冻融循环下废旧轮胎颗粒改性膨胀土无侧限抗压强度试验

冻融循环下废旧轮胎颗粒改性膨胀土无侧限抗压强度试验

宗佳敏，宋迎俊，鲁 洋，许 雷，张雨灼

(河海大学 水利水电学院，南京 210098)

摘 要：为了研究膨胀土的无侧限抗压强度与橡胶颗粒含量、冻融循环次数之间的关系，在控制含水率一定的条件下，对经历冻融循环的废旧轮胎颗粒改性膨胀土试样进行无侧限抗压强度试验。试验结果表明：在膨胀土中加入橡胶颗粒可在一定程度上提高膨胀土的无侧限抗压强度，并能降低其刚性;在同一冻融循环次数下，改性膨胀土的无侧限抗压强度随着橡胶颗粒含量的增大呈现先增大后减小的趋势，当橡胶颗粒含量为3%时，橡胶颗粒改性膨胀土的无侧限抗压强度最大；在同一橡胶颗粒含量下，改性膨胀土的无侧限抗压强度以及单次冻融循环对试样强度削弱作用均随冻融循环次数的增加而减小;当含水率为20%时，冻融循环条件下，改性膨胀土试样的尺寸变化率随橡胶颗粒含量的增大总体呈增大趋势；橡胶颗粒含量较低情况下(≤7%)，膨胀土尺寸变化规律为“冻缩融胀”；橡胶颗粒含量较高情况下(9%)，膨胀土尺寸变化规律为“冻胀融缩”。

关键词：废旧轮胎颗粒；膨胀土；冻融循环；无侧限抗压强度；尺寸变化率

1 研究背景

冻土按土的冻结状态保持时间的长短可分为短时冻土、季节性冻土和多年冻土3类[1]。在我国冻土分布广阔，其中季节性冻土分布于秦岭—淮河线以北的大部分地区[2]。在季节性冻土地区，冬季冻胀，夏季融沉，这种现象的交替出现使土体受到冻融循环的影响[3]。当温度降低达到负温时，土体产生冻结，由于冰的存在致使土体膨胀，产生开裂现象；当温度回升时，冻土开始融化，大量游离状的水使得土体强度下降。而膨胀土作为一种具有多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性黏土，冻融循环对其产生的不利影响格外显著，曾造成许多岩土工程地质灾害，引起了工程地质人员的极大关注。

因此，国内外研究者已开展围绕膨胀土及其改良的特性研究，并取得了一些有意义的成果[4-8]。目前，膨胀土改良方法的研究主要有物理方法、化学方法、生物技术改良及利用固体废弃物改良等[9]。其中，利用废旧轮胎颗粒或碎片改良膨胀土力学性能的方法凭借其质量轻、耐久性好、经济环保等诸多优点，拥有非常广阔的应用前景，成为国际推广应用的新趋势。目前国内外对于利用废旧轮胎改良膨胀土方面已有较多研究，孙树林等[10-11]在不同含水率下以不同比例废弃轮胎粉胶与膨胀土混合后进行固结快剪试验，总结出膨胀土改良后的抗剪强度变化特征；邹维列等[12]对废弃轮胎橡胶颗粒改性膨胀土的实验研究结果表明，掺入废旧轮胎粉末可改善土的工程特性，并且得到对胀缩特性改善效果最佳的橡胶颗粒掺量；李丽华等[13]对轮胎碎片-砂混合土进行系列剪切试验，探讨碎片含量和纵横比、密实度等不同因素对混合土抗剪性能的影响规律，但考虑冻融循环条件下废旧轮胎颗粒改良膨胀土力学性能的研究文献还较少。

