基于正交试验的钢渣黏土击实特性试验研究

潘峰 郭鸥 陈开镇 蓝天助

为了研究钢渣黏土的击实特性，文章以防城港某钢铁厂生产的钢渣和某一级公路施工现场的土体为试验原材料，综合钢渣和黏土的工程特性，考虑钢渣相对掺入量、陈化时间、钢渣粒径作为因子，选用4因数3水平的正交表L9（34）进行试验设计，用重型击实仪对设计的9种配比的钢渣黏土进行击实试验，并以常用的极差分析法和方差分析法对各影响因子进行了探讨。研究表明：对击实特性的影响因子按影响程度依次为钢渣相对掺入量、钢渣粒径、陈化时间，且钢渣相对掺入量及钢渣粒径对钢渣黏土的击实特性的影响是显著的，而钢渣陈化时间对其影响不显著。

钢渣黏土;正交试验;击实试验;影响因素

U416.2A140435

0 引言

钢渣是钢铁冶炼过程产生的功能性副产品，其数量大致为钢铁产量的12%～20%[1]。目前我国在钢渣方面的利用率还不到30%，大部分钢渣被随意丢弃，造成资源浪费和环境污染[2]。所以，为了提高钢铁废渣的利用率，对其加大研究力度，寻找合理的钢渣固体废弃物利用方法已刻不容缓。

国内外对钢渣的利用做了大量的研究工作，相关研究显示，钢渣的强度、压碎值、磨光值等物理力学性质良好[3-4]，在公路建设方面具有巨大的潜在利用价值。但目前的研究多数是关于纯钢渣方面的利用[5]，对钢渣掺土方面的研究较少，若将钢渣黏土应用于道路建设中，也将产生较大的经济效益。

本文以钢渣的掺入比例、钢渣陈化时间及钢渣粒径范围为影响因子，研究了钢渣黏土各影响因子在不同水平下的最佳含水量及最大干密度变化规律，并运用极差分析法和方差分析法对各因子对目标参数的影响作了进一步的研究，为钢渣黏土的利用提供参考。

1 试验方案

1.1 试验原材料

1.1.1 钢渣

试验的钢渣采用防城港某钢铁厂生产的存放3个月、9个月和15个月的钢渣，其化学成分见下页表1，主要成分为CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5。该钢渣的碱度>1，为碱性钢渣，活性较大，f-CaO含量如表1所示。《钢渣石灰类道路基层施工及验收规范》

CJJ35-90[6]要求回填用钢渣的f-CaO含量应≤3%，试验所用的钢渣的f-CaO含量满足规范要求。

试验选用粒径范围分别为0～2.36 mm、0～4.5 mm、0～9.5 mm的钢渣以考察不同级配对钢渣黏土击实特性的影响，其级配曲线如图1所示。从钢渣材料的颗粒组成来看，该钢渣属于粗类土。

1.1.2 黏土

土样取自防城港某一级公路的施工现场，取样深度为0.2～0.6 m。其基本物理指标为：土粒比重为2.67，液限为37.9，塑限为18.3，塑性指数为17.7。对黏土进行击实试验可得最优含水量与最大干密度分别为14.7%、1.92 g/cm3。根据《土工试验标准》（JTG E40-2007）[7]，该土体可以归为低液限黏土，土体以细粒为主，其级配组成如表2所示。

1.2 试验方案

为了研究钢渣黏土的击实影响因素，结合钢渣和黏土的特点，选取钢渣掺入比例、陈化时间、钢渣最大粒径作为因子，各影響因素对应的水平数为3。钢渣掺入比例（因素A）水平数为30%、50%、70%;钢渣陈化时间（因素B）水平数为3 个月时间、9个月时间、15个月时间;钢渣粒径（因素C）水平数为0～2.36 mm、0～4.75 mm、0～9.5 mm。常规试验需要进行27组试验，为了减少试验数量，可采取正交试验。根据各因数及水平数的特点，选用4因数3水平的正交表L9（34），其正交表见表3。

试验过程：取足量的钢渣和黏土，黏土过2.36 mm筛，钢渣根据其粒径范围过筛。在击实试验开始前，先预估钢渣黏土的最佳含水量。根据钢渣及黏土的特性，估算得钢渣黏土的最佳含水量一般在7%～17%范围之间，钢渣黏土试样的含水量设置为7%、9%、11%、13%、15%、17%，依照相应含水量掺水搅拌。按规范要求进行闷料后，选用重型击实仪，用三层击实方法击实，击实试验参数见表4，即可得到9组钢渣黏土的最大干密度与最佳含水量。

2 试验结果与分析

2.1 最大干密度与最优含水量

9种配比的钢渣黏土最大干密度ρmax和最佳含水量ωopt试验结果见表5。其中，最大干密度ρmax为1.826～2.176 5 g·cm-3，最佳含水量ωopt为15.14%～18.966% 。当试验所用钢渣粒径范围为0～9.5 cm，陈化时间为3个月，钢渣相对掺入量为70%时，其ρmax达到最大值2.176 5 g·cm-3，对应的ωopt数值为16.926%。当试验所用的钢渣粒径范围为0～2.36 cm，陈化时间为3个月，钢渣相对掺入量为30%时，其ρmax最小值为1.826 g·cm-3，对应的ωopt数值为15.358%。

