DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.031

废弃轮胎橡胶颗粒混合土无侧限抗压强度试验研究

孔德森^{1, 2}，贾腾¹，王晓敏¹，张伟伟¹，吴燕开^{1, 2}

(1. 山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛，266590;

2. 山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛，266590)

摘要：为了分析废弃轮胎橡胶颗粒混合土（RST混合土）的工程特性，采用无侧限抗压强度试验对RST混合土的无侧限抗压强度进行研究。首先，对组成RST混合土的原材料的物理特性进行分析，然后，进行RST混合土试样的配比方案设计和制备方法研究，进而采用无侧限抗压强度试验，研究养护龄期、胶粒土比、灰土比以及水土比对RST混合土无侧限抗压强度的影响规律。研究结果表明：在28 d的养护龄期内，RST混合土的无侧限抗压强度随养护龄期的延长而增大，且灰土比约为10%的RST混合土试样的无侧限抗压强度对养护龄期尤为敏感； RST混合土的无侧限抗压强度还随胶粒土比的增大而减小，随灰土比的增大而增大；RST混合土无侧限抗压强度对应的最优水土比约为25%。

关键词：RST混合土；无侧限抗压强度；养护龄期；胶粒土比；灰土比；水土比

中图分类号：TU411.6       文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)01-0225-07

Test on unconfined compressive strength of lightweight soil mixed with rubber chips of scrap tires

KONG Desen^{1, 2}, JIA Teng¹, WANG Xiaomin¹, ZHANG Weiwei¹, WU Yankai^{1, 2}

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology,

Qingdao 266590, China;

2. Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation,

Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Abstract: In order to analyze the engineering characteristics of lightweight soil mixed with rubber chips of scrap tires (RST mixed soil), the unconfined compressive strength tests were carried out. Firstly, physical properties of the ingredient materials in RST mixed soil were studied. Then, the mixture ratio scheme and the preparation method of RST mixed soil samples were designed. Furthermore, influence laws of curing age, rubber-soil ratio, cement-soil ratio and water-soil ratio on the unconfined compressive strength of RST mixed soil samples were studied through unconfined compression tests. The results show that the unconfined compressive strength of RST mixed soil increases with the prolonging of curing age during the curing period of 28 d. When the cement-soil ratio is about 10%, the unconfined compressive strength of RST mixed soil is more sensitive to curing age. In addition, the unconfined compressive strength of RST mixed soil decreases with the increase of rubber-soil ratio, while it increases with the increase of cement-soil ratio. The optimal water-soil ratio of RST mixed soil corresponding to the unconfined compressive strength is about 25%.

Key words: RST mixed soil; unconfined compressive strength; curing age; rubber-soil ratio; cement-soil ratio; water-soil ratio

