基于正交试验的有机质浸染砂配合比的设计与研究

汪秋建，卫 宏，杜 娟，胡 俊

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)



基于正交试验的有机质浸染砂配合比的设计与研究

汪秋建，卫 宏，杜 娟，胡 俊

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

海湾相有机质浸染砂普遍存在于我国东南部沿海地区以及海南岛，由于其特殊的存在形式，严重影响了该区域的工程建设与经济发展.因此，为了找出影响水泥土强度的主要因素和优选出不同强度的水泥土配合比，本研究利用正交试验设计有机质浸染砂-水泥土配合比进行了试验与研究,同时采用极差分析、方差分析与直观分析方法对试验数据进行了计算和整理,结果表明：有机质浸染砂-水泥土抗压强度的主要影响因素有掺合料种类、水泥掺入比和水灰比等；影响抗压强度的各因素主次顺序为：掺合料种类→水泥掺入比→水灰比；掺合料种类对强度的影响特别显著，水泥掺入比对其亦有显著影响，而水灰比则仅有一定的影响，最终经优化选取的有机质浸染砂-水泥土配合比具有良好的复现性，可供实际工程使用.

海湾相有机质浸染砂； 正交试验； 水泥土； 配合比设计； 抗压强度

国内外已对有机质土有了较多的研究，也均取得一定的成果[1-6]，但对有机质浸染砂的研究还很少.有机质浸染砂中的有机质主要来源是海岸带自然植被及动物的残体(或分泌物)，这些动植物残体的细胞死亡后分解生成的腐殖物质经游离基随机缩合或聚合而形成有机质颗粒，或者动植物残体经过微生物的作用，在微生物的代谢过程中形成有机质颗粒释放到砂土中，经过雨水和地下水的作用，渗透到地层深处，并经过漫长的岁月，在海洋和陆地交替影响下，逐渐吸附于砂颗粒的表面，然后浸入砂颗粒的孔隙中，并与砂中的矿物质等在漫长的岁月中发生了复杂的物理、化学和生物反应，最终形成了特殊的海湾相有机质浸染砂.

通过现场调研发现，海湾相有机质浸染砂普遍存在于我国的东南部和海南岛海湾地区，但是有机质浸染砂的存在影响了我国东南部地区和海南岛海湾地区的工程建设与资源开发，阻碍了该地区经济发展.由于在滨海地区，海洋和陆地交替影响，地质情况非常复杂，尤其是海湾地区的土层中因常常富含有机质(有机质的存在不利水泥的水化反应和水泥与软土之间的物理化学反应)，影响了水泥土搅拌桩的成桩强度，降低了其地基处理和止水的效果.比如在海口市、文昌市和三亚市等地的工程建设项目中，发生了许多因这种有机质浸染砂而产生的工程问题：水泥土搅拌桩难以现场成桩问题、复合地基失效问题等，这不仅仅只是增加了工程建设的成本，还可能导致工程建设的延期，进而影响该地区乃至全省经济及社会的发展.

正交试验设计和分析方法是目前最常用的试验设计和分析方法，是部分因子设计的主要方法.正交试验以概率论、数理统计和实践经验为基础，利用标准化正交表安排试验方案，并对试验结果进行计算分析，迅速找到最优方案，是一种高效处理多因素最优问题的科学计算方法.本文基于正交试验得出了有关有机质浸染砂配合比的重要结论并发现水泥土的强度及其影响因素之间具有一定的分布规律.

1 正交试验研究

1.1 试验材料 根据试验方案，选取试验用的砂样、水泥、熟石灰、粉煤灰和石灰石粉等材料，分述如下：

(1)试验采用的海湾相有机质浸染砂砂样取自文昌市龙楼镇某国家级重点工程建设项目的一个基坑中，其工程特性见表1.

(2)水泥选用的是海南市售的PC.32.5和PO.42.5水泥.

(3)熟石灰采用市售的白色粉末状固体.

(4)粉煤灰选用海口电厂的干排粉，为Ⅱ级磨细粉.

(5)石灰石粉采用市售的白色粉末状固体，其成分99%为碳酸钙.

表1 海湾相有机质浸染砂的工程特性

1.2 影响因素选择 在原材料已选定的情况下，为了使有机质浸染砂水泥土的强度指标满足要求，在配制水泥土时需合理选取配合比设计中的一些主要参数，如掺合料种类、水泥掺入比、水灰比等.因此研究中以掺合料种类、水泥掺入比和水灰比三个主要因素进行研究，每个因素取三个水平，试验的指标是水泥土试块28天无侧限抗压强度.

表2 正交试验的因素及水平

1.3 正交试验方案及结果 目前，海南省市场上常用的水泥为PC.32.5和PO.42.5水泥，故本研究是针对这两种常用水泥分别独立进行正交试验.试验采用标准的三因素三水平正交试验表L9(34).有机质浸染砂水泥土试块的尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm.

表3 正交试验表

表4 正交试验结果(PC.32.5)

表5 正交试验结果(PO.42.5)

2 结果分析

对有机质浸染砂水泥土试块正交试验的试验结果，以水泥土试块28 d抗压强度为考核指标，分别采用极差分析法、方差分析法和直观图分析法对因素作用进行分析.通过计算，分析结果见下表.

