（岩土工程专业论文）废弃轮胎橡胶颗粒轻质混合土基本特性试验研究.pdf

摘要 摘要 随着我国汽车总量的快速增加，废弃轮胎造成的资源浪费和环境污染现象日 益严重。废弃轮胎橡胶颗粒轻质混合土( 1 i g h t w e i g i l ts o i lm i x e dw i t hr u b b e rc h i p so f s c r a pt i r e s ，简称r s t 轻质土) 在为上述问题提供了一条解决磐法之外，同时也 给公路建设提供了一种质量轻、强度可控的优良填筑材料。本文通过室内土工试 验和数值模拟，研究了废弃轮胎轻质混合土的物理力学性质。主要内容如下： ( 1 ) 介绍了橡胶颗粒、原料土等试验原材料的生产、来源和基本性质。结 合材料的力学性质、物理性质、经济性和易施工性，确定了试验材料配比方案。 介绍了试样的制备方法。 ( 2 ) 通过对重度的测定，得出r s t 轻质土具有重量轻的特点以及重度的变 化规律。材料的重度的大致在1 4 ，和1 4 9 k n m 3 范围内，并随着橡胶颗粒含量的 增加而减小。 ( 3 ) 通过固结试验研究了材料的压缩、固结、渗透等性质，具体包括压缩 曲线矿皿e - l o g p 形态，压缩模量、回弹模量、压缩屈服应力的变化规律，固结 系数、渗透系数的变化规律，压缩破坏的形态等。试验表明，合理的原材料配比 的试样具有良好的压缩固结性质，可以满足路堤填筑材料的要求。 ( 4 ) 通过三轴固结不排水( c u ) 和固结排水( c d ) 试验研究了材料的剪 切性质。分析了多种配比方案下的c u 试验应力应交孔隙水压力 ( ( 吼一吒) 乞“) 曲线形态和孔压系数a ，规律，以及试样的固结不排水抗剪 强度。研究了典型配比试样c d 试验应力应变体变( ( o r , 一以) 乞e v ) 曲线 形念和强度。试验表明材料具有较高的抗剪强度和较强的结构性。 ( 5 ) 对采用新材料的轻质路堤进行了有限元分析并与采用常规填土的路 堤进行了对比。得出了沉降、侧向变形、孔隙水压力的变化规律，采用废弃轮胎 轻质混合土可以有效的减小沉降、地基的侧向变形和超静孔隙水压力，提高了路 堤的质量和抗滑稳定性。 关键词：轻质混合土、废弃轮胎、配比方案、固结试验、三轴试验、有限单元 法 a b s t r a e t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho f t h e q u a n t i t yo f v e h i c l e si no u rc o u n t r y , t h ep h e n o m e n o n o fr e c , o u r s ew a s t ea n de n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o nd u et os c r a pt i r e sh a sb e c o m e m o r es e r i o u s l i g h t w e i g h ts o i lm i x e dw i t hr o b b e rc h i p so fs c r a pt i r e sn o to n l yo f f e r s a ns o l u t i o nt od e a lw i t hp r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，b u ta l s op r o v i d eak i n do f l i g h t w c i g h ta n ds t r e n g t h c o n t r o l l e dm a t e r i a lf o rh i g h w a yc o n s t r u c t i o n t h i sp a p e r s t u d i e st h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h i sm a t e r i a lb ym e a n so f l a b o r a t o r y t e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i np o i n t sa r ea sf o l l o w s ( i ) t h ep r o d u c t i o n , o r i g i na n db a s i cp r o p e r t i e so fr a