废旧轮胎胶粉-黏土混合土的击实性能-何俊pdf

1、DOI: 1013544 / jcnkijeg201505028废旧轮胎胶粉黏土混合土的击实性能*何 俊 李 勇 阮晓晨 胡晓瑾( 湖北工业大学土木与建筑工程学院 武汉 430068)摘 要 废旧轮胎橡胶颗粒用于填埋场衬垫材料改性，有望提高衬垫系统的有效性。击实性能是衬垫设计和施工的基础，但 目前缺乏针对性研究，击实机理不够明确。开展废旧轮胎胶粉黏土混合土的击实试验研究，探讨橡胶颗粒粒径、掺入比等因 素对混合土击实性能的影响规律和压实机制。研究表明，当橡胶掺入比从 0 增大到 25%时，胶粉高岭土的最优含水率增大， 胶粉红黏土的最优含水率减小，变化在 2. 4%范围内; 混合土的最大干密度从

2、1. 65 gcm3 减小至约 1. 40 gcm3 ; 试验选用 的橡胶颗粒粒径对最优含水率和最大干密度差异不显著。在击实过程中橡胶颗粒回弹和橡胶颗粒比表面积变化两种效应 下，最优含水率随橡胶掺入比的增加表现出减小( 大颗粒时) 、不变和增加( 小颗粒时) 的变化规律，并与基质土的性质密切相 关。给出了初步设计时改性黏土含水率和干密度的控制方法，能够基本满足规范中对压实黏土的含水率和压实度的要求，且 其渗透系数小于 1. 0107 cms1 。关键词胶粉 黏土 混合土 压实黏土衬垫 击实性能中图分类号: P64222 文献标识码: ACOMPACTION PEFOMANCE OF GOUND

3、 UBBE AND CLAY MIXTUESHE Jun LI Yong UAN Xiaochen HU Xiaojin( College of Civil and Architectural Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068)Abstract As a modified material，the waste tire granulated rubber is expected to enhance the effectiveness of liner system in landfill The existing

4、results of compaction tests are in conflict to some extent since the compaction mechanism is complex The compaction test of waste tire ground rubber and clay mixtures is conducted and the effect of rubber properties on compaction performance is studied When the rubber mixing content increases from 0

5、% to 25%，the optimum water content of the Kaolin mixture increases and that of the red clay mixtures decreases The change of optimum water content of the mixtures is within 2. 4% and the maximum dry density decreases from 1. 65gcm3 to 1. 40gcm3 The 12-mesh and 30-mesh rubber used in the present stud

6、y show no significant difference on the compaction performance Under the two effects of rubber particle rebound and specific surface area change，the optimum water content can either decrease( for coarse rubber) ，be about the same，or increase( for fine rubber) with the increasing of rubber mixing con

7、tent，The change is closely related to the properties of the matrix soil The control parameters of water content and dry density at the preliminary design are put forward，which can收稿日期: 20140820; 收到修改稿日期: 20150417基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 51008120 ) ，武 汉市青年科技晨光计划项目 ( 201271031418 ) ，湖 北省自然科学基金项目 ( 2014CFB60

8、6) 资助第一作者简介: 何俊( 1977) ，女，博士，副教授，从事环境岩土工程方面的研究 Email: hjunas163com1014Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2015basically meet the water content and degree of compaction requirements of compacted clay liner in the specification The hydraulic conductivity of the mixtures is below 1. 0107 cms1 and als

9、o meets the requirementsKey words Ground rubber，Clay，Mixture，Compacted clay liner，Compaction performance0 引 言近年来，世界各地废旧轮胎数量急剧增大。2011 年我国废旧轮胎产生量约 1000 万吨，无害化 利用率只有约 60%。这些自然环境中不易降解、难以处理的“黑色污染”已成为紧迫和严重的世界 性难题，其安全处置和资源化利用受到广泛的关注。 废旧轮胎的回收利用在欧美等发达国家较早受到重 视，在土木工程中的应用较多，主要用于路基、边坡 加固，挡土墙或桥台轻质填料，在改善粗颗粒土力学 性质

