CN114751703A

CN114751703A - 废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料及其制备方法

Info

Publication number: CN114751703A
Application number: CN202210579838.5A
Authority: CN
Inventors: 王协群; 张伊; 于祥伟; 彭琛; 李智奇
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2022-05-25
Filing date: 2022-05-25
Publication date: 2022-07-15

Abstract

本发明公开了一种废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料及其制备方法，以掺量计，所述改性膨胀土路基填料的组分包括:水泥:3％、轮胎颗粒:3％‑6％、水:18％‑19％、余量为膨胀土。将水泥和轮胎颗粒掺加到膨胀土中，控制含水率为18％‑19％，充分搅拌，使其均匀，即得到改性膨胀土路基填料成品。本发明的改性膨胀土路基填料能有效改善膨胀土的胀缩性并提高其CBR值，同时还能实现废弃轮胎的资源化利用，具有较好的经济效益及社会效益。

Description

废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料及其制备方法

技术领域

本发明涉及土木及道路工程技术领域，具体涉及一种废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料及其制备方法。

背景技术

膨胀土是一类具有“欺骗性”的高液限黏性土。过去对于膨胀土的认识不够深入，因其强度高、压缩性小，很容易被认为是良好天然地基，但实际上膨胀土具有明显的胀缩性、多裂隙性、超固结性和强度衰减性等众多不良工程特性，这些特性往往引起许多工程灾害,给国家和人民造成了重大的经济损失。

改革开放以来，我国大力发展交通运输基础建设，在建设方面难免会遇到膨胀土路基地段。针对膨胀土路基问题，我国目前主要的工程处理方法有换填法、湿度控制以及改性处理法等。对于高速公路工程，填土所用的土方量巨大，若采取换填的方法，既会对资源造成浪费，也会大大增加工程预算。此时选择对膨胀土进行改性处理，则成了较为合理的方案。目前，工程中对膨胀土进行改性所用的掺合料多为石灰和水泥，但由于工程费用较高，同时水泥、石灰生产能耗高、CO₂排放量大、环境污染严重，对我国“双碳”战略目标的实现十分不利。因此，开发一种成本低、环境效益好且效果好的改性膨胀土路基填料是十分有必要的。

伴随着交通运输业的发展，汽车工业也在不断进步发展，废弃轮胎的数量也逐年增长，无论对其进行燃烧还是堆放处理都会对环境造成严重威胁。相比较于生石灰280-350元/吨的价格，废弃轮胎的成本则十分经济，如果能用废弃轮胎颗粒来改性膨胀土路基填料,既可以极大降低工程造价还可以实现工业废弃物资源化利用。

因此，利用废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料，具有良好的经济效益和社会效益，这使得固体废弃物改性膨胀土成为一种研究趋势，具有广泛的研究前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有技术中改性膨胀土路基填料方法效果差、成本高以及环境污染等问题。针对现有技术的不足，本发明提供了一种废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料及其制备方法，采用本发明提供的改性膨胀土路基填料，不仅能有效改善膨胀土的胀缩性并提高其CBR值，使改性后的膨胀土满足用作路基填料的要求，更能将废弃轮胎变废为宝，实现综合利用和环境保护。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下:

第一方面，本发明提供一种废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料，其特征在于：以掺量计，所述改性膨胀土路基填料的组分包括：水泥:3％、轮胎颗粒:3％-6％、水:18％-19％、余量为膨胀土；

所述水泥为早强型硅酸盐水泥。

作为优选方案，所述轮胎颗粒是通过将废旧轮胎破碎并打磨后制得的材料，粒径尺寸为0.1mm。

进一步地，所述膨胀土取自广西崇左市宁明县，是高液限黏土，自由膨胀率超过90％，属于强膨胀土。

第二方面，本发明提供一种废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将膨胀土置于烘箱中干燥24小时，烘箱温度为95℃-115℃，然后粉碎过2mm筛后备用；

S2：向过筛后的膨胀土粉末中加入轮胎颗粒掺量分别为3％、4.5％、6％的轮胎颗粒以及水泥掺量为3％的水泥，搅拌均匀后得到混合骨料；

S3：向所述每种掺量的混合骨料中加入占混合骨料总质量18％-19％的水，充分搅拌，混合均匀，即得到改性膨胀土路基填料成品。

作为优选方案，所述步骤S2中轮胎颗粒掺量是指轮胎颗粒质量与膨胀土干土质量之比，水泥掺量是指水泥质量与膨胀土干土质量之比。

进一步地，所述改性膨胀土路基填料制备好后，需用密封袋密封，静置24h，确保改性膨胀土中水分分布均匀；静置完毕后再放入养护箱中养护28d，养护条件为温度20±1℃、湿度98％。

