二灰碎石含水量影響管理論文

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摘要：石灰、粉煤灰、細料(粒徑小于5mm的集料)是影響二灰碎石最大干容重和最佳含水量的重要因素，本文在做了大量試驗的基礎上通過正交試驗方法分析了最大干容重、最佳含水量與影響因素之間的關系，確定出上述三因素之間的主要響影因素。

關鍵詞：二灰碎石最大干容重最佳含水量影響因素

1前言

擊實試驗是道路工程基層、底基層混合料試驗中最基本的試驗之一，通過擊實試驗確定不同組的強度特性、合、不同配比混合料的最大干容重和最佳含水量，進而對混合料變形特性、路用性能進行分析。

最大干容重直接影響工程施工質量控制、工程施工進度、工程造價。最佳含水量的多少直接影響二灰碎石中火山灰反應的進行程度，二灰碎石的強度力學特性、變形性能。混合料含水量越大，孔隙越多，將導致混合料整體強度下降，收縮增大。最大干容重、最佳含水量是基層工程質量的重要影響因素，本文一共做了9種配比，每一種配比做一組平行試驗，每組有10個試件了最大干容重、最佳含水量與影響因素的關系，分析，用正交試驗方法分析了不同含量的石灰、粉煤灰、細料對最大干容重和最佳含水量的影響程度、確定影響最大干容重、最佳含水量的主要因素，為材料組合和配合比的選擇提供依據。

2原材料性質

2.1石灰

試驗用的石灰是揚州產生石灰，有效CaO+MgO含量為81.5%，未消解殘渣含量9.7%。

2.2粉煤灰

試驗用的粉煤灰是揚州熱電廠粉煤灰，其主要化學成分(%)顆粒組成分別列于表1、表2。

粉煤灰的主要化學成分(%)表1

成分

SiO2

Fe2O3

AL2O3

TiO2

CaO

Mg0

TsO3

灼減

含量

55.94

9.49

21.19

0.74

3.75

0.89

0.53

6.42

粉煤灰的顆粒組成(%)表2

粒徑分布

＞2mm

2mm～0.074mm

0.074mm～0.002mm

＜0.002mm

含量

4.9

68.4

26.6

0.1

從表1、表2可見，各種氧化物的總含量超過85%，屬于典型的硅鋁粉煤灰。粉煤灰中小于0.075mm的顆粒含量為26.7%，可見本研究所用的粉煤灰顆粒較粗。

2.3粗集料、細集料

試驗所用的集料是揚州產的石灰巖，它們分別俗稱為2-4-6(cm)碎石、1-3(cm)碎石、米砂、石屑，它們的篩分結果如表3。

集料的篩分結果表3

孔徑(mm)

通過量%

集料名稱

40

30

20

10

5

2

1

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試驗方法

把試驗需要考察的結果稱為指標，影響試驗指標的因素稱為因子，因子所處的狀態稱為水平。影響程度勢必對于石灰、粉煤灰、細料三個因素，如果單獨考察某一個因素的增加試驗量。鑒于此，此項試驗采用正交試驗方法，即對于各種影響因素安排不同的水平，利用現成的正交表，直接安排試驗計劃，這樣既可以考察各種因素對強度的影響，又大大減少了試驗量，使試驗在“質”和“量”上得到保證。

3.1確定因子和水平

由于本試驗只考察3個參數：石灰、粉煤灰、細料，對最大干容重和最佳含水量的影響，故而碎石的配合比因子有3個：石灰-A，粉煤灰-B，細料-C。參考現有的各種二灰和集料級配，結合具體情況，本試驗擬定因子和水平如表4。

因子水平表表4

因子

水平

石灰

(A)

粉煤灰

(B)

細料

(C)

1

3.5%

8%

18%

2

5%

11%

23%

3

6.5%

15%

28%

3.2選用正交表

根據因子水平選擇正交表，選擇的原則是試驗的水平應等于正交表的水平，試驗的因子個數應小于或等于正交表的列數。本試驗屬于三因子三水平試驗，應選Lg(34)正交表

3.3表頭設計

將因子水平表中的各因素放在正交表適當的列上稱為表頭設計。由于本試驗的因子間無交互作用，故表頭設計如下，因素A，B，C分別置于Lg(34)的1、2、3列上，第4列上為空白列。表頭設計如表5。