10、方面效果显著( Edil，2005) 。从 20 世纪 90 年代早期开始，废旧轮胎作为一种性质优良的土工材 料，在垃圾填埋场中也有较多应用( Humphrey et al， 1998) 。由于具有轻质、高渗透性和强吸附能力等 性质，废旧轮胎碎片可替代砂土等宝贵资源，用作填 埋场的排水、渗滤液处理、日覆盖和隔热等材料。但可能存在不利于上部黏土压实和刺破土工膜等缺点 ( Humphrey et al，1998) ，用做排水材料时淤堵问题 较严重( owe et al，2005) ，制约了废旧轮胎在填埋 场中的广泛应用。衬垫系统作为现代卫生填埋场的重要组成部 分，其中黏土衬垫良好的防污性能是控制填

11、埋场二次污染的关键之一。良好的防污性能要通过两方面来实现，即低渗透性以阻滞有害气体和渗滤液的渗出、高吸附性以降低污染物的浓度。黏土衬垫的低 渗透性常常由于其较强的干缩势而遭到破坏，而天然黏土材料对污染物的吸附阻滞能力有限。采用废 旧轮胎对黏土衬垫进行改性处理，有望在提高其吸 附性( Park et al，1997) 的同时减小其收缩势，从而 提高衬垫的防污能力。实际上，已有研究发现，废旧 轮胎颗粒可有效改善土的胀缩性，从而能够控制土 中干燥裂隙的形成 ( Seda et al，2007; 孙树林等，2009; 邹维列等，2011) ; 在强度方面，相对于轮胎 碎片砂土，轮胎颗粒与黏土颗粒之间的

12、连结力较 弱，混合土强度可能降低( 孙树林等，2009) ，但也有研究发现当竖向压力较大时轮胎颗粒对混合土的强度没有不利影响( Tatlison et al，1997) ，甚至可能提高( Cetin et al，2006; 孙树林等，2009) ; 在渗透性 方面，废旧轮胎颗粒黏土混合的渗透系数能够达 到 107 108 cms1 数量级( Park et al，1997; Cetin et al，2006) ，满足衬垫渗透性要求。因此，从已有 研究来看，废旧轮胎用于黏土衬垫改性应具有可行 性，但目前缺乏系统研究。废旧轮胎改性黏土衬垫设计和施工时，为达到 防渗和强度要求，需要严格控制土料的含水

13、率和干密度。因此，衬垫材料的击实性能是其他性质研究 的基础。在废旧轮胎改性黏土击实性能研究方面，Seda et al( 2007) 研究了轮胎颗粒膨胀土的性质， 发现加入 20% 轮胎颗粒时最优含水率与原土相比 没有变化; Cetin et al( 2006) 研究了黏土中掺入粗、 细两种橡胶颗粒时最优含水率和最大干密度的变化 规律，发现最优含水率随橡胶含量的增加而基本不 变( 粗颗粒) 或略有增大( 细颗粒) ; Arefnia( 2014) 对高岭土的研究发现，当橡胶颗粒尺寸不同时，最优 含水率随掺量的变化表现出增大、不变和减小等不 同的规律，但对造成这种现象的原因没有进行深入 分析; 李

14、朝晖等( 2010) 研究了废轮胎颗粒与黄土混 合土的压实特性，发现最优含水率随轮胎掺量的增 大而减小; Tiwari et al( 2012) 研究发现最优含水率 随轮胎掺量的增加表现出先减小后增大的趋势。从上述研究成果来看，已有研究主要针对用作填料或 膨胀土改性，橡胶颗粒尺寸相对较大，压实机制还有 待于深入研究。基于此，本文针对废旧轮胎改性黏 土衬垫材料，以轮胎胶粉黏土混合土为对象，进行 击实试验研究，结合已有研究成果，探讨颗粒粒径、 掺入比等因素对混合土击实性能的影响规律和压实 机制，为废旧轮胎改性黏土衬垫性能的后续研究和 改性衬垫设计打下基础。试验方案试验选用两种黏土材料作为基质土:

