复合水泥土无侧限抗压强度正交试验研究

王贤昆,庞建勇,王 强

（安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001）

复合水泥土无侧限抗压强度正交试验研究

王贤昆,庞建勇,王 强

（安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001）

脱硫石膏与粉煤灰混合后可复合成一种新型活性胶凝材料,针对其在工程中的运用情况,采用正交试验法研究了不同养护龄期下水泥掺量、脱硫石膏及粉煤灰对水泥土抗压强度的影响,分析了各因素水平之间的差异。研究结果表明：水泥掺量对水泥土无侧限抗压强度影响最大,脱硫石膏与粉煤灰在3 d时对水泥土的无侧限抗压强度基本无影响,后期随着龄期的增大对其有一定影响；同时脱硫石膏在28 d前对水泥土的无侧限抗压强度影响比粉煤灰稍显著,28 d后粉煤灰的影响则稍显著。

复合水泥土；脱硫石膏；粉煤灰；正交试验；无侧限抗压强度；养护龄期

2015,32（12）：72－75

1 研究背景

目前,水泥土在工程建设中得到越来越多的运用,如基坑中常用水泥土搅拌桩来形成止水帷幕,利用水泥作为固化剂,通过特制的搅拌机械,在地基深处将软土和固化剂强制搅拌,使固化剂和软土之间产生一系列物理化学反应,从而使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。

相对于混凝土结构,水泥土虽然节省原料、降低费用,但在大型的地下工程中,水泥土的水泥用量还是偏高。为了进一步降低消耗,同时使水泥土的性能更好,学者们尝试在水泥土中再添加外加剂,其中脱硫石膏与粉煤灰就是非常适合的添加剂,且其价格低廉。文献[1－2］表明脱硫石膏与粉煤灰能使水泥土更加密实,抗渗性与力学性能也更好；同时,脱硫石膏还能激活粉煤灰的水化活性,使水泥土反应得更加彻底,效果更好。故这种脱硫石膏-粉煤灰复合水泥土如能在实际工程中得以运用,将更大化地节省能源,提高工程质量。

本文主要以脱硫石膏-粉煤灰复合水泥土为研究对象,通过正交试验研究水泥掺量、脱硫石膏以及粉煤灰对水泥土无侧限抗压强度的影响,以拓展脱硫石膏与粉煤灰在工程建设中的应用范围。

2 正交试验设计方法

2.1 方法简介

正交试验设计法[3］是研究多个因素多个水平的一种设计方法,从所有试验方案中挑选出具有代表性的部分进行试验,被挑选的一部分具备了“均匀分散,齐整可比”的特征。正交试验设计是事半功倍的主要设计方法,同时也是一种综合性强、统计分析效率高、快捷、经济的试验设计方法。

2.2 试验原材料

本试验的土料取自广州东塔施工场地的粉质黏土,主要物理力学参数见表1。粉煤灰和脱硫石膏分别取自淮南上窑粉煤灰厂和淮南平圩电厂,详细特性见表2。所用水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥,其安定性、胶砂强度及添加物种类均符合国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175—1999）的要求。

表1 土料的主要物理力学参数Table 1 Main physical and mechanical parameters of soil

表2 粉煤灰与脱硫石膏化学成分Table 2 Chemical compositions of fly ash and flue-gas desulfurization gypsum %

2.3 影响因素选择

影响水泥土无侧限抗压强度的因素很多,本文主要以掺入水泥、脱硫石膏及粉煤灰3个因素为研究对象,试验水灰比为0.5。水泥掺量以A表示,脱硫石膏掺量用B表示,粉煤灰掺量用C表示,误差列用D表示,各拟定因素及水平详细情况如表3所示。

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

2.4 试样的制备与养护

将称量好的脱硫石膏、粉煤灰、水泥和水倒入搅拌机中搅拌1 min,再加入土料搅拌5 min至搅拌均匀。将搅拌好的混合料取出装入模具中,分3层锤击法制样。采用直径50 mm、高度100 mm的圆柱形模具。制样后静置24 h脱模,放入养护箱中养护,养护温度为（20±2）℃,湿度为95%。

2.5 正交试验方案

对于3因素三水平的试验,若用普通方法需做33＝27次试验,而采用正交试验设计只需做9次。正交试验方案如表4所示。

表4 L9正交试验方案Table 4 Orthogonal experiment for L9 and test results

3 分析方法及试验结果讨论

在正交设计的结果分析中,直观分析法虽简单易懂,能直观地描述问题,但未将由于因素水平的改变所引起的数据波动与试验误差引起的数据波动区别开来,一般不能估计试验误差的大小。为了弥补直观分析的不足,本试验采用方差法来分析试验数据[4］。

