三灰碎石強(qiáng)度的正交試驗(yàn)及其凍融穩(wěn)定性分析

楊林　胡海洋

摘要：為進(jìn)一步明確東北地區(qū)季節(jié)性凍融條件下，三灰穩(wěn)定碎石混合料的工程特性，本文在保留二灰穩(wěn)定碎石優(yōu)良性能的前提之下，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定三灰（石灰、粉煤灰、水泥）穩(wěn)定碎石中各材料用量。以7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為目標(biāo)，進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并在進(jìn)行了方差與極差分析的條件下，應(yīng)用MATLAB的BP模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行了強(qiáng)度預(yù)測，在強(qiáng)度滿足要求的條件下，進(jìn)行了配合比優(yōu)選，確定了石灰：粉煤灰：碎石為6∶12∶82，同時外摻2%水泥的合理配合比，并按照正交配合比配制混合料，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和凍融循環(huán)等試驗(yàn)，試驗(yàn)證明合理配比的三灰穩(wěn)定碎石對應(yīng)用于東北季凍區(qū)路面基層具有優(yōu)越的性能及重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：道路工程；三灰；正交試驗(yàn)；配合比；強(qiáng)度；穩(wěn)定性

中圖分類號：S 773.3；U 412.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0123-05

Orthogonal Test of the Strength of CementLimeFlyash

Stabilized Macadam and FreezeThaw Stability Analysis

Yang Lin，Hu Haiyang

（College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：To further clarify the engineering properties of cementlimeflyash stabilized macadam mixture under the condition of seasonal freezethaw in northeast China，the dosage of lime，fly ash and cement in stabilized macadam material was designed by using orthogonal test design under the premise of retaining the excellent properties of limeash stabilized macadam.The compressive strength was tested with the goal of 7 d unconfined compressive strength and the analysis of variance and range analysis were conducted.MATLAB BP fuzzy neural network method was used to predict the strength.The optimal mixture ratio of lime：fly ash：gravel was determined as 6：12：82，which can meet the strength requirements.At the same time 2% additional cement was blended into the material，and according to the orthogonal mixture mixing ratio，unconfined compressive strength and freezethaw cycle test were conducted，which indicated that reasonable proportioning cementlimeflyash stabilized macadam had superior performance for the pavement base in the northeast cold area and has important practical significance.

Keywords： road engineering；cementlimeflyash；orthogonal test；mixture proportioning；strength；stabilization

收稿日期：2014-06-23

基金項(xiàng)目：黑龍江省交通廳科技項(xiàng)目

第一作者簡介：楊林，博士，副教授。研究方向：道路工程及材料。Email：yanglin@nefu.edu.cn

引文格式：楊林，胡海洋.三灰碎石強(qiáng)度的正交試驗(yàn)及其凍融穩(wěn)定性分析[J].森林工程，2015，31（1）：123-127.在我國道路基層建設(shè)中，應(yīng)用較為廣泛的是半剛性基層材料，其中二灰穩(wěn)定碎石是較常見的筑路材料[1]。二灰穩(wěn)定碎石具有整體性質(zhì)均勻、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但其早期強(qiáng)度不足[2-5]。三灰穩(wěn)定碎石是在二灰穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，外摻一定量的水泥而得到的復(fù)合材料，因此，三灰穩(wěn)定碎石在繼承了二灰穩(wěn)定碎石優(yōu)點(diǎn)的同時，又克服了早期強(qiáng)度低這一缺陷[6-8]。

本文通過正交試驗(yàn)，并結(jié)合東北地區(qū)氣候特點(diǎn)，研究三灰穩(wěn)定碎石材料用量（石灰、粉煤灰、水泥外摻量等）與強(qiáng)度的關(guān)系，根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，確定三灰穩(wěn)定碎石最佳配比，為本地區(qū)三灰穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)提供一定參考。

1原材料工程性質(zhì)

1.1石灰的性質(zhì)