wm a t e r i a l sf o r t h e e x p e r i m e n t ，l i k er u b b e rc h i p s ，s o i lc t c a r ei n t r o d u c e d p r o p o r t i o n i n go fr a wm a t e r i a l s i nt h et e s ti se s t a b l i s h e dw i t hr e g a r dt om e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，p h y s i c a lp r o p e r t i e s ， e c o n o m ya n dw o r k a b i l i t y t h em e t h o do f s p e c i e sp r e p a r a t i o ni si n t r o d u c e d ( 2 ) t h en e wm a t e r i a lh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i g h t w e i g h ta n dt h ev a r i a t i o no f t h es p e c i f i cg r a v i t yh a so b t a i n e d 1 1 1 es p e c i f i cg r a v i t yo ft h em a t e r i a lr a n g e sf r o m 1 4 4t o1 4 9 k n m 3a n di td e c r e a s e sw i t ht h eg r o w t ho f r o b b e rc h i p sc o n t e n t ( 3 ) t h ep r o p e r t i e so fc o m p r e s s i o n , c o n s o l i d a t i o na n dp e r r n e a b i l i t ya r es t u d i e d mc o n t e n t sa r ea b o u tt h es h a p eo fc o m p r e s s i o np l o t s ，c o m p r e s s i o nm o d u l u s ， r e s i l i e n tm o d u l u s ，c o m p r e s s i o ny i e l ds t r e s s ，c o n s o l i d a t i o nc o e 伍c i a n t ，p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n ta n dt h ed a m a g es t y l eo ft h es p e c i e s e r e t h et e s t si n d i c a t et h a tt h en i c e p r o p e r t i e so fm i sm a t e r i a lc a l lm e e tt h ed e m a n do f h i g h w a ye m b a n k m e n t ( 4 ) t h ep r o p e r t i e so fs h e a rs t r e n g t hi ss t u d i e dv i ac o n s o l i d a t i o nt m d r a i n e d ( c u ) a n dc o n s o l i d a t i o nd r a i n e d ( c d ) t e s t s t h et r e s s s t r a i n - p o r ep r e s s u r ec u r v e s ，v a r i a t i o n o fs k e m p t o n sp o r ep r e s s u r ep a r a m e t e r 毋a n du n d r a i n e dm o h r - c o u h i m bs t r e n g t ha r e a n a l y z e d u n d e rd i f f e r e n tr a wm a t e r i a l p r o p o r t i o n i n g o fc ut e s t s t h e s t