基于正交设计的钢渣黏土承载比试验研究

郭鸥， 张红日， 蓝天助*， 李晓明

(1.防城港交通运输局， 广西 防城港 538000； 2.广西交通科学研究院有限公司， 广西 南宁 530000)

钢铁产业在中国经济发展中起着重要的作用。近几年，由于经济发展的需要，中国钢产量逐年增加，而在冶炼钢铁过程中，会产生一定的钢渣，其数量为钢铁产量的12%～20%[1]，对钢渣的处理，目前大部分采用露天堆放，造成了资源浪费和环境污染[2]，所以，寻找合理的钢渣固体废弃物利用方法成为当今的热点议题之一。

近年来，中国道路工程飞速发展，对道路材料的需求越来越大，如果将钢渣应用于道路工程建设，不仅可以提高钢铁废渣的利用率，同时还能节省道路建设的材料费，对此，国内外在这方面已做了不少研究工作，但目前的研究多数是关于纯钢渣回填及钢渣替代碎石制作钢渣混凝土等方面的利用[3]，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。

CBR值是评估公路路基填料的潜在强度的重要指标[4-5]，该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，研究钢渣黏土各影响因子在不同水平下的击实特性及CBR值变化规律，探讨浸水对钢渣黏土CBR值的影响，为钢渣黏土在道路工程中的应用提供参考。

1 试验方案设计

1.1 试验原材料

1.1.1 钢渣

试验钢渣采用存放了3、9和15个月的转炉钢渣，其化学成分如表1所示。

表1 陈化3、9、15个月钢渣主要化学成分

该钢渣f-CaO含量分别为2.86%、1.79%、1.25%，CJJ 35—1990《钢渣石灰类道路基层施工及验收规范》[6]要求回填用钢渣的f-CaO含量不应大于3%，试验所用钢渣的f-CaO含量满足规范要求。

不同陈化时间的转炉钢渣，其物理力学特性略有差异，表2为0～9.5 mm粒径不同陈化时间钢渣的基本物理力学指标，钢渣具有坚固性良好，密度较大、易吸水等特点。

表2 钢渣的物理指标

为了考察不同级配对钢渣黏土击实及CBR特性的影响，试验选用钢渣的粒径范围为0～2.36、0～4.5、0～9.5 mm，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。

图1 试验用钢渣颗粒级配曲线

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：土粒相对密度为2.67，液限37.9%，塑限18.3%，塑性指数17.7。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，其级配组成见表3。

表3 土的颗粒级配

1.2 试验方法

1.2.1 试验方案设计

为了研究钢渣黏土的承载比特性影响因素，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，各影响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、9、15个月，钢渣粒径(因素C)水平数为0～2.36、0～4.75、0～9.5 mm，常规试验需要进行33=27组试验，为了减少试验数量，可采取正交试验[8]。根据各因素及水平数的特点，选用4因素3水平的正交表L9(34)，试验因素与水平如表4所示。

表4 钢渣黏土正交试验因素水平

1.2.2 具体试验过程

(1) 击实试验

取足量的黏土和钢渣集料，在105 ℃下烘干，烘干后，根据钢渣掺量及粒径要求过筛，黏土过2 mm筛。在击实试验开始前，先预估各配比试样最佳含水量，根据钢渣及黏土的特性，估算得钢渣黏土的最佳含水量为7%～17%。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，选用重型击实进行击实试验，获得9种配合比的掺钢渣稳定土的最大干密度与最优含水率。

(2) CBR试验

取足量的钢渣和黏土，按各自最佳含水率进行配料，拌和均匀以后进行闷料12 h，采用重型击实仪，按3层击实法，每层96次进行击实，击实完成后，不浸水条件下的CBR试验则将试样置于强度仪升降台面，进行贯入度试验，开始时施加45 N预加载后，读取测力计和测量贯入深度的百分表的初始读数。然后以1～1.25 mm/min的速率贯入试样，同时记录测力计读数和相应的贯入深度读数，当贯入量达到5 mm试验结束。浸水条件下的CBR试验则需要将击实后的试件置于加4块荷载板的多孔板上，再将其放置在水槽中浸泡96 h后按上述步骤进行贯入度试验。

2 试验结果与分析

2.1 击实试验结果

钢渣黏土击实试验结果见表5。由表5可得：① 忽略其他影响因素，单从钢渣掺入比例来看，转炉钢渣掺入量从30%增大到70%时，其最大干密度增加了0.203 g/cm3，随着钢渣掺入量比例的增加，掺陈化转炉钢渣黏土的最大干密度增大；② 考虑钢渣粒径范围对钢渣黏土最大干密度影响时，钢渣最大粒径由2.36 cm增加到9.5 cm，其击实后的最大干密度增加了0.132 g/cm3，干密度随钢渣粒径的增大而增大；③ 钢渣陈化龄期对钢渣黏土的最大干密度影响较小，不同陈化时间的钢渣掺入黏土进行击实试验，其最大干密度波动值为0.012 g/cm3，相对钢渣掺入比例和钢渣粒径范围对钢渣黏土击实后的最大干密度影响较小。所以对于掺入了陈化转炉渣的钢渣黏土的最大干密度，其影响程度为：钢渣相对掺入量>钢渣粒径>钢渣陈化龄期。

