基于正交試驗(yàn)的磷石膏混合土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

梁學(xué)戰(zhàn)，陳洪凱，劉 彬

（1.棗莊學(xué)院 城市與建筑工程學(xué)院，山東 棗莊 277160；2.棗莊市地質(zhì)創(chuàng)面修復(fù)與鄉(xiāng)村振興重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 棗莊 277160）

磷石膏是磷化工行業(yè)副產(chǎn)物，近幾年產(chǎn)量一直保持高速增長態(tài)勢，目前全世界磷石膏堆存量已高達(dá)60億t，我國的磷石膏產(chǎn)量迄今為止也達(dá)到了4 億t 以上。作為工業(yè)廢料，大量的磷石膏堆放成了一個重要的問題[1]，降雨對磷石膏的沖刷，也會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。因此，加快磷石膏固廢資源再利用，拓寬其利用途徑，成為目前急需解決的問題[3-4]。

修建道路時，路基和基層需要大量的土體混合材料，磷石膏作為工業(yè)副產(chǎn)物，與土體混合后用于道路建設(shè)，既提高了磷石膏的利用率，也可以解決磷石膏存放和影響生態(tài)污染的問題，變廢為寶[5-8]。目前，將磷石膏作為路基材料的研究和報道尚不多見，Golian M 等[9]研究發(fā)現(xiàn)利用磷石膏作為道路建設(shè)材料時，在磷石膏-粉煤灰粘合劑的混合物中使用磷石膏，可以同時滿足物理化學(xué)和巖土參數(shù)。陳秋雨等[10]研究了不同摻量的磷石膏、粉煤灰、石灰及水泥混合土試塊與在不同齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在生土材料中摻入磷石膏、粉煤灰和石灰后抗壓強(qiáng)度變化較大。徐澤友等[11]研究了改良磷石膏與碎石混合的物理力學(xué)性能，為磷石膏用作路基填料提供了理論依據(jù)。本文把不同百分含量的磷石膏、水泥、粉煤灰與土混合養(yǎng)護(hù)后，用正交試驗(yàn)法研究其抗壓性能，研究結(jié)果可為磷石膏用作路基填料提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

磷石膏主要由CaSO4·2H2O、SiO2、SO3、CaO 及可溶性和不溶性雜質(zhì)組成，一般呈粉末狀，顏色為灰白、灰黃色。試驗(yàn)中的磷石膏的含水率為14.85%，級配見表1。

表1 磷石膏的顆粒級配

其按土的分類標(biāo)準(zhǔn)，屬于細(xì)砂。

粉煤灰的顆粒級配見表2。

表2 粉煤灰的顆粒級配

其按土的分類標(biāo)準(zhǔn)，屬于細(xì)砂。其中，水泥為采用普通硅酸鹽水泥；水為常用自來水（水與固體顆粒的質(zhì)量比為0.4）；土為一般黏土，其含水率為5.13%。

1.2 試驗(yàn)方案

磷石膏混合土的力學(xué)性能主要通過正交試驗(yàn)設(shè)計，在正交試驗(yàn)中，用正交表可以分析多因素問題。正交試驗(yàn)即可以降低試驗(yàn)的次數(shù)和工作量，也可以分析不同影像因素對試驗(yàn)的影響。采用正交試驗(yàn)設(shè)計，把不同百分含量的磷石膏、水泥、粉煤灰、土與水混合養(yǎng)護(hù)后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)中有磷石膏、水泥、粉煤灰3 個因素，每種因素有三級摻量水平，共9 組試驗(yàn)，見表3、表4。表中磷石膏、水泥與粉煤灰的百分含量為該因素質(zhì)量與土質(zhì)量的比值。

表3 正交試驗(yàn)因素和水平分級%

表4 正交試驗(yàn)表%

為使混合土材料充分接觸，把土、粉煤灰和磷石膏用2 mm 的篩進(jìn)行篩分，篩分后用小于2 mm 的土、粉煤灰和磷石膏按設(shè)計好的配合比與水泥混合，加入水（按設(shè)計好的水固比）后，手動攪拌混合土5 min 后倒入模具。為消除混合土中的氣泡，將模具放在振動臺上搖動4 min，靜置24 h 后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（氣溫20±3 ℃和濕度90%）分別養(yǎng)護(hù)7 d 和14 d 后量測試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。每組試驗(yàn)，制作6 個試件，3 個試件用來量測混合土養(yǎng)護(hù)7 d 的抗壓強(qiáng)度，3 個試件用來量測混合土養(yǎng)護(hù)14 d 的抗壓強(qiáng)度，取3 個試件的均值為該水平的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

