復(fù)合水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)研究

王賢昆,龐建勇,王 強(qiáng)

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽淮南 232001）

復(fù)合水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)研究

王賢昆,龐建勇,王 強(qiáng)

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽淮南 232001）

脫硫石膏與粉煤灰混合后可復(fù)合成一種新型活性膠凝材料,針對(duì)其在工程中的運(yùn)用情況,采用正交試驗(yàn)法研究了不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥摻量、脫硫石膏及粉煤灰對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響,分析了各因素水平之間的差異。研究結(jié)果表明：水泥摻量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大,脫硫石膏與粉煤灰在3 d時(shí)對(duì)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本無(wú)影響,后期隨著齡期的增大對(duì)其有一定影響；同時(shí)脫硫石膏在28 d前對(duì)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響比粉煤灰稍顯著,28 d后粉煤灰的影響則稍顯著。

復(fù)合水泥土；脫硫石膏；粉煤灰；正交試驗(yàn)；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；養(yǎng)護(hù)齡期

2015,32（12）：72－75

1 研究背景

目前,水泥土在工程建設(shè)中得到越來(lái)越多的運(yùn)用,如基坑中常用水泥土攪拌樁來(lái)形成止水帷幕,利用水泥作為固化劑,通過(guò)特制的攪拌機(jī)械,在地基深處將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌,使固化劑和軟土之間產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng),從而使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基。

相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu),水泥土雖然節(jié)省原料、降低費(fèi)用,但在大型的地下工程中,水泥土的水泥用量還是偏高。為了進(jìn)一步降低消耗,同時(shí)使水泥土的性能更好,學(xué)者們嘗試在水泥土中再添加外加劑,其中脫硫石膏與粉煤灰就是非常適合的添加劑,且其價(jià)格低廉。文獻(xiàn)[1－2］表明脫硫石膏與粉煤灰能使水泥土更加密實(shí),抗?jié)B性與力學(xué)性能也更好；同時(shí),脫硫石膏還能激活粉煤灰的水化活性,使水泥土反應(yīng)得更加徹底,效果更好。故這種脫硫石膏-粉煤灰復(fù)合水泥土如能在實(shí)際工程中得以運(yùn)用,將更大化地節(jié)省能源,提高工程質(zhì)量。

本文主要以脫硫石膏-粉煤灰復(fù)合水泥土為研究對(duì)象,通過(guò)正交試驗(yàn)研究水泥摻量、脫硫石膏以及粉煤灰對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,以拓展脫硫石膏與粉煤灰在工程建設(shè)中的應(yīng)用范圍。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

2.1 方法簡(jiǎn)介

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法[3］是研究多個(gè)因素多個(gè)水平的一種設(shè)計(jì)方法,從所有試驗(yàn)方案中挑選出具有代表性的部分進(jìn)行試驗(yàn),被挑選的一部分具備了“均勻分散,齊整可比”的特征。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是事半功倍的主要設(shè)計(jì)方法,同時(shí)也是一種綜合性強(qiáng)、統(tǒng)計(jì)分析效率高、快捷、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

2.2 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)的土料取自廣州東塔施工場(chǎng)地的粉質(zhì)黏土,主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。粉煤灰和脫硫石膏分別取自淮南上窯粉煤灰廠和淮南平圩電廠,詳細(xì)特性見表2。所用水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥,其安定性、膠砂強(qiáng)度及添加物種類均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB175—1999）的要求。

表1 土料的主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Main physical and mechanical parameters of soil

表2 粉煤灰與脫硫石膏化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of fly ash and flue-gas desulfurization gypsum %

2.3 影響因素選擇

影響水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素很多,本文主要以摻入水泥、脫硫石膏及粉煤灰3個(gè)因素為研究對(duì)象,試驗(yàn)水灰比為0.5。水泥摻量以A表示,脫硫石膏摻量用B表示,粉煤灰摻量用C表示,誤差列用D表示,各擬定因素及水平詳細(xì)情況如表3所示。