近年来，随着我国国民经济的持续高速发展，汽车成为人们日常生活中不可或缺的交通工具。然而，汽车在给我们带来快捷便利的同时，也给社会造成了种种不利影响。其中，对于日益增多的废弃轮胎的处理便是一个十分棘手的现实问题。据不完全统计，仅2011年我国新增的废弃轮胎就高达2.76亿个，而2012年的废弃轮胎数量则增至2.83亿个，预计2015年新增的废弃轮胎数量将会达到前所未有的3.68亿个^[1]。废弃轮胎属于工业有害固体废弃物，会带来许多环境污染问题，它占用土地资源，恶化自然环境，破坏植被生长，且经过日晒雨淋，极易滋生蚊虫，传播疾病，影响人类健康，危及生态环境，容易引发火灾，而且轮胎橡胶属于不熔或难熔的高分子弹性材料，具有很强的抗热、抗机械和抗腐蚀性，很难降解，在自然力的作用下，废弃轮胎几十年甚至上百年都不会消失，会对环境造成长期危害^[2-3]，因此，如何合理利用废弃轮胎、节约资源、防止环境污染就成为我国社会经济可持续发展迫切需要解决的问题。目前，世界各国对废弃轮胎的资源化处理主要包括旧轮胎翻新、燃烧再利用和废弃轮胎裂解3种方式。但无论哪种方式在我国现阶段的利用率都比较低，并且成本都相对较高，有时还会产生二次污染。而把废弃轮胎作为建筑材料用于土木工程建设中却能很好地解决上述问题^[4-5]。废弃轮胎作为建筑材料具有质量小、减震性能好、吸声强等优点，在减少环境污染的同时还可以在一定程度上降低工程建设成本。国外对废弃轮胎在岩土工程领域中的应用开展了一些研究工作，如BOSSCHER等^[6-7]将废弃轮胎碎片与土的混合物用作路基填筑材料；ROWE等^[8]则将废弃轮胎粉碎用作垃圾填埋场过滤层；PIERCE等^[9]用废弃轮胎生产流动性填料。在国内，贾腾等^[10-12]分别将砂土和淤泥土与废弃轮胎橡胶颗粒混合，并进行了物理特性与力学特性的试验研究，李朝晖^[13]则将废轮胎颗粒与黄土混合，并进行了相关试验研究。针对废弃轮胎造成的资源浪费和环境污染问题，本文作者将废弃轮胎橡胶颗粒作为填料，以水泥为固化剂，与工程弃土混合，形成一种新型的轻质混合土，即废弃轮胎橡胶颗粒混合土(RST混合土)。为了将这种既环保又具有良好工程特性的新型土工材料推向工程实践，首先，对组成RST混合土的各种原材料的物理特性进行研究，确定RST混合土试样的配比方案和制备方法；然后，通过无侧限抗压强度试验，对各种配比的RST混合土的抗压强度进行研究，重点分析养护龄期、胶粒土比、灰土比以及水土比对RST混合土无侧限抗压强度的影响规律。

1  配比方案设计与试样制备

1.1  原材料的特性

RST混合土是由工程弃土、废弃轮胎橡胶颗粒、水泥和水按照一定比例均匀混合而形成的一种新型土工材料。工程弃土取自正在施工中的某一建筑工地，经粒度成分分析试验得到该土的颗粒级配曲线如图1所示，并由此可以确定，该工程弃土为砾砂^[14]。

制备RST混合土试样所用的废弃轮胎橡胶颗粒是由淘汰的废旧轮胎经过机械粉碎得到，如图2所示。粉碎后的废弃轮胎橡胶颗粒的形状呈棱角不规则的粒状，颜色为黑色，具有一定的弹性，其粒径范围为3.0~ 4.0 mm，平均粒径为3.5 mm。经试验测定可知，橡胶颗粒的相对密度为1.42 g/cm³，堆积密度为0.68 g/cm³。

图1  工程弃土的颗粒级配曲线

Fig. 1  Grain-size distribution curve of discarded engineering soil

图2  废弃轮胎橡胶颗粒

Fig. 2  Rubber chips of scrap tires

制备RST混合土试样所用的水泥为P·C 32.5复合硅酸盐水泥，试验用水为实验室自来水。

1.2  配比方案设计

为了研究不同配比条件下RST混合土无侧限抗压强度的变化规律，综合考虑养护龄期、橡胶颗粒质量分数、水泥质量分数以及水质量分数对RST混合土无侧限抗压强度的影响，研究确定了RST混合土试样的配比方案：

1) 为了分析养护龄期Q对RST混合土无侧限抗压强度的影响规律，胶粒土比J取为40%，灰土比H分别取为5%，10%和15%，水土比S取为20%，养护龄期Q分别取为7，14，21和28 d。

2) 为了分析胶粒土比J对RST混合土无侧限抗压强度的影响规律，胶粒土比J分别取为0，20%，40%，60%和80%，灰土比H分别取为5%，8%和10%，水土比S取为20%，养护龄期Q取为14 d。

3) 为了分析灰土比H对RST混合土无侧限抗压强度的影响规律，胶粒土比J取为40%和60%，灰土比H分别取为5%，8%，10%和15%，水土比S取为20%和25%，养护龄期Q取为14 d。

4) 为了分析水土比S对RST混合土无侧限抗压强度的影响规律，胶粒土比J取为40%和60%，灰土比H分别取为10%和15%，水土比S取为20%，25%和30%，养护龄期Q取为14 d。