r e s s - - s t r a i n v o l u m ec h a n g ea l l “镐a n dd r a i n e ds t r e n g t ha r ea l s os t u d i e du n d e r t y p i c a lp r o p o r t i o n i n gc dt e s t t h et e s ti n d i c a t e st h a tt h em a t e r i a lh a sh i g hs h e a r s t r e n g t ha n ds t r o n gs t r u c t u r a lf l a n l o ( 5 ) f e mm e t h o dh a sb e e nc o n d u c t e do na l le m b a n k m e n tu s i n gt h en e wm a t e r i a l a n dr e s u l t sh a v eb e e nc o m p a r e dt ot h ee m b a n k m e n tu s i n go r d i n a r yf i l l i n gm a t e r i a l i t i n d i c a t e st h a ts e t t l e m e n t ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n de x c e s sp o r ep r e s s u r ea r ea l l a l l e v i a t e db yu s i n gt h en e wm a t e r i a l 码eq u a l i t yo f t h ec o n s t r u c t i o na n ds t a b i l i t yo f t h ee m b a n k m e n ta r ei m p r o v e d k e y w o r d a ：n g h t w 6 9 h ts o i l ，s c r a pt i r e s ，p r o p o r t i o n i n gd e s i g n , c o n s o l i d a t i o nt e s t s ， t r i a x i a lt e s t s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d l l 图索0 i 笙l1 1 图1 2 图1 3 图1 4 幽1 5 图1 6 图2 1 图2 2 幽2 3 图2 4 图3 1 图3 2 幽3 ，3 幽3 4 图3 5 图3 6 图3 7 幽3 8 翻3 9 图3 1 0 幽3 “ 图3 1 2 酗3 1 3 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 幽4 5 图4 6 幽4 7 图4 8 图4 9 幽4 1 0 图4 1 l 图索引 轻质混合十填筑路堤一 轻质混合十处理桥头筹异沉降 轻质混合十用丁| 道路拓宽 轻质混合十用于边坡地区填筑j ：程 国内外废旧轮胎同收利川状况 论文研究的技术路线 废弃轮胎粉碎机器 试验h 橡胶颗粒 原料十的外观 不同原料的含量对重度的影响一 i 嗣结仪示意图。 y s 一2 舣联高压同结仪 r s t 轻质十微观示意一 十个配比试样的轴向麻变荷载( f 。- p ) 曲线 压缩模鼙和橡胶颗粒含量的关系 回弹模量和橡胶颗粒含耸的关系 压缩模耸和水泥含罐的关系。 同弹模鼙和水泥含鼙的关系 压缩模耸和含水率的关系 回弹模罐和含水率的关系 e o d o g p 曲线( 养护龄期7 d ) e a 1 0 9 p 曲线( 养护龄期2 8 d ) 压缩试样 时间平方根法求t g o 三轴仪原理幽 s y 6 0 1 型多功能三轴仪。 