基于正交設(shè)計的鋼渣黏土承載比試驗研究

郭鷗， 張紅日， 藍天助*， 李曉明

(1.防城港交通運輸局， 廣西 防城港 538000； 2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司， 廣西 南寧 530000)

鋼鐵產(chǎn)業(yè)在中國經(jīng)濟發(fā)展中起著重要的作用。近幾年，由于經(jīng)濟發(fā)展的需要，中國鋼產(chǎn)量逐年增加，而在冶煉鋼鐵過程中，會產(chǎn)生一定的鋼渣，其數(shù)量為鋼鐵產(chǎn)量的12%～20%[1]，對鋼渣的處理，目前大部分采用露天堆放，造成了資源浪費和環(huán)境污染[2]，所以，尋找合理的鋼渣固體廢棄物利用方法成為當今的熱點議題之一。

近年來，中國道路工程飛速發(fā)展，對道路材料的需求越來越大，如果將鋼渣應(yīng)用于道路工程建設(shè)，不僅可以提高鋼鐵廢渣的利用率，同時還能節(jié)省道路建設(shè)的材料費，對此，國內(nèi)外在這方面已做了不少研究工作，但目前的研究多數(shù)是關(guān)于純鋼渣回填及鋼渣替代碎石制作鋼渣混凝土等方面的利用[3]，對鋼渣摻土方面的研究較少，若將鋼渣黏土應(yīng)用于道路建設(shè)中，也將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。

CBR值是評估公路路基填料的潛在強度的重要指標[4-5]，該文以鋼渣的摻入比例、鋼渣陳化時間及鋼渣粒徑范圍為影響因子，研究鋼渣黏土各影響因子在不同水平下的擊實特性及CBR值變化規(guī)律，探討浸水對鋼渣黏土CBR值的影響，為鋼渣黏土在道路工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試驗原材料

1.1.1 鋼渣

試驗鋼渣采用存放了3、9和15個月的轉(zhuǎn)爐鋼渣，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 陳化3、9、15個月鋼渣主要化學(xué)成分

該鋼渣f-CaO含量分別為2.86%、1.79%、1.25%，CJJ 35—1990《鋼渣石灰類道路基層施工及驗收規(guī)范》[6]要求回填用鋼渣的f-CaO含量不應(yīng)大于3%，試驗所用鋼渣的f-CaO含量滿足規(guī)范要求。

不同陳化時間的轉(zhuǎn)爐鋼渣，其物理力學(xué)特性略有差異，表2為0～9.5 mm粒徑不同陳化時間鋼渣的基本物理力學(xué)指標，鋼渣具有堅固性良好，密度較大、易吸水等特點。

表2 鋼渣的物理指標

為了考察不同級配對鋼渣黏土擊實及CBR特性的影響，試驗選用鋼渣的粒徑范圍為0～2.36、0～4.5、0～9.5 mm，其級配曲線如圖1所示。從鋼渣材料的顆粒組成來看，該鋼渣屬于粗類土。

圖1 試驗用鋼渣顆粒級配曲線

1.1.2 黏土

土樣取自防城港某一級公路的施工現(xiàn)場，取樣深度為0.2～0.6 m，其基本物理指標為：土粒相對密度為2.67，液限37.9%，塑限18.3%，塑性指數(shù)17.7。根據(jù)土工試驗標準JTG E40—2007[7]，該土體可以歸為低液限黏土，土體以細粒為主，其級配組成見表3。

表3 土的顆粒級配

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案設(shè)計

為了研究鋼渣黏土的承載比特性影響因素，結(jié)合鋼渣和黏土的特點，選取鋼渣摻入比例、陳化時間、鋼渣最大粒徑作為因子，各影響因素對應(yīng)的水平數(shù)為3，鋼渣摻入比例(因素A)水平數(shù)為30%、50%、70%，鋼渣陳化時間(因素B)水平數(shù)為3、9、15個月，鋼渣粒徑(因素C)水平數(shù)為0～2.36、0～4.75、0～9.5 mm，常規(guī)試驗需要進行33=27組試驗，為了減少試驗數(shù)量，可采取正交試驗[8]。根據(jù)各因素及水平數(shù)的特點，選用4因素3水平的正交表L9(34)，試驗因素與水平如表4所示。

