汪秋建，衛(wèi) 宏，杜 娟，胡 俊

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

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基于正交試驗(yàn)的有機(jī)質(zhì)浸染砂配合比的設(shè)計(jì)與研究

汪秋建，衛(wèi) 宏，杜 娟，胡 俊

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

海灣相有機(jī)質(zhì)浸染砂普遍存在于我國(guó)東南部沿海地區(qū)以及海南島，由于其特殊的存在形式，嚴(yán)重影響了該區(qū)域的工程建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展.因此，為了找出影響水泥土強(qiáng)度的主要因素和優(yōu)選出不同強(qiáng)度的水泥土配合比，本研究利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土配合比進(jìn)行了試驗(yàn)與研究,同時(shí)采用極差分析、方差分析與直觀(guān)分析方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算和整理,結(jié)果表明：有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土抗壓強(qiáng)度的主要影響因素有摻合料種類(lèi)、水泥摻入比和水灰比等；影響抗壓強(qiáng)度的各因素主次順序?yàn)椋簱胶狭戏N類(lèi)→水泥摻入比→水灰比；摻合料種類(lèi)對(duì)強(qiáng)度的影響特別顯著，水泥摻入比對(duì)其亦有顯著影響，而水灰比則僅有一定的影響，最終經(jīng)優(yōu)化選取的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土配合比具有良好的復(fù)現(xiàn)性，可供實(shí)際工程使用.

海灣相有機(jī)質(zhì)浸染砂； 正交試驗(yàn)； 水泥土； 配合比設(shè)計(jì)； 抗壓強(qiáng)度

國(guó)內(nèi)外已對(duì)有機(jī)質(zhì)土有了較多的研究，也均取得一定的成果[1-6]，但對(duì)有機(jī)質(zhì)浸染砂的研究還很少.有機(jī)質(zhì)浸染砂中的有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源是海岸帶自然植被及動(dòng)物的殘?bào)w(或分泌物)，這些動(dòng)植物殘?bào)w的細(xì)胞死亡后分解生成的腐殖物質(zhì)經(jīng)游離基隨機(jī)縮合或聚合而形成有機(jī)質(zhì)顆粒，或者動(dòng)植物殘?bào)w經(jīng)過(guò)微生物的作用，在微生物的代謝過(guò)程中形成有機(jī)質(zhì)顆粒釋放到砂土中，經(jīng)過(guò)雨水和地下水的作用，滲透到地層深處，并經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的歲月，在海洋和陸地交替影響下，逐漸吸附于砂顆粒的表面，然后浸入砂顆粒的孔隙中，并與砂中的礦物質(zhì)等在漫長(zhǎng)的歲月中發(fā)生了復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)，最終形成了特殊的海灣相有機(jī)質(zhì)浸染砂.

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，海灣相有機(jī)質(zhì)浸染砂普遍存在于我國(guó)的東南部和海南島海灣地區(qū)，但是有機(jī)質(zhì)浸染砂的存在影響了我國(guó)東南部地區(qū)和海南島海灣地區(qū)的工程建設(shè)與資源開(kāi)發(fā)，阻礙了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展.由于在濱海地區(qū)，海洋和陸地交替影響，地質(zhì)情況非常復(fù)雜，尤其是海灣地區(qū)的土層中因常常富含有機(jī)質(zhì)(有機(jī)質(zhì)的存在不利水泥的水化反應(yīng)和水泥與軟土之間的物理化學(xué)反應(yīng))，影響了水泥土攪拌樁的成樁強(qiáng)度，降低了其地基處理和止水的效果.比如在?？谑小⑽牟泻腿齺喪械鹊氐墓こ探ㄔO(shè)項(xiàng)目中，發(fā)生了許多因這種有機(jī)質(zhì)浸染砂而產(chǎn)生的工程問(wèn)題：水泥土攪拌樁難以現(xiàn)場(chǎng)成樁問(wèn)題、復(fù)合地基失效問(wèn)題等，這不僅僅只是增加了工程建設(shè)的成本，還可能導(dǎo)致工程建設(shè)的延期，進(jìn)而影響該地區(qū)乃至全省經(jīng)濟(jì)及社會(huì)的發(fā)展.

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法是目前最常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法，是部分因子設(shè)計(jì)的主要方法.正交試驗(yàn)以概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用標(biāo)準(zhǔn)化正交表安排試驗(yàn)方案，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，迅速找到最優(yōu)方案，是一種高效處理多因素最優(yōu)問(wèn)題的科學(xué)計(jì)算方法.本文基于正交試驗(yàn)得出了有關(guān)有機(jī)質(zhì)浸染砂配合比的重要結(jié)論并發(fā)現(xiàn)水泥土的強(qiáng)度及其影響因素之間具有一定的分布規(guī)律.

1 正交試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料 根據(jù)試驗(yàn)方案，選取試驗(yàn)用的砂樣、水泥、熟石灰、粉煤灰和石灰石粉等材料，分述如下：

(1)試驗(yàn)采用的海灣相有機(jī)質(zhì)浸染砂砂樣取自文昌市龍樓鎮(zhèn)某國(guó)家級(jí)重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目的一個(gè)基坑中，其工程特性見(jiàn)表1.