l s 6 0 1 0 - 7 5 虑力应变孔隙水压力曲线 姗- 5 8 0 戍力应变 孑l 隙水压力曲线 l s o l o 8 0 应力应变孔隙水压力曲线 l s 3 0 1 0 - 8 0 应力应变孔隙水压力曲线 l s 6 0 1 0 - 8 0 应力应变孔隙水压力曲线 l s l 2 0 1 0 8 0 应力虑变孔隙水压力曲线 l s 6 0 1 3 8 0 应力麻变孔隙水压力曲线 l s 6 0 1 5 - 8 0 应力应变讯隙水压力曲线 l s 6 0 1 0 - 8 5 应力应变 孑l 隙水压力曲线 v 2 3 3 3 5 m u地坞埔均加龃m瑟撕坜撕笛拍盯盯勰凹弛弭m弘弘弘；号；5； 幽索辱 图4 1 2 图4 1 3 例4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 幽4 1 9 图4 2 0 幽4 2 1 幽4 2 2 圈42 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 幽4 r 2 7 图4 2 8 图4 ” 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 幽5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 l s 6 0 10 9 0 应力应变讯隙水压力曲线。 应力应变曲线示意| 璺i l s 6 0 1 0 - 7 5 莫尔库仑强度包线 l s 6 0 5 8 0 莫尔库仑强度包线 l s 0 1 0 8 0 奠尔库仑强度包线 l s 3 0 1 0 8 0 奠尔库仑强度包线 l s 6 0 1 0 - 8 0 奠尔库仑强度包线 l s l 2 0 1 0 8 0 奠尔库仑强度包线。 l s 6 0 1 3 8 0 奠尔库仑慢度包线。 l s 6 0 1 5 8 0 奠尔一库仑强度包线 l s 6 0 1 0 8 5 莫尔库仑强度包线 l s 6 0 1 0 9 0 莫尔库仑强度包线 抗剪强度参数随橡胶颗粒含量的变化 抗剪强度参数随水泥含最的变化 抗剪强度参数随含水率的变化 剪切鼓胀型破坏型态 剪切型破坏型态。 鼓胀型破坏型态 l s 6 0 1 0 8 0 【刮结排水( c d ) 试验应力墒变体变曲线 l s 6 0 一1 0 8 0 吲结排水( c d ) 试验莫尔一库仑强度包线 l s 6 0 1 0 8 0 吲结排水( c d ) 试样破坏形态。 主应力空间( c - - 0 ) m o h r - c o u l o m b 屈服面。 计算模型。 荷载加载图 沉降等势线| 生| 。 路基下沉降分布图。 图5 6 分层沉降图 水平位移图 最不利时刻孔隙水压力分布图一。 最不利时刻中线f 地基土孔隙水压力分布 v l 盯虬铊驼铊钉躬必“铒翡矩艏钉钉盯船够铂占；昭鼹弘孔弱诣驰：； 表索日 表1 1 表i 2 表l | 3 表1 4 表2 1 表2 2 表2 3 表2 , 4 表3 1 表3 2 表3 3 表4 1 表4 2 表5 1 表索引 橡胶颗粒及其与十的混合物的抗剪强度 6 各路段截面材料。 7 橡胶颗粒流动填料试验各成份比例 8 流动状态和凝结状态性质 8 原料十的基本物理性质 1 2 原料十- 的基本力学性质1 2 试验配比方案。1 4 材料的重度1 6 压缩模量和同弹模鼙2 4 压缩屈服应力2 6 同结系数和渗透系数2 9 偏麻力峰值对应的孔压系数a 。4 1 c u 试验强度参数一 计算参数5 3 v 奉文采用的主篓符号 本文采用的主要符号 ，重度 尺橡胶颗粒含量( 橡胶颗粒的质量与干土的质量之比) c 水泥含量( 水泥的质量与干土的质量之比) 脚含水率( 水的质量与土、橡胶颗粒和水泥三种固体物质质量之和 的比) 叠压缩系数 e 压缩模量 墨回弹模量 e 压缩指数 e 回弹指数 口孔隙比 乞轴向应变 p 压力 g 。压缩屈服应力 e 固结系数 | | 渗透系数 “孔隙压力 一斯开普敦孔隙水压力系数a 曰斯开普敦孔隙水压力系数b 一，破坏时的斯开普敦孔隙水压力系数a 盯正应力 f 剪应力 c 粘聚力 妒内摩擦角 c 有效祜聚力 舻有效内摩擦角 f 体积应变 剪胀角 v i i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：堑亟趣防年；月，7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 1 论文作者( 签名) 益亟盘邡年弓月，7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 轻质混合土概述 1 1 1 轻质混合土的概念和类型 在软土地基上修筑道路和桥梁，路堤沉降和桥头差异沉降是影响工程质量和正常使 用的一个重要问题。一般需要对软土地基进行处理。若处理不当则会引起路面开裂，路 堤失稳垮塌，桥头跳车，桥台桩侧移等现象，严重影响行车的舒适和安全。常用的软土 地基处理方法有挚层法、排水预压法、复合地基法、强夯法、桩基础等。这些方法在有 效处理软土地基的同时，也带来了一些问题，如成本较高、工艺复杂等。而轻质混合土 则给我们带了一种环保、廉价、应用简单、性质可控的软土地基处理方法。