表4 鋼渣黏土正交試驗因素水平

1.2.2 具體試驗過程

(1) 擊實試驗

取足量的黏土和鋼渣集料，在105 ℃下烘干，烘干后，根據(jù)鋼渣摻量及粒徑要求過篩，黏土過2 mm篩。在擊實試驗開始前，先預(yù)估各配比試樣最佳含水量，根據(jù)鋼渣及黏土的特性，估算得鋼渣黏土的最佳含水量為7%～17%。鋼渣黏土試樣的含水量設(shè)置為7%、9%、11%、13%、15%、17%，依照相應(yīng)含水量摻水攪拌。按規(guī)范要求進行悶料后，選用重型擊實進行擊實試驗，獲得9種配合比的摻鋼渣穩(wěn)定土的最大干密度與最優(yōu)含水率。

(2) CBR試驗

取足量的鋼渣和黏土，按各自最佳含水率進行配料，拌和均勻以后進行悶料12 h，采用重型擊實儀，按3層擊實法，每層96次進行擊實，擊實完成后，不浸水條件下的CBR試驗則將試樣置于強度儀升降臺面，進行貫入度試驗，開始時施加45 N預(yù)加載后，讀取測力計和測量貫入深度的百分表的初始讀數(shù)。然后以1～1.25 mm/min的速率貫入試樣，同時記錄測力計讀數(shù)和相應(yīng)的貫入深度讀數(shù)，當貫入量達到5 mm試驗結(jié)束。浸水條件下的CBR試驗則需要將擊實后的試件置于加4塊荷載板的多孔板上，再將其放置在水槽中浸泡96 h后按上述步驟進行貫入度試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 擊實試驗結(jié)果

鋼渣黏土擊實試驗結(jié)果見表5。由表5可得：① 忽略其他影響因素，單從鋼渣摻入比例來看，轉(zhuǎn)爐鋼渣摻入量從30%增大到70%時，其最大干密度增加了0.203 g/cm3，隨著鋼渣摻入量比例的增加，摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土的最大干密度增大；② 考慮鋼渣粒徑范圍對鋼渣黏土最大干密度影響時，鋼渣最大粒徑由2.36 cm增加到9.5 cm，其擊實后的最大干密度增加了0.132 g/cm3，干密度隨鋼渣粒徑的增大而增大；③ 鋼渣陳化齡期對鋼渣黏土的最大干密度影響較小，不同陳化時間的鋼渣摻入黏土進行擊實試驗，其最大干密度波動值為0.012 g/cm3，相對鋼渣摻入比例和鋼渣粒徑范圍對鋼渣黏土擊實后的最大干密度影響較小。所以對于摻入了陳化轉(zhuǎn)爐渣的鋼渣黏土的最大干密度，其影響程度為：鋼渣相對摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化齡期。

表5 鋼渣黏土擊實試驗結(jié)果

由表5可知：影響摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土擊實特性的參數(shù)主要為鋼渣摻量和鋼渣粒徑范圍，鋼渣陳化齡期對擊實結(jié)果影響較小。

2.2 CBR正交試驗結(jié)果分析

2.2.1 極差分析

9種配比的鋼渣黏土浸水與不浸水條件下的CBR值見表6，不浸水條件下CBR值為37.2%～107%，浸水條件下CBR值為18%～93%，不同配比條件下的CBR值波動較大。當試驗所用鋼渣粒徑范圍為0～9.5 cm，陳化時間為3個月，鋼渣相對摻入量為70%時，其未浸水和浸水條件下的CBR值達到最大值，分別為107%、93%。當試驗所用的鋼渣粒徑范圍為0～2.36 mm，陳化時間為3個月，鋼渣相對摻入量為30%時，其未浸水和浸水條件下的CBR值達到最小值，分別為37.2%、18%。

表6 鋼渣黏土CBR值正交試驗結(jié)果

通過極差分析，可以獲得影響鋼渣黏土CBR值的主次關(guān)系，極差值越大，該因素對鋼渣黏土CBR值的影響就大，反之亦然。3個因素中對摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土浸水與未浸水條件下的CBR值的影響排序為：鋼渣相對摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化時間。

