基于正交試驗的磷石膏混合土力學性能試驗研究

梁學戰，陳洪凱，劉 彬

（1.棗莊學院 城市與建筑工程學院，山東 棗莊 277160；2.棗莊市地質創面修復與鄉村振興重點實驗室，山東 棗莊 277160）

磷石膏是磷化工行業副產物，近幾年產量一直保持高速增長態勢，目前全世界磷石膏堆存量已高達60億t，我國的磷石膏產量迄今為止也達到了4 億t 以上。作為工業廢料，大量的磷石膏堆放成了一個重要的問題[1]，降雨對磷石膏的沖刷，也會造成嚴重的環境污染[2]。因此，加快磷石膏固廢資源再利用，拓寬其利用途徑，成為目前急需解決的問題[3-4]。

修建道路時，路基和基層需要大量的土體混合材料，磷石膏作為工業副產物，與土體混合后用于道路建設，既提高了磷石膏的利用率，也可以解決磷石膏存放和影響生態污染的問題，變廢為寶[5-8]。目前，將磷石膏作為路基材料的研究和報道尚不多見，Golian M 等[9]研究發現利用磷石膏作為道路建設材料時，在磷石膏-粉煤灰粘合劑的混合物中使用磷石膏，可以同時滿足物理化學和巖土參數。陳秋雨等[10]研究了不同摻量的磷石膏、粉煤灰、石灰及水泥混合土試塊與在不同齡期的無側限抗壓強度，發現在生土材料中摻入磷石膏、粉煤灰和石灰后抗壓強度變化較大。徐澤友等[11]研究了改良磷石膏與碎石混合的物理力學性能，為磷石膏用作路基填料提供了理論依據。本文把不同百分含量的磷石膏、水泥、粉煤灰與土混合養護后，用正交試驗法研究其抗壓性能，研究結果可為磷石膏用作路基填料提供參考。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

磷石膏主要由CaSO4·2H2O、SiO2、SO3、CaO 及可溶性和不溶性雜質組成，一般呈粉末狀，顏色為灰白、灰黃色。試驗中的磷石膏的含水率為14.85%，級配見表1。

表1 磷石膏的顆粒級配

其按土的分類標準，屬于細砂。

粉煤灰的顆粒級配見表2。

表2 粉煤灰的顆粒級配

其按土的分類標準，屬于細砂。其中，水泥為采用普通硅酸鹽水泥；水為常用自來水（水與固體顆粒的質量比為0.4）；土為一般黏土，其含水率為5.13%。

1.2 試驗方案

磷石膏混合土的力學性能主要通過正交試驗設計，在正交試驗中，用正交表可以分析多因素問題。正交試驗即可以降低試驗的次數和工作量，也可以分析不同影像因素對試驗的影響。采用正交試驗設計，把不同百分含量的磷石膏、水泥、粉煤灰、土與水混合養護后，進行無側限抗壓強度試驗。試驗中有磷石膏、水泥、粉煤灰3 個因素，每種因素有三級摻量水平，共9 組試驗，見表3、表4。表中磷石膏、水泥與粉煤灰的百分含量為該因素質量與土質量的比值。

表3 正交試驗因素和水平分級%

表4 正交試驗表%

為使混合土材料充分接觸，把土、粉煤灰和磷石膏用2 mm 的篩進行篩分，篩分后用小于2 mm 的土、粉煤灰和磷石膏按設計好的配合比與水泥混合，加入水（按設計好的水固比）后，手動攪拌混合土5 min 后倒入模具。為消除混合土中的氣泡，將模具放在振動臺上搖動4 min，靜置24 h 后，在標準條件下（氣溫20±3 ℃和濕度90%）分別養護7 d 和14 d 后量測試樣的無側限抗壓強度。每組試驗，制作6 個試件，3 個試件用來量測混合土養護7 d 的抗壓強度，3 個試件用來量測混合土養護14 d 的抗壓強度，取3 個試件的均值為該水平的無側限抗壓強度值。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

