不同温度及橡胶掺量下冻结黏土力学性能

不同温度及橡胶掺量下冻结黏土力学性能
任翔;郭梦圆;黄乐
【摘要】To study the relationship between mechanical properties of frozen clay modified by rubber and temperature and rubber content, and to explore the optimum rubber content at different temperature levels, the WDT-100 frozen soil pressure tester was selected to conduct uniaxial compressive strength tests on mine clay by strain loading, mechanical properties and stress-strain curves of improved soil were obtained at different rubber contents and different freezing temperatures. The results show that the elastic modulus and strength of frozen clay can be improved by adding rubber, and the effect is most remarkable when the content of rubber is 10% to 15%. The increase range of strength of frozen clay decreases with the decrease of freezing temperature; the damage degree of frozen clay is the smallest when the content of rubber is 10%. When the temperature is -5 ℃ to -10 ℃, the damage degree of frozen clay is the smallest. The toughness of frozen clay can be improved by adding rubber. When the temperature is low to -15 ℃, the toughness of frozen clay can be reduced by adding rubber.%为研究橡胶改良冻结黏土的力学特性,探究其随温度及橡胶掺量的变化关系,并确定不同温度水平下的最佳橡胶掺量,选用WDT-100型冻土压力试验机,采用应变加载的方式对矿井黏土进行单轴抗压强度试验,得到不同橡胶掺量和不同冻结温度条件下改良土体的力学性能指标及应力应变关系曲线.结果表明:橡胶的掺入可提高冻结黏土的弹性模量和强度,掺量为10%～15%时提升效果最显著;橡胶对冻结黏土强度的提升幅度,随冻结温度的降低而减小;橡胶掺
量为10%时冻结黏土受压后破坏程度最小;温度为-5 ℃和-10 ℃时,掺入橡胶可以
提高冻结黏土的韧性,温度低至-15 ℃时,掺入橡胶使得冻结黏土韧性降低.
【期刊名称】《煤矿安全》
【年(卷),期】2019(050)007
【总页数】5页(P70-74)
【关键词】黏土;单轴抗压强度;温度;橡胶掺量;弹性模量
【作者】任翔;郭梦圆;黄乐
【作者单位】安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001;安徽理工大学矿山
地下工程教育部工程研究中心,安徽淮南232001;安徽理工大学土木建筑学院,安
徽淮南232001;安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001;安徽理工大学矿
山地下工程教育部工程研究中心,安徽淮南232001
【正文语种】中文
【中图分类】TD265.4+1
在岩土地基工程、煤矿及隧道开挖、路基工程等施工中往往需要着重考虑土体在低温冻结条件下的力学强度和变形特征。

如在深部富含水的土层进行矿井、隧道等地下工程的开挖掘进时，常采用人工冻结法[1-2]，冻结壁的强度和变形是决定地下
工程施工安全和稳定的关键因素[3-5]，所以，在施工过程中需要对井壁的冻结土
体进行改良，以保证施工的正常化。

另外，在我国北方高寒地区进行地基基础施工、路基建设时，需着重考虑土体与水泥、粉煤灰、塑胶等混合作用时的冻融破坏特征。

因此，研究改良冻土的力学和变形性能极为重要。

近年来国内外不少学者针对改良
冻土开展了相关研究，例如陈涛等[6]通过对比试验研究了石灰、水泥、粉煤灰对
改良膨胀土胀缩性能的影响，发现石灰改良效果最好；牛亚强等[7]通过石灰和水
泥对改良冻结黄土的三轴抗压试验得出了改良黄土的切线模量和强度随围压的变化规律；谈云志等[8]研究了冻融循环效应对水泥改良粉土的损伤作用机理及破坏特征；王天亮等[9]通过试验发现水泥改良土的峰值强度随围压的增大而增大，围压
越高石灰改良土的硬化趋势越明显；张向东等[10-11]研究了冻融循环作用下煤渣
改良土的强度变化规律和二灰改良冻结风积砂土的动力参数，结果表明，改良土的强度随煤渣掺量的增加先增大后减小，煤渣掺量为15%时强度最高，改良风积砂
土的剪切模量随二灰掺量的增加先增大后减小，二灰掺量为30%～40%时效果最好；马卉等[12]通过试验发现水泥掺量大于5%时，改良冻土的强度随水泥掺量的增大而增大；胡俊[13]的研究表明，黏土、粉砂、细砂等不同土质的无侧压抗压强度和弹性模量随水泥掺量和龄期的增长而增加，弹性模量随温度的降低而线性增长。