不同因素、不同水平試件在不同養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見表5。

表5 不同配比混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1.2 試樣破壞形態(tài)結(jié)果

在混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，試件破壞時主要出現(xiàn)錐形和劈裂2 種破壞形態(tài)，而混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞主要是錐形形態(tài)，如圖1 所示。

圖1 混合土錐形破壞形態(tài)

從圖1 破壞試件可以看出，試件破壞時散落較多的細(xì)顆粒，混合土試件的水平面與破裂面的夾角為45°左右。主要原因是試樣中由于粉煤灰的含量較大，過量的粉煤灰與其他混合物不反應(yīng)，從而留在混合土內(nèi)部，降低了混合土的黏結(jié)力，使混合土的抗壓強(qiáng)度減小。

2.2 試驗(yàn)分析

2.2.1 極差分析

極差分析可以通過計算磷石膏、水泥、粉煤灰等因素綜合平均值的極差值來區(qū)分3 個因素的主次關(guān)系，而且能找出影響混合土抗壓強(qiáng)度各因素的最優(yōu)水平和最優(yōu)組合。

磷石膏含量變化對混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響分析。磷石膏摻量因素影響下的混合土7 d 和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在同一水平下的平均值及計算出的極差見表6，隨磷石膏含量的增加混合土7 d 和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化如圖2 所示。

圖2 不同磷石膏含量混合土7 d 和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化

表6 不同磷石膏含量混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的極差值

由表6 和圖2 可知，隨磷石膏含量的增加混合土7 d 和14 d 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均是先增大后減小。主要原因是混合土不同材料進(jìn)行混合后磷石膏與水泥發(fā)生反應(yīng)，形成的膠凝材料會提高混合土的抗壓強(qiáng)度；而且，混合土混合后水泥水化形成的水合鋁酸鈣與磷石膏中的硫酸根離子發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石，鈣礬石在混合土中起到填充空隙的作用，增強(qiáng)了混合土中各材料的反應(yīng)，此時，隨著磷石膏含量的增加混合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大；但當(dāng)磷石膏的含量超過一定值時，混合土的抗壓強(qiáng)度會降低，主要原因是混合土中水泥含量較少，未與水泥發(fā)生反應(yīng)的磷石膏不能有剩余，因?yàn)槭Ｓ嗔资鄬ζ渌牧祥g的反應(yīng)有阻礙作用，會降低混合土中摻料間的黏結(jié)力。

由表6 和圖2 可以看出，養(yǎng)護(hù)時間對混合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響較大，磷石膏含量為15%時，混合土14 d 比7 d 抗壓強(qiáng)度高1.65 倍，含量25%時高1.48倍，含量35%時高1.53 倍。主要原因是磷石膏中有二水石膏，與水泥混合后對水泥起到緩凝的作用，混合土中摻入磷石膏造成混合土的前期強(qiáng)度較低，而當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間變長時，混合土中各材料間的反應(yīng)愈加充分，超過磷石膏對水泥的緩凝作用，混合土的抗壓強(qiáng)度增大。

水泥含量變化對混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響分析。水泥摻量因素影響下的混合土7 d 和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在同一水平下的平均值及計算出的極差見表7。隨水泥含量的增加混合土7 d 和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化如圖3 所示。

圖3 不同水泥含量混合土7 d 和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化

表7 不同水泥含量混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的極差值

由表7 和圖3 可知，混合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥含量的增加而增大，但增大的速率隨混凝土含量的增加逐漸變緩。主要原因是水泥占混合土的比例相對較小，材料混合時與磷石膏、粉煤灰及水都能發(fā)生反應(yīng)形成硬度較大的膠凝材料。而隨著養(yǎng)護(hù)時間的增長，水泥與材料間反應(yīng)更充分，抗壓強(qiáng)度提高。