本文研究的 r s t 轻质土为轻质混合土的一种。 轻质混合土是基于材料本身的轻量性、易施工性及可以用工业废料、建筑弃土、疏 浚淤泥等废弃物而开发研制的一种新型填土材料【l 】。在国内外已经有了一定规模的研究 和应用，取得了很好的效果。按照轻质材料的不同，大致可以分为以下几种类型： ( 1 ) 废弃轮胎橡胶颗粒轻质混合土( r s t 轻质土) 。由原料土，废弃轮胎橡胶颗粒、 少量固化剂和水混合组成。将废弃轮胎用作土工填筑材料，国外已有一些研究和应用， 国内在此方面尚属空白。本文将从室内试验和数值模拟两方面进行研究分析。 ( 2 粉煤扶轻质土【2 1 【3 1 1 4 1 5 1 。粉煤灰是电厂燃烧粉煤所排出的灰色粉沫灰渣，粉煤 灰压实干重度为l o 7 一1 1 0 k n m 3 ，属于轻质材料。室内试验表明，粉煤厌及其混合材料 抗剪强度参数完全满足公路路堤的要求，粉煤灰具有自硬性，抗剪强度随时i 日j 发展，可 以超过土的抗剪强度。用粉煤灰代替土填筑路堤，在满足路堤稳定性要求的同时，还可 以减轻路堤重量。国内外的工程实践也证明粉煤灰是一种可行的轻质填筑材料。 ( 3 ) 聚苯乙烯( e x p a n d e dp o l y s t y r e n e ，简称e p s ) 轻质填料。e p s 轻质填料分为 e p s 块体和e p s 轻质混合土两种。e p s 块体是一种超轻型的土工填筑材料【6 】【”，重度范 围一般在0 2 - - 0 3 k n m 3 之间，相当于土密度的1 1 0 0 - 1 6 0 ，能极大的减小路堤的变形和 地基沉降量，在国内外的许多解决桥头差异沉降的应用中都取得了成功，但缺点是e p s 块体的成本太高，大约3 6 0 元立方米，难以在大方量的填筑工程中使用。针对e p s 块 体成本高的不足，日本等国最早开发了e p s 轻质混合土【8 l 【9 】【m ，e p s 轻质混合土有原料 土、轻质材料、少量固化剂和水混合组成，原料土可以采用工程弃土、疏浚淤泥等，e p s 可以采用废弃泡沫。相比之下，聚苯乙烯轻质混合土的造价就很低了。聚苯乙烯轻质混 合土是既具备了一些土的基本性质又具有轻量性的土工材料，还可以有效利用废弃物。 ( 4 ) 气泡轻质混合土【6 】【。气泡轻质混合土由原料土、气泡、固化材料和水混合 河海人学硕i ：学位论文 组成。气泡由泡沫剂产生，泡沫剂主要有界面活性类、蛋白类、树脂类材料等，按适量 倍率稀释后的泡沫剂泵送到发泡装置与空气充分混合产生大量的微小气泡。气泡轻质混 合土的重度在5 1 2 k n m 3 之间可调，无侧限抗压强度在o 3 5 m p a 之间，流动性好，抗 冻融性和保温性好。 1 1 2 轻质混合土的特点 轻质混合土的工程特点主要体现在以下几个方面【1 】【1 2 m 1 ： ( 1 ) 重度小。加入了轻质材料，使得轻质混合土的重度大大降低，轻质混合土的 使用减轻了对地基和结构物的荷载作用和地震时的惯性力，减小地基沉降，提高地基支 持力和滑坡稳定性。 ( 2 ) 强度、密度可调节。通过改变混合物中各成分的比例，可以调节轻质混合土 的强度和密度，满足不同工程应用的需求，同时节约成本。 ( 3 ) 具有流动性。通过调整混合料中的含水量，可以改变轻质混合土的流动性， 采用输泥管等设备进行施工，流动性差时可采用车辆运输现场碾压施工。 ( 4 ) 直立性好。有固化材料的存在，轻质混合土在固化后可以直立，在垂直荷载 作用下，侧向压力大大减小。 ( 5 ) 解决环境污染和资源浪费现象。轻质混合土能利用工程弃土、疏浚淤泥作为 原料土，轻质材料可利用废弃轮胎、废弃泡沫等废弃材料，不但可以解决环境污染问题， 还使得废弃资源得到有效再利用。 1 1 3 轻质混合土的应用 轻质混合土在国外的研究和应用较早，目前已有了成熟的技术，形成产业化。国内 在这方面的研究和应用还处于起步阶段。轻质混合土在岩土工程领域有以下几个方面的 应用( 1 】【1 2 1 1 1 3 1 ： ( 1 ) 填筑路堤( 图1 1 ) 。由于自身的轻量性，采用轻质混合土填筑路堤，可以减 小地基沉降，提高路堤的稳定性。特别是在软土地基上修筑道路，可以有效的减小路堤 对地基的荷载作用、地震惯性力和沉降，节约投资成本。 。l；ffi：质混合土 图i 1 轻质混合士填筑路堤 降沉 筑城舟j ；碧 鲰衅 _ ， 卜 一 填l _ 一脯 一 一 一 弋 第一章绪论 ( 2 ) 处理桥头差异沉降( 图1 2 ) 。公路桥头差异沉降，是工程界关注的一大技术 难题。一方面由于地基土的压缩性大，一方面因为桥头路堤填土高、荷载大，引起桥头 跳车现象。