基于正交试验的磷石膏混合土力学性能试验研究

梁学战，陈洪凯，刘 彬

（1.枣庄学院 城市与建筑工程学院，山东 枣庄 277160；2.枣庄市地质创面修复与乡村振兴重点实验室，山东 枣庄 277160）

磷石膏是磷化工行业副产物，近几年产量一直保持高速增长态势，目前全世界磷石膏堆存量已高达60亿t，我国的磷石膏产量迄今为止也达到了4 亿t 以上。作为工业废料，大量的磷石膏堆放成了一个重要的问题[1]，降雨对磷石膏的冲刷，也会造成严重的环境污染[2]。因此，加快磷石膏固废资源再利用，拓宽其利用途径，成为目前急需解决的问题[3-4]。

修建道路时，路基和基层需要大量的土体混合材料，磷石膏作为工业副产物，与土体混合后用于道路建设，既提高了磷石膏的利用率，也可以解决磷石膏存放和影响生态污染的问题，变废为宝[5-8]。目前，将磷石膏作为路基材料的研究和报道尚不多见，Golian M 等[9]研究发现利用磷石膏作为道路建设材料时，在磷石膏-粉煤灰粘合剂的混合物中使用磷石膏，可以同时满足物理化学和岩土参数。陈秋雨等[10]研究了不同掺量的磷石膏、粉煤灰、石灰及水泥混合土试块与在不同龄期的无侧限抗压强度，发现在生土材料中掺入磷石膏、粉煤灰和石灰后抗压强度变化较大。徐泽友等[11]研究了改良磷石膏与碎石混合的物理力学性能，为磷石膏用作路基填料提供了理论依据。本文把不同百分含量的磷石膏、水泥、粉煤灰与土混合养护后，用正交试验法研究其抗压性能，研究结果可为磷石膏用作路基填料提供参考。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

磷石膏主要由CaSO4·2H2O、SiO2、SO3、CaO 及可溶性和不溶性杂质组成，一般呈粉末状，颜色为灰白、灰黄色。试验中的磷石膏的含水率为14.85%，级配见表1。

表1 磷石膏的颗粒级配

其按土的分类标准，属于细砂。

粉煤灰的颗粒级配见表2。

表2 粉煤灰的颗粒级配

其按土的分类标准，属于细砂。其中，水泥为采用普通硅酸盐水泥；水为常用自来水（水与固体颗粒的质量比为0.4）；土为一般黏土，其含水率为5.13%。

1.2 试验方案

磷石膏混合土的力学性能主要通过正交试验设计，在正交试验中，用正交表可以分析多因素问题。正交试验即可以降低试验的次数和工作量，也可以分析不同影像因素对试验的影响。采用正交试验设计，把不同百分含量的磷石膏、水泥、粉煤灰、土与水混合养护后，进行无侧限抗压强度试验。试验中有磷石膏、水泥、粉煤灰3 个因素，每种因素有三级掺量水平，共9 组试验，见表3、表4。表中磷石膏、水泥与粉煤灰的百分含量为该因素质量与土质量的比值。

表3 正交试验因素和水平分级%

表4 正交试验表%

为使混合土材料充分接触，把土、粉煤灰和磷石膏用2 mm 的筛进行筛分，筛分后用小于2 mm 的土、粉煤灰和磷石膏按设计好的配合比与水泥混合，加入水（按设计好的水固比）后，手动搅拌混合土5 min 后倒入模具。为消除混合土中的气泡，将模具放在振动台上摇动4 min，静置24 h 后，在标准条件下（气温20±3 ℃和湿度90%）分别养护7 d 和14 d 后量测试样的无侧限抗压强度。每组试验，制作6 个试件，3 个试件用来量测混合土养护7 d 的抗压强度，3 个试件用来量测混合土养护14 d 的抗压强度，取3 个试件的均值为该水平的无侧限抗压强度值。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