粉煤灰含量變化對混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響分析。不同粉煤灰含量的混合土7 d 和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在的平均值及計算出的極差見表8?；旌贤? d和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量增加的變化如圖3 所示。

表8 不同粉煤灰含量混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的極差值

由表8 和圖4 可知，隨粉煤灰含量的增加，混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度前期逐漸增大，后期逐漸減小，但增大和減小的趨勢不明顯。主要原因是粉煤灰的水化作用和水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣激發(fā)了粉煤灰的活性，提高了混合土的強(qiáng)度；而且粉煤灰的顆粒很細(xì)，在混合土中摻加一定量的粉煤灰可以充填混合土中的空隙，使混合土更加密實(shí)，強(qiáng)度提高。但粉煤灰的含量超過一定值時，由于水泥含量較少，多余的粉煤灰的活性不能被激發(fā)；而且如果混合土空隙間有多余的粉煤灰，多余的粉煤灰使混合土的黏結(jié)力下降，從而降低了混合土的抗壓強(qiáng)度。

圖4 不同粉煤灰含量混合土7 d 和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化

由表8 和圖4 可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時間延長，混合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度粉煤灰含量為10%時提高了47.11%，含量20%時提高了51.90%，含量30%時提高了61.86%。說明延長養(yǎng)護(hù)時間可以極大提高混合土的抗壓性能。

極差分析。極差（R 值）的意義是磷石膏、水泥和粉煤灰在取值范圍內(nèi)的變化引起的抗壓強(qiáng)度變化的幅度。根據(jù)表6—8 中極差的大小和不同因素、不同摻量水平混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的大小，得到影響混合土7d 和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主次因素和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度各因素的最優(yōu)水平組合見表9。

表9 試驗(yàn)極差分析結(jié)果

2.2.2 方差分析

極差分析簡單易懂，但極差分析無法準(zhǔn)確區(qū)分影響混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度主要是試驗(yàn)條件還是試驗(yàn)誤差。而方差分析可以通過計算F 值和F 檢測，可以清晰看出試驗(yàn)結(jié)果主要受哪種因素變化的影響。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度方差分析結(jié)果見表10。

表10 試驗(yàn)方差分析結(jié)果

由表10 可以看出，磷石膏、水泥和粉煤灰3 因素的F 值均大于檢測值Fa，說明磷石膏、水泥和粉煤灰3個因素對混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響都比較顯著。3 因素的F 值中，水泥>磷石膏>粉煤灰，說明3 個因素的影響程度為水泥>磷石膏>粉煤灰。區(qū)組間的差距較大，說明混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受試件養(yǎng)護(hù)時間的影響較大，和極差分析結(jié)果一致，而由試驗(yàn)誤差引起的試驗(yàn)結(jié)果的變化不顯著。

3 結(jié)論

為了拓寬磷石膏的利用途徑，采用正交試驗(yàn)設(shè)計方式，把不同配比的磷石膏、水泥、粉煤灰、土與水混合成型養(yǎng)護(hù)，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究其抗壓性能，得到結(jié)論如下。

磷石膏、水泥、粉煤灰百分含量的變化影響混合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但影響程度不同。隨磷石膏含量的增加混合土7 d 和14 d 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均是先增大后減?。换旌贤? d 和14 d 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥含量的增加而增大，但增大的速率隨著混凝土含量的增加逐漸變緩；隨粉煤灰含量增加，混合土7 d 和14 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小，但增大和減小的趨勢不明顯。

通過極差分析，得出影響混合土7 d 和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度各因素的主次排序均為水泥>磷石膏>粉煤灰，混合土中磷石膏含量25%、水泥含量25%和粉煤灰含量20%時，混合土試件的抗壓強(qiáng)度最大，為影響混合土7 d 和14 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度各因素的最優(yōu)水平組合。

通過方差分析，得出磷石膏、水泥和粉煤灰3 個因素對混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響都比較顯著，混合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受試件養(yǎng)護(hù)時間的影響較大，而由試驗(yàn)誤差引起的試驗(yàn)結(jié)果的變化不明顯。