15、( 1) 红色 黏土，取自武汉市长山口垃圾填埋场附近; ( 2) 高岭 土，考虑到填埋场地土料的差异，选用具有普遍工程使用意义的商用高岭土。高岭土为 325 目 S180 型 中华人民共和国国家发展和改革委员会 2012 中国资源综合利用年度报告( 2012) 23( 5) 何 俊等: 废旧轮胎胶粉黏土混合土的击实性能1015水洗高岭土，SiO2 和 Ai2 O3 含量分别为 46. 36% 和 40. 0%。废旧轮胎橡胶颗粒从南京某公司购得，选 取 12 目和 30 目两种不同尺寸，加工过程中去除金 属等物质。按照美国 ASTM D6270-98 的定名，所选 用的材料属于橡胶颗粒( gra

16、nulated rubber) 中的胶 粉( ground rubber) 。试验材料的基本物理性质指标 ( 表 1) 。两种黏土均属于低塑限黏土。表 1 试验材料的基本物理性质指标Table 1 Basic physical properties of soils and rubber土样风干含水率液限塑限塑性土粒指数相对密度/ %/ %/ %红黏土60483248235270高岭土15352224128270胶粉0120两种橡胶颗粒的级配曲线 ( 图 1) 。30 目橡胶 颗粒为粗砂 细砂粒组，12 目橡胶颗粒为粗砂粒 组，均属于级配不良砂。对 30 目橡胶与高岭土及红 黏土的混合土进行了

17、界限含水率试验( 图 2) 。可以 看出，随着掺入比的增加，液限和塑限有下降的趋 势，塑性指数变化不大( 胶粉高岭土的塑性指数为12. 6 13. 8，胶粉 红黏土的塑性指数为 22. 0 24. 8) 。混合土也属于低液限黏土。图 1 废旧轮胎橡胶颗分曲线Fig 1 Gradation curves for waste tire rubber particles定义橡胶颗粒重量占风干黏土重量的百分比为橡胶掺入比，占混合土干质量的百分比为掺量。按掺入比 0%、7. 5%、15% 和 25% 将橡胶与风干土混 合，依据土工试验方法标准 ( GB / T50123-1999) ，采用标准普氏击实试

18、验方法进行击实试验。试验结果1 橡胶颗粒掺入比和粒径的影响胶粉高岭土的击实试验结果如图 3 和图 4 所示。可以看出: ( 1) 最大干密度随着掺入比的增大图 2 混合土液塑限与橡胶掺入比的关系Fig 2 Liquid limit and plastic limit verse rubber content图 3 高岭土击实曲线Fig 3 Standard proctor test curves for Kaolin mixtures，3而减小 从纯高岭土的 1. 65 gcm 减至 1. 43 gcm( 掺入比为 25%时) ，橡胶胶粉的掺入具有明显的轻质效果; 掺入 12 目橡胶胶粉的混合

19、土最大干密度略大于掺入 30 目橡胶胶粉的混合土，细颗粒橡胶胶粉的轻质效果较强。该结论与 Arefnia et al( 2014)的试验结果一致。( 2) 最优含水率随着掺入比增大1016Journal of Engineering Geology 工程地质学报 20154 最大干密度、最优含水率与橡胶掺入比的关系Fig 4 The optimum water content and maximumdry density verse rubber content而略有增大，从 19. 0% 增至最大 21. 4%，最大增幅 为 2. 4%; 30 目和 12 目两种粒径时混合土最优含水 率的差

20、异不明显。2. 2 不同黏土的影响红色天然黏土过 2mm 筛后混入 30 目橡胶胶粉 时，击实试验结果见图 5 和图 6 所示。可以看出: ( 1) 两种黏土与橡胶胶粉混合时，最大干密度的变 化趋势一致，均随掺入比的增加而减小，变化斜率大 致相同。( 2) 不同黏土对最优含水率随橡胶掺入比 的变化趋势不同，高岭土最优含水率随掺入比的增 加而增大，而红黏土则相反; 掺入比为 15% 和 25%时，最优含水率的变化趋于平缓，接近于 21%。红黏土+30 目胶粉时最优含水率的最大减幅为 2. 2%， 高岭土 + 30 目胶粉时最优含水率的最大增幅为1. 7%。图 5 红黏土击实曲线Fig 5 Sta