2.1.1 正交试验结果

不同因素、不同水平试件在不同养护标准下的无侧限抗压强度见表5。

表5 不同配比混合土无侧限抗压强度

2.1.2 试样破坏形态结果

在混凝土的无侧限抗压强度试验中，试件破坏时主要出现锥形和劈裂2 种破坏形态，而混合土无侧限抗压强度试验的破坏主要是锥形形态，如图1 所示。

图1 混合土锥形破坏形态

从图1 破坏试件可以看出，试件破坏时散落较多的细颗粒，混合土试件的水平面与破裂面的夹角为45°左右。主要原因是试样中由于粉煤灰的含量较大，过量的粉煤灰与其他混合物不反应，从而留在混合土内部，降低了混合土的黏结力，使混合土的抗压强度减小。

2.2 试验分析

2.2.1 极差分析

极差分析可以通过计算磷石膏、水泥、粉煤灰等因素综合平均值的极差值来区分3 个因素的主次关系，而且能找出影响混合土抗压强度各因素的最优水平和最优组合。

磷石膏含量变化对混合土无侧限抗压强度的影响分析。磷石膏掺量因素影响下的混合土7 d 和14 d 无侧限抗压强度在同一水平下的平均值及计算出的极差见表6，随磷石膏含量的增加混合土7 d 和14 d 无侧限抗压强度的变化如图2 所示。

图2 不同磷石膏含量混合土7 d 和14 d 无侧限抗压强度的变化

表6 不同磷石膏含量混合土无侧限抗压强度的极差值

由表6 和图2 可知，随磷石膏含量的增加混合土7 d 和14 d 的无侧限抗压强度均是先增大后减小。主要原因是混合土不同材料进行混合后磷石膏与水泥发生反应，形成的胶凝材料会提高混合土的抗压强度；而且，混合土混合后水泥水化形成的水合铝酸钙与磷石膏中的硫酸根离子发生反应，生成钙矾石，钙矾石在混合土中起到填充空隙的作用，增强了混合土中各材料的反应，此时，随着磷石膏含量的增加混合土的无侧限抗压强度增大；但当磷石膏的含量超过一定值时，混合土的抗压强度会降低，主要原因是混合土中水泥含量较少，未与水泥发生反应的磷石膏不能有剩余，因为剩余磷石膏对其他材料间的反应有阻碍作用，会降低混合土中掺料间的黏结力。

由表6 和图2 可以看出，养护时间对混合土的无侧限抗压强度的影响较大，磷石膏含量为15%时，混合土14 d 比7 d 抗压强度高1.65 倍，含量25%时高1.48倍，含量35%时高1.53 倍。主要原因是磷石膏中有二水石膏，与水泥混合后对水泥起到缓凝的作用，混合土中掺入磷石膏造成混合土的前期强度较低，而当养护时间变长时，混合土中各材料间的反应愈加充分，超过磷石膏对水泥的缓凝作用，混合土的抗压强度增大。

水泥含量变化对混合土无侧限抗压强度的影响分析。水泥掺量因素影响下的混合土7 d 和14 d 无侧限抗压强度在同一水平下的平均值及计算出的极差见表7。随水泥含量的增加混合土7 d 和14 d 无侧限抗压强度的变化如图3 所示。

图3 不同水泥含量混合土7 d 和14 d 无侧限抗压强度的变化

表7 不同水泥含量混合土无侧限抗压强度的极差值

由表7 和图3 可知，混合土的无侧限抗压强度随水泥含量的增加而增大，但增大的速率随混凝土含量的增加逐渐变缓。主要原因是水泥占混合土的比例相对较小，材料混合时与磷石膏、粉煤灰及水都能发生反应形成硬度较大的胶凝材料。而随着养护时间的增长，水泥与材料间反应更充分，抗压强度提高。

