王麗艷,王中原,周 駿,曹曉婷

(江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003)

我國目前存在很多工業(yè)廢棄物,譬如廢棄鋼渣和廢舊輪胎等．鋼渣是冶金工業(yè)中產(chǎn)生的廢渣,其產(chǎn)生率為粗鋼產(chǎn)量的8%～15%[1],2015年我國的粗鋼產(chǎn)量約為8億噸,而廢棄鋼渣的利用率僅為10%,大量堆積不僅占用土地,且嚴(yán)重污染環(huán)境,因此，提高廢棄鋼渣的應(yīng)用價值是一項重要研究內(nèi)容[2]．另外，我國每年產(chǎn)生的廢舊輪胎以8%～10%的速度遞增[3],2015年,中國廢舊輪胎產(chǎn)生量達3.3億條,重量達1 200萬噸,回收利用率僅為50%左右,造成巨大的資源浪費;廢舊輪胎不僅占據(jù)大面積的堆場或填埋場,對其不正確的處置(比如不合理焚燒)還可能對環(huán)境造成極大的危害,因此,如何循環(huán)利用廢舊輪胎也是目前亟待研究的重要課題．

關(guān)于廢棄資源再生利用問題已成為眾多學(xué)者研究的熱門方向之一,其中文獻[4-5]將廢棄鋼渣與砂土混合用做路基填料;文獻[6]將廢棄的橡膠顆粒與粘性土混合,制成新型輕質(zhì)土用做填料;文獻[7]研究了輕質(zhì)土作為路堤填料后所降低的工程成本和所起的經(jīng)濟效應(yīng)．由于廢棄鋼渣質(zhì)重、廢舊輪胎膠粉需足夠細磨或整塊施工難度大,文中揚長避短,充分發(fā)揮各自的優(yōu)點,提出將兩種工業(yè)廢棄物混合起來使用形成一種新型土工混合料．為了研究這種新型土工混合料的壓縮力學(xué)性能,采用單向壓縮儀開展具體的試驗研究．

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗中所用試樣具體材料有鋼渣、橡膠顆粒、砂土和水．所用的鋼渣為張家港永鋼集團生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的平爐鋼渣,鋼渣密度為1.94 g/cm3,級配曲線如圖1,其中不均勻系數(shù)Cu=12,曲率系數(shù)Cc=2.08,級配良好;輪胎顆粒為EPDM(三元乙丙)橡膠顆粒,0.075～1、1～2、2～3 mm 3個粒徑范圍,如圖2.堆積密度如表1,黏土取自鎮(zhèn)江市九華山路段工程棄土,為低液限黏土,水為普通的自來水．

圖1 鋼渣的級配曲線Fig.1 Gradation curve of steel slag

圖2 試驗材料Fig.2 Test materials

表1 橡膠的堆積密度與粒徑的關(guān)系Table 1 Relation between bulk density and particle size of rubber

1.2 試驗方法

為了方便比較鋼渣和橡膠的摻入比對新型土工填料壓縮變形特性的影響,將水定為20%．其他材料具體質(zhì)量配比根據(jù)工程實施案例進行調(diào)配,如表2,αs為鋼渣摻入比,αr為橡膠摻入比,αc為黏土摻入比,αw為水摻入比．

表2 新型土工混合料的質(zhì)量配比Table 2 Quality ratio of each component in newgeo-material

由于橡膠摻入比大于10%時孔隙比較大,摻入黏土可降低孔隙比,文中為進一步研究黏土摻入比對新型土工混合料壓縮特性的影響,將橡膠摻入比定為10%,研究黏土替代鋼渣量對混合料壓縮特性的影響．

試驗采用的壓縮儀為南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的WG型系列單杠桿壓縮儀,如圖3(a),該儀器是通過杠桿原理進行加載,在杠桿一端逐級加載砝碼模擬另一端的不同豎向壓力,圖3(b)為百分表裝置,測量試樣豎向變形,圖4為加載前試樣和加載壓縮穩(wěn)定后的試樣．根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制鋼渣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和壓縮曲線,從而得到壓縮系數(shù),推出壓縮模量,具體操作參照文獻[8],每組3個試樣進行平行試驗．

圖3 單杠壓縮儀試驗裝置Fig.3 Test setup of horizontal-bar compression

圖4 壓縮前后的試樣Fig.4 Samples before and after compression

1.3 密度

表3為各摻入比下的混合料密度,圖5和6為密度變化曲線．

表3 各摻入比下的密度Table 3 Densities under different mixing ratios

從圖5可以看出,隨著橡膠摻入比的增加,混合料的密度隨之減小．當(dāng)橡膠顆粒質(zhì)量摻入比為5%時,混合料密度降低了15%,因為橡膠的密度較小,其體積摻入比大于5%,所以混合料的密度減小顯著．從圖5還可以看出,相同橡膠摻入比的情況下,粒徑越大,密度越大,這是因為鋼渣中80%左右的顆粒粒徑處于0～2 mm之間,相同密實條件下,2～4 mm較大粒徑下的橡膠顆粒與鋼渣正好形成較好級配的混合料,孔隙體積越小,因而密度越大．