石灰屬于氣硬性膠結(jié)材料，使用前應(yīng)充分消解。石灰中氧化鈣和氧化鎂含量對三灰穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度有明顯的影響。本試驗(yàn)采用石灰經(jīng)測定其鈣鎂含量62.7%，為II級消石灰。

1.2粉煤灰的性質(zhì)

粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量以及燒失量是影響石灰火山灰反應(yīng)的主要因素，本實(shí)驗(yàn)采用的粉煤灰SiO2+Al2O3+Fe2O3含量大于70%，燒失量小于10%。

1.3水泥的性質(zhì)

水泥是提高三灰穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度的原材料，本實(shí)驗(yàn)選用的水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥的各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

，其篩分結(jié)果見表2。

表2碎石合成級配

Tab.2 Gravel synthesis grading

通過篩孔的質(zhì)量百分率/%篩孔尺寸/mm31.5199.54.752.361.180.60.075級配上限1009870503827207級配下限100815230181060合成級配10081.254.130.619.814.48.40.8

第1期楊林等：三灰碎石強(qiáng)度的正交試驗(yàn)及其凍融穩(wěn)定性分析

森林工程第31卷

2配合比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1因素和水平選取

為確定三灰穩(wěn)定碎石中各因素影響性，確定三個因素分別為石灰劑量、粉煤灰劑量、水泥外摻量，選用L9（34）正交表安排方案，正交試驗(yàn)方案見表3。

表3正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

Tab.3 The orthogonal experiment design table

水 平石灰/%粉煤灰/%水泥/%1412125132361432.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1擊實(shí)試驗(yàn)及7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將各試驗(yàn)材料按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表中的比例進(jìn)行拌和，然后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用15.2 cm內(nèi)徑試筒，錘質(zhì)量為4.5 kg，落高為45 cm，分為3層每層錘擊98次進(jìn)行擊實(shí)。

由擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果得到的最佳含水率與最大干密度制作Φ150×150（mm）的圓柱體試件。首先將級配碎石、石灰及粉煤灰加水拌合后，然后裝袋密封，靜置2 h后加入水泥，進(jìn)行最終拌和。將混合料裝入尺寸為Φ150×150（mm）的試模內(nèi)靜壓成型。成型后靜置5 h后進(jìn)行脫模，將成型試件放在溫度為20℃，濕度為96%的恒溫恒濕養(yǎng)生箱內(nèi)養(yǎng)生6 d，之后飽水24 h再進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，擊實(shí)試驗(yàn)和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表 4正交試驗(yàn)分析表

2方差S0.1320.0150.0041.012

由表4可以看出，三因素石灰、粉煤灰、水泥的極差分別為0.29、0.10、0.82，所以因素D水泥外摻量是影響三灰穩(wěn)定碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素，其次是石灰含量，再次是粉煤灰含量。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中，會因試件制作成型及儀器自身等因素產(chǎn)生誤差，對試驗(yàn)指標(biāo)產(chǎn)生影響，所以空列的極差不等于零。

由方差分析可以計(jì)算得出，三因素石灰、粉煤灰、水泥的方差統(tǒng)計(jì)量F的值分別為33.00、3.75、253.00。由方差分析表知，F(xiàn)0.01=99、F0.1=9，即FD>F0.01，F(xiàn)A>F0.1，F(xiàn)B

極差分析和方差分析結(jié)果一致，水泥外摻量對三灰穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大，為顯著因素；其次是石灰含量的影響；粉煤灰含量對7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響作用不顯著。

2.2.2基于MATLAB的BP模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度預(yù)測

通過正交試驗(yàn)的研究結(jié)果，根據(jù)9組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用MATLAB軟件的BP模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對其余18組配合比的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，同時對已知的9組配合比進(jìn)行已知數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)的對比，以證明預(yù)測的準(zhǔn)確性。首先根據(jù)已知的9組實(shí)驗(yàn)配合比及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過訓(xùn)練建立起精度為0.01的訓(xùn)練函數(shù)，接下來輸入所有27組配合比，進(jìn)行訓(xùn)練模擬，最終得到所有27組配合比的實(shí)驗(yàn)預(yù)測值，見表5。

