二灰碎石最大干容重和最佳含水量的影响因素分析

二灰碎石最大干容重和最佳含水量的影响因素分析 二灰碎石最大干容重和最佳含水量的影响因素分析 摘要：石灰、粉煤灰、细料(粒径小于5mm的集料)是影响二灰碎石最大干容重和最佳含水量的重要因素，本文在做了大量试验的基础上通过正交试验方法分析了最大干容重、最佳含水量与影响因素之间的关系，确定出上述三因素之间的主要响影因素。 关键词：二灰碎石 最大干容重 最佳含水量 影响因素   1　前言 　　击实试验是道路工程基层、底基层混合料试验中最基本的试验之一，通过击实试验确定不同组的强度特性、合、不同配比混合料的最大干容重和最佳含水量，进而对混合料变形特性、路用性能进行分析。 　　最大干容重直接影响工程施工质量控制、工程施工进度、工程造价。最佳含水量的多少直接影响二灰碎石中火山灰反应的进行程度，二灰碎石的强度力学特性、变形性能。混合料含水量越大，孔隙越多，将导致混合料整体强度下降，收缩增大。最大干容重、最佳含水量是基层工程质量的重要影响因素，本文一共做了9种配比，每一种配比做一组平行试验，每组有10个试件了最大干容重、最佳含水量与影响因素的关系，分析，用正交试验方法分析了不同含量的石灰、粉煤灰、细料对最大干容重和最佳含水量的影响程度、确定影响最大干容重、最佳含水量的主要因素，为材料组合和配合比的选择提供依据。 2         原材料性质 2.1　石灰 　　试验用的石灰是扬州产生石灰，有效CaO+MgO含量为81.5%，未消解残渣含量9.7%。 2.2　粉煤灰 　　试验用的粉煤灰是扬州热电厂粉煤灰，其主要化学成分(%)颗粒组成分别列于表1、表2。 粉煤灰的主要化学成分(%)　　　　　　表1 成　分 SiO2 Fe2O3 AL2O3 TiO2 CaO Mg0 TsO3 灼减 含量 55.94 9.49 21.19 0.74 3.75 0.89 0.53 6.42 粉煤灰的颗粒组成(%)　　　　　表2 粒径分布 ＞2mm 2mm～0.074mm 0.074mm～0.002mm ＜0.002mm 含　　量 4.9 68.4 26.6 0.1 　从表1、表2可见，各种氧化物的总含量超过85%，属于典型的硅铝粉煤灰。粉煤灰中小于0.075mm的颗粒含量为26.7%，可见本研究所用的粉煤灰颗粒较粗。 2.3　粗集料、细集料 　　试验所用的集料是扬州产的石灰岩，它们分别俗称为2-4-6(cm)碎石、1-3(cm)碎石、米砂、石屑，它们的筛分结果如表3。 集料的筛分结果　　　　表3 孔径(mm) 通过量% 集料名称 40 30 20 10 5 2 0.5 0.075 2-4-6碎石 100 69.9 9.1 　 　 　 　 　 　 1-3碎石 　 100 95.2 28.7 2.5 　 　 　 　 米砂 　 100 96.5 63.6 15.5 　 　 　 　 石屑 　 　 　 　 100 56.9 39.1 22 3.2 3         试验方法 　　把试验需要考察的结果称为指标，影响试验指标的因素称为因子，因子所处的状态称为水平。影响程度势必对于石灰、粉煤灰、细料三个因素，如果单独考察某一个因素的增加试验量。鉴于此，此项试验采用正交试验方法，即对于各种影响因素安排不同的水平，利用现成的正交表，直接安排试验，这样既可以考察各种因素对强度的影响，又大大减少了试验量，使试验在“质”和“量”上得到保证。 3.1　确定因子和水平 　　由于本试验只考察3个参数：石灰、粉煤灰、细料，对最大干容重和最佳含水量的影响，故而碎石的配合比因子有3个：石灰-A，粉煤灰-B，细料-C。参考现有的各种二灰和集料级配，结合具体情况，本试验拟定因子和水平如表4。 因子水平表　　表4 因子 水平 石灰 (A) 粉煤灰 (B) 细料 (C) 1 3.5% 8% 18% 2 5% 11% 23% 3 6.5% 15% 28% 3.2　选用正交表 　　根据因子水平选择正交表，选择的原则是试验的水平应等于正交表的水平，试验的因子个数应小于或等于正交表的列数。本试验属于三因子三水平试验，应选Lg(34)正交表 3.3　表头设计 　　将因子水平表中的各因素放在正交表适当的列上称为表头设计。由于本试验的因子间无交互作用，故表头设计如下，因素A，B，C分别置于Lg(34)的1、2、3列上，第4列上为空白列。表头设计如表5。 表头设计　表5 列　号 1 2 3 4 因　子 A B C 空 3.4　试验 　　将试验因子和水平依次列入正交表中即构成试验方案。