其中，胶粒土比J、灰土比H和水土比S分别表示橡胶颗粒、水泥以及水与工程弃土的质量分数，%。

1.3  试样制备方法

在按配比方案将原材料按比例混合制备RST混合土试样时，由于试样中添加了粒径较大的废弃轮胎橡胶颗粒和少量固化剂水泥，因此，原材料的混合顺序要格外注意。首先，将工程弃土和水泥混合在一起，待搅拌均匀后加入废弃轮胎橡胶颗粒，三者继续充分搅拌均匀，最后，加入实验室用水，用搅拌器匀速搅拌5~10 min。

制作RST混合土试样时，将搅拌均匀的原材料装入内径为39.1 mm、高度为80 mm的标准三开模中，并分4次进行分层击实，待击实完成后将土样连同三开模一同放入标准养护箱中进行恒温恒湿养护。养护箱的温度控制在(20±2) ℃，湿度控制在95%以上。RST混合土试样养护24 h后进行脱模，再将脱模后的试样放回到养护箱中继续养护。待试样达到设计养护龄期后，进行无侧限抗压强度试验^[15]。

2  无侧限抗压强度试验

2.1  试验条件

本次试验所用仪器为YYW-2型应变控制式无侧限压力仪，该仪器主要由测力计、加压框架、升降设备组成，其应变速率为2.4 mm/min。在对RST混合土试样进行竖向压力加载时，轴向应变每增加0.2 mm，记录1次钢环变形。当RST混合土的强度接近峰值时，应变每增加0.1 mm记录1次钢环变形数据。

2.2  试验过程

在进行无侧限抗压强度试验时，将达到设计龄期的RST混合土试样从养护箱中取出，用滤纸擦净试样周围的水分，并在试样两端涂抹一薄层凡士林，然后，把试样安放在无侧限压力仪的底座上，调整压力仪并进行加压试验。

在进行无侧限抗压强度试验过程中，应用摄像机对轴向位移计和测力计进行全程拍摄，后期数据处理时，通过视频读取所需要的瞬时试验数据，既节省人力，又提高了试验数据的准确度。试验前后RST混合土试样的形态如图3所示。

图3  试验前后RST混合土试样的形态

Fig. 3  Sample forms of RST mixed soil before and after tests

3  影响因素分析

3.1  养护龄期对RST混合土强度的影响

为了分析养护龄期Q对RST混合土无侧限抗压强度的影响，根据试样配比方案，胶粒土比J取40%，水土比S取20%，灰土比H分别取5%，10%和15%，养护龄期Q分别取7，14，21和28 d，并对RST混合土试样进行试验，所得到的轻质土不同养护龄期的无侧限抗压强度如表1所示，RST混合土的无侧限抗压强度随养护龄期的变化规律如图4所示。

表1  不同养护龄期RST混合土的无侧限抗压强度

Table 1  Unconfined compressive strength of RST mixed soil with different curing ages            kPa

图4  RST混合土无侧限抗压强度随养护龄期的变化曲线

Fig. 4  Unconfined compressive strength curves of RST mixed soil with different curing ages

从表1和图4可知：在28 d养护龄期内，随着养护龄期的延长，RST混合土试样的无侧限抗压强度均有不同程度的提高；当养护龄期由7 d增加到28 d时，灰土比分别为5%和15%这2种配比的RST混合土试样的无侧限抗压强度增加不大，强度增加量分别为70.4 kPa和40.1 kPa；而当灰土比为10%时，RST混合土试样的无侧限抗压强度随养护龄期的延长显著增大，几乎呈线性增长趋势，当养护龄期由7 d增加到28 d时，其强度的增加量为197.9 kPa；当养护龄期为28 d时，灰土比为10%的RST混合土试样的无侧限抗压强度与灰土比为15%的RST混合土试样的无侧限抗压强度相差不大，而灰土比为5%的RST混合土试样的无侧限抗压强度则小很多。这是因为当灰土比较小时，单位体积RST混合土试样所含的水泥量较少，在RST混合土试样养护初期，其中的大部分水泥就已经完成水化作用，养护后期能够发生水化反应的水泥量十分有限，因而试样的强度提高不大；而当灰土比较高时，单位体积RST混合土试样所含的水泥量较大，在试样养护初期有足量的水泥完成水化作用且有很多剩余，因此，灰土比大的RST混合土试样的无侧限抗压强度在养护初期就可以达到1个较高值。对于灰土比为10%的RST混合土试样，单位体积试样中所含的水泥量较适中，随着养护龄期的延长，所含的水泥会陆续发生水化反应，因此，RST混合土试样的无侧限抗压强度呈线性增长趋势。