表 527組配合比7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測值

Tab.5 27 groups of 7 d unconfined compressive strength prediction

石灰+

粉煤灰+

水泥7d

強(qiáng)度

/MPa石灰+

粉煤灰+

水泥7d

強(qiáng)度

/MPa石灰+

粉煤灰+

水泥7d

強(qiáng)度

/MPa4+12+11.815+12+12.076+12+12.144+12+22.145+12+22.216+12+22.594+12+32.355+12+32.736+12+32.834+13+11.785+13+11.966+13+12.094+13+22.015+13+22.216+13+22.664+13+32.405+13+32.756+13+32.834+14+11.685+14+11.956+14+12.174+14+22.015+14+22.356+14+22.644+14+32.515+14+32.686+14+32.79

由上表全部27組材料配合比的預(yù)測值，建立在粉煤灰含量分別為12%、13%、14%的條件下，石灰和水泥在不同含量時，對三灰穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值的影響作用的關(guān)系圖，如圖1～圖3所示。

由圖1、圖2和圖3分析知，隨水泥含量的增加，三灰穩(wěn)定碎石的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均呈增長趨勢；當(dāng)水泥含量為定值時，石灰與粉煤灰的含量之間的比值越高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值越大；當(dāng)水泥含量為2%時，粉煤灰含量一定的情況下，石灰摻量越多，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值較顯著地提高；當(dāng)水泥含量為3%時，石灰摻量較少的情況下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值偏低。

圖112%粉煤灰條件下7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

與石灰、水泥含量的關(guān)系

Fig.1 12% Fly ash under the condition of 7 d unconfined compressive

strength value with lime and cement content of the relationship

圖213%粉煤灰條件下7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

與石灰、水泥含量的關(guān)系

Fig.2 13% Fly ash under the condition of 7 d unconfined compressive

strength value with lime and cement content of the relationship

圖314%粉煤灰條件下7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

與石灰、水泥含量的關(guān)系

Fig.3 14% Fly ash under the condition of 7 d unconfined compressive

strength value with lime and cement content of the relationship

2.2.3配合比優(yōu)化選擇

結(jié)合此前通過正交試驗(yàn)極差與方差的分析結(jié)果，綜合考慮強(qiáng)度要求及經(jīng)濟(jì)技術(shù)等指標(biāo)的前提下，參照27組配合比的強(qiáng)度預(yù)測分析值，選擇的配合比為石灰∶粉煤灰∶碎石=6∶12∶82，外摻2%水泥，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測定值為2.48MPa，預(yù)測值為2.59MPa，均滿足規(guī)范的規(guī)定。

3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

本實(shí)驗(yàn)在已確定的6%石灰+12%粉煤灰、外摻2%水泥的最優(yōu)配合比的情況下，采用同樣配合比（6%石灰+12%粉煤灰）的二灰穩(wěn)定碎石進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的對比試驗(yàn)，試件的養(yǎng)生齡期為：7、28、90及180 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，在養(yǎng)生的最后一天，將試件從養(yǎng)生箱中取出，飽水24 h后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。不同齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表6，抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化趨勢如圖4所示。

表6不同養(yǎng)生齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

Tab.6 The unconfined compressive strength test results

材 料7 d28 d90 d180 d二灰碎石1.562.476.428.57三灰碎石2.484.136.958.91

圖4無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化柱形圖

Fig.4 Unconfined compressive strength changes with age bar charts

分析以上數(shù)據(jù)可以看出，二灰穩(wěn)定碎石、三灰穩(wěn)定碎石隨著養(yǎng)生齡期的增長，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)上升趨勢，同時各個齡期的強(qiáng)度增長幅度并不相同，28 d到90 d這一階段強(qiáng)度增長幅度最為明顯，90 d到180 d強(qiáng)度增長較為平緩，7 d到28 d強(qiáng)度增長較快；三灰穩(wěn)定碎石中，由于水泥的加入，其早期抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二灰穩(wěn)定碎石，但隨著齡期的延長，兩者的抗壓強(qiáng)度差距越來越小，這說明水泥的加入對三灰穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度的提升十分顯著[9]，對后期的影響逐漸減小，同時說明石灰與粉煤灰是緩凝材料，兩者的化學(xué)反應(yīng)對后期的抗壓強(qiáng)度影響很大。

