基于正交試驗的鋼渣黏土擊實特性試驗研究

潘峰 郭鷗 陳開鎮 藍天助

為了研究鋼渣黏土的擊實特性，文章以防城港某鋼鐵廠生產的鋼渣和某一級公路施工現場的土體為試驗原材料，綜合鋼渣和黏土的工程特性，考慮鋼渣相對摻入量、陳化時間、鋼渣粒徑作為因子，選用4因數3水平的正交表L9（34）進行試驗設計，用重型擊實儀對設計的9種配比的鋼渣黏土進行擊實試驗，并以常用的極差分析法和方差分析法對各影響因子進行了探討。研究表明：對擊實特性的影響因子按影響程度依次為鋼渣相對摻入量、鋼渣粒徑、陳化時間，且鋼渣相對摻入量及鋼渣粒徑對鋼渣黏土的擊實特性的影響是顯著的，而鋼渣陳化時間對其影響不顯著。

鋼渣黏土;正交試驗;擊實試驗;影響因素

U416.2A140435

0?引言

鋼渣是鋼鐵冶煉過程產生的功能性副產品，其數量大致為鋼鐵產量的12%～20%[1]。目前我國在鋼渣方面的利用率還不到30%，大部分鋼渣被隨意丟棄，造成資源浪費和環境污染[2]。所以，為了提高鋼鐵廢渣的利用率，對其加大研究力度，尋找合理的鋼渣固體廢棄物利用方法已刻不容緩。

國內外對鋼渣的利用做了大量的研究工作，相關研究顯示，鋼渣的強度、壓碎值、磨光值等物理力學性質良好[3-4]，在公路建設方面具有巨大的潛在利用價值。但目前的研究多數是關于純鋼渣方面的利用[5]，對鋼渣摻土方面的研究較少，若將鋼渣黏土應用于道路建設中，也將產生較大的經濟效益。

本文以鋼渣的摻入比例、鋼渣陳化時間及鋼渣粒徑范圍為影響因子，研究了鋼渣黏土各影響因子在不同水平下的最佳含水量及最大干密度變化規律，并運用極差分析法和方差分析法對各因子對目標參數的影響作了進一步的研究，為鋼渣黏土的利用提供參考。

1?試驗方案

1.1?試驗原材料

1.1.1?鋼渣

試驗的鋼渣采用防城港某鋼鐵廠生產的存放3個月、9個月和15個月的鋼渣，其化學成分見下頁表1，主要成分為CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5。該鋼渣的堿度>1，為堿性鋼渣，活性較大，f-CaO含量如表1所示?！朵撛翌惖缆坊鶎邮┕ぜ膀炇找幏丁?/p>

CJJ35-90[6]要求回填用鋼渣的f-CaO含量應≤3%，試驗所用的鋼渣的f-CaO含量滿足規范要求。

試驗選用粒徑范圍分別為0～2.36 mm、0～4.5 mm、0～9.5 mm的鋼渣以考察不同級配對鋼渣黏土擊實特性的影響，其級配曲線如圖1所示。從鋼渣材料的顆粒組成來看，該鋼渣屬于粗類土。

1.1.2?黏土

土樣取自防城港某一級公路的施工現場，取樣深度為0.2～0.6 m。其基本物理指標為：土粒比重為2.67，液限為37.9，塑限為18.3，塑性指數為17.7。對黏土進行擊實試驗可得最優含水量與最大干密度分別為14.7%、1.92 g/cm3。根據《土工試驗標準》（JTG E40-2007）[7]，該土體可以歸為低液限黏土，土體以細粒為主，其級配組成如表2所示。

1.2?試驗方案

為了研究鋼渣黏土的擊實影響因素，結合鋼渣和黏土的特點，選取鋼渣摻入比例、陳化時間、鋼渣最大粒徑作為因子，各影響因素對應的水平數為3。鋼渣摻入比例（因素A）水平數為30%、50%、70%;鋼渣陳化時間（因素B）水平數為3 個月時間、9個月時間、15個月時間;鋼渣粒徑（因素C）水平數為0～2.36 mm、0～4.75 mm、0～9.5 mm。常規試驗需要進行27組試驗，為了減少試驗數量，可采取正交試驗。根據各因數及水平數的特點，選用4因數3水平的正交表L9（34），其正交表見表3。

試驗過程：取足量的鋼渣和黏土，黏土過2.36 mm篩，鋼渣根據其粒徑范圍過篩。在擊實試驗開始前，先預估鋼渣黏土的最佳含水量。根據鋼渣及黏土的特性，估算得鋼渣黏土的最佳含水量一般在7%～17%范圍之間，鋼渣黏土試樣的含水量設置為7%、9%、11%、13%、15%、17%，依照相應含水量摻水攪拌。按規范要求進行悶料后，選用重型擊實儀，用三層擊實方法擊實，擊實試驗參數見表4，即可得到9組鋼渣黏土的最大干密度與最佳含水量。

2?試驗結果與分析

2.1?最大干密度與最優含水量

9種配比的鋼渣黏土最大干密度ρmax和最佳含水量ωopt試驗結果見表5。其中，最大干密度ρmax為1.826～2.176 5 g·cm-3，最佳含水量ωopt為15.14%～18.966% 。當試驗所用鋼渣粒徑范圍為0～9.5 cm，陳化時間為3個月，鋼渣相對摻入量為70%時，其ρmax達到最大值2.176 5 g·cm-3，對應的ωopt數值為16.926%。當試驗所用的鋼渣粒徑范圍為0～2.36 cm，陳化時間為3個月，鋼渣相對摻入量為30%時，其ρmax最小值為1.826 g·cm-3，對應的ωopt數值為15.358%。