以上分析表明：当灰土比为10%时，RST混合土试样的无侧限抗压强度对养护龄期相对敏感，在养护初期，其强度就可以达到1个相对高值，且随着养护龄期的延长，无侧限抗压强度线性增大；而当灰土比过高或过低时，RST混合土试样的无侧限抗压强度在养护初期的值分别为1个很高和很低的值，但随着养护龄期的延长，后期强度增长均不明显，从而说明灰土比过高或过低时，养护龄期对RST混合土试样的无侧限抗压强度影响较小。

3.2  胶粒土比对RST混合土强度的影响

为了研究胶粒土比J对RST混合土无侧限抗压强度的影响规律，在灰土比H分别为5%, 8%和10%，水土比S为20%，养护龄期Q为14 d的情况下，对胶粒土比J分别为0，20%，40%，60%和80%的RST混合土试样进行无侧限抗压强度试验，得到的不同胶粒土比试样的无侧限抗压强度如表2所示。RST混合土试样的无侧限抗压强度随胶粒土比的变化规律如图5所示。

从表2和图5可以看出：随着胶粒土比的增大，3种不同灰土比的RST混合土试样的无侧限抗压强度均显著降低。这是因为随着胶粒土比的增大，试样中所含的橡胶颗粒增多，橡胶颗粒间的摩擦作用范围大

表2  不同胶粒土比RST混合土的无侧限抗压强度

Table 2  Unconfined compressive strength of RST mixed soil with different rubber-soil ratios         kPa

图5  RST混合土无侧限抗压强度随胶粒土比的变化曲线

Fig. 5  Unconfined compressive strength curves of RST mixed soil with different rubber-soil ratios

于水泥的水化胶结作用范围，但橡胶颗粒间的摩擦咬合力远低于水泥水化后所产生的胶结力，因此，同一灰土比时水泥水化产生的胶结力在整个试样中所占的比例减小，作用范围降低，从而使RST混合土试样的无侧限抗压强度随胶粒土比的增大而降低。

另外，对于同一胶粒土比的RST混合土试样，当灰土比由5%增大到10%时，试样的无侧限抗压强度逐渐增大，这是因为胶粒土比一定时，随着灰土比的增大，试样中所含的水泥量逐渐增多，水泥水化产生的胶结作用增强，从而使RST混合土试样的无侧限抗压强度增大。

3.3  灰土比对RST混合土强度的影响

灰土比也是影响RST混合土无侧限抗压强度的一个十分重要的因素。为了研究灰土比对RST混合土无侧限抗压强度的影响规律，在胶粒土比J分别为40%和60%，水土比S分别为20%和25%，养护龄期Q为14 d的情况下，对灰土比H分别为5%，8%，10%和15%的RST混合土试样进行无侧限抗压强度试验，所得到的不同灰土比RST混合土试样的无侧限抗压强度如表3所示。RST混合土试样的无侧限抗压强度随灰土比的变化规律如图6所示。

从表3和图6可以看出：随着灰土比的增大，RST混合土试样的无侧限抗压强度均明显增大。这是因为当灰土比增大时，试样中所含的水泥量增多，水泥水化产生的胶结作用增强，从而使试样的无侧限抗压强度增大。