表3 擬定因素及水平Table 3 Selected factors and levels

2.4 試樣的制備與養(yǎng)護(hù)

將稱量好的脫硫石膏、粉煤灰、水泥和水倒入攪拌機(jī)中攪拌1 min,再加入土料攪拌5 min至攪拌均勻。將攪拌好的混合料取出裝入模具中,分3層錘擊法制樣。采用直徑50 mm、高度100 mm的圓柱形模具。制樣后靜置24 h脫模,放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)溫度為（20±2）℃,濕度為95%。

2.5 正交試驗(yàn)方案

對(duì)于3因素三水平的試驗(yàn),若用普通方法需做33＝27次試驗(yàn),而采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)只需做9次。正交試驗(yàn)方案如表4所示。

表4 L9正交試驗(yàn)方案Table 4 Orthogonal experiment for L9 and test results

3 分析方法及試驗(yàn)結(jié)果討論

在正交設(shè)計(jì)的結(jié)果分析中,直觀分析法雖簡(jiǎn)單易懂,能直觀地描述問(wèn)題,但未將由于因素水平的改變所引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)與試驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)區(qū)別開來(lái),一般不能估計(jì)試驗(yàn)誤差的大小。為了彌補(bǔ)直觀分析的不足,本試驗(yàn)采用方差法來(lái)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)[4］。

圖1 復(fù)合水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系Fig.1 Relation between unconfined compressive strength and age of composite cement-soil

圖1為復(fù)合水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系曲線,可以看出,復(fù)合水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而增加,其中前期強(qiáng)度增加較快,后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。

方差分析基本方法說(shuō)明如下。

（1）計(jì)算總誤差ST、條件誤差（SA,SB,SC,SD）、試驗(yàn)誤差及它們的自由度。為了方便計(jì)算,令：

式中：K為各齡期水泥土9次無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之和；P為K2的均值；W為齡期水泥土9次無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平方和；QA為因素A在每個(gè)水平下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平均值；n為試驗(yàn)次數(shù),n＝9；ra為因素A每個(gè)水平的試驗(yàn)重復(fù)數(shù),ra＝3；xi為每次試驗(yàn)結(jié)果。

則各因素的平方和為：

同理可求得SC,SD。

總自由度f(wàn)T等于試驗(yàn)次數(shù)n減1,因素自由度等于水平數(shù)減1。

（2）計(jì)算均方（平方和除以自由度）。

（3）因素顯著性檢驗(yàn)。

所謂因素顯著性檢驗(yàn),是判斷因素水平變化時(shí),對(duì)考察指標(biāo)的影響是否顯著。

（1）F＞F0.01,影響特別顯著,記為“**”；

（2）F0.01＞F＞F0.05,影響顯著,記為“*”；

（3）F0.05＞F＞F0.10,有一定的影響,記為“（*）”；

（4）F0.10＞F,影響較小。

故極差F越大,說(shuō)明該因素中該水平越好。

表5為不同齡期下復(fù)合水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度方差分析。從表5中可知,在試驗(yàn)因素水平變化范圍內(nèi),水泥摻量的極差最大,說(shuō)明水泥摻量對(duì)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大；粉煤灰與脫硫石膏的極差在3 d較小,但到了7 d極差明顯增大,說(shuō)明脫硫石膏對(duì)粉煤灰的水化活性起到了激發(fā)的作用,對(duì)水泥土的強(qiáng)度起到了一定的影響[5－8］。

表5 不同齡期下復(fù)合水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度方差分析Table 5 Analysis of variance on unconfined compressive strength of composite cement-soil at different ages