图1 复合水泥土无侧限抗压强度与龄期关系Fig.1 Relation between unconfined compressive strength and age of composite cement-soil

图1为复合水泥土无侧限抗压强度与龄期关系曲线,可以看出,复合水泥土的无侧限抗压强度随着龄期的增长而增加,其中前期强度增加较快,后期强度增长缓慢。

方差分析基本方法说明如下。

（1）计算总误差ST、条件误差（SA,SB,SC,SD）、试验误差及它们的自由度。为了方便计算,令：

式中：K为各龄期水泥土9次无侧限抗压强度之和；P为K2的均值；W为龄期水泥土9次无侧限抗压强度的平方和；QA为因素A在每个水平下无侧限抗压强度的平均值；n为试验次数,n＝9；ra为因素A每个水平的试验重复数,ra＝3；xi为每次试验结果。

则各因素的平方和为：

同理可求得SC,SD。

总自由度fT等于试验次数n减1,因素自由度等于水平数减1。

（2）计算均方（平方和除以自由度）。

（3）因素显著性检验。

所谓因素显著性检验,是判断因素水平变化时,对考察指标的影响是否显著。

（1）F＞F0.01,影响特别显著,记为“**”；

（2）F0.01＞F＞F0.05,影响显著,记为“*”；

（3）F0.05＞F＞F0.10,有一定的影响,记为“（*）”；

（4）F0.10＞F,影响较小。

故极差F越大,说明该因素中该水平越好。

表5为不同龄期下复合水泥土的无侧限抗压强度方差分析。从表5中可知,在试验因素水平变化范围内,水泥掺量的极差最大,说明水泥掺量对水泥土的无侧限抗压强度影响最大；粉煤灰与脱硫石膏的极差在3 d较小,但到了7 d极差明显增大,说明脱硫石膏对粉煤灰的水化活性起到了激发的作用,对水泥土的强度起到了一定的影响[5－8］。

表5 不同龄期下复合水泥土无侧限抗压强度方差分析Table 5 Analysis of variance on unconfined compressive strength of composite cement-soil at different ages

在28 d之前,脱硫石膏的对水泥土的影响的显著性比粉煤灰大,说明脱硫石膏早期能密实土体内的空隙,提高水泥土的早期强度；28 d之后粉煤灰的显著性慢慢超过脱硫石膏,说明随着粉煤灰水化活性被激活,粉煤灰与脱硫石膏形成一种新型胶凝材料[9－13］,从而使土体强度增大。

从表5还可以看出,水泥对水泥土强度影响的显著性指标由3,14,28 d的不足100突然提升到60 d的242.5,说明前期水泥土的强度很大一部分受养护龄期的影响,后期龄期的影响逐渐减弱,因此水泥的影响更加显著。

脱硫石膏和粉煤灰在7 d和60 d的F值较其他龄期的要大。说明7 d时,粉煤灰的水化活性被脱硫石膏激活,起到了增强水泥土强度的作用；60 d的F值较大是由于龄期的作用减弱,故添加剂的作用相对显著。而3 d时粉煤灰的水化活性还未被激活,14 d与28 d粉煤灰的水化作用趋于平缓,故在这几种龄期时,粉煤灰对水泥土强度影响的显著性较小。

4 结 论

（1）通过正交试验分析得到,水泥掺量是决定水泥土无侧限抗压强度的主要因素,其次是脱硫石膏,再次是粉煤灰。后期粉煤灰的影响显著性有超过脱硫石膏的趋势。

（2）3种因素的显著性在3 d龄期的时候最小,14 d和28 d时较大,7 d和60 d时最大。特别是在7 d时,水泥的水化作用反应充分,脱硫石膏与粉煤灰也相互作用,激发粉煤灰活性后,显著性明显提高；14 d与28 d反应逐渐减弱,显著性有所降低；60 d时由于龄期对水泥土强度的影响减弱,使得3种固化剂的作用显现得明显。

（3）根据试验结果,从添加剂利用效果和强度来看,水泥掺量、脱硫石膏掺量和粉煤灰掺量的配合比为14%,3%,2%时效果最佳；如若施工工期不紧,且考虑到经济因素,配合比11%,2%,3%也能使复合效果得到充分发挥,达到施工强度要求。

[1]胡健民.脱硫石膏的综合利用[J］.上海电力,2006,（5）：480－483.（HU Jian-min.Comprehensive Utilization of the Desulphurization Gypsum[J］.Shanghai Electric Power,2006,（5）：480－483.（in Chinese））

[2]王方群,原永涛,齐立强.脱硫石膏性能及其综合利用[J］.粉煤灰综合利用,2004,（1）：41－44.（WANG Fangqun,YUAN Yong-tao,QI Li-qiang.Properties and Comprehensive Utilization of the Desulphurization Gypsum[J］.Fly Ash Comprehensive Utilization,2004,（1）：41－44.（in Chinese））