從圖6可以看出,混合料的密度隨黏土的摻入比增大而減小,因為黏土密度小于鋼渣,用同等黏土取代鋼渣,密度減?。?/p>

圖5 橡膠摻入比和混合料的密度關(guān)系曲線Fig.5 Density curve under different mixing ratio of rubber particle

圖6 黏土摻入比和混合料密度的關(guān)系曲線Fig.6 Density curve under different mixing ratio of clay

2 應(yīng)力應(yīng)變特性

2.1 橡膠摻入比的影響

由圖7可以看出,隨著橡膠顆粒摻入量的增加,試樣的豎向應(yīng)變在增大,主要是因為橡膠顆粒與鋼渣相比,密度小、質(zhì)地輕,壓縮模量小,摻入量增大時混合料的應(yīng)變增大．

圖7 不同橡膠摻入比下應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves under different mixing ratio of rubber particle

從圖7可以看出,當(dāng)豎向應(yīng)力小于100 kPa時,混合料的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線彈性,這是因為低應(yīng)力時混合料的變形主要是受材料顆粒自身的性質(zhì)影響,顆粒自身的彈性壓縮引起了混合料整體線彈性變形;當(dāng)豎向應(yīng)力大于100 kPa,混合填料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)塑性變形的非線性特性．

2.2 黏土摻入比的影響

從圖8可以看出,當(dāng)黏土摻入5%時,新型土工混合料的豎向應(yīng)變增大,是因為黏土的壓縮性較鋼渣差,用5%的黏土替代鋼渣,使新型土工混合料的豎向變形增大．

圖8 不同黏土摻入比下應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves under different mixing ratio of clay

但是,當(dāng)黏土的摻入比由5%增加到10%時,新型土工混合料的應(yīng)變減小,是因為黏土摻入量變多時,黏土的粘聚性增加了鋼渣和橡膠顆粒之間的粘聚力,使其整體性增強,抗壓性增強．當(dāng)黏土的摻入比大于10%時,混合料應(yīng)變又變大,是因為過多的黏土摻入,致使混合料的性質(zhì)偏向于黏土,黏土的高壓縮性凸顯,使得混合料的壓縮特性表現(xiàn)為不耐壓．

2.3 橡膠粒徑的影響

從圖9可以看出,在相同橡膠摻入量的情況下,隨著橡膠粒徑的增大,新型土工混合料的應(yīng)變逐漸降低,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可以從兩個方面解釋.

圖9 不同橡膠粒徑下應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves under different particle size of rubber

一是因為橡膠粒徑過細,混合料的孔隙增加,破壞了橡膠顆粒自身的性質(zhì),從而降低了整體的抗壓特性;二是因為當(dāng)橡膠粒徑增加到2～4 mm時,鋼渣中80%左右的顆粒粒徑處于0～2 mm之間,正好與此粒徑的橡膠顆粒形成較好級配的混合料．

由圖9(a)看出,當(dāng)橡膠的摻入量αr=5%,混合料的施加應(yīng)力在200 kPa低應(yīng)力區(qū)時,顆粒的粒徑對混合料的應(yīng)變影響較小,在高應(yīng)力區(qū),混合料的應(yīng)變受橡膠顆粒的影響明顯,可能是因為橡膠摻入量少,不同粒徑產(chǎn)生的孔隙體積相差較少,因此在低應(yīng)力區(qū)影響較小．從圖9(b)、(c)和(d)可以看出,當(dāng)橡膠的摻入量增大,混合料的應(yīng)變受低應(yīng)力區(qū)的影響也較大,表明當(dāng)橡膠摻入量變多時,不同粒徑產(chǎn)生的孔隙體積相差較大．

3 壓縮模量指標(biāo)研究

3.1 橡膠摻入比的影響

從圖10可以看出,不論哪種橡膠顆粒粒徑的混合料,其壓縮模量隨橡膠顆粒的含量增加而降低,因為橡膠顆粒沒有粘聚性,摻入比增加時,混合料之間的顆粒粘聚力減小,整體性降低,壓縮模量隨之降低．其中,當(dāng)橡膠摻入比由0增加到5%時,粒徑dr=2～4 mm時,壓縮模量降低較大,達到了55%,這是因為橡膠密度較小,顆粒孔隙較大無粘聚力,相同鋼渣質(zhì)量替換下,體積替換率較大,抗壓性能下降明顯;但是,橡膠摻入比由5%增加到10%時,壓縮模量只降低了14%,并且隨著橡膠摻入量的繼續(xù)增加,壓縮模量也降低很少,這是因為橡膠密度很小,只有0.5 g/cm3左右,而鋼渣的密度為1.9 g/cm3左右,隨著摻入量增加,混合料中橡膠的體積呈近4倍的增加,因而隨著摻入量的繼續(xù)增加,混合料中橡膠體積占入比很大,鋼渣的體積占入比很小,所以10%增加到20%時,壓縮模量降低甚少．

圖10 壓縮模量與橡膠摻入比的關(guān)系Fig.10 Relation between compression modulus and mixing ratio of rubber particle

