吳 旻，王元綱，李國(guó)芬，胡亞風(fēng)，張高勤

(1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002 2.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)

0 引言

二灰土作為一種半剛性路面底基層材料，在我國(guó)的高等級(jí)公路中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，從材料的組成上來(lái)看，土是組成二灰土這種半剛性材料必不可少的原材料，因此在使用二灰土的修筑過(guò)程中，需要耗費(fèi)大量的土地資源。另一方面，隨著鋼鐵工業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)每年都要產(chǎn)生大量的鋼渣，積存的鋼渣占用土地，對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生不良影響，因此，解決鋼渣的綜合利用問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外的重要研究課題［1］。本試驗(yàn)研究主要是將細(xì)鋼渣摻入二灰土中，配制二灰鋼渣土，用于公路基層，通過(guò)正交試驗(yàn)來(lái)研究這種新材料的最佳配合比，并分析影響材料抗壓強(qiáng)度的因素。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 石灰

選用南京產(chǎn)鈣質(zhì)生石灰。試驗(yàn)前對(duì)生石灰進(jìn)行充分消解并烘干，然后碾碎過(guò)0.71mm篩，并除去欠燒石塊及雜質(zhì)。測(cè)得所制成消石灰的有效氧化鈣和氧化鎂的含量為58.96%，屬于Ⅲ級(jí)消石灰。石灰的細(xì)度和活性成分也完全滿(mǎn)足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

1.2 粉煤灰

采用南京熱電廠(chǎng)的濕排灰，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定其燒失量為7.08%，氧化物含量(SiO2+Al2O3+Fe2O3)為 83.64%，0.075mm 篩通過(guò)率為 71.2%，0.3mm篩通過(guò)率為91.8%。符合《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)指標(biāo)。

1.3 鋼渣

采用馬鞍山鋼鐵公司鋼渣廠(chǎng)的細(xì)鋼渣，對(duì)鋼渣進(jìn)行篩分試驗(yàn)以及化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1和表2所示。本試驗(yàn)主要利用的是5mm以下的鋼渣，采用容量瓶法對(duì)鋼渣進(jìn)行表觀(guān)密度的測(cè)定，結(jié)果為 3.139 g/cm3。

表1 鋼渣級(jí)配

表2 鋼渣主要化學(xué)成分含量(%)

1.4 土

試驗(yàn)用土液限為37.24，塑限為23.50，塑性指數(shù)為13.74，為低液限粘土，可以用石灰和粉煤灰進(jìn)行穩(wěn)定。試驗(yàn)時(shí)將土風(fēng)干，用木錘碾壓，過(guò)5mm篩后使用。

2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》，二灰穩(wěn)定類(lèi)基層材料中石灰與粉煤灰的比例可達(dá)1:2～1:4，石灰粉煤灰與細(xì)粒土的比例可達(dá)30:70～90:10，可以看出規(guī)范所提供的配合比范圍較寬泛［2］。因此，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)采用正交試驗(yàn)方法，以較少的試驗(yàn)樣本尋找二灰鋼渣土的最佳配合比。本試驗(yàn)采用正交表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)［3］，試驗(yàn)各因素水平見(jiàn)表3。依據(jù)正交方案計(jì)算得出混合料中各組成材料用量如表4所示。

表3 二灰鋼渣土正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表(%)

表4 正交試驗(yàn)的配合比(%)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表4中所列9種配比制備試件，并測(cè)定混合料7天、28天和90天的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果(MPa)

可以看出，不同配比的混合料抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而不斷增加。試驗(yàn)號(hào)為4的配合比其7天和28天的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大，而試驗(yàn)號(hào)為6的配合比其90天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大。

