汪秋建，衛(wèi) 宏，杜 娟，胡 俊

(海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?570228)

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基于正交試驗的有機質浸染砂配合比的設計與研究

汪秋建，衛(wèi) 宏，杜 娟，胡 俊

(海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?570228)

海灣相有機質浸染砂普遍存在于我國東南部沿海地區(qū)以及海南島，由于其特殊的存在形式，嚴重影響了該區(qū)域的工程建設與經(jīng)濟發(fā)展.因此，為了找出影響水泥土強度的主要因素和優(yōu)選出不同強度的水泥土配合比，本研究利用正交試驗設計有機質浸染砂-水泥土配合比進行了試驗與研究,同時采用極差分析、方差分析與直觀分析方法對試驗數(shù)據(jù)進行了計算和整理,結果表明：有機質浸染砂-水泥土抗壓強度的主要影響因素有摻合料種類、水泥摻入比和水灰比等；影響抗壓強度的各因素主次順序為：摻合料種類→水泥摻入比→水灰比；摻合料種類對強度的影響特別顯著，水泥摻入比對其亦有顯著影響，而水灰比則僅有一定的影響，最終經(jīng)優(yōu)化選取的有機質浸染砂-水泥土配合比具有良好的復現(xiàn)性，可供實際工程使用.

海灣相有機質浸染砂； 正交試驗； 水泥土； 配合比設計； 抗壓強度

國內外已對有機質土有了較多的研究，也均取得一定的成果[1-6]，但對有機質浸染砂的研究還很少.有機質浸染砂中的有機質主要來源是海岸帶自然植被及動物的殘體(或分泌物)，這些動植物殘體的細胞死亡后分解生成的腐殖物質經(jīng)游離基隨機縮合或聚合而形成有機質顆粒，或者動植物殘體經(jīng)過微生物的作用，在微生物的代謝過程中形成有機質顆粒釋放到砂土中，經(jīng)過雨水和地下水的作用，滲透到地層深處，并經(jīng)過漫長的歲月，在海洋和陸地交替影響下，逐漸吸附于砂顆粒的表面，然后浸入砂顆粒的孔隙中，并與砂中的礦物質等在漫長的歲月中發(fā)生了復雜的物理、化學和生物反應，最終形成了特殊的海灣相有機質浸染砂.

通過現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，海灣相有機質浸染砂普遍存在于我國的東南部和海南島海灣地區(qū)，但是有機質浸染砂的存在影響了我國東南部地區(qū)和海南島海灣地區(qū)的工程建設與資源開發(fā)，阻礙了該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展.由于在濱海地區(qū)，海洋和陸地交替影響，地質情況非常復雜，尤其是海灣地區(qū)的土層中因常常富含有機質(有機質的存在不利水泥的水化反應和水泥與軟土之間的物理化學反應)，影響了水泥土攪拌樁的成樁強度，降低了其地基處理和止水的效果.比如在?？谑?、文昌市和三亞市等地的工程建設項目中，發(fā)生了許多因這種有機質浸染砂而產(chǎn)生的工程問題：水泥土攪拌樁難以現(xiàn)場成樁問題、復合地基失效問題等，這不僅僅只是增加了工程建設的成本，還可能導致工程建設的延期，進而影響該地區(qū)乃至全省經(jīng)濟及社會的發(fā)展.

正交試驗設計和分析方法是目前最常用的試驗設計和分析方法，是部分因子設計的主要方法.正交試驗以概率論、數(shù)理統(tǒng)計和實踐經(jīng)驗為基礎，利用標準化正交表安排試驗方案，并對試驗結果進行計算分析，迅速找到最優(yōu)方案，是一種高效處理多因素最優(yōu)問題的科學計算方法.本文基于正交試驗得出了有關有機質浸染砂配合比的重要結論并發(fā)現(xiàn)水泥土的強度及其影響因素之間具有一定的分布規(guī)律.

1 正交試驗研究

1.1 試驗材料 根據(jù)試驗方案，選取試驗用的砂樣、水泥、熟石灰、粉煤灰和石灰石粉等材料，分述如下：

(1)試驗采用的海灣相有機質浸染砂砂樣取自文昌市龍樓鎮(zhèn)某國家級重點工程建設項目的一個基坑中，其工程特性見表1.

(2)水泥選用的是海南市售的PC.32.5和PO.42.5水泥.