在28 d之前,脫硫石膏的對(duì)水泥土的影響的顯著性比粉煤灰大,說(shuō)明脫硫石膏早期能密實(shí)土體內(nèi)的空隙,提高水泥土的早期強(qiáng)度；28 d之后粉煤灰的顯著性慢慢超過(guò)脫硫石膏,說(shuō)明隨著粉煤灰水化活性被激活,粉煤灰與脫硫石膏形成一種新型膠凝材料[9－13］,從而使土體強(qiáng)度增大。

從表5還可以看出,水泥對(duì)水泥土強(qiáng)度影響的顯著性指標(biāo)由3,14,28 d的不足100突然提升到60 d的242.5,說(shuō)明前期水泥土的強(qiáng)度很大一部分受養(yǎng)護(hù)齡期的影響,后期齡期的影響逐漸減弱,因此水泥的影響更加顯著。

脫硫石膏和粉煤灰在7 d和60 d的F值較其他齡期的要大。說(shuō)明7 d時(shí),粉煤灰的水化活性被脫硫石膏激活,起到了增強(qiáng)水泥土強(qiáng)度的作用；60 d的F值較大是由于齡期的作用減弱,故添加劑的作用相對(duì)顯著。而3 d時(shí)粉煤灰的水化活性還未被激活,14 d與28 d粉煤灰的水化作用趨于平緩,故在這幾種齡期時(shí),粉煤灰對(duì)水泥土強(qiáng)度影響的顯著性較小。

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)正交試驗(yàn)分析得到,水泥摻量是決定水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素,其次是脫硫石膏,再次是粉煤灰。后期粉煤灰的影響顯著性有超過(guò)脫硫石膏的趨勢(shì)。

（2）3種因素的顯著性在3 d齡期的時(shí)候最小,14 d和28 d時(shí)較大,7 d和60 d時(shí)最大。特別是在7 d時(shí),水泥的水化作用反應(yīng)充分,脫硫石膏與粉煤灰也相互作用,激發(fā)粉煤灰活性后,顯著性明顯提高；14 d與28 d反應(yīng)逐漸減弱,顯著性有所降低；60 d時(shí)由于齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響減弱,使得3種固化劑的作用顯現(xiàn)得明顯。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,從添加劑利用效果和強(qiáng)度來(lái)看,水泥摻量、脫硫石膏摻量和粉煤灰摻量的配合比為14%,3%,2%時(shí)效果最佳；如若施工工期不緊,且考慮到經(jīng)濟(jì)因素,配合比11%,2%,3%也能使復(fù)合效果得到充分發(fā)揮,達(dá)到施工強(qiáng)度要求。

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（編輯：黃 玲）

Orthogonal Experimental Studies on Unconfined Compressive Strength of Composite Cement-soil

WANG Xian-kun,PANG Jian-yong,WANG Qiang
（School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science＆Technology,Huainan 232001,China）

Flue-gas desulfurization gypsum and fly ash can be blended into a new cementitious material with chemical activity.According to its application in the engineering,contents of flue-gas desulfurization gypsum,fly ash and cement were taken as variable parameters in the experiment.The effects of the three factors on compressive strength of cement-soil with different curing ages were explored through orthogonal experiment.Meanwhile,differences among these factors were analyzed.The results show that,cement blending ratio has the maximum impact on the unconfined compressive strength of cement-soil,whereas flue-gas desulfurization gypsum and fly ash have almost no effect on the unconfined compressive strength of cement-soil in the age of 3 days,and a little impact at late stage.Moreover,the influence of flue-gas desulfurization gypsum is more significant than that of fly ash within 28 days,but after that,the impact of fly ash is more significant than that of flue-gas desulfurization gypsum.

composite cement-soil；flue-gas desulfurization gypsum；fly ash；orthogonal experiment；unconfined compressive strength；curing period

TU411.6

A

1001－5485（2015）12－0072－04

10.11988/ckyyb.20140537

2014－07－01；

2014－07－24

王賢昆（1990－）,男,安徽滁州人,碩士研究生,主要從事巖土工程的研究工作,（電話）13515546905（電子信箱）apj144976＠163.com。