(2)水泥選用的是海南市售的PC.32.5和PO.42.5水泥.

(3)熟石灰采用市售的白色粉末狀固體.

(4)粉煤灰選用?？陔姀S(chǎng)的干排粉，為Ⅱ級(jí)磨細(xì)粉.

(5)石灰石粉采用市售的白色粉末狀固體，其成分99%為碳酸鈣.

表1 海灣相有機(jī)質(zhì)浸染砂的工程特性

1.2 影響因素選擇 在原材料已選定的情況下，為了使有機(jī)質(zhì)浸染砂水泥土的強(qiáng)度指標(biāo)滿(mǎn)足要求，在配制水泥土?xí)r需合理選取配合比設(shè)計(jì)中的一些主要參數(shù)，如摻合料種類(lèi)、水泥摻入比、水灰比等.因此研究中以摻合料種類(lèi)、水泥摻入比和水灰比三個(gè)主要因素進(jìn)行研究，每個(gè)因素取三個(gè)水平，試驗(yàn)的指標(biāo)是水泥土試塊28天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

表2 正交試驗(yàn)的因素及水平

1.3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果 目前，海南省市場(chǎng)上常用的水泥為PC.32.5和PO.42.5水泥，故本研究是針對(duì)這兩種常用水泥分別獨(dú)立進(jìn)行正交試驗(yàn).試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的三因素三水平正交試驗(yàn)表L9(34).有機(jī)質(zhì)浸染砂水泥土試塊的尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm.

表3 正交試驗(yàn)表

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果(PC.32.5)

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果(PO.42.5)

2 結(jié)果分析

對(duì)有機(jī)質(zhì)浸染砂水泥土試塊正交試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，以水泥土試塊28 d抗壓強(qiáng)度為考核指標(biāo)，分別采用極差分析法、方差分析法和直觀(guān)圖分析法對(duì)因素作用進(jìn)行分析.通過(guò)計(jì)算，分析結(jié)果見(jiàn)下表.

表6 結(jié)果分析表(PC.32.5)

表7 結(jié)果分析表(PO.42.5)

2.1 極差分析與方差分析 本試驗(yàn)是針對(duì)海南省市場(chǎng)上常用的PC.32.5水泥和PO.42.5水泥進(jìn)行水泥土試塊正交試驗(yàn).由表中極差分析可知，在PC.32.5水泥和PO.42.5水泥兩組正交試驗(yàn)的因素水平變化范圍內(nèi)，摻合料種類(lèi)的極差都是最大，且在PC.32.5水泥正交試驗(yàn)中，摻合料種類(lèi)的極差明顯大于其他兩個(gè)因素的極差.表明摻合料種類(lèi)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)—水泥土試塊28天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最大，摻合料種類(lèi)(因素A)是影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素，其次是水泥摻入比(因素B)和水灰比(因素C).

對(duì)有機(jī)質(zhì)浸染砂正交試驗(yàn)結(jié)果采用方差分析法進(jìn)行分析的結(jié)果見(jiàn)上表，因?yàn)楸驹囼?yàn)所選正交表與自由度的關(guān)系，同時(shí)因素C的影響最小，所以進(jìn)行方差分析時(shí)將因素C作為誤差項(xiàng).由上表可以看出，在PC.32.5水泥和PO.42.5水泥兩組試驗(yàn)中，摻合料種類(lèi)(因素A)是影響水泥土試塊抗壓強(qiáng)度的最主要因素，其F值大于臨界值F0.025(2,2)=39.00，尤其在PC.32.5組試驗(yàn)中，其F值遠(yuǎn)大于臨界值，摻合料種類(lèi)的顯著性水平可達(dá)到97.5%，所以摻合料種類(lèi)對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響是顯著的；兩組試驗(yàn)中，水泥摻入比(因素B)的F值均大于臨界值F0.05(2,2)=19.00且小于臨界值F0.025(2,2)=39.00，這說(shuō)明水泥摻入比對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響具有一定的顯著性；水灰比(因素D)對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響不具有顯著性.

2.2 直觀(guān)圖分析 為了更直觀(guān)地分析摻合料種類(lèi)、水泥摻入比和水灰比各因素對(duì)水泥土試塊強(qiáng)度的影響，本文繪制了正交試驗(yàn)考核指標(biāo)28天平均抗壓強(qiáng)度隨因素水平變化的趨勢(shì)圖，兩組試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致，如下圖所示.由圖可看出，摻合料種類(lèi)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響比較明顯，其中，熟石灰的效果是極為有效的，石灰石粉效果一般，粉煤灰效果不明顯；抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增大而增大，水泥摻入比10%～15%的抗壓強(qiáng)度增幅比15%～20%的較大，PO.42.5水泥比PC.32.5更為明顯；抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大而減小，PC.32.5水泥抗壓強(qiáng)度減少幅度較緩慢、穩(wěn)定，水灰比為0.60～0.75時(shí)，PO.42.5水泥抗壓強(qiáng)度減少幅度較前略有增加.

