基于正交试验的磷石膏混合土力学性能试验研究.pdf

实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期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、石灰摘要：磷石膏是磷化工行业的副产物，为增加磷石膏的利用途径，采用正交试验设计不同百分含量的磷石膏、水泥、粉煤灰与土混合养护制成混合土试件，通过无侧限抗压强度试验研究其抗压性能。结果表明，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，随着磷石膏含量的增加，混合土无侧限抗压强度前期逐渐增大，后期逐渐减小；混合土无侧限抗压强度随水泥含量的增加而增大，但增大的速率随水泥含量的增加逐渐减小；随着粉煤灰含量的增加，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。影响混合土抗压强度各因素的主次排序为水泥磷石膏粉煤灰，磷石膏、水泥和粉煤灰的含量分别是 25%、25%和 20%时，混合土试件的抗压强度最大，为最优水平含量组合。试件受养护时间的影响较大，而由试验误差引起的试验结果变化不明显。研究成果可为磷石膏用作路基和基层填料提供参考。关键词：磷石膏；混合土；力学性能；正交试验；抗压强度中图分类号院TU449文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤26-0061-05Abstract:Phosphogypsum is a by-product of the phosphorus chemical industry.In order to increase the utilization ofphosphogypsum,orthogonal tests were used to design phosphogypsum,cement,fly ash and soil with different percentage content tomix and maintain them to make mixed soil specimens,and their compressive properties were studied through unconfined compressivestrength tests.The results show that phosphogypsum,cement and fly ash have significant effects on the unconfined compressivestrength of mixed soil.With the increase of phosphogypsum content,the unconfined compressive strength of mixed soil graduallyincreases in the early stage and decreases in the later stage;the unconfined compressive strength of mixed soil increases with theincrease of cement content,but the rate of increase gradually decreases with the increase of cement content;with the increase of flyash content,the unconfined compressive strength of the mixed soil gradually increases in the early stage and decreases in the laterstage,but the trend of increase and decrease is not obvious.The primary and secondary order of factors affecting the compressivestrength of mixed soil is cementphosphogypsumfly ash.When the content of phosphogypsum,cement and fly ash is 25%,25%and20%respectively,the compressive strength of mixed soil specimen is the largest,which is the optimal combination of horizontalcontent.The specimen is greatly affected by the curing time,while the change in test results caused by test errors is not significant.The research results can provide reference for phosphogypsum used as subgrade and base filler.Keywords:phosphogypsum;mixed soil;mechanical properties;orthogonal test;compressive strength基金项目：国家重点研发计划（2018YFC1505405）；枣庄学院博士科研启动基金（1020713）第一作者简介：梁学战（1978-），男，博士，副教授。研究方向为工程结构地质安全与岩土减灾。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.26.01461-2023 年 26 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application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豫，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依3 益和湿度 90豫）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磷石膏的颗粒级配/mm 所占百分比（%）大于 2.0 13.50 0.5 2.0 7.30 0.25 0.5 4.60 0.075 0.25 46.40 小于 0.075 28.10 粉煤灰的颗粒级配/mm 所占百分比（%）大于 2.0 14.70 0.5 2.0 3.10 0.25 0.5 5.60 0.075 0.25 62.70 小于 0.075 13.90 