接触到加载板后；开启电机使底座以2.4mm/min 的速度上升，每隔5s 记录一次试验数据，但考虑存在时间误差，试验中使用录像机将整个试验过程中轴向位移表、压力表的数值变化，以及试样变形的过程拍摄下来；再通过电脑视频回放，精确读取试验数据。

表2 轻型压实试验结果

图2 试验前后试样的形态

2 试验结果及分析

试样的轴向应力-应变关系曲线见图1。由图1 可知，纯黏土、10%～50%橡胶颗粒掺量黏土的轴向应力均随轴向应变的增加而增大，呈现应变硬化特性；试样的抗压强度随废旧轮胎橡胶颗粒掺量的增加而逐渐减小。

图1 应力-应变关系曲线

通过比较试验前后橡胶颗粒-黏土的破坏形态（见图2），发现随着橡胶颗粒掺量的增加，橡胶颗粒-黏土的破坏形式依次为鼓胀型破坏、剪切型破坏及鼓胀剪切型破坏等3 种形式；在鼓胀型破坏形式中，试样的轴向应变和横向应变最大，这是由于橡胶颗粒-黏土的内黏聚力随橡胶颗粒掺量的增加而减小，试样脆性特征越来越明显。

3 橡胶颗粒-黏土的固化特性

为提高橡胶颗粒-黏土的单轴抗压强度，将水泥、橡胶颗粒和黏土混合，对改性黏土进行固化。其中，水泥为普通硅酸盐水泥，掺量分别为5%、10%和15%，此时橡胶颗粒掺量为30%。试样脱模后在养护箱中养护7d，采用上述相同试验方法测得橡胶颗粒-水泥-黏土的单轴抗压强度。

结果表明：随水泥掺量的增大，改性黏土的抗压强度逐渐增大。与纯黏土相比，当水泥掺量为5%～15%时，改性黏土的抗压强度分别提高了10%、20%和38%。另外，单轴压力下橡胶颗粒-水泥-黏土的破坏形态呈现剪切破坏形式（见图3），掺入水泥后试样的脆性特性显著提高。

图3 水泥固化后试样的破坏形态

4 结论

（1）与纯黏土相比，橡胶颗粒-黏土的单轴抗压强度随橡胶颗粒掺量的增加而减小，但掺入少量水泥固化后可使黏土的抗压强度显著提高。

（2）单轴压缩过程中，橡胶颗粒-黏土存在鼓胀、剪切及鼓胀剪切三种破坏形式，而水泥固化后，橡胶颗粒-黏土的破坏形式偏向剪切破坏型，即呈现脆性破坏。