[3]李云雁,胡传荣.试验设计与数据处理[M］.北京：化学工业出版社,2005：41－52.（LI Yun-yan,HU Chuanrong.Experimental Design and Data Processing[M］.Beijing：Chemical Industry Press,2005：41－52.（in Chinese））

[4]黄丽娟.粉煤灰对水泥土抗压强度影响的正交试验研究[J］.河南理工大学学报（自然科学版）,2009,28（3）：352－356.（HUANG Li-juan.Orthogonal Experimental Studies on the Influence of Fly Ash to the Compressive Strength of Cement-soil[J］.Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science）,2009,28（3）：352－356.（in Chinese））

[5]陈 瑜,高英力,王盛铭.粉煤灰-脱硫石膏双掺砂浆试验研究与应用[J］.长沙理工大学学报：自然科学版,2010,7（2）：48－52.（CHEN Yu,GAO Ying-li,WANG Sheng-ming.Experimental Study and Application of Fly Ash-desulfurization Gypsum Double Blended Mortar[J］.Journal of Changsha University of Science and Technology：Natural Science,2010,7（2）：48－52.（in Chinese））

[6]郭大江,袁运法,胡浩然,等.脱硫石膏性能研究及其在普通硅酸盐水泥中的应用[J］.硅酸盐通报,2010,29（2）：22－26.（GUO Da-jiang,YUAN Yun-fa,HU Hao-ran,et al.Influence of FGD Gypsum on the Properties of Portland Cement[J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2010,29（2）：22－26.（in Chinese））

[7]童小东,徐 敏,戴国亮,等.某添加剂在水泥土搅拌法中的应用[J］.东南大学学报（自然科学版）,2007,37（2）：345－349.（TONG Xiao-dong,XU Min,DAI Guoliang,et al.Application of An Additive in Cement Deep Mixing Method[J］.Journal of Southeast University（Natural Science Edition）,2007,37（2）：345－349.（in Chinese））

[8]袁聚云,景 路,李 阳,等.脱硫石膏土体增强剂用于深层搅拌桩的试验研究[J］.岩土工程学报,2011,33（增1）：23－28.（YUAN Ju-yun,JING Lu,LI Yang,et al.[J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33（Sup.1）：23－28.（in Chinese））

[9]王 迪,朱梦良,陈 瑜,等.脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝材料基胶砂试验研究[J］.粉煤灰综合利用,2009,（5）：7－10.（WANG Di,ZHU Meng-liang,CHEN Yu,et al.Study on Composite Material Produced by Desulphurization Gypsum-fly Ash[J］.Fly Ash Comprehensive Utilization,2009,（5）：7－10.（in Chinese））

[10］高英力,陈 瑜,王 迪,等.脱硫石膏-粉煤灰活性掺合料设计及水化特性[J］.四川大学学报：工程科学版,2010,42（2）：225－231.（GAO Ying-li,CHEN Yu, WANG Di,et al.Design and Hydration Characteristics of Desulphurization Gypsum-fly Ash Active Admixture[J］.Journal of Sichuan University：Engineering Science,2010,42（2）：225－231.（in Chinese））

[11］郭晓潞,施惠生.脱硫石膏粉煤灰地聚合物抗压强度和反应机理[J］.同济大学学报（自然科学版）,2012,40（4）：573－577.（GUO Xiao-lu,SHI Hui-sheng.Compressive Strength and Mechanism of Geopolymers from Flueas Gypsum and Fly Ash[J］.Journal of Tongji University（Natural Science）,2012,40（4）：573－577.（in Chinese））

[12］高英力,陈 瑜,马保国.粉煤灰-脱硫石膏水泥基材料水化活性及微结构[J］.土木建筑与环境工程,2011,33（5）：137－142.（GAO Ying-li,CHEN Yu,MA Bao-guo.Microstructure and Hydration Activity of Cement-based Materials Containing Fly Ash Desulphurization Gypsum[J］.Journal of Civil,Architectural＆Environmental Engineering,2011,33（5）：137－142.（in Chinese））

[13］陈 瑜,高英力.粉煤灰脱硫石膏复合胶凝材料的配合比与水化[J］.建筑材料学报,2012,15（2）：283－288.（CHEN Yu,GAO Ying-li.[J］.Journal of Building Materials,2012,15（2）：283－288.（in Chinese））

（编辑：黄 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

王贤昆（1990－）,男,安徽滁州人,硕士研究生,主要从事岩土工程的研究工作,（电话）13515546905（电子信箱）apj144976＠163.com。