本发明的工作原理如下：

《城镇道路工程施工与质量验收规范》CJJ1-2008、《公路路基施工技术规范》JTGF10-2006均规定:“液限大于50％、塑性指数大于26的土，不能直接用作路基填料”。

《城镇道路工程施工与质量验收规范》CJJ1-2008规定:“城市主干路中，填方材料的强度(CBR)和压实度应满足:上路床(0-0.3m)的CBR最小值为8％，压实度≥95％；下路床(0.3-0.8m)的CBR最小值为5％，压实度≥95％；上路堤(0.8-1.5m)的CBR最小值为4％，压实度≥93％；下路堤(>1.5m)的CBR最小值为3％，压实度≥92％”。

《公路路基施工技术规范》JTG F10-2006规定:“二级公路中，填方材料的强度(CBR)和压实度应满足:上路床(0-0.3m)的CBR最小值为6％，压实度≥95％；下路床(0.3-0.8m)的CBR最小值为4％，压实度≥95％；上路堤(0.8-1.5m)的CBR最小值为3％，压实度≥94％；下路堤(>1.5m)的CBR最小值为2％，压实度≥92％”。

《公路路基施工技术规范》JTG F10-2006规定:“强膨胀土不得作为路堤填料；中等膨胀土经处理后可作为填料”。

上述规定为改性后的膨胀土是否满足规范规定的用作路基填料的要求提供了判断依据，改性后的液限、塑性指数、CBR值、胀缩性是确定最优改性剂掺量的主要控制指标。

由于膨胀土含有大量的强亲水性黏土矿物，因此膨胀土改性的关键在于改变土中黏土矿物的亲水性。例如，通过离子交换作用，使原来作用于膨胀土颗粒表面的吸附水静电力被打破，吸附水变成自由水，膨胀土颗粒与水分子结合力减弱，从而容易被排出，从根本上改变膨胀土的胀缩性。

在膨胀土中掺入轮胎颗粒后，改变了膨胀土的组成成分，降低了膨胀土中蒙脱石、伊利石等强亲水性矿物的含量。同时，由于轮胎颗粒的表面具有憎水性，会对土粒起包围作用，从而阻碍了膨胀土中亲水矿物与水分的作用与结合，吸水膨胀能力减弱，降低了膨胀土的亲水性。另外，由于轮胎颗粒表面粗糙且为不规则形状，掺入土体后与土体颗粒相互嵌挤、摩擦，不仅对土体强度有一定的增强作用，并且有一部分膨胀力在这个过程中被抵消，降低了膨胀土的胀缩性。

在膨胀土中掺入水泥后，水泥进行水化反应，通过离子交换作用来替换土颗粒中的低价阳离子，降低土颗粒表面吸附水作用，从而破坏土颗粒的亲水性矿物结构，削弱膨胀土胀缩性。同时，水泥水化产物在与粘土颗粒反应的过程中会使土和水泥的混合物从开始的一种离散的颗粒状态变成一种均匀，胶结的结构，使得土颗粒凝集成大的土团粒，增加了颗粒团之间的胶结键、减少了孔隙空间。

本发明的优点及有益效果如下：

1、使用废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料，能够有效改善膨胀土的胀缩性以及较大程度地降低膨胀土的液限、塑性指数、有荷膨胀率、线缩率。另外，改性膨胀土的CBR值相较于未改性的素膨胀土有明显的提高，使改性后的膨胀土满足用作路基填料的要求。

2、与常用膨胀土改性材料相比，使用废弃轮胎颗粒的成本更低，具有良好的经济效益。

3、采用废弃轮胎颗粒代替石灰，对二氧化碳排放量的减少有益，且施工时不会因为扬尘而造成污染，具有良好的社会效益。

附图说明

图1为本发明提供的一种废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料制备方法的流程示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的方案作进一步地详细说明。

实施例1

本实施例中一种废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料，以掺量计，组分包括:水泥:3％、轮胎颗粒:3％、水:18％-19％、余量为膨胀土。

水泥为早强型硅酸盐水泥。

轮胎颗粒是通过将废旧轮胎破碎并打磨后制得的材料，粒径尺寸为0.1mm。

膨胀土取自广西崇左市宁明县，是高液限黏土，自由膨胀率超过90％，属于强膨胀土。

轮胎颗粒掺量是指轮胎颗粒质量与膨胀土干土质量之比，水泥掺量是指水泥质量与膨胀土干土质量之比。

废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料的制备方法，包括以下步骤:

S2：向过筛后的膨胀土粉末中加入掺量为3％的轮胎颗粒以及固定掺量为3％的水泥，搅拌均匀后得到混合骨料；

S3：向混合骨料中加入占混合骨料总质量18％-19％的水，充分搅拌，混合均匀，即得到改性膨胀土路基填料成品。

改性膨胀土路基填料制备好后，需用密封袋密封，静置24h，确保改性膨胀土中水分分布均匀。静置完毕后再放入养护箱中养护28d，养护条件为温度20±1℃、湿度98％。

实施例2

本实施例中一种废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料，以掺量计，组分包括:水泥:3％、轮胎颗粒:4.5％、水:18％-19％、余量为膨胀土。

水泥为早强型硅酸盐水泥。

S2：向过筛后的膨胀土粉末中加入掺量为4.5％的轮胎颗粒以及固定掺量为3％的水泥，搅拌均匀后得到混合骨料；

实施例3

本实施例中一种废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料，以掺量计，组分包括:水泥:3％、轮胎颗粒:6％、水:18％-19％、余量为膨胀土。

水泥为早强型硅酸盐水泥。

S2：向过筛后的膨胀土粉末中加入掺量为6％的轮胎颗粒以及固定掺量为3％的水泥，搅拌均匀后得到混合骨料；

本发明的有益效果如下：

为了验证本发明改性膨胀土路基填料的技术效果，本发明先对未改性的素膨胀土进行性能测试，然后将三种实施例得到的改性膨胀土路基填料成品采用室内试验的方法进行了试验，从轮胎颗粒改性膨胀土的路用物理力学性质进行评定，具体包括界限含水率试验、CBR试验、50kPa荷载下的膨胀率试验、收缩试验，试验结果如下：

界限含水率试验结果:

	液限	塑限	塑性指数
				未改性的素膨胀土	66.57	25.65	40.92
实施例1	49.47	29.04	20.43
				实施例2	48.66	31.44	17.22
实施例3	49.04	32.83	16.21

膨胀土改性后三种实施例均满足路基填料对土的液塑限指标的要求。

CBR(加州承载比)试验结果:

	92％压实度	95％压实度
			未改性的素膨胀土	1.44	1.62
实施例1	4.48	5.51
			实施例2	4.08	5.24
实施例3	3.82	5.07

膨胀土改性后三种实施例均满足作为城市主干路以及二级公路下路床(0.3-0.8m)、下路堤(>1.5m)的路基填料要求。

50kPa荷载下的膨胀率试验结果：

	92％压实度	94％压实度	96％压实度
				未改性的素膨胀土	6.13	6.28	6.49
实施例1	3.74	4.38	4.42
				实施例2	3.51	3.86	4.01
实施例3	3.35	3.85	3.78

膨胀土改性后实施例3的有荷膨胀率降低效果最明显，且满足路基填料的胀缩性指标。收缩试验(最终线缩率)结果：

	92％压实度	94％压实度	96％压实度
				未改性的素膨胀土	2.95	2.82	2.65
实施例1	2.51	2.44	2.23
				实施例2	2.09	2.01	1.75
实施例3	1.87	1.65	1.72

膨胀土改性后实施例3的最终线缩率降低效果最明显，且满足路基填料的胀缩性指标。

Claims

1.一种废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料，其特征在于：以掺量计，所述改性膨胀土路基填料的组分包括：水泥:3％、轮胎颗粒:3％-6％、水:18％-19％、余量为膨胀土；

所述水泥为早强型硅酸盐水泥。

2.根据权利要求1所述的废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料，其特征在于：所述轮胎颗粒是通过将废旧轮胎破碎并打磨后制得的材料，粒径尺寸为0.1mm。

3.根据权利要求2所述的废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料，其特征在于：所述膨胀土取自广西崇左市宁明县，是高液限黏土，自由膨胀率超过90％，属于强膨胀土。

4.一种制备如权利要求1至3任意一项所述的废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中轮胎颗粒掺量是指轮胎颗粒质量与膨胀土干土质量之比，水泥掺量是指水泥质量与膨胀土干土质量之比。

6.根据权利要求5所述的废弃轮胎颗粒改性膨胀土路基填料的制备方法，其特征在于：所述改性膨胀土路基填料制备好后，需用密封袋密封，静置24h，确保改性膨胀土中水分分布均匀；静置完毕后再放入养护箱中养护28d，养护条件为温度20±1℃、湿度98％。