本文旨在研究不同轮胎颗粒掺量及不同冻融循环次数作用下，改良后膨胀土的无侧限抗压强度和体积变化规律，为该方法在实际工程中的应用提供参考依据。

2 试验部分

2.1 试验用材料

2.1.1 膨胀土

试验用膨胀土取自南水北调中线工程输水总干渠南阳段建设工地，土样呈棕黄色，属中膨胀土。其物理参数见表1。

表1 膨胀土基本物理参数
Table 1 Basic physical parameters of expansive soil

塑限/%液限/%塑性指数IP自由膨胀率/%24553169小于某粒径的颗粒质量百分数/%<><><><><>

2.1.2 废旧轮胎颗粒

试验用橡胶颗粒由普通汽车废弃轮胎经加工制得，粒径均在1 mm以下，松散密度为0.621 g/cm3。

2.2 试样制备

根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[14]，将从现场运回的土样进行碾压翻晒，并过2 mm筛，测定风干土的初始含水率，向土中加入适量的水配制含水率为20%的土样，将土样装入密封的塑料袋中润湿一昼夜使含水率均匀。将润湿后的土样取出并称量质量略大于计算所需的土样，根据试验要求的橡胶颗粒含量加入相应质量的废旧轮胎颗粒。橡胶颗粒含量的定义为废旧轮胎颗粒质量与风干膨胀土质量的百分比。

本试验采用分层击实法制样，共分5层制得圆柱形重塑土样，试样高度取125 mm，直径取61.8 mm。试样干密度控制为1.56 g/cm3。为防止冻融循环过程中水分的散失，将脱模后的试样套上塑料薄膜密封。

2.3 试验方案

制备橡胶颗粒含量分别为0,1%,3%,5%,7%,9%的改性膨胀土样，将制备好的不同橡胶含量的试样进行分组编号，然后放入河海大学水工结构研究所自制的冻融冻胀模型试验装置[15]中进行冻融循环控制。冷冻温度设为-20 ℃，时间为12 h；然后关闭冷冻装置，将试样在常温下(平均室温约为18 ℃)放置12 h，以上为一次完整的冻融循环过程。重复以上步骤，取冻融循环次数为0,1,3,6,9次的试样进行无侧限抗压试验(图1)，设置试件变形速率为1.25 mm/min，得到压力-位移关系曲线及相应的最大压力，进一步通过计算得到不同冻融循环次数下不同橡胶颗粒含量试件的应力-应变关系曲线，对应的最大应力即为该试样的无侧限抗压强度。

图1 不同冻融循环次数下破坏时的橡胶颗粒含量为9%的膨胀土试样
Fig.1 Photos of expansive soil samples with rubber ratio of 9% at failure in the presence of different freeze-thaw cycles

在每个冻融循环过程结束后进行试样尺寸的测量，用游标卡尺分别测量出冻结完和融化完的试样的直径和高度，计算出不同橡胶颗粒含量试样在冻融循环作用下的线变化率和体变化率，绘制尺寸变化率与冻融循环次数关系曲线。

3 试验结果及分析

3.1 橡胶颗粒含量对膨胀土无侧限抗压强度的影响

不同橡胶颗粒含量、不同冻融循环次数下，废旧轮胎颗粒改性膨胀土的无侧限抗压强度结果如表2所示。

表2 废旧轮胎颗粒改性膨胀土无侧限抗压强度试验结果
Table 2 Test result of unconfined compressive strengthof expansive soil samples improved by waste tire rubber

冻融循环次数不同橡胶颗粒含量下无侧限抗压强度/kPa01%3%5%7%9%0184．02202．53217．82198．96171．89155．161103．58118．67129．67102．3490．5878．24379．6592．3698．6172．1346．8232．88660．3475．8582．1856．4440．69∗∗958．4267．2273．4648．20∗∗∗∗

注：**代表试件发生崩裂

对未冻融情况下的土样进行无侧限抗压试验，以轴应变为横坐标，轴应力为纵坐标，绘制应力-应变关系曲线，如图2所示。图2中每条曲线纵坐标的峰值即为该橡胶颗粒含量下改性膨胀土的无侧限抗压强度，该状态意味着试样破坏。