同时，由图6还可以看出：在同一胶粒土比和水土比的条件下，当灰土比在5%~8%和10%~15%范围内变化时，RST混合土试样的无侧限抗压强度的增大速度较慢；但当灰土比由8%增大到10%时，RST混合土试样的无侧限抗压强度的增大速度则相对较快。这是因为当灰土比过小时，水泥含量少，水泥水化后产生的胶结力较小，作用范围也不大，由水泥水化产生的胶结作用在试样总强度中所占的比例较小，从而使不同配比条件下RST混合土试样的无侧限抗压强度相差不大，并且当灰土比在5%~8%范围内变化时，RST混合土试样的无侧限抗压强度随灰土比的增大而增大的速度较慢。当灰土比过高时，试样中所含的水泥量多，容易发生水泥水化反应不完全而使水泥产生过量剩余的情况，从而使灰土比在10%~15%范围内变化时，RST混合土试样的无侧限抗压强度随灰土比的增大而提高的速度也较慢。而当灰土比在8%~10%范围内变化时，RST混合土试样中所含的水泥量适中，水泥水化作用较彻底，水化胶结力的作用强度和作用范围也较大，从而使RST混合土试样的无侧限抗压强度随着灰土比增大而提高的速度明显增大。

表3  不同灰土比RST混合土的无侧限抗压强度

Table 3  Unconfined compressive strength of RST mixed soil with different cement-soil ratios           kPa

图6  RST混合土无侧限抗压强度随灰土比的变化曲线

Fig. 6  Unconfined compressive strength curves of RST mixed soil with different cement-soil ratios

3.4  水土比对RST混合土强度的影响

为了分析水土比对RST混合土无侧限抗压强度的影响规律，在胶粒土比J分别为40%和60%，灰土比H分别为10%和15%，养护龄期Q为14 d的情况下，对水土比S分别为20%，25%和30%的RST混合土试样进行无侧限抗压强度试验，所得到的不同水土比RST混合土试样的无侧限抗压强度值如表4所示。RST混合土试样的无侧限抗压强度随水土比的变化规律如图7所示。

表4  不同水土比RST混合土的无侧限抗压强度

Table 4  Unconfined compressive strength of RST mixed soil with different water-soil ratios            kPa

图7  RST混合土无侧限抗压强度随水土比的变化曲线

Fig. 7  Unconfined compressive strength curves of RST mixed soil with different water-soil ratios

由表4和图7可以看出：当水土比在20%~25%范围内变化时，RST混合土试样的无侧限抗压强度随水土比的增大而增大；但当水土比在25%~30%范围内变化时，RST混合土试样的无侧限抗压强度随水土比的增大而减小，这说明RST混合土试样配比方案中的最优水土比约为25%，即当水土比为25%时，RST混合土试样的无侧限抗压强度最大。

3  结论

1) 在28 d养护龄期内，RST混合土的无侧限抗压强度随养护龄期的延长而增大。当灰土比约为10%时，RST混合土试样的无侧限抗压强度对养护龄期更敏感，即随着养护龄期的延长，RST混合土试样的无侧限抗压强度增长更快。

2) RST混合土的无侧限抗压强度随胶粒土比的增大而显著降低。胶粒土比对RST混合土无侧限抗压强度的影响还与灰土比有一定的联系，当灰土比不同时，胶粒土比对RST混合土试样的无侧限抗压强度的影响规律也不同。

3) 随着灰土比的增大，RST混合土的无侧限抗压强度增大，但灰土比过小或过大都会在一定程度上降低RST混合土试样无侧限抗压强度的增长速度。

4) RST混合土试样配比方案中的最优水土比约为25%，如果水土比低于或高于25%，那么，RST混合土的无侧限抗压强度都会不同程度地降低。

参考文献：

[1] 刘景洋, 乔琦, 昌亮, 等. 轮胎使用年限及我国轮胎报废量预测研究[J]. 中国资源综合利用, 2011, 29(10): 34-37.

LIU Jingyang, QIAO Qi, CHANG Liang, et al. Service life of tire and amount of waste tire forecast in China[J]. China Resources Comprehensive Utilization, 2011, 29(10): 34-37.

[2] 王乔力. 废旧轮胎的低温热解冷淬碎化的研究[D]. 天津: 天津大学环境科学与工程学院, 2007: 1-9.

WANG Qiaoli. Study on the fragmentation of waste tire by cold quenching after low temperature pyrolysis[D]. Tianjin: Tianjin University. School of Environment Science and Engineering, 2007: 1-9.

[3] 席国喜, 杨文洁, 路迈西. 废旧轮胎回收利用新进展[J]. 化工科技市场, 2008, 31(9): 1-6.