总结国内外研究现状可知，国内外学者针对改良土的研究大多以水泥、石灰、煤渣等改良土为主，对于再生材料改良土的研究较少，并且大量的使用水泥和石灰将增大成本，另外，这些材料易与水发生化学反应，使冻结土体的力学性质发生较大改变，从而增加了冻结工程的不确定性和不稳定性。

另外，随着橡胶工业的发展，产生越来越多的废弃橡胶，废弃橡胶不易处理，焚烧和掩埋都会严重污染环境[14]。

废弃橡胶可作为绿色再生材料，掺入废弃橡胶对冻结土体进行改良，同时还可以实现废弃橡胶的再利用价值。

以废弃橡胶颗粒作为冻结黏土改良材料，通过冻结黏土的单轴抗压强度试验，得到不同废弃橡胶颗粒掺量及冻结温度下土体的破坏特征、应力应变关系、强度和弹性模量的变化规律，确定了不同温度水平下的最佳橡胶掺量，采用二次拟合的方法确定了橡胶掺量与弹性模量的关系。

1 试验部分
1.1 试样采集与制备
试验土样材料取自山西省某矿井地层黏土，取样深度为 378.05～387.60 m，天然密度 1.96 g/cm3。

采用粒径为 20～40 目（380～830 μm）的废弃轮胎橡胶颗
粒（以下简称橡胶）。

按照橡胶占烘干后黏土质量的百分比，即掺量分别为0%、5%、10%、15%、20%配制混合土。

向混合土中加入蒸馏水配制成含水率为20%的土样，将配好的土样放入保鲜膜并密封24 h，使土样中的水分均匀分布。

试验
严格按照MT/T 593.7—96《人工冻土试验方法标准》[15]，制作高 100 mm、
直径50 m的圆柱体试样。

1.2 试验方案
试验设计了 3种冻结温度（-5、-10、-15 ℃），分别将不同橡胶掺量（0、5%、10%、15%、20%）的试样放入相应温度水平下的低温箱中冷冻48 h，然后在WDT-100型冻土压力试验机中进行各温度条件下的单轴抗压强度试验。

试验采用应变加载的方式，加载速率为 1.0%/min，预压荷载为 0.02 kN，得到各冻结温度水平下，不同橡胶掺量冻结黏土的应力-应变曲线。

2 试验结果与分析
2.1 单轴抗压强度分析
通过单轴抗压强度试验，得到各橡胶掺量和温度水平下冻结黏土的单轴抗压强度，试样在不同温度及橡胶掺量下的单轴抗压强度见表1。

各温度水平下单轴抗压强度与橡胶掺量的关系曲线如图1。

表1 试样在不同温度及橡胶掺量下的单轴抗压强度温度/℃试样的单轴抗压强度
/MPa橡胶掺量0橡胶掺量5%橡胶掺量10%橡胶掺量15%橡胶掺量20%-5-10-15 0.21 0.37 1.21 0.41 0.84 1.44 0.55 0.99 1.49 0.60 0.75 1.36 0.56 0.60 1.33 图1 各温度水平下单轴抗压强度与橡胶掺量的关系曲线
在不同温度水平下，橡胶掺量对土样强度的影响各尽不同，通过图1可以看出，
橡胶掺量一定时，试件的单轴抗压强度随着冻结温度的降低而增大，另外可以看出，
温度一定时，试件的单轴抗压强度随着橡胶掺量的增加呈先增加后降低的趋势。

冻结温度为-10℃和-15℃的条件下，试件的强度均在橡胶掺量为10%时最大，与相
应温度下的素性黏土相比强度分别提高了167.56%和23.14%。

当橡胶掺量大于10%时强度降低。

冻结温度为-5℃时，橡胶掺量为15%时试件的强度最大，相对
于同温度下的素性黏土提高了185.7%，橡胶掺量20%时强度出现降低。

当冻结
温度为-5℃时，橡胶颗粒对土样强度的提升效果最显著，温度为-10℃时，相比-5℃条件下，橡胶颗粒对土样强度的作用次之；温度为-15℃时，橡胶颗粒的掺入可以使强度有所提高，但效果并不显著。

