正交試驗(yàn)在水泥鋼渣穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)度研究中的應(yīng)用＊

苗 旺,李銳鐸

(1.平頂山市公路工程公司,河南平頂山467000;2.河南城建學(xué)院交通工程系,河南平頂山467036;3.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,河南鄭州450002)

鋼渣是鋼鐵行業(yè)的主要固體廢棄物之一,平均每生產(chǎn)1 t鋼材要產(chǎn)生500 kg鋼渣,怎樣綜合利用數(shù)量龐大的廢棄鋼渣已引起了國(guó)內(nèi)外重視[1-2]。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)鋼渣在道路工程上的應(yīng)用已有一些研究[3],但對(duì)鋼渣摻入水泥土中的研究較少。本文利用正交試驗(yàn)的方法,研究了水泥含量、鋼渣摻量、鋼渣的陳化齡期和鋼渣細(xì)度4種因素對(duì)水泥鋼渣穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)度的影響,探討了水泥鋼渣穩(wěn)定土應(yīng)用于公路底基層的可行性,最終得到一種既經(jīng)濟(jì)又能滿足強(qiáng)度要求的底基層材料。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 水泥

本試驗(yàn)選用天瑞P.O 42.5水泥,性能指標(biāo)如表1所示。

表1 天瑞P.O42.5水泥性能指標(biāo)

1.2 鋼渣

試驗(yàn)用鋼渣取自舞陽(yáng)鋼鐵公司不同齡期的電爐鋼渣。由于鋼渣中鐵含量較高,本試驗(yàn)所用鋼渣為經(jīng)磁選后的鋼渣,其化學(xué)成分見表2,顆粒級(jí)配見表3。

表2 不同齡期鋼渣的主要化學(xué)成分 %

由表2可以看出,該鋼渣CaO含量高達(dá)49%,三種齡期鋼渣的堿度均大于2.5,屬于高堿度渣,活性較大,且f-CaO含量小,有利于進(jìn)行工程利用。若在一定的堿性環(huán)境下對(duì)其活性進(jìn)行激發(fā),將加速鋼渣的水化硬化[4]。

表3 鋼渣的顆粒級(jí)配

由表3可以看出,試驗(yàn)用鋼渣就其顆粒大小及顆粒組成而言,屬于砂類土。從顆粒級(jí)配來(lái)看,不均勻系數(shù)為12.8,曲率系數(shù)為2.1,級(jí)配良好。將其與土混合,會(huì)在一定程度上改善素土顆粒級(jí)配,有利于混合料的壓實(shí)和強(qiáng)度的形成。

1.3 土樣

土樣采集于焦桐高速K44+600樁號(hào)附近。通過自由膨脹率試驗(yàn)、液塑限聯(lián)合試驗(yàn)、顆粒分析等試驗(yàn),確定了其物理力學(xué)特性,見表4、表5。

表4 土樣的常用指標(biāo)

表5 土樣的顆粒級(jí)配

土樣液限高達(dá)41.6,但自由膨脹率為33%,屬于低液限粘土,但接近于弱膨脹土[5-6]。從表5可以看出,該土樣細(xì)顆粒含量多,有較大的可塑性。

2 水泥鋼渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Orthogonal experimental design)是利用正交表來(lái)安排與分析多因素試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法[7]。它是由試驗(yàn)因素的全部水平組合中,挑選部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)的,通過對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析了解全面試驗(yàn)的情況,找出最優(yōu)的水平組合。

2.2 正交試驗(yàn)過程

現(xiàn)場(chǎng)取回的土料,經(jīng)自然晾曬風(fēng)干,人工碾碎并過2 mm篩,擊實(shí)試驗(yàn)采用重型擊實(shí)試驗(yàn)法,采用干土法備樣(土不重復(fù)使用),使用邊長(zhǎng)50 mm試模,在最佳含水率條件下按95%壓實(shí)度靜壓成型,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后,對(duì)水泥鋼渣穩(wěn)定土強(qiáng)度影響因素進(jìn)行分析,進(jìn)而進(jìn)行水泥鋼渣穩(wěn)定土試驗(yàn)性能測(cè)試[5][8]。

選擇水泥含量,鋼渣摻量,鋼渣陳化齡期,鋼渣細(xì)度四種影響因素,每個(gè)因素取三個(gè)水平,選用正交表L9(34),考核指標(biāo)為7 d和28 d抗壓強(qiáng)度。

3 水泥鋼渣穩(wěn)定土強(qiáng)度影響因素分析

通過正交試驗(yàn)對(duì)水泥鋼渣穩(wěn)定土強(qiáng)度影響因素進(jìn)行分析,結(jié)果見表6、表7。

表6 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果

表7 水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度 MPa

采用正交試驗(yàn)的極差分析方法可以得出以下結(jié)論：

對(duì)于7 d強(qiáng)度而言,水泥含量影響最大,鋼渣摻量影響次之,鋼渣細(xì)度再次之,陳化齡期影響最小。鋼渣與土的最佳配合比為20∶80,齡期為8個(gè)月,鋼渣細(xì)度為0～0.60 mm,水泥含量為9%。對(duì)于28 d強(qiáng)度而言,水泥含量影響最大,鋼渣細(xì)度影響次之,陳化齡期再次之,鋼渣摻量影響最小。鋼渣與土的最佳配合比10∶90,齡期為8個(gè)月,鋼渣細(xì)度為0～2.36 mm,水泥含量為9%。

