基于正交試驗(yàn)的水穩(wěn)碎石基層強(qiáng)度影響因素分析

任文宏 岳永和 曹 貴 劉 濤(甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州730030)

1 引言

水泥穩(wěn)定碎石基層因具有一定的板體性、強(qiáng)度高、擴(kuò)散應(yīng)力強(qiáng)、抗變形性能好等特性，在我國的高等級(jí)公路路面基層施工中被大量的使用，因此在水泥穩(wěn)定碎石基層的施工中我國積累了大量的豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是，現(xiàn)場施工中仍然存在一些影響基層質(zhì)量的問題。在實(shí)際基層的施工過程中，水泥穩(wěn)定碎石基層施工存在的較強(qiáng)變異性不僅會(huì)消弱了基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，加劇基層的早期破壞，且基層裂縫的產(chǎn)生會(huì)形成瀝青面層反射裂縫的出現(xiàn)，裂縫的出新在行駛車輛的作用下會(huì)出現(xiàn)水損害、唧漿等病害現(xiàn)象，加劇瀝青路面的破壞，降低了瀝青路面使用壽命。而我國學(xué)者對(duì)于瀝青面層的施工變異性研究較多，對(duì)于水穩(wěn)基層研究不足。因此，本文采用正交試驗(yàn)的極差分析方法對(duì)施工變異影響因素的主次關(guān)系開展研究，對(duì)于施工單位在現(xiàn)場施工中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行變異因素主次控制有著一定的指導(dǎo)作用，對(duì)于工程質(zhì)量的提高有著十分重要的意義。

表1 各檔料篩分結(jié)果

2 原材料選擇及配合比的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用水泥為P.O32.5級(jí)水泥，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)性能均合格[1]。所用石料為四檔，分別為19-31.5mm，9.5-19mm，4.75-9.5mm，石屑，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)各項(xiàng)性能均合格[2]，篩分結(jié)果如表1所示：

本研究所用的配合比按骨架密實(shí)型設(shè)計(jì)，并要保證有足夠的強(qiáng)度穩(wěn)定性、較小的收縮變形和良好的施工性能，在一定條件下，限制細(xì)粉料的用量。

結(jié)合表1中集料的篩分結(jié)果以及本文采用的正交試驗(yàn)，通過控制4.75mm篩孔通過率為25%、30%、35%(集料變異)，利用Excel的規(guī)劃求解法求得集料的配合比(如表2)以及級(jí)配曲線 (如圖1)：

表2 集料的配合比

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)振動(dòng)成型實(shí)試驗(yàn)確定混合料的最大干密度、最佳含水量，并結(jié)合試件的體積算出成型試件所需質(zhì)量。

圖1 級(jí)配曲線

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Orthaganal Design)是于二十世紀(jì)50年代初期，由日本質(zhì)量管理專家田口玄一博士在多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究開發(fā)出來的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法使用一種規(guī)范化的表格(正交表)進(jìn)行式驗(yàn)設(shè)計(jì)，能在全部試驗(yàn)方案中均勻地挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)試驗(yàn)方案。通過對(duì)挑選出的少數(shù)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以選出較優(yōu)的方案，且可以得出各個(gè)因素對(duì)考察指標(biāo)影響的主次關(guān)系。

工程質(zhì)量的檢驗(yàn)往往是通過對(duì)某些指定指標(biāo)的評(píng)估來判定工程質(zhì)量的優(yōu)劣，然而在水泥穩(wěn)定碎石的施工過程中則需要通過調(diào)控某些參數(shù)來實(shí)現(xiàn)合格的工程質(zhì)量。但在實(shí)際的生產(chǎn)中有很多因素影響這些指標(biāo)，這些因素的水平數(shù)也有很多，每個(gè)因素水平對(duì)指標(biāo)的影響也不盡相同。在試驗(yàn)研究的過程中需要對(duì)影響因素作出篩選，確定哪些是有用因素，哪些是可以忽略的因素。各因素通常是在某一范圍內(nèi)變化，在這個(gè)范圍內(nèi)選取具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這樣就可以確定影響因素在整個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)控制指標(biāo)的影響。通過施工現(xiàn)場的調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析，在本文的試驗(yàn)中，選取含水量、水泥劑量、級(jí)配(4.75mm篩孔通過率)作為主要影響基層施工質(zhì)量的三個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)有三個(gè)水平。參照現(xiàn)場的調(diào)研，含水量和水泥劑量的水平選取設(shè)計(jì)值、統(tǒng)計(jì)分布上下限區(qū)間特殊值，級(jí)配的水平選取4.75mm篩孔通過率的中值、上下限分布區(qū)間特殊值。因素水平選擇結(jié)果如表3所示。

本試驗(yàn)選用L9正交表—4因素3水平，其中一因素選擇空列，具體各因素之間的安排如表4，設(shè)計(jì)的正交表如表5。

表3 因素水平選擇結(jié)果

表4 各個(gè)因素之間的安排

表5 正交試驗(yàn)表

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)通過振動(dòng)成型機(jī)進(jìn)行試件的制作(如圖2所示)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下嚴(yán)格按照規(guī)范《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)養(yǎng)護(hù)6d，浸水一天之后，對(duì)試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定[3]，測(cè)定結(jié)果如表6。

圖2 振動(dòng)成型試件

4.1 拉依達(dá)檢驗(yàn)法

拉依達(dá)檢驗(yàn)法是剔除異常數(shù)據(jù)。即如果數(shù)據(jù)xp與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值的偏差的絕對(duì)值大于三倍(或兩倍)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即：

則應(yīng)將xp從該組試驗(yàn)值中提出，至于選擇3s還是2s與顯著水平α有關(guān)[4]。本研究中選用3s。經(jīng)拉依達(dá)法則檢驗(yàn)法檢驗(yàn)后，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表7 7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析表

4.2 極差分析法

根據(jù)以上的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析，極差分析結(jié)果如表7所示。

5 結(jié)論

1)影響水穩(wěn)碎石基層變異的主要因素有水泥劑量、4.75mm通過率、含水量等。

2)通過正交試驗(yàn)極差分析可知，在所選取的對(duì)強(qiáng)度可能會(huì)產(chǎn)生影響的這幾個(gè)主要因素中，水泥劑量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最為顯著，級(jí)配變異次之，最后是含水量的變異。

3)在實(shí)際的施工現(xiàn)場中，應(yīng)對(duì)變異影響因素進(jìn)行控制以提高施工質(zhì)量，尤其加強(qiáng)對(duì)水泥劑量的檢測(cè)，水泥劑量應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

[1]JTGE30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社，2005

[2]JTJE42-2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社，2005

[3]JTGE51-2009，公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社，2009

[4]李云雁.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.15-18.