这是由于橡胶颗粒的增加减小了土颗粒之间的黏聚力，且在低温条件下，橡胶内部分子运动逐渐减弱并开始出现“脆化”现象。

故从提高强度的角度，试验的最优橡胶掺量为10%～15%。

从强度的提升幅度角
度来看，橡胶对冻结黏土强度的提升幅度随着温度的降低而减小。

2.2 各温度水平下的应力应变曲线
在-5、-10、-15℃ 3种冻结温度条件下，不同橡胶掺量试样的应力应变曲线如图2，由图2可见，在-5℃和-10℃条件下，掺入橡胶均可以延长冻结黏土的弹性阶段，-15℃条件下，掺入橡胶则缩短了冻结黏土的弹性阶段。

以图2（a）为例，当橡胶掺量为0%时，弹性阶段对应最大应变仅为1.8%，而掺入橡胶后，弹性阶段
对应的最大应变有大幅度提升，其中橡胶掺量为10%时最大应变达到了4%左右，增加幅度约为122%；参照图2（b）可以看出，-10℃冻结温度下，掺入橡胶后，冻结黏土弹性阶段对应的最大应变相对于素性黏土虽有增加，但增加幅度相对于-5℃稍有降低，以橡胶掺量10%为例，最大应变仅为 2.2%，增加幅度约 22%；如图 2（c），当冻结温度为-15℃时，与同温度下的素性黏土相比，掺入橡胶使得弹性阶段的最大应变降低。

其中，素性黏土的弹性阶段的最大应变达到了6.5%左右，而10%橡胶掺量下的冻结黏土弹性阶段的最大应变仅为3%左右，相比于素性冻
结黏土减少了约167%，主要由于温度过低时橡胶分子出现结晶，脆性增强，从而
导致橡胶颗粒的弹性降低。

可见，-5℃和-10℃冻结温度下，橡胶的加入可以增强冻结黏土的韧性，而温度低至-15℃时，橡胶的加入则使冻结黏土的韧性降低，出现硬化。

2.3 试样破坏状态分析
不同橡胶掺量的试件在3种冻结温度（-5、-10、-15℃）水平下受压后的破坏程度呈现出相似的规律。

以-5℃条件下单轴抗压强度试验为例，不同橡胶颗粒掺量下试样破坏状态的对比如图3。

图2 试样在不同温度及橡胶掺量下的应力-应变曲线
由图3可以看出：冻结温度为-5℃时，随着橡胶颗粒掺量增大，试样变形程度在逐渐减小，重塑土体表现为塑性破坏。

当橡胶掺量为0%，即素性黏土时，试样破坏时表现为两端破碎面变大，中部光滑；当橡胶掺量为10%时，试样破坏程度最小；当橡胶掺量增加至15%和20%时，破坏后的试样中部呈鼓起状，且表面分布着很多裂纹，裂纹相互贯通形成较大的裂缝，如图3（e）。

因为在-5℃条件下，橡胶是线弹性颗粒，强度大于黏土颗粒，所以，适量橡胶的加入可以吸收试件受压时产生的变形能，从而降低试件的破坏程度。

另外，橡胶颗粒的加入会起到隔离黏土颗粒的作用，使得土体间的黏聚力降低，所以橡胶掺量过大时，试件受压后表面会出现不同程度的裂纹。

2.4 各温度水平下弹性模量与橡胶掺量关系曲线
弹性模量是反映冻土力学性能的重要参数之一，具体定义为在外界荷载作用下产生单位弹性变形所需要的应力值。

此处，取达到单轴抗压强度1/2时与其所对应的轴向应变的比值作为相应弹性模量值，得到的不同温度和橡胶颗粒掺量下冻结黏土的弹性模量值见表2。

图3 -5℃下不同橡胶掺量的破坏试样
表2 不同温度及橡胶掺量下试样的弹性模量?
由表2可以看出，当橡胶掺量一定时，冻结温度越低，弹性模量越大。

当冻结温
度一定时，加入适量的橡胶可以使冻结黏土的弹性模量增大，而当橡胶掺量过大时，弹性模量随之减小。

如与素性黏土相比，当冻结温度为-5℃，橡胶颗粒掺量为15%时，冻结黏土弹性模量增长率最高，约为4.77%；冻结温度在-10℃和-15℃条件下，掺入10%的橡胶颗粒时，弹性模量增长率最大，分别达到了 30.17%和
88.69%。