從圖10發(fā)現(xiàn),壓縮模量與橡膠摻入比近乎呈指數(shù)關(guān)系,因此文中將相同粒徑下的壓縮模量與橡膠摻入比關(guān)系曲線進行了擬合,擬合公式如下:

Es=aexp(br)

式中:Es為壓縮模量,MPa,r為橡膠摻入比,%;a,b均為試驗參數(shù),exp為自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù),擬合指數(shù)衰減曲線如圖11,擬合試驗參數(shù)如表4．

圖11 壓縮模量與橡膠摻入比的擬合曲線Fig.11 Fitting exponential curves of deformation modulus and rubber particles ratios

表4 指數(shù)函數(shù)擬合參數(shù)Table 4 Fitting parameters of exponential curves

3.2 黏土摻入比的影響

圖12為混合料壓縮模量與黏土含量的關(guān)系曲線,從圖中還可以看出,當(dāng)黏土摻入比為5%時,混合料的壓縮模量減小,因為用黏土替代鋼渣,其壓縮模量小于鋼渣．當(dāng)黏土的摻入比增加到10%,混合料的壓縮模量又提高,當(dāng)黏土摻入量繼續(xù)增加時,新型土工混合料的壓縮模量又隨之降低,是因為過多的黏土摻入量,致使混合料中黏土的特性凸顯,雖然粘聚力增加,但與同質(zhì)量的低壓縮性鋼渣比,易被壓縮而且殘余應(yīng)變較大,壓縮模量隨之降低．

圖12 壓縮模量與黏土含量的關(guān)系Fig.12 Relation between compression modulus and mixing ratio of clay

3.3 橡膠粒徑的影響

圖13為混合料壓縮模量與橡膠粒徑的變化曲線．從圖可以看出不論哪種橡膠摻入比,壓縮模量均隨橡膠粒徑的增大而增大,是因為相同質(zhì)量比情況下,隨著橡膠顆粒粒徑的增大,混合料的孔隙體積減少,壓縮模量隨之增大．

從圖中還可以看出,當(dāng)橡膠摻入量達到20%時,橡膠粒徑對混合料壓縮模量影響不顯著,說明橡膠摻入量較大時,混合料中橡膠的體積占有比較大,在相同密實條件下,無論哪種粒徑下,橡膠的壓縮特性在混合料中較為凸顯．

圖13 壓縮模量與橡膠粒徑的關(guān)系Fig.13 Relation between compression modulus and rubber particle size

3.4 工程應(yīng)用

為了能將新型土工混合料應(yīng)用于實際的土建工程中,將土工混合填料的壓縮模量與傳統(tǒng)中的砂土和粘性的壓縮模量進行比較,參考文獻[9],如表5,表中DGJ00、DGJ01和DGJ02代表橡膠摻入量0、3%和5%,粒徑為2～4 mm的混合土料．

新型土工混合料與淤泥質(zhì)土相比,摻入橡膠顆粒的大部分配比下的壓縮模量比淤泥質(zhì)土大,具有較好的耐壓性,DGJ02可以應(yīng)用于處理淤泥質(zhì)土工程;與純黏土相比,DGJ01的壓縮模量達到半干硬狀態(tài)的黏土;與砂土相比,DGJ01和DGJ00的壓縮模量達到細砂的壓縮模量,可替換細砂應(yīng)用于實際工程中,如用于土工格柵加筋擋土墻和重力式擋土墻回填工程中,解決了固體廢棄物處理問題,施工較簡便,便于工程推廣應(yīng)用．

表5 新型土工混合料與傳統(tǒng)土的壓縮模量Table 5 Compression modulus of the new geo-material and traditional soils

4 結(jié)論

為解決固體廢棄物處理問題,研究了摻入橡膠顆粒的鋼渣混合料的密度特性和壓縮力學(xué)性能,得出以下結(jié)論:

(1) 隨著橡膠摻入比的增加,混合料密度逐漸減小,因黏土密度小于鋼渣,用同等黏土取代鋼渣,密度減小,混合料密度隨黏土的摻入比增大而減?。?/p>

(2) 橡膠顆粒摻入量增大時混合料的應(yīng)變增大,混合料的應(yīng)力應(yīng)變在低應(yīng)力時呈線彈性,在高應(yīng)力時呈塑性變形非線性特性．

(3) 橡膠顆粒摻入比增加時,混合料壓縮模量隨之降低,混合料壓縮模量與橡膠摻入比呈指數(shù)關(guān)系;壓縮模量隨橡膠粒徑的增大而提高,當(dāng)橡膠摻入量達到20%時,橡膠粒徑對壓縮模量影響不顯著．

(4) 橡膠摻入比5%時壓縮模量較大且質(zhì)地輕,可應(yīng)用于處理淤泥質(zhì)土;橡膠摻入比3%時壓縮模量可達到半干硬狀態(tài)的黏土;橡膠摻入比3%與純鋼渣壓縮模量都達到細砂的壓縮模量,可替換細砂應(yīng)用工程中．