在引桥路面以下采用轻质混合土进行填筑，可以减小引桥路面沉降和对桥台 的侧压力。 彳 】一一一j 桥 台 一一7 一一j 轻质混合十7 7 *7填十 图1 2 轻质混合十处理桥头差异沉降 ( 3 ) 道路拓宽( 图1 3 ) 。在城市拓宽公路路堤，面临用地紧张、作业面窄、不能 放坡的问题。由于有重量轻、自立性好、侧压力小的优点，采用轻质混合土，一方面可 以减小原有地基和拓宽部分地基的差异沉降，另一方面还可以节约用地。 护甑r 一7 j 1 觚粉十 取蹯鞋 图1 3 轻质混合土用于道路拓宽 ( 4 ) 边坡地区填筑工程( 图1 4 ) 。边坡上的填筑工程，填土的重度对边坡稳定性 有重要的影响。采用轻质混合土，可以减小对边坡的荷载，提高边坡抗滑稳定性，此外 由于有良好的自立性，也可以提高自身的稳定性。 护壁、 一， 轻质混合土 边坡 ，7 图1 4 轻质混合士用于边坡地区填筑i ：程 河海人学硕i 。学位论文 ( 5 ) 其他特殊要求的填方。由于具有流动性，适应性强的特点，轻质混合土可以 应用于不规则形状的填方和难以到达或不安全位置的填方，克服场地狭窄、设备限制或 其他原因造成的困难。 1 2 废弃轮胎的循环再利用 1 2 1 国内外废弃轮胎循环利用研究概况 随着全球汽车保有量的迅猛发展，废弃轮胎的引发的环境污染和资源浪费问题同益 凸显，据世界卫生组织统计，世界废弃轮胎积存量达3 0 亿条，并以每年1 0 亿条的数字 增长。随着我国人民生活水平的不断提高和汽车工业的飞速发展，必然也伴随着同样的 问题：2 0 0 4 年，我国的轮胎产量居世界第二位，产生废弃轮胎1 1 3 亿条，并以每年两 位数的速度增长；据有关方面测算，预计到2 0 1 0 年，我国汽车保有量将达7 0 0 0 万辆， 轮胎生产量将超过2 亿条，总量达到5 2 0 万吨，中国将成为轮胎第一生产大国，废弃轮 胎的生产量将居世界第- - 1 4 】【j 5 1 。 车辆使用过的报废轮胎有两条出路。一是可以翻新后再用作汽车轮胎；二是当经过 几次翻新后，轮胎将无法翻新使用，成为废弃轮胎，改作它用。被称为“黑色污染”的 废弃轮胎属于不熔或难熔的高分子弹性材料，具有很强的抗热、抗生物、抗机械性，并 难以降解。长期露天堆放，不仅占用大量土地，而且易滋生蚊虫传播疾病，引发火灾。 另一方面，废弃轮胎作为一种可再生资源被称作“黑色金矿”，废弃轮胎中含有5 8 一- 6 0 的橡胶混合物，2 2 - - - 2 4 的尼龙等合成纤维，1 6 - 2 4 的钢丝，其产品可以广泛应用 于化工、交通、城建等国民经济重要产业，成为重要的二次资源。因此，如何充分利 用我国的废弃轮胎，节约资源，防止环境污染，是中国社会经济可持续发展必须解决的 问题。目前我国废弃轮胎资源综合利用大致有以下几条途径【8 胛l 【2 0 】【2 1 1 2 2 1 1 2 习： ( 1 ) 原形改造。通过捆绑、剪裁、冲切等方式，将废弃轮胎改造为港口码头及船 舶的护舷、防波护堤坝、漂浮灯塔、公路交通墙屏、路标以及海水养殖渔礁、游乐游具 等。原型改造是一种非常有价值的回收方法，但是该方法消耗的废弃轮胎量并不大，仅 占废弃轮胎量的1 ，所以只能作为一种辅助途径。 ( 2 ) 热解废弃轮胎。废弃轮胎经高温裂解可提取具有高热值的燃气、富含芳烃的 油、炭黑及钢铁等，但是该方法技术复杂、成本高。易造成二次污染，且回收物质质量 欠佳又不稳定，目前没有在国内推广。 ( 3 ) 利用废弃轮胎生产再生橡胶。再生橡胶是将废轮胎碾磨成橡胶颗粒，加水和 其他化学物质等，在加压、加温条件下使其“反硬化”，再通过机械挤压恢复原始状态。 再生胶生产存在着利润低、劳动强度大、生产流程长、能源消耗大、环境污染严重等缺 点，己经被发达国家淘汰。由于历史原因，我国再生胶生产仍是废弃轮胎回收利用的主 4 第一章绪论 要途径，年产量超过1 0 0 多万吨，是名符其实的“再生胶王国”。 ( 4 ) 利用废弃轮胎生产硫化橡胶粉。硫化橡胶粉是将废轮胎碾磨成分散度良好的 橡胶颗粒，其中会属、纺织物已去除，性质轻且干燥，具有很好的表面积。与传统的再 生胶相比，胶粉生产没有二次污染，利用率1 0 0 ，可以延伸成高附加值且能够循环使 用的新型产品，例如用于生产新轮胎代替旧轮胎，生产橡胶制品、防水材料，生产橡塑 枕木代替水泥、木材枕木等，生产胶粉改性沥青，具有降低嗓音、降低成本和延长道路 使用寿命的优点。 幽1 5 国内外废l r 轮胎同收利h 状况( 左为国内，右为发达国家) 从总体上看，我国现有的废弃轮胎回收体系不规范，缺乏从产生、收运到处理的具 体管理办法，以个体为主的回收网络已无法适应现有废弃轮胎利用的需求。