表頭設計表5

列號

1

2

3

4

因子

A

B

C

空

3.4試驗方案

將試驗因子和水平依次列入正交表中即構成試驗方案。如表6。

試驗方案表6

因子

水平

試驗號

石灰

(A)

粉煤灰

(B)

細料

(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試驗結果及分析

本次試驗嚴格按《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》JTJ057-94所述方法，對9種配比混合料做重型擊實試驗，得到混合料的最大干容重Yd和最佳含水量Wo。有關試驗方法請參考文獻［1］

4.1試驗結果(見表7)

擊實試驗結果表7

代號

混合料配比

(石灰:粉煤灰:細料)

碎石

的含

量

(%)

5mm以下

集料的

通過量(%)

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試驗結果分析方法

正交試驗分析方法有二種：一是直觀分析法，二是方差分析法，其中直觀分析法比較簡單易懂，只要對試驗結果作少量計算，通過綜合比較，便可得到最佳配比和因素影響程度，但直觀分析不能估計試驗過程及試驗結果測定中必然存在誤差的大小，也就是說不能區分某因素各水平所對應的試驗結果間的差異究竟是由因素水平不同所引起的，還是試驗誤差所引起的。而方差分析法正好彌補這個不足，是將因素水平變化所引起的試驗結果間的差異與誤差波動所引起的試驗結果間的差異區分開的一種數學方法。本文采用直觀分析方法分析試驗結果，并運用方差分析法進行驗證，關于二種方法的詳細介紹請參考文獻［2］，正交試驗分析方法計算結果見表8。

正交試驗分析方法計算結果表8

指標

石灰A

粉煤灰B

細料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為直觀分析法中的極差，描述試驗點分散幅度的量。R值越大，表明試驗點分散幅度越大。其分散程度的極差也大，那么，該因素對指標影響程度就大，對三個因素A，B，C中R值最大的因素為主要因素。結合正交表表6、表8。

Ij：為第“J”列“1”水平所對應的數據之和；

IIj：為第“J”列“2”水平所對應的數據之和；

IIIj：為第“J”列“3”水平所對應的數據之和；

S：為因素變動平方和，較大者為主要影響因素。

4.2.1最大干容重與因素的關系

通過繪制的最大干容重與因素關系圖圖1、圖2、圖3(Y軸為右側坐標軸)，可以發現，隨著石灰、粉煤灰、細料的增加，最大干容重呈下降趨勢，但表現各異。最大干容重與石灰用量近似線性關系；隨著粉煤灰的用量的增加，最大干容重直線下降，且下降幅度較大；隨著細料的增加，最大干容重也呈下降趨勢，下降幅度并不大。尤其當含量由18%增至23%時，下降幅度最小，每個百分含量為0.00008g/cm3，當從23%至28%，下降為0.0058g/cm3，從下降幅度看，粉煤灰是影響最大干容重的主要因素。產生上述現象的原因是：首先，由于在整個混合料的組成中，石灰，粉煤灰的密度小于細料的密度，細料密度又小于碎石的密度，它們含量的增加勢必會造成混合料中其它組分的減少進而影響最大干容重。石灰、粉煤灰二者的密度相差不大，混合料中粉煤灰與石灰所占的比例為2:1至3:1，粉煤灰在“量”上要大于石灰的。故粉煤灰對最大干容重的影響要大于石灰對最大干容重的影響，從圖中也可以發現，圖2的曲線要比圖1中的曲線下降趨勢明顯。對于細料由于它的密度大于石灰、粉煤灰而小于碎石，故細料含量的變化對最大干容重有影響但不如石灰、粉煤灰含量變化的影響大。對于整個混合料來說，5mm以上的碎石形成骨架，而石灰、粉煤灰起“填充”作用，當細料含量由18%至23%時，曲線近似水平，說明此時細料也用于填充，而當細料含量由23%至28%時，曲線變化明顯，說明混合料的骨架作用被破壞，混合料中5mm以上顆粒被5mm以下顆粒代替，進而影響混合料的最大干容重。由此可見粉煤灰是影響最大干容重的主要因素。通過級差計算(見表8)因素B的級差0.109，而因素A的R值為0.056，C的R值為0.033，三個因素對最大干容重影響程度大小依次為粉煤灰大于石灰，石灰又大于細料。其中粉煤灰為主要影響因素。同時，方差分析方法也證明了粉煤灰是影響最大干容重的主要因素。