2.2 极差分析

基于正交试验，可以讨论多种因素多个水平对目标参数的影响。极差是指单个影响因子的不同水平下对应的均值的最大数值与最小数值的差值。通过极差分析，可以获得影响目标参数的主次关系，若该值大，该因子不同水平的变化会对目标参数值造成较大的变化，则这个因子对目标参数的影响较大，反之亦然。在极差分析中，当只选定一个因子，而忽略其他因子对目标值的影响时，可以考虑单个因子对目标参数的影响[8-9]，进而讨论目标参数值随单个因素水平变化的影响规律。钢渣黏土击实试验的极差分析数值如表6所示。由表6可知，三个因子中对钢渣黏土最大干密度ρmax的影响排序为：钢渣相对掺入量>钢渣粒径>钢渣陈化时间;对最佳含水量ωopt的影响排序为：钢渣相对掺入量>钢渣粒径>钢渣陈化时间。

2.2.1 钢渣相对掺入量对钢渣黏土最大干密度及最佳含水量的影响

钢渣黏土最大干密度ρmax与最佳含水量ωopt随钢渣相对掺入量变化的关系如下页图2～3所示。由图2～3可知，钢渣黏土随着钢渣相对掺入量的增加，钢渣黏土的ρmax值和ωopt值都有大幅度的增长。当钢渣相对掺入量从30%增大到70%时，其ρmax数值增加了0.203 g·cm-3，ωopt值增加了2.521%，可见钢渣相对掺入量对钢渣黏土最大干密度与最佳含水量影响较大。

2.2.2 陈化时间对钢渣黏土最大干密度及最佳含水量的影响

钢渣黏土最大干密度ρmax与最佳含水量ωopt随钢渣陈化时间变化的关系如图4～5所示。由图4～5可知，钢渣黏土随着所掺入的钢渣陈化时间的增加，其ρmax数值变化较小，ωopt值略有增加。其原因可能是随着陈化时间的增大，钢渣的化学成分和物理力学性质略有变化，从而影响钢渣黏土的击实特性。

2.2.3 鋼渣粒径对钢渣黏土最大干密度及最佳含水量的影响

钢渣黏土最大干密度ρmax与最佳含水量ωopt随钢渣粒径变化的关系如图6～7所示。由图6～7可知，钢渣黏土随着所掺入的钢渣粒径的增大，其ρmax值增大，ωopt值减小。钢渣相对掺入量从30%增大到70%时，ρmax值增加了0.132 g·cm-3，ωopt值减小了1.645%，可见钢渣粒径对钢渣黏土最大干密度与最佳含水量的影响较大。

2.3 方差分析

在本次试验中引起钢渣黏土最大干密

度和最佳含水量数值波动的因素有钢渣相

对掺入量的不同水平、钢渣陈化时间的不同水平、钢渣粒径的不同水平及随机误差。为了定量分析各因子对钢渣黏土最大干密度和最佳含水量的影响，分别计算不同因子的偏差平方和，且将不同因子的偏差平方和视为相互独立的，则每一因子的平方和只反映了除误差外该因子效应间的差异。在方差分析中，引入均方和，即平方和与自由度的比值，构造统计量F。该统计量通常为各因子的均方和与误差均方和的比值，并设定显著性水平a，从而判断该因素作用的显著性[10]。

本次方差计算结果如表7所示，设显著性水平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计算结果可知，钢渣相对掺入量及钢渣粒径对钢渣黏土最大干密度在显著性水平0.05和0.1上是显著的，钢渣陈化时间不显著;钢渣相对掺入量对钢渣黏土最佳含水量在显著性水平0.05和0.1上是显著的，钢渣粒径在显著性水平为0.1上是显著的，钢渣陈化时间不显著。此结果与极差分析结论基本吻合。

3 结语

综合钢渣、黏土的特性，以钢渣相对掺入量、钢渣陈化时间、钢渣粒径范围为影响因子， 以L9（34）为正交表设计9组钢渣黏土配合比，对钢渣黏土进行击实试验。通过试验，可得结论如下：

（1）击实试验研究显示，钢渣相对掺入量、钢渣陈化时间、钢渣粒径范围都会影响钢渣黏土的最大干密度和最佳含水量。对9种配比的钢渣黏土进行击实试验后，其最大干密度为1.826～2.176 5 g·cm-3，最佳含水量为15.14%～18.966%。

（2）极差分析显示，各影响因子对钢渣黏土最大干密度和最佳含水量的影响排序为：钢渣相对掺入量>钢渣粒径>钢渣陈化时间。

（3）通过方差分析，钢渣相对掺入量及钢渣粒径对钢渣黏土最大干密度和最佳含水量的影响是显著的，而钢渣陈化时间对其影响不显著。

[1]俞海明，王 强.钢渣处理与综合利用[M].北京：冶金工业出版社，2015.

[2]赵计辉，阎培渝.钢渣的体积安定性问题及稳定化处理的国内研究进展[J].硅酸盐通报，2017，36（2）：477-484.

[3]甘万贵.武钢钢渣用作沥青混凝土集料研究[J].武钢技术，2006（5）：55-58.

[4]胡谋鹏. 钢渣工程特性及钢渣路堤模型膨胀变形研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[5]乐金朝，乐旭东.钢渣稳定土的试验性能分析[J].中外公路，2011，31（4）：228-232.

[6]CJJ 35-90，钢渣石灰类道路基层施工及验收规范[S].

[7]JTG E40-2007， 公路土工试验规程[S].

[8]李保华.基于正交试验的石灰钢渣稳定土击实特性研究[J].路基工程，2018（4）：80-84.

[9]蔡 鑫，张小旺，李新明.掺钢渣稳定土的击实性能试验研究[J].路基工程，2017（2）：71-74.

[10]茆诗松，周纪芗，陈 颖.试验设计（第二版）[M].北京：中国统计出版社，2012.