(3)熟石灰采用市售的白色粉末狀固體.

(4)粉煤灰選用海口電廠的干排粉，為Ⅱ級磨細粉.

(5)石灰石粉采用市售的白色粉末狀固體，其成分99%為碳酸鈣.

表1 海灣相有機質浸染砂的工程特性

1.2 影響因素選擇 在原材料已選定的情況下，為了使有機質浸染砂水泥土的強度指標滿足要求，在配制水泥土時需合理選取配合比設計中的一些主要參數(shù)，如摻合料種類、水泥摻入比、水灰比等.因此研究中以摻合料種類、水泥摻入比和水灰比三個主要因素進行研究，每個因素取三個水平，試驗的指標是水泥土試塊28天無側限抗壓強度.

表2 正交試驗的因素及水平

1.3 正交試驗方案及結果 目前，海南省市場上常用的水泥為PC.32.5和PO.42.5水泥，故本研究是針對這兩種常用水泥分別獨立進行正交試驗.試驗采用標準的三因素三水平正交試驗表L9(34).有機質浸染砂水泥土試塊的尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm.

表3 正交試驗表

表4 正交試驗結果(PC.32.5)

表5 正交試驗結果(PO.42.5)

2 結果分析

對有機質浸染砂水泥土試塊正交試驗的試驗結果，以水泥土試塊28 d抗壓強度為考核指標，分別采用極差分析法、方差分析法和直觀圖分析法對因素作用進行分析.通過計算，分析結果見下表.

表6 結果分析表(PC.32.5)

表7 結果分析表(PO.42.5)

2.1 極差分析與方差分析 本試驗是針對海南省市場上常用的PC.32.5水泥和PO.42.5水泥進行水泥土試塊正交試驗.由表中極差分析可知，在PC.32.5水泥和PO.42.5水泥兩組正交試驗的因素水平變化范圍內，摻合料種類的極差都是最大，且在PC.32.5水泥正交試驗中，摻合料種類的極差明顯大于其他兩個因素的極差.表明摻合料種類對試驗指標—水泥土試塊28天無側限抗壓強度的影響最大，摻合料種類(因素A)是影響試驗指標的主要因素，其次是水泥摻入比(因素B)和水灰比(因素C).

對有機質浸染砂正交試驗結果采用方差分析法進行分析的結果見上表，因為本試驗所選正交表與自由度的關系，同時因素C的影響最小，所以進行方差分析時將因素C作為誤差項.由上表可以看出，在PC.32.5水泥和PO.42.5水泥兩組試驗中，摻合料種類(因素A)是影響水泥土試塊抗壓強度的最主要因素，其F值大于臨界值F0.025(2,2)=39.00，尤其在PC.32.5組試驗中，其F值遠大于臨界值，摻合料種類的顯著性水平可達到97.5%，所以摻合料種類對水泥土抗壓強度的影響是顯著的；兩組試驗中，水泥摻入比(因素B)的F值均大于臨界值F0.05(2,2)=19.00且小于臨界值F0.025(2,2)=39.00，這說明水泥摻入比對水泥土抗壓強度的影響具有一定的顯著性；水灰比(因素D)對水泥土抗壓強度的影響不具有顯著性.

2.2 直觀圖分析 為了更直觀地分析摻合料種類、水泥摻入比和水灰比各因素對水泥土試塊強度的影響，本文繪制了正交試驗考核指標28天平均抗壓強度隨因素水平變化的趨勢圖，兩組試驗結果趨勢基本一致，如下圖所示.由圖可看出，摻合料種類對試驗指標的影響比較明顯，其中，熟石灰的效果是極為有效的，石灰石粉效果一般，粉煤灰效果不明顯；抗壓強度隨著水泥摻入比的增大而增大，水泥摻入比10%～15%的抗壓強度增幅比15%～20%的較大，PO.42.5水泥比PC.32.5更為明顯；抗壓強度隨水灰比的增大而減小，PC.32.5水泥抗壓強度減少幅度較緩慢、穩(wěn)定，水灰比為0.60～0.75時，PO.42.5水泥抗壓強度減少幅度較前略有增加.