水平组数 磷石膏掺量 水泥掺量 粉煤灰掺量 水平 1 15 10 10 水平 2 25 15 20 水平 3 35 25 30 试验组数 磷石膏掺量 水泥掺量 粉煤灰掺量 试验 1 15 10 10 试验 2 15 15 20 试验 3 15 25 30 试验 4 25 10 30 试验 5 25 15 10 试验 6 25 25 20 试验 7 35 10 20 试验 8 35 15 30 试验 9 35 25 10 试验组数 磷石膏掺量（%）水泥掺量（%）粉煤灰掺量（%）抗压强度/Mpa 7 d 14 d 试验 1 15 10 10 2.20 3.43 试验 2 15 15 20 3.12 4.88 试验 3 15 25 30 3.50 5.38 试验 4 25 10 30 2.77 4.63 试验 5 25 15 10 3.86 5.51 试验 6 25 25 20 4.10 6.18 试验 7 35 10 20 3.05 4.57 试验 8 35 15 30 3.10 5.15 试验 9 35 25 10 3.79 5.59%62-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期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毅左右。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。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。图 2不同磷石膏含量混合土 7d 和 14d 无侧限抗压强度的变化由表 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。表 7不同水泥含量混合土无侧限抗压强度的极差值图 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因素 抗压强度/Mpa 磷石膏掺量（%）7 d 14 d k1 2.94 4.84 15 k2 3.64 5.37 25 k3 3.32 5.07 35 极差值 R1 0.70 0.53 因素 抗压强度/Mpa 水泥掺量（%）7 d 14 d k1 2.68 4.21 10 k2 3.36 5.18 15 k3 3.80 5.71 25 极差值 R2 1.12 1.51 水泥掺量（%）7 d14 d7 d14 d磷石膏掺量（%）63-2023 年 26 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application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。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。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 68 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 8不同粉煤灰含量混合土无侧限抗压强度的极差值图 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因素 抗压强度/Mpa 粉煤灰掺量（%）7 d 14 d k1 3.29 4.84 10 k2 3.43 5.21 20 k3 3.12 5.05 30 R3 0.30 0.16 表 9试验极差分析结果养护时间 主次因素顺序 最优水平组合 7 d 抗压强度 水泥磷石膏粉煤灰 磷石膏 25%，水泥 25%，粉煤灰 20%14 d 抗压强度 水泥磷石膏粉煤灰 磷石膏 25%，水泥 25%，粉煤灰 20%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变异来源 平方和 自由度 均方 F F0.05 F0.01 磷石膏 1.74 2 0.87 29.00 4.10 7.55 水泥 5.28 2 2.64 88.00 粉煤灰 0.23 2 0.12 4.00 区组 13.95 1 13.95 465.00 模型误差 0.28 2 0.14 4.67 4.96 10.01 试验误差 0.25 8 0.03 总和 21.73 17 粉煤灰掺量（%）7 d14 d64-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期预防性加固，但可以通过抑制裂缝开展提高开裂结构的耐久性。参考文献院1 刘金福.服役 20 年预应力混凝土连续梁桥静载试验研究J.桥梁建设，2013，43（5）：75-80.2 任朝辉.预应力混凝土连续梁桥病害分析及体外预应力加固研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.3 XIE J，WANG G L，ZHENG X H.State of arts of long-term deflection for long span prestressed concrete box-girderJ.Journal of Highway and Transportation Research andDevelopment，2007（1）：47-50.4 叶列平，岳清瑞.碳纤维布加固混凝土构件正截面受弯承载力分析J.建筑结构，2001（3）：3-5.5 贺拴海，任伟，赵小星.碳纤维布对具有初应力的钢筋混凝土梁抗剪加固试验J.长安大学学报（自然科学版），2004（1）：34-39.6 李松辉，赵国藩，王松根.CFRP 加固钢筋混凝土整体式板桥的受力性能研究J.哈尔滨工业大学学报，2005（2）：65-69.7 路飞，彭程.碳纤维桥梁加固的试验与研究J.公路，2013（8）：51-55.8 鲍卫刚.预应力混凝土连续梁桥维修与加固技术J.公路，2013（1）：13-18.9 叶列平，庄江波，曾攀，等.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土 T形梁的试验研究J.工业建筑，2005，35（8）：7-12.10 尚守平，彭晖，童桦，等.预应力碳纤维布材加固混凝土受弯构件的抗弯性能研究J.建筑结构学报，2003，24（5）：24-30.11 周迎利.碳纤维布加固纵筋锈蚀混凝土梁正截面抗弯及耐久性研究D.南京：南京航空航天大学，2018.12 中华人民共和国交通运输部.公路桥涵设计通用规范：JTG D602015S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.13 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