2.2.2 方差分析

正交試驗中引起鋼渣黏土CBR值波動的因素有鋼渣相對摻入量的不同水平、鋼渣陳化時間的不同水平、鋼渣粒徑的不同水平及隨機誤差。為了定量分析各因子對鋼渣黏土CBR值的影響，用F統(tǒng)計量檢驗各因子的顯著性。方差計算結(jié)果如表7所示。設(shè)顯著性水平α=0.1，0.05，0.01，查表得[9]：F0.01(2，2)=98.5，F(xiàn)0.05(2，2)=19.0，F(xiàn)0.1(2，2)=9.0，由表7計算結(jié)果可知：陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣相對摻入量對鋼渣黏土浸水與不浸水的CBR值的影響在顯著性水平0.01上是顯著的，陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣的粒徑對鋼渣黏土浸水與不浸水的CBR值的影響在顯著性水平0.1上是顯著的，轉(zhuǎn)爐鋼渣的陳化時間對鋼渣黏土的CBR值的影響不顯著。

表7 鋼渣黏土CBR值方差分析結(jié)果

2.3 浸水對鋼渣黏土CBR值影響分析

為了預(yù)測鋼渣黏土路基填料在最惡劣情況下的CBR值及水穩(wěn)定性，根據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》的規(guī)定，室內(nèi)CBR試驗在其試件成型后的浸水時間為96 h，使試件接近飽和，再進行貫入度試驗。CBR試驗的試件在浸水96 h后，其飽和度可達75%～95%[10]。為了表征鋼渣黏土浸水前后CBR值的變化，現(xiàn)定義無量綱的量K如下：

K=浸水后CBR值/未浸水CBR值

(1)

2.3.1 極差分析

通過極差分析，可以獲得影響摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土K值的主次關(guān)系如表8所示。3個因子中對摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土K值的影響排序為：鋼渣相對摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化時間。

表8 K值正交極差分析結(jié)果

2.3.2 各因素對K值的影響分析

由表8可知：

(1) 隨著鋼渣摻入比例的增加，K值逐漸增大，且鋼渣摻入比例為30%～50%的K變化幅度比摻入比例為50%～70%區(qū)間大，說明隨著陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣摻入比例的增加，浸水條件對鋼渣黏土的CBR值影響減小，鋼渣黏土的水穩(wěn)定性越好。

(2) 鋼渣陳化齡期和鋼渣最大粒徑對摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土的K值影響較小。

3 結(jié)論

綜合鋼渣、黏土的特性，以鋼渣相對摻入量、鋼渣陳化時間、鋼渣粒徑范圍為影響因子， 以L9(34)為正交表設(shè)計9組鋼渣黏土配合比，對鋼渣黏土進行CBR試驗，得到以下結(jié)論：

(1) 擊實試驗研究顯示，轉(zhuǎn)爐鋼渣相對摻入量、鋼渣陳化時間、鋼渣粒徑范圍都會影響鋼渣黏土的最大干密度，各因子對擊實特性的影響排序為：鋼渣相對摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化時間。

(2) 極差分析顯示：轉(zhuǎn)爐鋼渣相對摻入量、鋼渣陳化時間、鋼渣粒徑范圍對鋼渣黏土浸水與未浸水條件下的CBR值的影響排序為：鋼渣相對摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化時間。方差分析顯示，轉(zhuǎn)爐鋼渣相對摻入量和鋼渣粒徑對鋼渣黏土浸水與不浸水的CBR值的影響具有顯著性，轉(zhuǎn)爐鋼渣的陳化時間對鋼渣黏土的CBR值的影響不顯著。

(3) 通過對浸水因素對鋼渣黏土CBR值影響分析，陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣相對摻入比例對鋼渣黏土浸水前后CBR值的比值影響較大，而鋼渣陳化齡期和鋼渣最大粒徑對其影響較小，且研究顯示，隨著陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣摻入比例的增加，浸水條件對鋼渣黏土的CBR值影響越小，鋼渣黏土的水穩(wěn)定性越好。