21、ndard proctor test curve for red clay mixtures6 最大干密度和最优含水率与橡胶掺入比的关系Fig 6 The optimum water content and maximumdry density verse rubber content3 讨 论3. 1 与已有文献的对比分析针对混合土用作衬垫材料的工程背景，表 2 中汇总了基质土为细粒土情况下最优含水率随橡胶掺 量的变化规律。为与本文试验对比，表中主要列举 了掺量约为 20%时的结果。可以发现，当橡胶颗粒 尺寸较大时，最优含水率表现出随掺量的增加而减 小或基本不变的趋势( Seda et al

22、，2007; 李朝晖等，2010; 邹维列等，2011) ; 而当橡胶颗粒较小时，最 优含水率则大多表现出增大的趋势 ( 如本文中胶 粉 高岭土，两种橡胶粒径均较小) 。Cetin et al( 2006) 和 Arefnia et al( 2014) 分别采用同一种基质 土和不同粒径橡胶颗粒混合，上述规律表现得很明 显。分析其原因，最优含水率的变化可能由两种作 用引起的。一方面，击实试验中两次重锤击实之间 会存在卸荷过程。橡胶属于弹性材料而土属于塑性 材料。卸荷时，橡胶颗粒发生回弹而与土颗粒发生 相互作用，相当于在土颗粒上施加一定的附加击实 功( 图 7) 。这种回弹作用在 Patil et

23、 al( 2011) 的离 散单元法分析得到了证实。而击实功的增加将导致 击实曲线左移。另一方面，当橡胶颗粒较小时，比表 面积随着橡胶掺量的增加而显著增大，橡胶颗粒与 土颗粒之间接触面积增多，从而需要有更多的水分 润滑使混合土达到最密实状态，导致击实曲线右移; 若橡胶颗粒较大，比表面积增大的作用效果则不显著。在这两种效应的共同作用下，混合土最优含水率可能表现出随橡胶掺量的增加而减小、不变和增大的变化规律。23( 5) 何 俊等: 废旧轮胎胶粉黏土混合土的击实性能1017表 2 混合土最优含水率与橡胶掺量关系汇总Table2 Summary of relationship between the

24、 optimum water content and rubber content土料橡胶粒径、掺量最优含水率随掺量的变化规律备注高岭土( 低液限黏土)12 目( 14mm) ，0% 2023%随掺量增加而增大，最大增幅为 24%本文目( 06mm) ，0% 2023%随掺量增加而增大，最大增幅为 17%30红黏土( 低液限黏土)30 目( 06mm) ，0% 2095%随掺量增加而减小，最大减幅为 22%本文5 8mm，0% 60%随掺量增加而减小，掺量从 0 变为 20%时减幅为 15%高岭土( 低液限黏土)1 4mm，0% 60%随掺量增加最优含水率先增大后减小Arefnia et al

25、( 2014)6 19 目，0% 60%随掺量增加而略有增大，掺量从 0 变为 20%时基本不变80 目，0% 60%随掺量增加而增大，掺量从 0 变为 20%时增幅约为 4%低液限黏土4-10目( 2 475mm) ，0% 50%随掺量增加最优含水率基本不变Cetin et al( 2006)40 目( 0425mm) ，0% 50%随掺量增加而增大，掺量从 0 变为 20%时增幅约为 3%黄土( 低液限粉土)2 7mm，0% 566%随掺量增加而减小，掺量从 0 变为 229%时减幅约为 315%李朝晖等( 2010)膨胀土( 高液限黏土)2 6mm，20%掺量为 0 和 20%时，最优含

26、水率不变Seda 等( 2007)膨胀土( 高液限黏土)级配良好，D50 约为 1mm，19%掺量为 0 和 19%时，最优含水率基本不变邹维列等( 2011)图 7 混合土击实过程中橡胶颗粒的回弹效应示意图Fig 7 Schematic of rebound effect of rubber particlesduring the compaction of mixtures以上分析没有考虑基质土差异产生的影响，实 际上，基质土的性质对混合土最优含水率也具有重 要作用。例如，本文试验选用的高岭土和红黏土均 为低液限黏土，与 30 目橡胶颗粒混合时最优含水率 随掺入比的变化规律相反。这可能是由于试验选用 的高岭土