3.2 抗壓強(qiáng)度極差分析

對(duì)混合料7天抗壓強(qiáng)度進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)圖1，可以得出，各因素對(duì)指標(biāo)的影響次序?yàn)?石灰摻量＞粉煤灰摻量＞鋼渣摻量。即石灰摻量對(duì)二灰鋼渣土的7天抗壓強(qiáng)度的影響最大，其次為粉煤灰摻量，而鋼渣摻量對(duì)材料的強(qiáng)度影響最小。各因素的最佳水平為:A2B1C2。石灰在混合料初期強(qiáng)度形成過(guò)程中起主要作用，隨著石灰含量的增加，混合料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均提高。研究表明［4］:單用石灰穩(wěn)定土?xí)r，有時(shí)石灰劑量的多少對(duì)石灰土強(qiáng)度的影響不會(huì)明顯的反應(yīng)出來(lái)，一旦加入粉煤灰之后，石灰用量的多少對(duì)二灰土強(qiáng)度的影響就很明顯了。當(dāng)石灰摻量超過(guò)一定范圍時(shí)，混合料的強(qiáng)度反而下降。這是由于過(guò)量的石灰水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2會(huì)將會(huì)和空氣中的CO2發(fā)生碳酸化作用，形成CaCO3。該反應(yīng)所提供的強(qiáng)度比Ca(OH)2的結(jié)晶作用和火山灰反應(yīng)所提供的強(qiáng)度要低。其次是因素B(粉煤灰摻量)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較大，隨著粉煤灰摻量的不斷增加，混合料的強(qiáng)度不斷下降。這是因?yàn)榉勖夯冶旧頍o(wú)水硬性，與水拌和后也不能產(chǎn)生明顯的強(qiáng)度。粉煤灰與石灰混合后再加以水，則能與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，但粉煤灰的這種火山灰活性激發(fā)所需時(shí)間較長(zhǎng)，在早齡期內(nèi)粉煤灰對(duì)混合料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)較少;對(duì)混合料7天強(qiáng)度影響最小的因素是C，其強(qiáng)度在C2水平上出現(xiàn)了峰值。

圖1 7天強(qiáng)度極差分析

對(duì)混合料28天抗壓強(qiáng)度進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢缘贸觯饕蛩貙?duì)指標(biāo)的影響次序?yàn)?石灰摻量＞粉煤灰摻量＞鋼渣摻量，這與7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的結(jié)果相一致，最佳組合仍然為A2B1C2，即石灰摻量為9%，粉煤灰摻量為20%，鋼渣摻量為30%時(shí)強(qiáng)度最高。

圖2 28天強(qiáng)度極差分析

對(duì)混合料90天抗壓強(qiáng)度進(jìn)行極差分析，結(jié)果 見(jiàn)圖3。各因素對(duì)指標(biāo)的影響次序?yàn)?粉煤灰摻量＞石灰摻量＞鋼渣摻量。最佳強(qiáng)度配合比同早期結(jié)果相比有所變化，為A2B3C2。該配比組合在正交試驗(yàn)中未出現(xiàn)，因此對(duì)其90天抗壓強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)定，為3.82MPa，大于正交試驗(yàn)的9組配比。因素B粉煤灰摻量對(duì)指標(biāo)的影響最大，表明粉煤灰摻量對(duì)混合料后期強(qiáng)度的影響很大，隨著粉煤灰摻量的增加，混合料的90天強(qiáng)度逐漸上升。混合料的早期反應(yīng)中石灰與水作用，生成氫氧化鈣。氫氧化鈣生成之后，它就能夠與粉煤灰中的活性氧化硅和活性氧化鋁進(jìn)行反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化硅酸鋁，上述的二次反應(yīng)過(guò)程就是火山灰反應(yīng)［5］。該反應(yīng)隨著混合料的齡期的增長(zhǎng)而逐漸展開(kāi)，是混合料后期強(qiáng)度增長(zhǎng)的主要原因。因此混合料中粉煤灰含量越多，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)就越明顯。粉煤灰摻量為50%的配比其90天抗壓強(qiáng)度為28天抗壓強(qiáng)度的2.5倍，而粉煤灰摻量為20%的配比90天抗壓強(qiáng)度僅為28天抗壓強(qiáng)度的1.4倍。

