橡胶混合土路用性能研究

顾建波 周恩全 姚缘

摘要 为了研究橡胶混合土作为路基填料的可行性，文章以橡膠混合土为研究对象，开展了一系列加州承载比（CBR）、压缩及直接剪切试验，分析了橡胶掺量（0%、5%、10%、15%）及橡胶粒径（1～5 mm、0.25～0.5 mm、0.1～0.25 mm）的影响。试验结果表明：橡胶粒径相同时，混合土的CBR随着橡胶掺量的增加，呈现先上升后下降的趋势，在5%橡胶掺量时CBR达到峰值；橡胶掺量一定时，橡胶粒径越大，混合土的CBR更高，橡胶粒径为1～5 mm且橡胶掺量为5%时混合土的CBR相比纯土提升约104%。随橡胶掺量的增加，混合土的弹性应变、塑性应变及压缩系数均显著增大，表明混合土的可变形能力逐渐增大。随着橡胶掺量增加，混合土的抗剪强度、内摩擦角、黏聚力均呈现增大的趋势，表现出显著的剪切硬化特性。研究结果可为橡胶混合土在道路工程中的应用提供技术指导。

关键词 橡胶混合土；加州承载比；压缩；抗剪强度

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0111-03

0 引言

随着交通业的不断发展，中国废旧轮胎产生量以6%～8%的速度逐年递增^[1]，尽管每年废旧轮胎回收率有所提升，但基本在50%以下。将废旧轮胎以块、条、颗粒等形式用于土体处理，作为路基填料等工程材料使用，是目前公认处理废旧轮胎最有前途的措施之一。Sivapriya等^[2]研究发现，橡胶掺量15%之前，混合土CBR有所增加，超过此值混合土CBR下降。王琼^[3]研究发现，橡胶砂的压缩变形明显高于纯砂。张岩^[4]试验发现，随着橡胶颗粒掺量的增加，橡胶砂复合土的抗剪强度呈现先增大后减小的趋势。Akbarimehr等^[5]研究表明，使用10%的橡胶粉略微提高了混合土的强度，但超过该值后强度有所降低。

该文重点关注橡胶掺量、橡胶粒径对橡胶混合土的CBR、压缩特性及剪切特性的影响，为橡胶混合土在道路工程中的应用提供了技术支持。

1 试验概况

试验所用黏土塑限为21.6%、液限为40.1%，塑性指数为18.5。试验所用橡胶均由废旧汽车轮胎经过机械切割、破碎并抽去钢绞线所得，所用橡胶颗粒分别为R1颗粒（粒径1～5 mm）、R0.25颗粒（粒径0.25～0.5 mm）和R0.1颗粒（粒径0.1～0.25 mm）。黏土及R1颗粒、R0.25颗粒、R0.1颗粒的均值粒径分别为0.02、3.01、0.36、0.16，不均匀系数分别为8.33、1.66、1.41、1.60，曲率系数分别为1.61、0.91、0.94、0.92。

下列试验均依据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）开展。

采用重型击实法制样，测定橡胶混合土浸水4 d后的CBR值，考虑橡胶粒径及橡胶掺量的影响，橡胶颗粒体积掺量C_R选为0%、5%、10%、15%共4组，橡胶粒径选择1～5 mm、0.25～0.5 mm、0.1～0.25 mm共三类。

压缩试验考虑橡胶掺量的影响，橡胶颗粒体积掺量C_R选为0%、5%、10%、15%共4组，橡胶粒径为1～5 mm，试样尺寸为直径61.8 mm，高度20 mm。所加竖向荷载依次为12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、200 kPa、100 kPa、50 kPa、25 kPa、12.5 kPa、0 kPa，每级荷载加载时间为24 h。

不固结快剪试验考虑橡胶掺量的影响，橡胶颗粒体积掺量C_R选为0%、5%、10%、15%共4组，橡胶粒径为1～5 mm，试样尺寸直径为61.8 mm，高度为20 mm。测定试样在不同竖向应力下（100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa）的抗剪强度，剪切速率为0.8 mm/min。

2 CBR试验结果

如图1所示，为不同掺量及粒径下橡胶混合土CBR变化规律，可以发现：

（1）当橡胶粒径一定时，随橡胶掺量的增加，CBR先增大后减小，5%橡胶掺量下的CBR数值最大；超过5%橡胶掺量后，黏土中掺入越多的橡胶，由于其高回弹变形性，混合土越容易被压缩，导致CBR数值减小。