由于没有形 成回收系统和规范的回收市场，废弃轮胎的回收利用处于低水平、小规模的状态，每年 有大量的废弃轮胎没有得到有效利用；回收站点的设立没有列入城镇基础设施规划。因 此对回收站点的卫生、环境、安全等的监督管理不严；回收的废弃轮胎流向不符合循环 经济要求的用途，既浪费资源，又污染环境。国内和国外废弃轮胎回收利用状况对比见 图1 5 t 15 1 。 目前，我国还没有形成鼓励废弃轮胎资源再生和循环利用的制度、法律和政策，严 重阻碍了我国废弃轮胎回收利用产业的发展，造成了与发达国家的差距。在管理上，许 多发达国家成立了废弃轮胎回收利用管理机构，如美国的“废胎管理委员会”、加拿大 的“废胎回收利用管理委员会”、“废胎管理局”等；我国尚无废弃轮胎回收利用的管理 部门，也未建立正规的回收利用系统，企业问盲目竞争，市场管理不规范，市场品质好、 技术先进的企业得不到应有的支持。立法方面，发达国家建立一套相对完整的法律体系， 如美国的废弃物及资源回收法、轮胎回收利用法，法国的废弃物及资源回收法， 德国的循环经济与废弃物管理法，韩国的资源节约与再生使用促进法，日本的促 进循环型社会基本法等i j ”。 1 2 2 废弃轮胎在岩土工程中的应用 在工程建设领域，国内将废弃轮胎循环再利用的方式主要有胶粉改性沥青、防水材 料、运动场跑道等，尤其是用于公路建设的胶粉改性沥青【2 0 1 ，与普通路面相比， 河海人学顾l ：学位论文 不仅使用寿命得到延长，而且可以降低噪音，并提高其耐热耐寒能力，增强路面防滑性， 提高行车的安全系数。但是在岩土工程领域，国内尚未有与废弃轮胎相关的研究和应用。 这主要是由于我国的汽车工业的起步于发展较晚，废弃轮胎造成的社会和环境问题还没 有完全显现。而岩土工程材料应用的一大特点是用量大、尺度大，如路堤填筑，填埋场 过滤层等，都要使用大量的填土或防渗材料。就目前的情况来看，国内尚未有如此大量 的废弃轮胎用于岩土工程领域。但是随着我国汽车保有量的爆炸式增长，废弃轮胎的大 量产生，岩土工程应用给废弃轮胎的处理提供了一条有效的出路。 在国外。废弃轮胎在岩土工程领域已经有了不少的研究和应用。特别是在有号称“车 轮上的国家”的美国，有很多学者在这方面做了大量的工作。下面就橡胶颗粒土混合 物用作公路路堤填料【“】【2 5 】【2 6 1 2 _ 7 】【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 l 】【3 2 】【3 3 l 、橡胶颗粒用作流动填料中的集料 1 3 4 l 【3 5 3 6 1 、环境工程应用1 3 邢8 】【捌以及环境影响【删四个方面分别介绍。 ( 1 ) 橡胶颗粒土混合物用作公路路堤填筑材料。 t b f a i l 和p j b o s s c h e r 等就橡胶颗粒土混合物用作公路路堤填筑材料进行了大量 的基本力学试验、模型试验、数值模拟和现场试验。 试验用的橡胶颗粒采用特殊的切割机器进行机械切割。外形不规则，尺寸的范围从 2 5 5 0 m m 到1 0 0 x 4 5 0 r a m ，其中以5 0 7 5 m m 尺寸为主。 压缩性质是橡胶颗粒土混合物最重要的工程性质。试验结果表明，橡胶颗粒土混 合物在荷载的作用下有一个明显的初始变形，对于纯橡胶颗粒约占试样厚度的4 0 0 , 6 。随 着初始压缩以及伴随的孔隙的减小，材料呈弹性性质。在这个弹性阶段，纯橡胶颗粒的 变形模量大约比纯砂小1 0 0 倍；但是，含大约3 0 的砂的橡胶颗粒砂混合物的变形模 量和纯砂是一个数量级的。在相同混合比例的时，橡胶颗粒粘土混合物的压缩模量比 橡胶颗粒砂土的压缩模量小。 表1 1 橡胶颗粒及其与土的混合物的抗剪强度 注：1 、剪切强度参数取白2 7 9 m m 直径的直接剪切试验，剪切位移1 0 0 m m 。 2 、表中砂的重度为1 6 8 k n m 3 。 6 第一章绪论 抗剪强度是控制填筑材料稳定性的基本力学性质。大量的试验表明，橡胶颗粒及其 与土的混合物有较高的抗剪强度参数。表1 1 为e d i l ( 1 9 9 4 ) 和t a t l i s o z ( 1 9 9 7 ) 的剪切 试验数据。 e d i l 等还修建了一条试验路堤。分为十段，每段长6 m ，具体参数见表1 2 。 表1 2 各路段截面材料 路段 1 2 3 4 5 6 7 ，8 9 1 0 截面材料 三层0 3 m 橡胶颗粒，两层0 3 m 十 1 5 m 橡胶颗粒上覆0 3 m 十 0 9 m 橡胶颗粒上覆0 9 m 十 0 9 m 粗橡胶颗粒上覆0 9 m 十 1 5 细橡胶颗粒上覆0 3 m 七 1 5 m 橡胶颗粒一十混合物上覆0 3 m 士 加筋结构( 作其他试验川) 纯砂 l 、2 、3 、6 路段的橡胶颗粒直径在5 0 - 7 5 n u n 之问，4 为大于3 0 0 m m ，5 为2 5 n m m 左右。