2.2?極差分析

基于正交試驗，可以討論多種因素多個水平對目標參數的影響。極差是指單個影響因子的不同水平下對應的均值的最大數值與最小數值的差值。通過極差分析，可以獲得影響目標參數的主次關系，若該值大，該因子不同水平的變化會對目標參數值造成較大的變化，則這個因子對目標參數的影響較大，反之亦然。在極差分析中，當只選定一個因子，而忽略其他因子對目標值的影響時，可以考慮單個因子對目標參數的影響[8-9]，進而討論目標參數值隨單個因素水平變化的影響規律。鋼渣黏土擊實試驗的極差分析數值如表6所示。由表6可知，三個因子中對鋼渣黏土最大干密度ρmax的影響排序為：鋼渣相對摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化時間;對最佳含水量ωopt的影響排序為：鋼渣相對摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化時間。

2.2.1?鋼渣相對摻入量對鋼渣黏土最大干密度及最佳含水量的影響

鋼渣黏土最大干密度ρmax與最佳含水量ωopt隨鋼渣相對摻入量變化的關系如下頁圖2～3所示。由圖2～3可知，鋼渣黏土隨著鋼渣相對摻入量的增加，鋼渣黏土的ρmax值和ωopt值都有大幅度的增長。當鋼渣相對摻入量從30%增大到70%時，其ρmax數值增加了0.203 g·cm-3，ωopt值增加了2.521%，可見鋼渣相對摻入量對鋼渣黏土最大干密度與最佳含水量影響較大。

2.2.2?陳化時間對鋼渣黏土最大干密度及最佳含水量的影響

鋼渣黏土最大干密度ρmax與最佳含水量ωopt隨鋼渣陳化時間變化的關系如圖4～5所示。由圖4～5可知，鋼渣黏土隨著所摻入的鋼渣陳化時間的增加，其ρmax數值變化較小，ωopt值略有增加。其原因可能是隨著陳化時間的增大，鋼渣的化學成分和物理力學性質略有變化，從而影響鋼渣黏土的擊實特性。

2.2.3?鋼渣粒徑對鋼渣黏土最大干密度及最佳含水量的影響

鋼渣黏土最大干密度ρmax與最佳含水量ωopt隨鋼渣粒徑變化的關系如圖6～7所示。由圖6～7可知，鋼渣黏土隨著所摻入的鋼渣粒徑的增大，其ρmax值增大，ωopt值減小。鋼渣相對摻入量從30%增大到70%時，ρmax值增加了0.132 g·cm-3，ωopt值減小了1.645%，可見鋼渣粒徑對鋼渣黏土最大干密度與最佳含水量的影響較大。

2.3?方差分析

在本次試驗中引起鋼渣黏土最大干密

度和最佳含水量數值波動的因素有鋼渣相

對摻入量的不同水平、鋼渣陳化時間的不同水平、鋼渣粒徑的不同水平及隨機誤差。為了定量分析各因子對鋼渣黏土最大干密度和最佳含水量的影響，分別計算不同因子的偏差平方和，且將不同因子的偏差平方和視為相互獨立的，則每一因子的平方和只反映了除誤差外該因子效應間的差異。在方差分析中，引入均方和，即平方和與自由度的比值，構造統計量F。該統計量通常為各因子的均方和與誤差均方和的比值，并設定顯著性水平a，從而判斷該因素作用的顯著性[10]。

本次方差計算結果如表7所示，設顯著性水平a=0.1，0.05，0.01，查表得：F0.01（2，2）=98.5，F0.05（2，2）=19.0，F0.1（2，2）=9.0。由表7計算結果可知，鋼渣相對摻入量及鋼渣粒徑對鋼渣黏土最大干密度在顯著性水平0.05和0.1上是顯著的，鋼渣陳化時間不顯著;鋼渣相對摻入量對鋼渣黏土最佳含水量在顯著性水平0.05和0.1上是顯著的，鋼渣粒徑在顯著性水平為0.1上是顯著的，鋼渣陳化時間不顯著。此結果與極差分析結論基本吻合。

3?結語

綜合鋼渣、黏土的特性，以鋼渣相對摻入量、鋼渣陳化時間、鋼渣粒徑范圍為影響因子， 以L9（34）為正交表設計9組鋼渣黏土配合比，對鋼渣黏土進行擊實試驗。通過試驗，可得結論如下：

（1）擊實試驗研究顯示，鋼渣相對摻入量、鋼渣陳化時間、鋼渣粒徑范圍都會影響鋼渣黏土的最大干密度和最佳含水量。對9種配比的鋼渣黏土進行擊實試驗后，其最大干密度為1.826～2.176 5 g·cm-3，最佳含水量為15.14%～18.966%。

（2）極差分析顯示，各影響因子對鋼渣黏土最大干密度和最佳含水量的影響排序為：鋼渣相對摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化時間。

（3）通過方差分析，鋼渣相對摻入量及鋼渣粒徑對鋼渣黏土最大干密度和最佳含水量的影響是顯著的，而鋼渣陳化時間對其影響不顯著。

[1]俞海明，王?強.鋼渣處理與綜合利用[M].北京：冶金工業出版社，2015.

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[7]JTG E40-2007， 公路土工試驗規程[S].

[8]李保華.基于正交試驗的石灰鋼渣穩定土擊實特性研究[J].路基工程，2018（4）：80-84.

[9]蔡?鑫，張小旺，李新明.摻鋼渣穩定土的擊實性能試驗研究[J].路基工程，2017（2）：71-74.

[10]茆詩松，周紀薌，陳?穎.試驗設計（第二版）[M].北京：中國統計出版社，2012.