采用PHB筆型PH計測定浸泡砂樣后的蒸餾水溶液呈弱酸性(6.21)，即有機質中的腐殖酸所帶有的羧基、酚基、烴基容易解離，胺基易質子化，使得土樣在溶液中能電離出氫離子(H+)，使砂樣呈弱酸性,在摻合料中，熟石灰的堿性最高，石灰石粉次之，粉煤灰最低.熟石灰中的OH-可以中和砂樣中的H+，降低了有機質的存在對水泥水化作用的影響，使水泥土的強度提高，所以熟石灰的效果最為明顯.水泥摻入比介于10%～20%時，水泥摻入比越高，水泥與有機質浸染砂之間的作用越充分，水泥土強度越高.水泥土水灰比介于0.45～0.75時，砂中的含水率隨著水灰比的增大而提高，當含水率過高時，水泥土中存在多余的未參加水泥水化反應的游離水分子填充了水泥土中多余的空隙，導致抗壓強度降低.

整體看來，PO.42.5組試驗抗壓強度都比PC.32.5組的高，影響水泥土試塊的主要因素為摻合料種類，其次為水泥摻入比，最后為水灰比.由因素對抗壓強度的影響趨勢圖可知，水泥土配合比的最優(yōu)組合條件為A1B3C1，也就是摻合料為熟石灰，水泥摻入比20%，水灰比0.45.

3 結 論

本文基于PC.32.5水泥與PO.42.5水泥，以摻合料種類、水泥摻入比、水灰比3個影響因素各取3個水平數(shù)進行正交試驗設計，以試塊28 d抗壓強度為試驗目標考察指標，并對試驗結果采用極差分析法、方差分析法和直觀圖分析法進行分析.從而針對海南市場上常用的水泥選擇出有機質浸染砂水泥土的最優(yōu)配合比，并分析了各因素之間的主次關系及各因素適宜的水平.通過試驗研究，主要得出了以下結論：

(1)正交試驗是基于PC.32.5水泥與PO.42.5水泥獨立進行的兩組試驗，PO.42.5組試驗水泥土強度明顯高于PC.32.5組試驗，實際工程中可結合材料成本與達到的加固強度要求，綜合考慮選擇合適的水泥.

(2)對兩組有機質浸染砂水泥土28 d無側限抗壓強度來說，摻合料種類都是主要的影響因素，水泥摻入比次之，水灰比影響最小，摻合料最適宜的水平為熟石灰，水泥摻入比為20%，水灰比為0.45.

(3)在正交表中，任兩列的各水平搭配次數(shù)與每列因素在各水平上出現(xiàn)的次數(shù)都一樣，可最大限度地排除各種干擾，保證有效地進行因子比較.采用正交試驗法可以高效、準確地進行水泥土的配合比設計，此方法可以應用于工程實踐中.

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Design and Research of Mix Ratio for Infected Gulf-phase Organic Sand Based on Orthogonal Test

Wang Qiujian, Wei Hong, Du Juan, Hu Jun

(College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

Infected gulf-phase organic sand exists in southeast coastal area of China and Hainan Island widely, and which affects the engineering construction and economic development of the region seriously, because of its special existence form. In order to obtain the main influence factors about cement soil strength and optimize the different intensity of cement with different mix proportion, in the study, the orthogonal test was used to analyze the mix ratio of infected gulf-phase organic sand and cement soil, and the range analysis, variance analysis, and visual analysis method were used to calculate the experimental data. The results showed that the main influence factors of compressive strength about infected gulf-phase organic sand are the types of admixture, cement mixing ratio and water cement ratio; the order of the factors affecting the compressive strength is as follows: admixture types, cement mixing ratio, and water cement ratio; the effects of mineral admixture on the strength is extremely significantly, cement mixing ratio has significant effects, and the effects of water cement ratio are the smallest. The final optimized selection of cement soil mix ratio about infected gulf-phase organic sand has good reproducibility, and which can be used for practical engineering.

infected gulf-phase organic sand; orthogonal test; cement soil; design of mix proportion; compressive strength

2015-03-16

國家自然科學基金項目(51368017);海南大學中西部計劃學科建設項目(ZXBJH-XK011)

汪秋建(1991- )，男，安徽舒城人，海南大學土木建筑工程學院2013級碩士研究生，E-mail:861353774@qq.com

衛(wèi) 宏(1957- )，男，山西運城人，教授，碩士生導師，研究方向：巖土工程研究，E-mail：wennhong@163.com

1004-1729(2015)03-0271-06

TU 411

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0049