粉煤灰含量变化对混合土无侧限抗压强度的影响分析。不同粉煤灰含量的混合土7 d 和14 d 无侧限抗压强度在的平均值及计算出的极差见表8。混合土7 d和14 d 无侧限抗压强度随粉煤灰掺量增加的变化如图3 所示。

表8 不同粉煤灰含量混合土无侧限抗压强度的极差值

由表8 和图4 可知，随粉煤灰含量的增加，混合土无侧限抗压强度前期逐渐增大，后期逐渐减小，但增大和减小的趋势不明显。主要原因是粉煤灰的水化作用和水泥水化产生的氢氧化钙激发了粉煤灰的活性，提高了混合土的强度；而且粉煤灰的颗粒很细，在混合土中掺加一定量的粉煤灰可以充填混合土中的空隙，使混合土更加密实，强度提高。但粉煤灰的含量超过一定值时，由于水泥含量较少，多余的粉煤灰的活性不能被激发；而且如果混合土空隙间有多余的粉煤灰，多余的粉煤灰使混合土的黏结力下降，从而降低了混合土的抗压强度。

图4 不同粉煤灰含量混合土7 d 和14 d 无侧限抗压强度的变化

由表8 和图4 可以看出，随着养护时间延长，混合土的无侧限抗压强度粉煤灰含量为10%时提高了47.11%，含量20%时提高了51.90%，含量30%时提高了61.86%。说明延长养护时间可以极大提高混合土的抗压性能。

极差分析。极差（R 值）的意义是磷石膏、水泥和粉煤灰在取值范围内的变化引起的抗压强度变化的幅度。根据表6—8 中极差的大小和不同因素、不同掺量水平混合土无侧限抗压强度的大小，得到影响混合土7d 和14 d 无侧限抗压强度的主次因素和无侧限抗压强度各因素的最优水平组合见表9。

表9 试验极差分析结果

2.2.2 方差分析

极差分析简单易懂，但极差分析无法准确区分影响混合土无侧限抗压强度主要是试验条件还是试验误差。而方差分析可以通过计算F 值和F 检测，可以清晰看出试验结果主要受哪种因素变化的影响。无侧限抗压强度方差分析结果见表10。

表10 试验方差分析结果

由表10 可以看出，磷石膏、水泥和粉煤灰3 因素的F 值均大于检测值Fa，说明磷石膏、水泥和粉煤灰3个因素对混合土无侧限抗压强度的影响都比较显著。3 因素的F 值中，水泥>磷石膏>粉煤灰，说明3 个因素的影响程度为水泥>磷石膏>粉煤灰。区组间的差距较大，说明混合土无侧限抗压强度受试件养护时间的影响较大，和极差分析结果一致，而由试验误差引起的试验结果的变化不显著。

3 结论

为了拓宽磷石膏的利用途径，采用正交试验设计方式，把不同配比的磷石膏、水泥、粉煤灰、土与水混合成型养护，通过无侧限抗压强度试验研究其抗压性能，得到结论如下。

磷石膏、水泥、粉煤灰百分含量的变化影响混合土的无侧限抗压强度，但影响程度不同。随磷石膏含量的增加混合土7 d 和14 d 的无侧限抗压强度均是先增大后减小；混合土7 d 和14 d 的无侧限抗压强度随水泥含量的增加而增大，但增大的速率随着混凝土含量的增加逐渐变缓；随粉煤灰含量增加，混合土7 d 和14 d的无侧限抗压强度先增大后减小，但增大和减小的趋势不明显。

通过极差分析，得出影响混合土7 d 和14 d 无侧限抗压强度各因素的主次排序均为水泥>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%时，混合土试件的抗压强度最大，为影响混合土7 d 和14 d 无侧限抗压强度各因素的最优水平组合。

通过方差分析，得出磷石膏、水泥和粉煤灰3 个因素对混合土无侧限抗压强度的影响都比较显著，混合土无侧限抗压强度受试件养护时间的影响较大，而由试验误差引起的试验结果的变化不明显。