最上面的0 3 m 覆盖土层为碎石。每天大约有1 8 0 辆卡车通过，车重大约4 5 吨。 试验路堤与1 9 9 1 年到1 9 9 5 年问运行，1 9 9 5 年因工程扩建原因拆除。使用大约一年后 对道路进行检测。3 、4 路段使用状况非常好，6 较好，1 、2 、5 有损坏，其中2 、5 在 使用一个月后即发现有明显破坏，此后变化不大。试验表明上覆土层较厚时，道路的使 用性能更好。 ( 2 ) 橡胶颡粒用作流动填料中的集料。 c e p i e r c e 等将橡胶颗粒用作流动填料中的集料。流动填料( f l o w a b l cf i l l ，c o n t r o l l e d l o w s t r e n g t h m a t e r i a l ) 是美国混凝土协会( a c i ) 2 2 9 委员会提出的一种用来代替传统回 填土的土工合成材料，一般由水泥、细骨料和水组成。该填料有自我填实( 平) 、可流 动、强度可控、可自由开挖的特点。 c e p i e r c e 用橡胶颗粒代替砂作为流动填料中的集料。橡胶颗粒取自废弃卡车轮胎 的胎面，切割成长度小于1 5 c m 的条状。流动性填料由橡胶颗粒、胶凝材料和水组成。 胶凝材料有水泥和粉煤灰两种，水水泥比和水胶凝材料( 包括水泥和粉煤灰) 比，是 影响流动填料各种性质的重要因素。试验分为9 个配比，见表1 3 。各种材料用桶状搅 拌器搅拌均匀。 流动状态性质包括流动性、体积稳定性( 泌水性) 和初始硬度。流动性的测量是让 材料从直径7 6 c m 的圆柱状开口容器中自由流出到平面上形成的直径，a c i 的标准是直 径2 0 - 3 0 c m 。体积稳定性的控制标准为体积变化不超过3 ，初始硬度的控制标准是达 到1 4 0 k p a 强度的时间不超过3 天。各流动状态性质见表1 4 。 凝结状态进行了无侧限抗压强度试验。试验结果见表1 4 。2 8 d 强度的范固大都在 2 1 0 k p a 到2 0 7 0 k p a 之间，符合a c i 规定的流动填料的一般要求，既满足填筑强度，又 7 i 海大学硕f ：学位论文 方便开挖。 表1 3 橡胶颗粒流动填料试验并成份比例 注：编号1 5 - 2 4 - f 指水水泥比为1 5 ，橡胶颗粒重量比为2 4 ，f 指添加减水剂。 表1 a 流动状态和凝结状态性质 编号流动性泌水性 篆嚣4 7 天激1 4 天强度 2 8 天强度 c m 体积天k p ak p a k p a 平均范周平均范周 平均范用 1 5 2 4 - f01 3 i1 7 92 82 2 802 6 91 4 1 7 5 - 2 3 - f2 0 3 1 927 1 83 3 88 9 75 9 1 1 9 4 1 4 2 - 2 2 - f2 3 93 7 69 72 14 6 93 5 6 7 6 t 4 2 2 21 6 84 31 8976 31 0 2 14 2 2 5 - 2 13 51 0 1l9 3 2 1 8 61 4 4 94 92 6 0 11 5 2 3 一1 9 3 6 31 3 8i3 3 12 1 3 5 94 14 8 38 9 3 - 2 93 1 8 9 51 5 6 6 1 3 17 6 65 6 3 - 3 81 6 8 4 621 7 92 82 2 8 02 6 91 4 4 1 7 6 0 2 9 9i ( 3 ) 环境工程应用。 轮胎碎粒有很高的渗透性，是砾石的8 倍，并且在竖向荷载下仍能保持高渗透性， 使得轮胎碎粒可以作为土木工程建设中的排水材料。 在市政废弃物和有毒废弃物填埋场中有大量的挥发性有机化合物( v o l a t i l eo r g a n i c c o m p o u n d s ，v o c s ) 污染周围的环境。研究表明，在一个建设完好的衬挚系统中，扩散 迁移是主要的v o c 的迁移方式。v o c 在低浓度下也有很高的毒性，因此v o c 的迁移 比无机物引起的污染更严重。此外，土工膜也无法阻止v o c 的扩散。 p a r k 等通过试验发现。轮胎碎粒有很高的v o c 吸附性。因此，可以应用于清除水 中的v o c 污染物。轮胎碎粒的吸附性是粒状活性炭的1 4 到5 6 。通过公式确定， 3 0 年的时倒对清除9 0 的苯