（2）同一橡胶掺量下，CBR随着橡胶粒径的减小而降低。

（3）总体来说，在该文试验条件下橡胶粒径为1～

5 mm且橡胶掺量为5%的混合土CBR数值最大，相比纯土的CBR提升约104%。

当掺入土中的橡胶粒径为1～5 mm，橡胶掺量为5%、10%、15%时，混合土CBR值均大于4，满足各等级公路路堤的要求，因此该文仅研究掺入1～5 mm橡胶颗粒的混合土的压缩和抗剪特性。

3 压缩试验结果

如图2所示，图2（a）中给出了不同橡胶掺量下混合土加载—卸载后的竖向总应变、塑性应变和弹性应变的变化规律，其中“总应变”由“塑性应变”和“弹性应变”这两部分组成，橡胶掺量越大，混合土的总应变、塑性应变、弹性应变均增大，且弹性应变总是小于塑性应变。虽然在黏土中加入橡胶颗粒后，提升了混合土的回弹性能，但始终是塑性应变占主导地位。

橡胶掺量对橡胶混合土压缩系数的影响见图2（b）：试样的压缩系数均随着竖向应力的增加而下降，且下降速率逐渐变缓慢。橡胶掺量从0%增至15%，混合土压缩系数随之增加。掺量15%的混合土在0～12.5 kPa竖向应力范围内的压缩系数是纯黏土的4.5倍，特别需要说明的是所有试样从100 kPa加载至200 kPa的压缩系数均处于0.1～0.5 MPa^?1之间，属于中压缩性土。

4 直剪试验结果

不同橡胶掺量下混合土的剪应力与剪切位移关系曲线如图3所示。可见：纯土的剪应力—水平位移曲线有出现明显下降段或者稳定段，应取峰值点为其抗剪切强度值；混合土（C_R=5%、C_R=10%、C_R=15%）出现应力—应变硬化现象，即剪应力—水平位移曲线一直呈增长趋势，此情况下应取4 mm剪切位移所对应的剪应力值为试样的抗剪强度值。

根据图3可进一步得到混合土在橡胶掺量0%、5%、10%、15%下的抗剪强度值与抗剪强度指标，如表1所示。可见，随着橡胶掺量从0%增加到15%，混合土的抗剪强度及内摩擦角、黏聚力数值均呈现增大的趋势。橡胶掺量从0%增加到15%，橡胶混合土的黏聚力和内摩擦角分别提升20.4%和19.1%。

5 结论

该文以橡胶混合土为研究对象，对CBR特性、压缩特性及直接剪切特性进行了研究，主要结论如下：

（1）混合土的CBR随着橡胶掺量的增加，呈现先上升后下降的趋势，5%橡胶掺量下混合土的CBR值最大。混合土的CBR隨着橡胶粒径的增大而增大，当掺入土中的橡胶粒径为1～5 mm，橡胶掺量为5%、10%、15%时，混合土CBR值均大于4，满足各等级公路路堤的要求。

（2）随着橡胶掺量从0%增加到15%，混合土的压缩量与回弹量逐渐增大，其压缩变形越明显，压缩系数也更大，表明橡胶掺量越大，混合土的可变形能力越大。

（3）随着橡胶掺量从0%增加到15%，混合土的抗剪强度逐渐增大，黏聚力和内摩擦角分别提升20.4%和19.1%。

参考文献

[1]2022—2026年中国轮胎翻新行业预测分析[J]. 中国轮胎资源综合利用， 2022（5）： 18-19.

[2]Sivapriya S V， Charumathy N. Effect of crumb rubber on inorganic and high compressible clay[J]. Lecture Notes in Mechanical Engineering， 2019： 67-73.

[3]王琼. 橡胶砂动力特性试验研究[D]. 镇江：江苏大学， 2019.

[4]张岩. 橡胶砂复合土特征性参数本构模型研究[D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学， 2021.

[5]D Akbarimehr， Eslami A， Aflaki E. Geotechnical behavior of clay soil mixed with rubber waste[J]. Journal of Cleaner Production， 2020， 271： 122-136.

收稿日期：2023-12-15

作者简介：顾建波（1979—），男，本科，高级工程师，研究方向：高等级公路建设管理。

基金项目：南京市交通运输科技项目“近零碳公路示范工程关键技术研究（2022）”。