圖3 90天強(qiáng)度極差分析

3.3 7天抗壓強(qiáng)度的方差分析

上節(jié)對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行了極差分析，這種方法簡(jiǎn)單直觀(guān)，只要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作少量計(jì)算，通過(guò)綜合分析比較，便能知道因素主次，得出較好的生產(chǎn)條件，但極差分析不能估計(jì)試驗(yàn)中必然存在的誤差的大小，也就是說(shuō)不能區(qū)分因素各水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果間的差異究竟是由因素水平不同所引起的，還是由于試驗(yàn)誤差所造成的，因而不能知道分析的精度。而在對(duì)半剛性基層材料進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是以混合料的7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為指標(biāo)［6］，了解各組成材料對(duì)混合料強(qiáng)度影響的大小有利于混合料的配合比設(shè)計(jì)，因此本節(jié)對(duì)正交試驗(yàn)的7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，對(duì)各因素的顯著性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表6 7天強(qiáng)度方差分析

從正交試驗(yàn)的方差分析來(lái)看，因素A石灰摻量對(duì)混合料的影響最大，因此，在進(jìn)行二灰鋼渣土的配合比設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)要考慮石灰摻量這一因素，石灰摻量的多少將直接影響混合料的7天強(qiáng)度。因素B粉煤灰摻量對(duì)混合料的7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也有一定的影響，但影響不如因素A強(qiáng)烈，而因素C鋼渣摻量對(duì)混合料的7天抗壓強(qiáng)度的影響不顯著。

4 總結(jié)

本文采用正交試驗(yàn)方法，分析了石灰摻量、粉煤灰摻量和鋼渣摻量三個(gè)因素對(duì)二灰鋼渣土不同齡期的抗壓強(qiáng)度影響大小，并確定了二灰鋼渣土的最佳配合比，結(jié)論如下:

(1)從二灰鋼渣土的7天、28天抗壓強(qiáng)度來(lái)看，三個(gè)因素對(duì)強(qiáng)度的影響大小為:石灰摻量＞粉煤灰摻量＞鋼渣摻量。石灰摻量對(duì)混合料早期強(qiáng)度的形成起主導(dǎo)作用，隨著石灰含量的增加，混合料的強(qiáng)度顯著提高，但如果石灰摻量過(guò)大，混合料的強(qiáng)度反而會(huì)下降，本文中的最佳石灰摻量為9%。

(2)從二灰鋼渣土的90天抗壓強(qiáng)度來(lái)看，三個(gè)因素對(duì)強(qiáng)度的影響大小為:粉煤灰摻量＞石灰摻量＞鋼渣摻量。粉煤灰摻量對(duì)混合料后期強(qiáng)度的形成起主導(dǎo)作用，粉煤灰摻量越多，混合料的早期強(qiáng)度越低，后期強(qiáng)度越高。

(3)石灰摻量為9%、粉煤灰摻量為20%、鋼渣摻量為30%時(shí)，二灰鋼渣土的7天和28天抗壓強(qiáng)度最高;而石灰摻量為9%、粉煤灰摻量為50%、鋼渣摻量為30%時(shí)，二灰鋼渣土的90天抗壓強(qiáng)度為最高。

(4)從正交試驗(yàn)7天抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果來(lái)看，因素A石灰摻量對(duì)混合料的影響最大，因素B粉煤灰摻量對(duì)混合料的7天抗壓強(qiáng)度也有一定的影響，但影響不如因素A顯著，而因素C鋼渣摻量對(duì)混合料的7天抗壓強(qiáng)度的影響不顯著，因此，在進(jìn)行二灰鋼渣土的配合比設(shè)計(jì)時(shí)石灰摻量的確定最為重要。

［1］邊衛(wèi)東.二灰鋼渣對(duì)鋼渣的品質(zhì)要求［J］.公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版，2007(7):64 －65.

［2］中華人民共和國(guó)交通部.JTJ034－2000，公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［3］龐超明，秦鴻根.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2006:95－98.

［4］趙壽剛，常向前，楊小平.石灰土的工程特性試驗(yàn)研究［J］.工程勘察，2007(2):10 －12.

［5］王洪波，馮錄林，李忠平.鋼渣粉煤灰在道路基層中的應(yīng)用［J］.城市道橋與防洪，2003(6):85－87.

［6］袁玉卿.二灰鋼渣混合料力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(12):38 －40.