图2 未冻融情况下不同橡胶颗粒含量改性膨胀土无侧限抗压试验轴应力与轴应变关系曲线
Fig.2 Axial stress-strain curves of improved expansion soil samples with different rubber ratios in unconfined compression test in the absence of freeze-thaw cycle

由图2可见，随着橡胶颗粒含量的增大，试样在破坏前应力-应变关系曲线的斜率逐步减小，如素膨胀土在轴应变为2.3%时破坏，橡胶颗粒含量9%的试样在轴应变为5.2%时破坏，这一现象说明橡胶颗粒可一定程度上提高破坏应变，即降低试样的刚度。当橡胶颗粒含量较少时，效果并不明显；当橡胶颗粒含量>5%时，试样刚度的降低较为显著。

根据表2中的数据，以橡胶颗粒含量为横坐标,无侧限抗压强度为纵坐标，绘制不同冻融循环次数下无侧限抗压强度与橡胶颗粒含量关系曲线，如图3。

图3 冻融循环下无侧限抗压强度与橡胶含量关系曲线
Fig.3 Curves of unconfined compression strength vs.rubber content in the presence of different times of freeze-thaw cycle

由图3可见，不同冻融循环次数下，随着橡胶颗粒含量的增大，试样的无侧限抗压强度呈现先增大后减小的规律。以未进行冻融循环的试样为例，当橡胶颗粒含量<3%时，无侧限抗压强度随橡胶颗粒含量的增大而增大；之后，无侧限抗压强度随橡胶颗粒含量的增大而减小。当橡胶颗粒含量为3%时，试样的无侧限抗压强度达到峰值217.82 kpa，较素膨胀土提高18.37%。对这一现象的分析如下：橡胶颗粒的粒径与膨胀土样相当，当向膨胀土中加入橡胶颗粒时，2种材料相互作用并经压实紧密结合，共同构成新的土体骨架。由于橡胶颗粒的强度="">遇水后膨胀土的强度，并且橡胶颗粒与土颗粒之间存在较大的摩擦作用与咬合作用[16]，因此，当加入少量的橡胶颗粒时，试样的无侧限抗压强度随橡胶颗粒含量的增大而增大。但是，橡胶颗粒的加入也降低了土体的黏聚力，一定程度上破坏了土颗粒之间结合的整体性，当橡胶颗粒含量较大时土样崩解也印证了这一点，因而橡胶颗粒含量进一步增大时试样的无侧限抗压强度反而减小。

3.2 冻融循环作用对改性膨胀土无侧限抗压强度的影响

根据表2中的试验数据，以冻融循环次数为横坐标,废旧轮胎颗粒改性膨胀土的无侧限抗压强度为纵坐标，绘制不同橡胶颗粒含量下无侧限抗压强度与冻融循环次数关系曲线，如图4。

图4 不同橡胶颗粒含量下废旧轮胎颗粒改性膨胀土无侧限抗压强度与冻融循环次数关系曲线
Fig.4 Curves of unconfined compressive strength vs.times of freeze-thaw cycle with different waste tire rubber ratios

由图4可以看出，在同一橡胶颗粒含量下，随着冻融循环次数的增加，改性膨胀土的无侧限抗压强度呈现不断减小的趋势。这一现象产生的原因是在膨胀土冻融循环过程中游离状的水冻结成冰体积膨胀，造成土颗粒间发生相对错动位移，宏观上表现为裂缝的产生；当冰融化成水后，仅有部分裂缝愈合，随着冻融循环次数的增加，产生的无法愈合的裂缝数量不断增多，导致土体强度不断减小[17]。