采用PHB筆型PH計(jì)測(cè)定浸泡砂樣后的蒸餾水溶液呈弱酸性(6.21)，即有機(jī)質(zhì)中的腐殖酸所帶有的羧基、酚基、烴基容易解離，胺基易質(zhì)子化，使得土樣在溶液中能電離出氫離子(H+)，使砂樣呈弱酸性,在摻合料中，熟石灰的堿性最高，石灰石粉次之，粉煤灰最低.熟石灰中的OH-可以中和砂樣中的H+，降低了有機(jī)質(zhì)的存在對(duì)水泥水化作用的影響，使水泥土的強(qiáng)度提高，所以熟石灰的效果最為明顯.水泥摻入比介于10%～20%時(shí)，水泥摻入比越高，水泥與有機(jī)質(zhì)浸染砂之間的作用越充分，水泥土強(qiáng)度越高.水泥土水灰比介于0.45～0.75時(shí)，砂中的含水率隨著水灰比的增大而提高，當(dāng)含水率過(guò)高時(shí)，水泥土中存在多余的未參加水泥水化反應(yīng)的游離水分子填充了水泥土中多余的空隙，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低.

整體看來(lái)，PO.42.5組試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度都比PC.32.5組的高，影響水泥土試塊的主要因素為摻合料種類(lèi)，其次為水泥摻入比，最后為水灰比.由因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)圖可知，水泥土配合比的最優(yōu)組合條件為A1B3C1，也就是摻合料為熟石灰，水泥摻入比20%，水灰比0.45.

3 結(jié) 論

本文基于PC.32.5水泥與PO.42.5水泥，以摻合料種類(lèi)、水泥摻入比、水灰比3個(gè)影響因素各取3個(gè)水平數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以試塊28 d抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)考察指標(biāo)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果采用極差分析法、方差分析法和直觀(guān)圖分析法進(jìn)行分析.從而針對(duì)海南市場(chǎng)上常用的水泥選擇出有機(jī)質(zhì)浸染砂水泥土的最優(yōu)配合比，并分析了各因素之間的主次關(guān)系及各因素適宜的水平.通過(guò)試驗(yàn)研究，主要得出了以下結(jié)論：

(1)正交試驗(yàn)是基于PC.32.5水泥與PO.42.5水泥獨(dú)立進(jìn)行的兩組試驗(yàn)，PO.42.5組試驗(yàn)水泥土強(qiáng)度明顯高于PC.32.5組試驗(yàn)，實(shí)際工程中可結(jié)合材料成本與達(dá)到的加固強(qiáng)度要求，綜合考慮選擇合適的水泥.

(2)對(duì)兩組有機(jī)質(zhì)浸染砂水泥土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，摻合料種類(lèi)都是主要的影響因素，水泥摻入比次之，水灰比影響最小，摻合料最適宜的水平為熟石灰，水泥摻入比為20%，水灰比為0.45.

(3)在正交表中，任兩列的各水平搭配次數(shù)與每列因素在各水平上出現(xiàn)的次數(shù)都一樣，可最大限度地排除各種干擾，保證有效地進(jìn)行因子比較.采用正交試驗(yàn)法可以高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行水泥土的配合比設(shè)計(jì)，此方法可以應(yīng)用于工程實(shí)踐中.

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Design and Research of Mix Ratio for Infected Gulf-phase Organic Sand Based on Orthogonal Test

Wang Qiujian, Wei Hong, Du Juan, Hu Jun

(College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

Infected gulf-phase organic sand exists in southeast coastal area of China and Hainan Island widely, and which affects the engineering construction and economic development of the region seriously, because of its special existence form. In order to obtain the main influence factors about cement soil strength and optimize the different intensity of cement with different mix proportion, in the study, the orthogonal test was used to analyze the mix ratio of infected gulf-phase organic sand and cement soil, and the range analysis, variance analysis, and visual analysis method were used to calculate the experimental data. The results showed that the main influence factors of compressive strength about infected gulf-phase organic sand are the types of admixture, cement mixing ratio and water cement ratio; the order of the factors affecting the compressive strength is as follows: admixture types, cement mixing ratio, and water cement ratio; the effects of mineral admixture on the strength is extremely significantly, cement mixing ratio has significant effects, and the effects of water cement ratio are the smallest. The final optimized selection of cement soil mix ratio about infected gulf-phase organic sand has good reproducibility, and which can be used for practical engineering.

infected gulf-phase organic sand; orthogonal test; cement soil; design of mix proportion; compressive strength

2015-03-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51368017);海南大學(xué)中西部計(jì)劃學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(ZXBJH-XK011)

汪秋建(1991- )，男，安徽舒城人，海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2013級(jí)碩士研究生，E-mail:861353774@qq.com

衛(wèi) 宏(1957- )，男，山西運(yùn)城人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：巖土工程研究，E-mail：wennhong@163.com

1004-1729(2015)03-0271-06

TU 411

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0049