表6 结果分析表(PC.32.5)

表7 结果分析表(PO.42.5)

2.1 极差分析与方差分析 本试验是针对海南省市场上常用的PC.32.5水泥和PO.42.5水泥进行水泥土试块正交试验.由表中极差分析可知，在PC.32.5水泥和PO.42.5水泥两组正交试验的因素水平变化范围内，掺合料种类的极差都是最大，且在PC.32.5水泥正交试验中，掺合料种类的极差明显大于其他两个因素的极差.表明掺合料种类对试验指标—水泥土试块28天无侧限抗压强度的影响最大，掺合料种类(因素A)是影响试验指标的主要因素，其次是水泥掺入比(因素B)和水灰比(因素C).

对有机质浸染砂正交试验结果采用方差分析法进行分析的结果见上表，因为本试验所选正交表与自由度的关系，同时因素C的影响最小，所以进行方差分析时将因素C作为误差项.由上表可以看出，在PC.32.5水泥和PO.42.5水泥两组试验中，掺合料种类(因素A)是影响水泥土试块抗压强度的最主要因素，其F值大于临界值F0.025(2,2)=39.00，尤其在PC.32.5组试验中，其F值远大于临界值，掺合料种类的显著性水平可达到97.5%，所以掺合料种类对水泥土抗压强度的影响是显著的；两组试验中，水泥掺入比(因素B)的F值均大于临界值F0.05(2,2)=19.00且小于临界值F0.025(2,2)=39.00，这说明水泥掺入比对水泥土抗压强度的影响具有一定的显著性；水灰比(因素D)对水泥土抗压强度的影响不具有显著性.

2.2 直观图分析 为了更直观地分析掺合料种类、水泥掺入比和水灰比各因素对水泥土试块强度的影响，本文绘制了正交试验考核指标28天平均抗压强度随因素水平变化的趋势图，两组试验结果趋势基本一致，如下图所示.由图可看出，掺合料种类对试验指标的影响比较明显，其中，熟石灰的效果是极为有效的，石灰石粉效果一般，粉煤灰效果不明显；抗压强度随着水泥掺入比的增大而增大，水泥掺入比10%～15%的抗压强度增幅比15%～20%的较大，PO.42.5水泥比PC.32.5更为明显；抗压强度随水灰比的增大而减小，PC.32.5水泥抗压强度减少幅度较缓慢、稳定，水灰比为0.60～0.75时，PO.42.5水泥抗压强度减少幅度较前略有增加.

采用PHB笔型PH计测定浸泡砂样后的蒸馏水溶液呈弱酸性(6.21)，即有机质中的腐殖酸所带有的羧基、酚基、烃基容易解离，胺基易质子化，使得土样在溶液中能电离出氢离子(H+)，使砂样呈弱酸性,在掺合料中，熟石灰的碱性最高，石灰石粉次之，粉煤灰最低.熟石灰中的OH-可以中和砂样中的H+，降低了有机质的存在对水泥水化作用的影响，使水泥土的强度提高，所以熟石灰的效果最为明显.水泥掺入比介于10%～20%时，水泥掺入比越高，水泥与有机质浸染砂之间的作用越充分，水泥土强度越高.水泥土水灰比介于0.45～0.75时，砂中的含水率随着水灰比的增大而提高，当含水率过高时，水泥土中存在多余的未参加水泥水化反应的游离水分子填充了水泥土中多余的空隙，导致抗压强度降低.

整体看来，PO.42.5组试验抗压强度都比PC.32.5组的高，影响水泥土试块的主要因素为掺合料种类，其次为水泥掺入比，最后为水灰比.由因素对抗压强度的影响趋势图可知，水泥土配合比的最优组合条件为A1B3C1，也就是掺合料为熟石灰，水泥掺入比20%，水灰比0.45.

3 结 论

本文基于PC.32.5水泥与PO.42.5水泥，以掺合料种类、水泥掺入比、水灰比3个影响因素各取3个水平数进行正交试验设计，以试块28 d抗压强度为试验目标考察指标，并对试验结果采用极差分析法、方差分析法和直观图分析法进行分析.从而针对海南市场上常用的水泥选择出有机质浸染砂水泥土的最优配合比，并分析了各因素之间的主次关系及各因素适宜的水平.通过试验研究，主要得出了以下结论：

(1)正交试验是基于PC.32.5水泥与PO.42.5水泥独立进行的两组试验，PO.42.5组试验水泥土强度明显高于PC.32.5组试验，实际工程中可结合材料成本与达到的加固强度要求，综合考虑选择合适的水泥.

(2)对两组有机质浸染砂水泥土28 d无侧限抗压强度来说，掺合料种类都是主要的影响因素，水泥掺入比次之，水灰比影响最小，掺合料最适宜的水平为熟石灰，水泥掺入比为20%，水灰比为0.45.

(3)在正交表中，任两列的各水平搭配次数与每列因素在各水平上出现的次数都一样，可最大限度地排除各种干扰，保证有效地进行因子比较.采用正交试验法可以高效、准确地进行水泥土的配合比设计，此方法可以应用于工程实践中.

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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

国家自然科学基金项目(51368017);海南大学中西部计划学科建设项目(ZXBJH-XK011)

汪秋建(1991- )，男，安徽舒城人，海南大学土木建筑工程学院2013级硕士研究生，E-mail:861353774@qq.com

卫 宏(1957- )，男，山西运城人，教授，硕士生导师，研究方向：岩土工程研究，E-mail：wennhong@163.com

1004-1729(2015)03-0271-06

TU 411

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