XI Guoxi, YANG Wenjie, LU Maixi. New progress of waste tire recycling and its use[J]. Chemical Technology Market, 2008, 31(9): 1-6.

[4] 庾晋, 白杉. 废旧轮胎回收利用现状和利用途径[J]. 化工技术与开发. 2003, 32(4): 43-49.

YU Jin, BAI Shan. Reclamation present situation and utilization of scrape tires[J]. Technology and Development of Chemical Industry, 2003, 32(4): 43-49.

[5] 陆兆峰, 秦旻, 陈新轩. 废旧轮胎在道路工程中的应用[J]. 交通标准化. 2007(8): 178-181.

LU Zhaofeng, QIN Min, CHEN Xinxuan. Application of waste tires in road engineering[J]. Communications Standardization, 2007(8): 178-181.

[6] BOSSCHER P J, EDIL T B, KURAOKA S. Design of highway embankments using tire chips[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 1997, 123(4): 295-304.

[7] MASAD E, TAHA R, HO C, PAPAGIANNAKIS T. Engineering properties of tire soil mixtures as a lightweight fill material[J]. Geotechnical Testing Journal, 1996, 19(3): 297-304.

[8] ROWE R K, MCLSAAC R. Clogging of tire shreds and gravel permeated with landfill leachate[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005, 131(6): 682-693.

[9] PIERCE C E, BLACKWELL M C. Potential of scrap tire rubber as lightweight aggregate in flowable fill[J]. Waste Management, 2003, 23(3): 197-208.

[10] 贾腾. 废弃轮胎橡胶颗粒轻质混合土强度特性试验研究[D]. 青岛: 山东科技大学土木工程与建筑学院, 2014: 28-37.

JIA Teng. Test study on strength characteristics of lightweight soil mixed with rubber chips of scrap tires[D]. Qingdao: Shandong University of Science and Technology. College of Civil Engineering and Architecture, 2014: 28-37.

[11] 陈文杰. 废弃轮胎橡胶颗粒轻质混合土动力特性试验研究[D]. 青岛: 山东科技大学土木工程与建筑学院, 2014: 44-63.

CHEN Wenjie. Experimental study on dynamic characteristics of lightweight soil mixed with rubber chips of scrap tires[D]. Qingdao: Shandong University of Science and Technology. College of Civil Engineering and Architecture, 2014: 44-63.

[12] 陈延彬. 青岛海域海砂及淤泥强度的影响因素分析[D]. 青岛: 山东科技大学土木工程与建筑学院, 2014: 42-58.

CHEN Yanbin. Influence factors of strength of sand and silt in Qingdao area[D]. Qingdao: Shandong University of Science and Technology. College of Civil Engineering and Architecture, 2014: 42-58.

[13] 李朝晖. 废轮胎颗粒与黄土混合物岩土工程特性研究[D]. 兰州: 兰州大学土木工程与力学学院, 2011: 33-91.

LI Zhaohui. Geotechnical properties of granulated rubber and loess soil mixtures[D]. Lanzhou: Lanzhou University. School of Civil Engineering and Mechanics, 2011: 33-91.

[14] 孔德森, 陈文杰, 贾腾, 等. 动荷载作用下RST轻质土变形特性的试验研究[J]. 岩土工程学报, 2013(增2): 874-878.

KONG Desen, CHEN Wenjie, JIA Teng, et al. Test study on deformation characteristics of RST lightweight soil under dynamic load[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013(Suppl 2): 874-878.

[15] GB/T 50123—1999, 土工试验方法标准[S]. GB/T 50123—1999, Standard for soil test method[S].

(编辑  罗金花)

收稿日期：2015-01-19；修回日期：2015-03-19

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41102166)；山东科技大学科研创新团队支持计划项目(2012KYTD104)；山东科技大学杰出青年科学基金资助项目(2012KYJQ102) (Project(41102166) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2012KYTD104) supported by the Scientific Research Innovation Team Foundation of Shandong University of Science and Technology; Project(2012KYJQ102) supported by the Distinguished Young Science Foundation of Shandong University of Science and Technology)

通信作者：孔德森，博士，教授，从事环境岩土工程研究；E mail: dskong828@163.com