對(duì)于水泥鋼渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度,并非鋼渣摻量越大越好,且鋼渣細(xì)度的影響也較大。早期強(qiáng)度主要來(lái)源于水泥本身的水化硬化,鋼渣在早期并未在水泥激發(fā)下產(chǎn)生強(qiáng)度,且粒徑中0～2.36 mm的強(qiáng)度最大,這說明早期強(qiáng)度形成時(shí),除水泥本身作用外,主要來(lái)源于密實(shí)混合料之間的內(nèi)摩阻力,還有顆粒間的原始作用力以及顆粒與薄膜水之間的吸附作用[9]。

將表6與表7對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),鋼渣的摻入提高了水泥鋼渣土的強(qiáng)度,且隨著鋼渣摻量的增加,水泥鋼渣土的強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì)。這說明鋼渣的摻入在水泥的激發(fā)下,鋼渣本身所含SiO2和Al2O3等與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),提高混合料的水化反應(yīng)速度,從而形成足夠的強(qiáng)度,保證了底基層結(jié)構(gòu)初期的強(qiáng)度和后期強(qiáng)度的增長(zhǎng),同時(shí)顯著減小混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙率,提高了密實(shí)度。對(duì)比水泥摻量3%兩組試驗(yàn)可知,鋼渣的摻入使強(qiáng)度提高了1倍多,強(qiáng)度大大提高。這可在一定程度上避免水泥土的開裂等病害的發(fā)生,有利于工程應(yīng)用。

4 配合比的選取

根據(jù)正交試驗(yàn)優(yōu)選結(jié)果,按照規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度進(jìn)行內(nèi)插,選擇配合比為水泥含量3%、鋼渣含量20%、鋼渣粒徑2.36 mm時(shí),水泥鋼渣土試件95%保證率下的7 d浸水抗壓強(qiáng)度達(dá)到了1.54 MPa,可基本滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層強(qiáng)度的要求[10]。但由于鋼渣的活性激發(fā)相對(duì)較慢,其后期強(qiáng)度相對(duì)水泥土較高,故對(duì)于7 d強(qiáng)度的要求可相對(duì)降低。同時(shí)鋼渣的摻入可以有效地節(jié)約成本和保護(hù)環(huán)境,因此可以進(jìn)行工程應(yīng)用。

5 結(jié)論

運(yùn)用正交試驗(yàn)分析水泥含量、鋼渣細(xì)度、鋼渣摻量和陳化齡期對(duì)水泥鋼渣穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,得出以下結(jié)論：

⑴水泥鋼渣土的強(qiáng)度能夠滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層強(qiáng)度要求,可以進(jìn)行工程應(yīng)用,同時(shí)為鋼渣的大規(guī)模利用提供了新的途徑。

⑵對(duì)水泥鋼渣土強(qiáng)度的四種影響因素分析后發(fā)現(xiàn),對(duì)于7 d強(qiáng)度而言,水泥含量影響最大,鋼渣摻量影響次之,鋼渣細(xì)度再次之,陳化齡期影響最小。對(duì)于28 d強(qiáng)度而言,水泥含量影響最大,鋼渣細(xì)度影響次之,鋼渣齡期再次之,鋼渣摻量影響最小。鋼渣活性隨著齡期增加得到激發(fā),有效提高后期強(qiáng)度,可相對(duì)減小水泥用量,因此減少底基層干縮裂縫,最終減少道路反射裂縫。

⑶綜合考慮生產(chǎn)成本與施工質(zhì)量,水泥鋼渣穩(wěn)定土應(yīng)用于二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層,建議水泥、鋼渣、土的配合比為3∶20∶80。

[1] 袁玉卿,吳傳海,周鑫,等.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.

[2] 沈衛(wèi)國(guó),周明凱,趙青林,等.鋼渣粉煤灰路面基層材料的研制[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(5)：15-17.

[3] 樂金朝,李新明,樂旭東.石灰鋼渣穩(wěn)定土的水穩(wěn)性試驗(yàn)研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2010,13(6)：773-778.

[4] 許遠(yuǎn)輝,陸文雄,王秀娟,等.鋼渣活性激發(fā)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào),2004,10(1)：91-95.

[5] JTG E40-2007.公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[6] JTG D30-2004.公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] 北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系數(shù)學(xué)專業(yè)概率統(tǒng)計(jì)組.正交設(shè)計(jì)[M].北京：人民教育出版社,1976.

[8] JTJ E51-2009.公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[9] 徐方.鋼渣路面基層材料組成與性能研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2007.

[10] JTG D50-2006.公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].