如表6。 试验方案　　　表6 因子 水平 试验号 石灰 (A) 粉煤灰 (B) 细料 (C) W1 1(3.5%) 1(8%) 1(18%) W2 1(3.5%) 2(11%) 2(23%) W3 1(3.5%) 3(15%) 3(28%) W4 2(5%) 1(8%) 2(23%) W5 2(5%) 2(11%) 3(28%) W6 2(5%) 3(15%) 1(18%) W7 3(6.5%) 1(8%) 3(28%) W8 3(6.5%) 2(11%) 1(18%) W9 3(6.5%) 3(15%) 2(23%) 4　试验结果及分析 本次试验严格按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTJ057-94所述方法，对9种配比混合料做重型击实试验，得到混合料的最大干容重Yd和最佳含水量Wo。有关试验方法请参考文献［1］ 4.1　试验结果(见表7) 击实试验结果　　　表7 代号 混合料配比 (石灰:粉煤灰:细料) 碎石 的含 量 (%) 5mm以下 集料的 通过量(%) 最佳 含水量 Wo(%) 最大干容重Yo (g/cm3) W1 3.5:8:18 88.5 20.3 7.0 2.235 W2 3.5:11:23 85.5 27 8.1 2.147 W3 3.5:15:28 81.5 34 9.6 2.089 W4 5:8:23 87 26.4 7.8 2.204 W5 5:11:28 84 33 8.4 2.103 W6 5:15:18 80 22.5 9.2 2.096 W7 6.5:8:28 85.5 32.7 9.1 2.139 W8 6.5:11:18 82.5 21.7 9.0 2.099 W9 6.5:15:23 78.5 29 9.9 2.065 4.2　试验结果分析方法 　　正交试验分析方法有二种：一是直观分析法，二是方差分析法，其中直观分析法比较简单易懂，只要对试验结果作少量计算，通过综合比较，便可得到最佳配比和因素影响程度，但直观分析不能估计试验过程及试验结果测定中必然存在误差的大小，也就是说不能区分某因素各水平所对应的试验结果间的差异究竟是由因素水平不同所引起的，还是试验误差所引起的。而方差分析法正好弥补这个不足，是将因素水平变化所引起的试验结果间的差异与误差波动所引起的试验结果间的差异区分开的一种数学方法。本文采用直观分析方法分析试验结果，并运用方差分析法进行验证，关于二种方法的详细介绍请参考文献［2］，正交试验分析方法计算结果见表8 。 正交试验分析方法计算结果　　　　表8 指标 石灰A 粉煤灰B 细料C 3.5% 5% 6.5% 分析方法 8% 11% 15% 分析方法 18 23 28 分析方法 Ⅰ1 ／3 Ⅱ1 ／3 Ⅲ1 ／3 R Sa Ⅰ2 ／2 Ⅱ2 ／3 Ⅲ2 ／3 R Sb Ⅰ3 ／3 Ⅱ3 ／3 Ⅲ3 ／3 R Sc Yo 2.1 57 2.1 34 2.1 01 0.0 56 0.0 05 2.1 93 2.1 16 2.0 83 0.1 09 0.0 19 2.1 43 2.1 39 2.1 10 0.0 33 0.0 02 Wo 8.2 33 8.4 67 9.3 33 1.1 2.0 16 7.9 67 8.5 9.5 67 1.6 3.9 82 8.4 8.6 9.0 33 0.6 33 0.6 29 　　基中R为直观分析法中的极差，描述试验点分散幅度的量。R值越大，表明试验点分散幅度越大。其分散程度的极差也大，那么，该因素对指标影响程度就大，对三个因素A，B，C中R值最大的因素为主要因素。结合正交表表6、表8。 　Ij：　　　　为第“J”列“1”水平所对应的数据之和； 　　IIj：　　　为第“J”列“2”水平所对应的数据之和； 　　IIIj ：　　为第“J”列“3”水平所对应的数据之和； 　　S：　　　　为因素变动平方和，较大者为主要影响因素。 4.2.1　最大干容重与因素的关系 　　通过绘制的最大干容重与因素关系图图1 、图2、图3(Y轴为右侧坐标轴)，可以发现，随着石灰、粉煤灰、细料的增加，最大干容重呈下降趋势，但表现各异。最大干容重与石灰用量近似线性关系；随着粉煤灰的用量的增加，最大干容重直线下降，且下降幅度较大；随着细料的增加，最大干容重也呈下降趋势，下降幅度并不大。