2.1.1 正交試驗結果

不同因素、不同水平試件在不同養護標準下的無側限抗壓強度見表5。

表5 不同配比混合土無側限抗壓強度

2.1.2 試樣破壞形態結果

在混凝土的無側限抗壓強度試驗中，試件破壞時主要出現錐形和劈裂2 種破壞形態，而混合土無側限抗壓強度試驗的破壞主要是錐形形態，如圖1 所示。

圖1 混合土錐形破壞形態

從圖1 破壞試件可以看出，試件破壞時散落較多的細顆粒，混合土試件的水平面與破裂面的夾角為45°左右。主要原因是試樣中由于粉煤灰的含量較大，過量的粉煤灰與其他混合物不反應，從而留在混合土內部，降低了混合土的黏結力，使混合土的抗壓強度減小。

2.2 試驗分析

2.2.1 極差分析

極差分析可以通過計算磷石膏、水泥、粉煤灰等因素綜合平均值的極差值來區分3 個因素的主次關系，而且能找出影響混合土抗壓強度各因素的最優水平和最優組合。

磷石膏含量變化對混合土無側限抗壓強度的影響分析。磷石膏摻量因素影響下的混合土7 d 和14 d 無側限抗壓強度在同一水平下的平均值及計算出的極差見表6，隨磷石膏含量的增加混合土7 d 和14 d 無側限抗壓強度的變化如圖2 所示。

圖2 不同磷石膏含量混合土7 d 和14 d 無側限抗壓強度的變化

表6 不同磷石膏含量混合土無側限抗壓強度的極差值

由表6 和圖2 可知，隨磷石膏含量的增加混合土7 d 和14 d 的無側限抗壓強度均是先增大后減小。主要原因是混合土不同材料進行混合后磷石膏與水泥發生反應，形成的膠凝材料會提高混合土的抗壓強度；而且，混合土混合后水泥水化形成的水合鋁酸鈣與磷石膏中的硫酸根離子發生反應，生成鈣礬石，鈣礬石在混合土中起到填充空隙的作用，增強了混合土中各材料的反應，此時，隨著磷石膏含量的增加混合土的無側限抗壓強度增大；但當磷石膏的含量超過一定值時，混合土的抗壓強度會降低，主要原因是混合土中水泥含量較少，未與水泥發生反應的磷石膏不能有剩余，因為剩余磷石膏對其他材料間的反應有阻礙作用，會降低混合土中摻料間的黏結力。

由表6 和圖2 可以看出，養護時間對混合土的無側限抗壓強度的影響較大，磷石膏含量為15%時，混合土14 d 比7 d 抗壓強度高1.65 倍，含量25%時高1.48倍，含量35%時高1.53 倍。主要原因是磷石膏中有二水石膏，與水泥混合后對水泥起到緩凝的作用，混合土中摻入磷石膏造成混合土的前期強度較低，而當養護時間變長時，混合土中各材料間的反應愈加充分，超過磷石膏對水泥的緩凝作用，混合土的抗壓強度增大。

水泥含量變化對混合土無側限抗壓強度的影響分析。水泥摻量因素影響下的混合土7 d 和14 d 無側限抗壓強度在同一水平下的平均值及計算出的極差見表7。隨水泥含量的增加混合土7 d 和14 d 無側限抗壓強度的變化如圖3 所示。

圖3 不同水泥含量混合土7 d 和14 d 無側限抗壓強度的變化

表7 不同水泥含量混合土無側限抗壓強度的極差值

由表7 和圖3 可知，混合土的無側限抗壓強度隨水泥含量的增加而增大，但增大的速率隨混凝土含量的增加逐漸變緩。主要原因是水泥占混合土的比例相對較小，材料混合時與磷石膏、粉煤灰及水都能發生反應形成硬度較大的膠凝材料。而隨著養護時間的增長，水泥與材料間反應更充分，抗壓強度提高。

粉煤灰含量變化對混合土無側限抗壓強度的影響分析。不同粉煤灰含量的混合土7 d 和14 d 無側限抗壓強度在的平均值及計算出的極差見表8。混合土7 d和14 d 無側限抗壓強度隨粉煤灰摻量增加的變化如圖3 所示。