4.2.2最佳含水量與因素的關系

通過繪制含水量與因素關系圖，可以發現，隨著石灰用量的增加，含水量在3.5%～5%的范圍內變化較小，在5%～6.5%范圍內變化較大，含水量與粉煤灰用量近似線性關系；當細料由18%增至23%時，含水量基本未變，由23%增至28%時，含水量增加幅度稍大，為什么會出現上述現象呢?從混合料的組成來看，石灰、粉煤灰的顆粒組成較細，比表面積較大，容易吸收水分，故從圖中可以看到圖1、圖2中曲線的斜率要比圖3中的大。粉煤灰是親水性材料，持水率較高，極易吸收把持水分，工地上粉煤灰含水量可達30%以上，從文獻［3、4］中粉煤灰的擊實試驗可以看出，含水量與干容重的關系曲線比較平緩，說明適宜壓實所需的含水量范圍幅度大。隨著石灰、粉煤灰，細料用量每增加一個百分含量，含水量變化的幅度分別為0.367，0.228，0.063。根據這3個數據，同時石灰的比表面積要比粉煤灰的大，從這個角度來說，石灰是影響混合料含水量的主要因素，然而從二灰碎石混合料整體角度來說，粉煤灰是影響混合料含水量的主要因素，因為石灰的比表面積雖然比粉煤灰的大，但二者相差并不明顯，在混合料中粉煤灰所占的比例要遠大于石灰，二者的比例通常為1:2或1:3。，由于石灰，粉煤灰的比表面積要遠遠大于細料的比表面積，所以細料含量的微小變化對含水量的影響并不如石灰、粉煤灰明顯。當細料的含量由18%增至23%時，對含水量基本沒什么影響，說明此范圍內混合料所含水量基本被石灰粉煤灰所消耗，當細料由23%增至28%時，含水量增加幅度很大，細料成為“多余的細料”，勢必要吸收水分。通過級差計算(見表8)，因子A的R值為1.1，因子B的R值為1.6，因子C的R值為0.633。三因子對最佳含水量的影響程度大小依次為粉煤灰大于石灰，石灰又大于細料，即粉煤灰為主要影響因素，同時方差分析也證明了粉煤灰是影響最佳含水的主要因素。

5結論

通過上述分析可以得出以下結論：

(1)從指標(最大干容重、最佳含水量)與影響因素(石灰、粉煤灰、細料)的關系圖1、圖2、圖3來看，隨著影響因素含量的增加，最大干容重減小，最佳含水量增大，兩個指標變化幅度隨因素而異。

(2)從二灰碎石混合料整體角度來看，粉煤灰是二灰碎石最大干容重、最佳含水量的主要影響因素；從相同的因素含量變化來看，石灰是二灰碎石最大干容重、最佳含水量的主要影響因素。

(3)從二灰碎石混合料整體角度來看，石灰、粉煤灰細料對最大干容重、最佳含水量的影響程度依次為粉煤灰最大、石灰次之，細料最小。

(4)從對最大干容重、最佳含水量的影響因素分析、實際混合料的拌和、擊實試驗來看，三因素適宜的范圍：石灰為4%～5.5%、粉煤灰為9%～13%、細料為20%～25%。

(5)很多研究表明二灰碎石混合料含水量越大，則混合料孔隙越多，將導致混合料整體強度下降，收縮增大，使二灰碎石半剛性基層裂縫增多，而混合料中的石灰、粉煤灰是影響二灰碎石混合料最佳含水量的重要因素，故在施工中應嚴格把握好石灰、粉煤灰的用量，控制混合料的最佳含水量。