尤其当含量由18%增至23%时，下降幅度最小，每个百分含量为0.00008g/cm3，当从23%至28%，下降为0.0058g/cm3，从下降幅度看，粉煤灰是影响最大干容重的主要因素。产生上述现象的原因是：首先，由于在整个混合料的组成中，石灰，粉煤灰的密度小于细料的密度，细料密度又小于碎石的密度，它们含量的增加势必会造成混合料中其它组分的减少进而影响最大干容重。石灰、粉煤灰二者的密度相差不大，混合料中粉煤灰与石灰所占的比例为2:1至3:1，粉煤灰在“量”上要大于石灰的。故粉煤灰对最大干容重的影响要大于石灰对最大干容重的影响，从图中也可以发现，图2的曲线要比图1中的曲线下降趋势明显。对于细料由于它的密度大于石灰、粉煤灰而小于碎石，故细料含量的变化对最大干容重有影响但不如石灰、粉煤灰含量变化的影响大。对于整个混合料来说，5mm以上的碎石形成骨架，而石灰、粉煤灰起“填充”作用，当细料含量由18%至23%时，曲线近似水平，说明此时细料也用于填充，而当细料含量由23%至28%时，曲线变化明显，说明混合料的骨架作用被破坏，混合料中5mm以上颗粒被5mm以下颗粒代替，进而影响混合料的最大干容重。由此可见粉煤灰是影响最大干容重的主要因素。通过级差计算(见表8)因素B的级差0.109，而因素A的R值为0.056，C的R值为0.033，三个因素对最大干容重影响程度大小依次为粉煤灰大于石灰，石灰又大于细料。其中粉煤灰为主要影响因素。同时，方差分析方法也证明了粉煤灰是影响最大干容重的主要因素。 4.2.2　最佳含水量与因素的关系 　　通过绘制含水量与因素关系图，可以发现，随着石灰用量的增加，含水量在3.5%～5%的范围内变化较小，在5%～6.5%范围内变化较大，含水量与粉煤灰用量近似线性关系；当细料由18%增至23%时，含水量基本未变，由23%增至28%时，含水量增加幅度稍大，为什么会出现上述现象呢?从混合料的组成来看，石灰、粉煤灰的颗粒组成较细，比表面积较大，容易吸收水分，故从图中可以看到图1 、图2中曲线的斜率要比图3中的大。粉煤灰是亲水性材料，持水率较高，极易吸收把持水分，工地上粉煤灰含水量可达30%以上，从文献［3、4］中粉煤灰的击实试验可以看出，含水量与干容重的关系曲线比较平缓，说明适宜压实所需的含水量范围幅度大。随着石灰、粉煤灰，细料用量每增加一个百分含量，含水量变化的幅度分别为0.367，0.228，0.063。根据这3个数据，同时石灰的比表面积要比粉煤灰的大，从这个角度来说，石灰是影响混合料含水量的主要因素，然而从二灰碎石混合料整体角度来说，粉煤灰是影响混合料含水量的主要因素，因为石灰的比表面积虽然比粉煤灰的大，但二者相差并不明显，在混合料中粉煤灰所占的比例要远大于石灰，二者的比例通常为1:2或1:3。，由于石灰，粉煤灰的比表面积要远远大于细料的比表面积，所以细料含量的微小变化对含水量的影响并不如石灰、粉煤灰明显。当细料的含量由18%增至23%时，对含水量基本没什么影响，说明此范围内混合料所含水量基本被石灰粉煤灰所消耗，当细料由23%增至28%时，含水量增加幅度很大，细料成为“多余的细料”，势必要吸收水分。通过级差计算(见表8)，因子A的R值为1.1，因子B的R值为1.6，因子C的R值为0.633。三因子对最佳含水量的影响程度大小依次为粉煤灰大于石灰，石灰又大于细料，即粉煤灰为主要影响因素，同时方差分析也证明了粉煤灰是影响最佳含水的主要因素。 5　结论 　　通过上述分析可以得出以下结论： 　　(1)从指标(最大干容重、最佳含水量)与影响因素(石灰、粉煤灰、细料)的关系图1、图2、图3来看，随着影响因素含量的增加，最大干容重减小，最佳含水量增大，两个指标变化幅度随因素而异。 　　(2)从二灰碎石混合料整体角度来看，粉煤灰是二灰碎石最大干容重、最佳含水量的主要影响因素；从相同的因素含量变化来看，石灰是二灰碎石最大干容重、最佳含水量的主要影响因素。 　　(3)从二灰碎石混合料整体角度来看，石灰、粉煤灰细料对最大干容重、最佳含水量的影响程度依次为粉煤灰最大、石灰次之，细料最小。 　　(4)从对最大干容重、最佳含水量的影响因素分析、实际混合料的拌和、击实试验来看，三因素适宜的范围：石灰为4%～5.5%、粉煤灰为9%～13%、细料为20%～25%。 (5)很多研究表明二灰碎石混合料 含水量越大，则混合料孔隙越多，将导致混合料整体强度下降，收缩增大，使二灰碎石半刚性基层裂缝增多，而混合料中的石灰、粉煤灰是影响二灰碎石混合料最佳含水量的重要因素，故在施工中应严格把握好石灰、粉煤灰的用量，控制混合料的最佳含水量。