表5 钢渣黏土击实试验结果

由表5可知：影响掺陈化转炉钢渣黏土击实特性的参数主要为钢渣掺量和钢渣粒径范围，钢渣陈化龄期对击实结果影响较小。

2.2 CBR正交试验结果分析

2.2.1 极差分析

9种配比的钢渣黏土浸水与不浸水条件下的CBR值见表6，不浸水条件下CBR值为37.2%～107%，浸水条件下CBR值为18%～93%，不同配比条件下的CBR值波动较大。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，其未浸水和浸水条件下的CBR值达到最大值，分别为107%、93%。当试验所用的钢渣粒径范围为0～2.36 mm，陈化时间为3个月，钢渣相对掺入量为30%时，其未浸水和浸水条件下的CBR值达到最小值，分别为37.2%、18%。

表6 钢渣黏土CBR值正交试验结果

通过极差分析，可以获得影响钢渣黏土CBR值的主次关系，极差值越大，该因素对钢渣黏土CBR值的影响就大，反之亦然。3个因素中对掺陈化转炉钢渣黏土浸水与未浸水条件下的CBR值的影响排序为：钢渣相对掺入量>钢渣粒径>钢渣陈化时间。

2.2.2 方差分析

正交试验中引起钢渣黏土CBR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CBR值的影响，用F统计量检验各因子的显著性。方差计算结果如表7所示。设显著性水平α=0.1，0.05，0.01，查表得[9]：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：陈化转炉钢渣相对掺入量对钢渣黏土浸水与不浸水的CBR值的影响在显著性水平0.01上是显著的，陈化转炉钢渣的粒径对钢渣黏土浸水与不浸水的CBR值的影响在显著性水平0.1上是显著的，转炉钢渣的陈化时间对钢渣黏土的CBR值的影响不显著。

表7 钢渣黏土CBR值方差分析结果

2.3 浸水对钢渣黏土CBR值影响分析

为了预测钢渣黏土路基填料在最恶劣情况下的CBR值及水稳定性，根据JTG E40—2007《公路土工试验规程》的规定，室内CBR试验在其试件成型后的浸水时间为96 h，使试件接近饱和，再进行贯入度试验。CBR试验的试件在浸水96 h后，其饱和度可达75%～95%[10]。为了表征钢渣黏土浸水前后CBR值的变化，现定义无量纲的量K如下：

K=浸水后CBR值/未浸水CBR值

(1)

2.3.1 极差分析

通过极差分析，可以获得影响掺陈化转炉钢渣黏土K值的主次关系如表8所示。3个因子中对掺陈化转炉钢渣黏土K值的影响排序为：钢渣相对掺入量>钢渣粒径>钢渣陈化时间。

表8 K值正交极差分析结果

2.3.2 各因素对K值的影响分析

由表8可知：

(1) 随着钢渣掺入比例的增加，K值逐渐增大，且钢渣掺入比例为30%～50%的K变化幅度比掺入比例为50%～70%区间大，说明随着陈化转炉钢渣掺入比例的增加，浸水条件对钢渣黏土的CBR值影响减小，钢渣黏土的水稳定性越好。

(2) 钢渣陈化龄期和钢渣最大粒径对掺陈化转炉钢渣黏土的K值影响较小。

3 结论

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CBR试验，得到以下结论：

(1) 击实试验研究显示，转炉钢渣相对掺入量、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，各因子对击实特性的影响排序为：钢渣相对掺入量>钢渣粒径>钢渣陈化时间。

(2) 极差分析显示：转炉钢渣相对掺入量、钢渣陈化时间、钢渣粒径范围对钢渣黏土浸水与未浸水条件下的CBR值的影响排序为：钢渣相对掺入量>钢渣粒径>钢渣陈化时间。方差分析显示，转炉钢渣相对掺入量和钢渣粒径对钢渣黏土浸水与不浸水的CBR值的影响具有显著性，转炉钢渣的陈化时间对钢渣黏土的CBR值的影响不显著。

(3) 通过对浸水因素对钢渣黏土CBR值影响分析，陈化转炉钢渣相对掺入比例对钢渣黏土浸水前后CBR值的比值影响较大，而钢渣陈化龄期和钢渣最大粒径对其影响较小，且研究显示，随着陈化转炉钢渣掺入比例的增加，浸水条件对钢渣黏土的CBR值影响越小，钢渣黏土的水稳定性越好。