表8 不同粉煤灰含量混合土無側限抗壓強度的極差值

由表8 和圖4 可知，隨粉煤灰含量的增加，混合土無側限抗壓強度前期逐漸增大，后期逐漸減小，但增大和減小的趨勢不明顯。主要原因是粉煤灰的水化作用和水泥水化產生的氫氧化鈣激發了粉煤灰的活性，提高了混合土的強度；而且粉煤灰的顆粒很細，在混合土中摻加一定量的粉煤灰可以充填混合土中的空隙，使混合土更加密實，強度提高。但粉煤灰的含量超過一定值時，由于水泥含量較少，多余的粉煤灰的活性不能被激發；而且如果混合土空隙間有多余的粉煤灰，多余的粉煤灰使混合土的黏結力下降，從而降低了混合土的抗壓強度。

圖4 不同粉煤灰含量混合土7 d 和14 d 無側限抗壓強度的變化

由表8 和圖4 可以看出，隨著養護時間延長，混合土的無側限抗壓強度粉煤灰含量為10%時提高了47.11%，含量20%時提高了51.90%，含量30%時提高了61.86%。說明延長養護時間可以極大提高混合土的抗壓性能。

極差分析。極差（R 值）的意義是磷石膏、水泥和粉煤灰在取值范圍內的變化引起的抗壓強度變化的幅度。根據表6—8 中極差的大小和不同因素、不同摻量水平混合土無側限抗壓強度的大小，得到影響混合土7d 和14 d 無側限抗壓強度的主次因素和無側限抗壓強度各因素的最優水平組合見表9。

表9 試驗極差分析結果

2.2.2 方差分析

極差分析簡單易懂，但極差分析無法準確區分影響混合土無側限抗壓強度主要是試驗條件還是試驗誤差。而方差分析可以通過計算F 值和F 檢測，可以清晰看出試驗結果主要受哪種因素變化的影響。無側限抗壓強度方差分析結果見表10。

表10 試驗方差分析結果

由表10 可以看出，磷石膏、水泥和粉煤灰3 因素的F 值均大于檢測值Fa，說明磷石膏、水泥和粉煤灰3個因素對混合土無側限抗壓強度的影響都比較顯著。3 因素的F 值中，水泥>磷石膏>粉煤灰，說明3 個因素的影響程度為水泥>磷石膏>粉煤灰。區組間的差距較大，說明混合土無側限抗壓強度受試件養護時間的影響較大，和極差分析結果一致，而由試驗誤差引起的試驗結果的變化不顯著。

3 結論

為了拓寬磷石膏的利用途徑，采用正交試驗設計方式，把不同配比的磷石膏、水泥、粉煤灰、土與水混合成型養護，通過無側限抗壓強度試驗研究其抗壓性能，得到結論如下。

磷石膏、水泥、粉煤灰百分含量的變化影響混合土的無側限抗壓強度，但影響程度不同。隨磷石膏含量的增加混合土7 d 和14 d 的無側限抗壓強度均是先增大后減小；混合土7 d 和14 d 的無側限抗壓強度隨水泥含量的增加而增大，但增大的速率隨著混凝土含量的增加逐漸變緩；隨粉煤灰含量增加，混合土7 d 和14 d的無側限抗壓強度先增大后減小，但增大和減小的趨勢不明顯。

通過極差分析，得出影響混合土7 d 和14 d 無側限抗壓強度各因素的主次排序均為水泥>磷石膏>粉煤灰，混合土中磷石膏含量25%、水泥含量25%和粉煤灰含量20%時，混合土試件的抗壓強度最大，為影響混合土7 d 和14 d 無側限抗壓強度各因素的最優水平組合。

通過方差分析，得出磷石膏、水泥和粉煤灰3 個因素對混合土無側限抗壓強度的影響都比較顯著，混合土無側限抗壓強度受試件養護時間的影響較大，而由試驗誤差引起的試驗結果的變化不明顯。