但是，在-5℃冻结条件下，当橡胶掺量大于10%时冻结黏土的弹性模量随着橡胶掺量的增加而减小，且橡胶掺量增加至20%时，冻结黏土的弹性模量降
低至同温度下的素性黏土弹性模量之下；当冻结温度在-10℃和-15℃，橡胶掺量
为20%时，冻结黏土相对于同温度下素性黏土弹性模量分别降低了52.26%和76.91%。

故掺入适量橡胶颗粒可提高冻土的弹性模量值，过量的橡胶掺量会使冻
结黏土的弹性模量减小，从提高弹性模量的角度，试验的最优橡胶掺量为10%～15%。

废弃橡胶颗粒掺量与弹性模量之间的拟合曲线如图4，橡胶颗粒掺量与弹性模量之间的关系可以用形如y=ax2+bx+c的二项式进行拟合，得到以下拟合公式，拟合相关系数约为0.96。

以-15℃为例得到如下拟合公式。

图4 废弃橡胶颗粒掺量与弹性模量之间的拟合曲线
式中：WR为废弃橡胶颗粒掺量；E为对应粒掺量下冻结黏土的弹性模量。

3 结论
1）掺入橡胶可以提高冻结黏土的强度和弹性模量，橡胶颗粒掺量为10%～15%时，提升效果最显著，橡胶掺量过大时，提升效果较差，橡胶对冻结黏土强度的提升幅度，随着冻结温度的降低而减小。

2）适量的橡胶掺量可以减小冻结黏土的破坏程度，掺量为10%时效果最好。

3）温度为-5℃和-10℃时，掺入橡胶可以提高冻结黏土的韧性，而温度低至-15℃
时，掺入橡胶使得冻结黏土韧性降低。

4）通过对橡胶颗粒掺量与土样弹性模量的关系进行拟合，得到温度为-15℃时橡
胶颗粒掺量与弹性模量间的关系方程式。

【相关文献】
［1］马芹永.土木工程特种结构［M］.北京：高等教育出版社，2005.
［2］马芹永.人工冻结法的理论与施工技术［M］.北京：人民交通出版社，2007.
［3］马巍，王大雁.冻土力学［M］.北京：科学出版社，2014.
［4］蔡正银，吴志强，黄英豪，等.冻土单轴抗压强度影响因素的试验研究［J］.冰川冻土，2015，34（4）：1002.
［5］郭鹏.斜井冻结壁受力与变形规律研究［J］.煤炭工程，2018，50（6）：100-104.
［6］陈涛，顾强康，郭皖成.石灰、水泥、粉煤灰改良膨胀土对比试验［J］.公路，2008（6）：164-167.
［7］牛亚强，王旭，廖孟柯，等.冻结改良黄土三轴强度和变形特性试验研究［J］.岩土工程学报，2016，38（2）：198-203.
［8］谈云志，吴翩，付伟，等.改良粉土强度的冻融循环效应与微观机制［J］.岩土力学，2013，34（10）：2827.
［9］王天亮，刘建坤，田亚护.冻融作用下水泥及石灰改良土静力特性研究［J］.岩土力学，2011，32（1）：193.
［10］张向东，任昆，孙汉东，等.冻融循环作用下煤渣改良土的双屈服面本构关系研究［J］.岩石力学与工程学报，2018，37（8）：1916-1923.
［11］张向东，扈晓飞.负温条件下二灰改良风积砂土的动力参数试验研究［J］.硅酸盐通报，2017，36（5）：1728-1734.
［12］马卉，张志良，岳丰田，等.水泥改良粉质黏土的冻土强度变化规律［J］.科学技术与工程，2018，18（17）：291-296.
［13］胡俊.水泥改良前后土体冻结温度及力学特性试验研究［J］.铁道建筑，2013（4）：156-159.
［14］李婷.浅说废弃橡胶回收处理循环利用［J］.中国轮胎资源综合利用，2017（1）：44-48. ［15］MT/T 593.7—1996人工冻土物理力学性能试验［S］.。