4凍融穩(wěn)定性

為了驗(yàn)證三灰穩(wěn)定碎石的抗凍性，本實(shí)驗(yàn)采用石灰∶粉煤灰∶碎石=6∶12∶82，外摻2%水泥的配合比，養(yǎng)生時間分別為28、90 d的試件進(jìn)行凍融循環(huán)對比試驗(yàn)，材料的凍融穩(wěn)定性一般根據(jù)其經(jīng)受一定次數(shù)的凍融循環(huán)后其抗壓強(qiáng)度或者質(zhì)量的衰減情況表征。將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d、90 d的試件分別按規(guī)范制作2組18個Φ150×150（mm）的圓柱體試件，其中9個為凍融循環(huán)試件，9個為不做凍融的對比試件，將進(jìn)行凍融測試的9個試件用塑料袋裹嚴(yán)放入低溫箱中，結(jié)合東北地區(qū)實(shí)際的氣候條件，低溫箱的溫度設(shè)置為-20℃，凍結(jié)時間為12 h，凍結(jié)結(jié)束后在20℃的恒溫水槽中進(jìn)行融化，時間為12 h，如此為一個凍融循環(huán)。試件經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；9個對比試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生結(jié)束后，直接進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，凍融穩(wěn)定性用凍融系數(shù)BDR表示。試驗(yàn)結(jié)果見表7，試件凍融前后照片，如圖5和圖6所示。

表7凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.7 The freezethaw cycle test results

試 件未凍融強(qiáng)度/MPa凍融后強(qiáng)度/MPaBDR/%養(yǎng)生28d試件4.133.8292.5養(yǎng)生90d試件6.955.8584.2

圖5試件凍融前

Fig.5 Specimen before freezethaw

圖6試件凍融后

Fig.6 Specimen after freezethaw

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，三灰穩(wěn)定碎石的28 d和90 d的凍融循環(huán)BDR值分別為92.5%和84.2%，均大于80%，說明三灰穩(wěn)定碎石具有良好的抗凍性。通過觀察凍融試件在5次凍融過程中的外觀變化可以發(fā)現(xiàn)，試件整體性較完好，外表面出現(xiàn)一些短裂紋，個別會出現(xiàn)掉渣和邊角處略有破損的情況。分析原因在于無機(jī)結(jié)合料及細(xì)集料充分的填充了材料的空隙，保證了材料的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，使試件內(nèi)部的水分結(jié)冰引起的向外的體積膨脹，不足以破壞試件的整體性[10-11]。綜上所述，三灰穩(wěn)定碎石抗凍性能好，同時具有有較高的穩(wěn)定性。

5結(jié)論

（1）三灰穩(wěn)定碎石的早期強(qiáng)度顯著高于二灰穩(wěn)定碎石，可見適量的摻入水泥是提高半剛性材料早期強(qiáng)度的主要措施。但隨著齡期的增長，兩者的強(qiáng)度差異趨于減小，由此可知后期影響三灰穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的主要因素是石灰和粉煤灰。

（2）通過凍融循環(huán)試驗(yàn)，三灰穩(wěn)定碎石的BDR值大于80%，質(zhì)量損失小，可以證明其具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、整體性質(zhì)均勻。

（3）通過正交試驗(yàn)的分析、MATLAB的強(qiáng)度值預(yù)測以及與二灰穩(wěn)定碎石進(jìn)行強(qiáng)度增長規(guī)律的對比，均可以證明，石灰∶粉煤灰∶級配碎石=6∶12∶82，外摻2%水泥，是較合適經(jīng)濟(jì)的三灰穩(wěn)定碎石配合比。

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[責(zé)任編輯：胡建偉]