由图4还可以看出，第1次冻融循环对试样强度削弱的影响最大，之后冻融循环对试样强度削弱的影响越来越小，最终试样强度趋于某一固定值。经过1次冻融循环后，橡胶含量为0,1%,3%,5%,7%,9%的改性膨胀土无侧限抗压强度衰减率依次为43.7%,41.4%,40.5%,48.6%,47.3%,49.6%。可以看出橡胶含量为1%和3%时，第1次冻融循环对试样强度削弱的影响较素膨胀土试样小，但效果并不明显。经过9次冻融循环后，除橡胶含量为7%和9%的试样发生崩裂外，其他橡胶含量(0,1%,3%,5%)试样的残余强度与初始强度的比值分别为31.7%,33.2%,33.7%,24.2%。可以看出橡胶含量为1%和3%时，冻融循环作用下试样的残余强度较素膨胀土有所提高。当橡胶颗粒含量≤3%时，冻融循环下改性膨胀土试样的无侧限抗压强度较素膨胀土增大；当橡胶颗粒含量为5%左右时，在冻融循环次数为0的条件下，试样无侧限抗压强度较素膨胀土大，但经过冻融循环后，试样无侧限抗压强度大幅度减小，较素膨胀土衰减更为明显；当橡胶颗粒含量>5%时，冻融循环下改性膨胀土试样的无侧限抗压强度较素膨胀土小，并且橡胶颗粒含量为7%和9%的试样分别在第9次与第6次冻融循环后进行强度测量时发生崩裂。

分析原因为：当向膨胀土试样中加入橡胶颗粒后，橡胶颗粒与土颗粒之间通过摩擦作用产生一定的剪阻力，因此在橡胶颗粒含量≤3%时，改性膨胀土试样在冻融循环条件下的无侧限抗压强度增大。但是，橡胶颗粒的加入降低了土颗粒间的黏聚力，这一特点在冻融循环条件下尤其显著，由于冻融循环的作用，试样内部与表面的裂隙不断发展，橡胶颗粒作为无黏性材料加剧了试样不可愈合性裂缝的产生，破坏了试样结构的整体性，加速了试样强度的降低。

综上，当橡胶颗粒含量为3%时，膨胀土试样能达到较优的改性效果；当橡胶颗粒含量超过5%时，橡胶颗粒加入的弊大于利，此时采用橡胶颗粒改性膨胀土的方法不再合适。

3.3 冻融循环条件下，橡胶颗粒含量对膨胀土变形的影响

当橡胶颗粒含量≥5%、冻融循环次数>2时，改性膨胀土样出现较明显的开裂现象，其中分层制样的接触面开裂现象尤为明显，此时试样高度变化主要由裂缝开度控制，膨胀土的体积变化规律性不明显。基于上述情况，本文将用规律性良好的试样直径变化代替试样体积变化，并通过计算绘制冻融循环条件下橡胶颗粒含量为0,3%,5%,9%的改性膨胀土变形的线变化率(正值表示体积增大，负值表示体积减小)，如图5。

图5 冻融循环次数与橡胶颗粒改性膨胀土尺寸线变化率关系曲线
Fig.5 Relationship between freeze-thaw cycle times and size change rate of expansive soil samples improved by rubber particles

由图5可以看出，不同橡胶颗粒含量的膨胀土试样在冻融循环作用下直径大小均出现一定的波动规律，随冻融循环次数的增加，直径变化幅度逐渐趋于稳定；并且随着橡胶颗粒含量的增大，冻融循环条件下试样直径的变化率增大。具体规律及分析如下：膨胀土由于自身存在的胀缩效应在冻融循环条件下表现出的体积变化规律为“冻缩融胀”[18]。当橡胶颗粒含量为3%时，在前3次冻融循环作用下，试样的胀缩效应明显减小，但由于橡胶颗粒的加入，试样更易产生不可愈合的裂缝，造成3次冻融循环后试样直径有增大的趋势，在第7次冻融循环后试样体积逐渐稳定；当橡胶颗粒含量为5%时，试样在冻融循环作用下产生裂缝直径变大的现象更加明显，经过1次冻融循环作用后，试样的直径随冻融循环过程不断增大，在第6次冻融循环作用后逐渐趋于稳定；当橡胶颗粒含量为9%时，试样直径变化规律与橡胶含量较低时的直径变化规律存在差异，橡胶含量高的试样在冻融循环条件下出现较大开度的裂缝，土颗粒之间的间距增大，胀缩效应被大幅度削弱，此时土样中的冰水效应占主导，因此在第2次冻融循环后试样直径变化由之前的“冻缩融胀”变为“冻胀融缩”，这与非膨胀土变化规律无异。

