碎橡胶改性粘土的物理力学性能分析

　　引言

　　2009 年以来中国已成为汽车产销第一大国。随着相关环境保护及汽车轮胎报废法律的日趋健全，废旧轮胎问题也日益凸显。然而，传统处理工艺远不能完全处置数量庞大的废旧轮胎。国内外针对废轮胎问题，除了采用传统的处理方法外，已将完整废轮胎、轮胎破碎物或称轮胎派生骨料（Tire Derived Aggregates,TDA）与天然土的混合物应用于岩土工程中。该领域近三十年的研究表明，废轮胎不易降解的“缺点”在岩土工程中可成为建筑材料耐久性的“优点”,同时因废轮胎具有轻质、隔热、高弹性、高摩擦性等特点，可用于天然土的改良，解决与应力、变形有关的岩土工程问题，如路堤回填、边坡支当、软弱地基处理等。基于此状况，国内外众多学者从不同方面进行研究，并取得了一系列有益成果。但由于粘土结构的特殊性，目前研究成果主要集中在将粘土做特殊工艺处理后，把改性粘土作为橡胶的补强填充剂使用[1-7],而将碎橡胶作为客体，研究其物理添加对未经处理的粘土造成的影响的研究成果却较少。另外，除碎橡胶在工程应用中面临着一系列技术难题之外，目前研究最大的缺陷在于不能很好地贴合实际工况。文章立足于工程实用性，对碎橡胶改性粘土的物理力学性能进行研究，可为实际工程应用提供一定的借鉴。

　　1 理论基础

　　粘土矿物的颗粒一般较细小，有独特的晶层重叠结构。晶层之间还有一定的空隙，这导致其比表面积较大；同时，颗粒边缘还具有电荷不饱和性，对其它物质有吸附性[8].当碎橡胶均布在粘土中时，会改变粘土胶的性能[9],从而影响粘土颗粒之间的化学键作用和范德华力，进而影响改性粘土的物理力学性能。另外，废旧橡胶中含有纤维，具有摩擦性高的特点，可对粘土体的摩擦角产生重要的影响。

　　废旧橡胶属高分子材料，从宏观角度而言，具有弹性强、变形大、粘弹性高、弹性模量低、疏水等特点[10].因而，当向粘土中掺加不同比例某目数的碎橡胶时，可能直接影响改良后的粘土的压缩、抗剪、渗透等性能。文章正是基于粘土、碎橡胶颗粒各自的特点及其能够相互影响的特性，展开碎橡胶改良粘土物理力学性能的研究的。

　　2 实验方案设计

　　2.1 试验材料本试验中，粘土选用南昌地区常见的红粘土，碎橡胶采用通过目前生产工艺可广泛获得的规格型号为 30 目-40 目（GB/T 19208-2008）的碎橡胶。其基本物理指标如表 1 和表 2 所示。【1】

　　
　　2.2 试验设计碎橡胶改良粘土试验研究包括液塑限试验、击实试验、固结试验、直剪试验和渗透试验。试样制备时，先将所取土样风干再反复碾压，进行液塑限试验时需将碾压后的土样过 0.5mm 的孔径筛，其它四项试验需将碾压后的土样过 5mm 的孔径筛。取筛下土样，用SFY30A 型卤素快速水分测定仪测定过筛后的土样的含水量，之后向过筛后的粘土中分别均匀掺入占粘土干重量 0、2%、4%、6%、8%、10%、15%、20%的碎橡胶。

　　当扰动土作为建筑材料使用时，我们总是将其含水量控制在最优含水量附近，并将其碾压至相应最大干密度。为贴合实际工况，进行固结试验、直剪试验和渗透试验之前，需要重新配制掺加不同碎橡胶比例且含水量为对应最优含水量的试样，进行击实试验。用内径 61.8mm,高 20mm 的环刀切取击实后的试样，作为试验备用样。

　　为保证试验的精度，当切取的试样存在较大裂缝时应放弃使用，且备用样应满足 ω-ωop燮1%,ρd-ρdmax燮0.05.试样的配制及试验操作遵循《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）的规定。【2】

　　
　　上表所述的特制渗透试验装置，其试样桶由两节高 20cm,直径20cm 有刚性护壁的圆管组成，圆管之间由套箍连接紧固，套箍方便拆卸。渗透试样制备时，将不同橡胶掺比的粘土放入试样筒内，每节圆管内的土均用特制的击实器分四层击实至相应最大干密度。

　　3 试验结果分析

　　（1）相对于未掺加碎橡胶的粘土，碎橡胶掺量为 2%时具有较高的液限和最大干密度。随着碎橡胶掺量的增加，最优含水量和最大干密度将发生明显的波动。液塑限试验和击实试验的结果如表 4 所示。

　　（2）如图 1 压缩试验的结果所示，初始条件下较掺碎橡胶的粘土，不掺碎橡胶的粘土的孔隙比明显偏高；同一压力条件下，随着碎橡胶掺量的增加孔隙比减小越明显；试验压力条件下，碎橡胶掺量越高，压缩系数减小越快，在 400KPa 附近时压缩系数趋于相同。

　　（3）在最优含水量和最大干密度试验条件下，当碎橡胶掺量为2%时可获得最大抗剪强度，碎橡胶掺量 4%时次之。

    （4）碎橡胶掺量在 0~6%时，随着碎橡胶掺量的增加，粘土体的渗透系数减小，而碎橡胶掺量在 8%~20%时，粘土体的渗透系数几乎呈线性增长。

　　4 试验结论

　　基于试验研究结果，根据含有不同碎橡胶掺量的改性粘土的物理力学特征，可以得出以下结论：

　　（1）试验条件下，向粘土体中掺入 2%的碎橡胶可获得最大抗剪强度。

　　（2）碎橡胶的掺加改变了粘土体的孔隙比，但当碎橡胶掺量为2%~8%时对粘土体渗透性能的影响不明显，碎橡胶掺量为 10%~20%时，粘土体的渗透系数急剧增大。（3）压力小于 200KPa 时，碎橡胶的掺加显着改变了粘土体的弹性性能。碎橡胶掺量越大，压缩系数减小越快。

　　参考文献
　　
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　　[2]陈美，敖宁建，等。改性粘土对天然橡胶/粘土复合材料抗氧老化性能的影响[J].热带作物学报，2001,22（3）：1-5.
　　[3]Nongnard Sunthonpagasit,Michael R. Duffey. Scrap tires to crumbrubber: feasibility analysis for processing facilities [J].Conservationand Recycling,2004,40:281-299.
　　[4]M.C.Bignozzi,F.Sandrolini. Tyre rubber waste recycling in self -compacting concrete[J].Cement and Concrete Research,2006,36:735-739.
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　　[8]兰黄鲜。粘土改性的研究进展[J].中国粉体工业，2011,1:11-14.
　　[9]周慧玲，敖宁建，等。粘土的分散性对粘土胶性能的影响[J].电子显微学报，2001,20（4）：379-380.
　　[10]班午东，李斌。废旧橡胶的应用和研究概况[J].福建建材，2010,6:2-4.