综上所述，当橡胶颗粒含量为3%时，膨胀土的胀缩效应得到减弱；当橡胶颗粒含量>5%时，试样尺寸变化受冻融循环作用的影响较素膨胀土更大。

4 结 论

(1) 在膨胀土中加入橡胶颗粒能降低膨胀土的刚度。在同一冻融循环次数下，随着橡胶颗粒含量的增大，橡胶颗粒改性膨胀土的无侧限抗压强度呈现先增大后减小的趋势，当橡胶颗粒含量为3%时，橡胶颗粒改性膨胀土的无侧限抗压强度最大。

(2) 在同一橡胶颗粒含量下，随着冻融循环次数的增加，改性膨胀土的无侧限抗压强度呈现不断减小的趋势，且单次冻融循环对试样强度的削弱作用随冻融循环次数的增大而减小。

(3) 冻融循环条件下，随着橡胶颗粒含量的增大，改性膨胀土试样的直径变化率总体呈增大趋势，随着冻融循环次数的增加，直径变化幅度逐渐趋于稳定。当含水率为20%时，在橡胶颗粒含量较低的情况下，膨胀土自身的胀缩效应占主导，尺寸变化规律为“冻缩融胀”；在橡胶颗粒含量较高的情况下，膨胀土受冰水效应影响较大，尺寸变化规律为“冻胀融缩”。当橡胶颗粒含量为3%时，膨胀土的胀缩效应得到减弱。

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(编辑：占学军)

Unconfined Compressive Strength Test on Expansive Soil Improved byWaste Tire Rubber Particles under Freeze-thaw Cycles

ZONG Jia-min , SONG Ying-jun , LU Yang , XU Lei , ZHANG Yu-zhuo
(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract:In order to investigate the relationship among unconfined compressive strength of expansive soil improved by waste rubber particles, rubber particle ratio and freeze-thaw cycle times,we conducted unconfined compressive strength test on expansive soil samples improved by waste tire rubber particles at given water content. Results show that adding rubber particles could improve the unconfined compressive strength to some extent and reduce the stiffness. When the number of freeze-thaw cycle was the same, the unconfined compressive strength of the improved expansive soil increased and then decreased with the increasing of rubber particle ratio. In particular, unconfined compressive strength reached the maximum when rubber particle ratio was 3%.When rubber particle ratio was the same, unconfined compressive strength of the expansive soil and the influence of single freeze-thaw cycle on strength weakening both decreased with the increase of freeze-thaw cycle times. When water content was 20%,the rate of change in expansive soil size increased in general with the increase of rubber particle ratio in freeze-thaw cycles. Finally, when rubber particle ratio was low (≤7%), the size of the expansive soil shrank under freezing and expanded under thawing; while when rubber particle ratio was higher (=9%), the change was the opposite.

Key words: waste tire rubber particles; expansive soil;freeze-thaw cycle; unconfined compressive strength; rate of size change

收稿日期：2016-05-24；

修回日期：2016-06-23

基金项目：江苏省研究生科研与实践创新计划项目(SJCX17_0127)

作者简介：宗佳敏( 1992- )，女，江苏南通人，硕士研究生，主要从事水工结构及特殊土工程特性方面的研究，(电话)18251823895(电子信箱)[e-mail]。

通信作者：鲁 洋( 1991- )，男，江苏南京人，博士研究生，主要从事水工岩土工程方面的研究，(电话)15161461318(电子信箱)[e-mail]。

doi:10.11988/ckyyb.20160511

2017,34(9):110-114

中图分类号：TU41

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2017)09-0110-05