樂旭東，陳松良，張仁巍

（1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.武夷學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，福建 武夷山 354300；3.丘陵山地智慧城鎮(zhèn)建設(shè)技術(shù)福建省高校重點實驗室，福建 武夷山 354300）

隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，對筑路材料的需求量日益增大，在高等級公路建設(shè)中通常使用水泥穩(wěn)定碎石作為基層材料，需要開采大量的石料，對山區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了極大破壞，并且許多地區(qū)石料資源匱乏，長距離運輸將大幅度增加工程成本。土是一種分布十分廣泛的材料，如果能夠?qū)ν吝M行有效固化作為筑路材料，將節(jié)省大量的石料，減少對環(huán)境的破壞并降低工程造價，具有很好的社會效益和經(jīng)濟效益。

目前常用石灰或水泥對土進行加固，但是研究表明，石灰與土體構(gòu)成的固化體強度形成緩慢，抗裂性能、水穩(wěn)性和抗凍性較差，而水泥穩(wěn)定土雖然強度高、穩(wěn)定性好、受水分影響小，但是容易產(chǎn)生裂縫[1]。自20世紀80年代以來，許多國家都在開展有關(guān)土壤固化劑方面的研究。我國自20世紀90年代開始引進和研制土壤固化劑[2]，并取得了一定的成果，部分產(chǎn)品效果明顯，已在公路實際工程加以應(yīng)用，取得了較好的效果。

基于正交試驗設(shè)計理論，進行水泥固化劑穩(wěn)定土進行配合比設(shè)計試驗，對試驗結(jié)果進行極差分析與方差分析，研究水泥摻量、固化劑摻量、壓實度對材料強度的影響程度，并采用回歸分析的方法，建立了各影響因素的預(yù)測模型，為該類材料的配合比設(shè)計提供試驗依據(jù)與理論指導(dǎo)。

1 試驗原材料

1.1 土樣

對本次試驗的土樣進行液塑限聯(lián)合試驗、擊實試驗、顆粒分析試驗，試驗結(jié)果見表1、表2。

表1 土的工程性質(zhì)Tab.1 Engineering properties of the soil

表2 土樣的顆粒級配Tab.e 2 The grain composition of soil samples

依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）的對土的工程分類的規(guī)定，判定本次試驗用土為含細粒土砂，屬于砂類土。

1.2 水泥

選用P.C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，各項技術(shù)指標均符合規(guī)范要求，如表3所示。

表3 水泥的技術(shù)性質(zhì)測試結(jié)果Tab.3 Test results of technological properties of cement

1.3 固化劑

本試驗所使用的的固化劑為粉狀無機類固化劑，主要化學(xué)成分見表4。該固化劑以硅酸鹽水泥及其他活性成分為主，配入各種激發(fā)劑、保水劑和高分子聚合材料，已通過交通部公路工程檢測中心檢測，各項性能指標均滿足要求，具有施工方便、抗裂性能好、環(huán)保性能良好、質(zhì)量上易于控制等優(yōu)點。

表4 固化劑主要化學(xué)成分Tab.4 Main chemical constituents of the solidifying agent

2 水泥固化劑穩(wěn)定土的正交試驗設(shè)計

2.1 正交試驗方法

正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，它是由試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗，具備“均勻分散，齊整可比”的特點[3]，通過對這部分試驗結(jié)果的分析了解全面試驗的情況，能以較少的試驗次數(shù)，較好地反映各因素之間的規(guī)律。試驗設(shè)定A代表水泥摻量（%），B代表固化劑摻量（%），C代表壓實度（%），D代表試驗誤差。

2.2 影響因素水平的選擇

無側(cè)限抗壓強度是公路底基層材料的主要強度控制指標，其中結(jié)合料摻量、壓實度及養(yǎng)生齡期等因素對材料強度的影響較大[4]，水泥固化劑穩(wěn)定土作為一種新型材料，必須明確各因素對材料強度的影響。試驗選取水泥摻量、固化劑摻量及壓實度3個因素作為考察對象，每個因素選取3個水平，采用正交試驗的方法研究各因素對材料強度的影響，具體因素水平見表5。

表5 正交試驗因素水平表Tab.5 Factors and levels for orthogonal tests

2.3 正交試驗設(shè)計方案

本次試驗選取了3因素3水平，若采用均勻設(shè)計方法，需要進行27組試驗，而采用正交試驗方法只需進行9組試驗就可全面考察各因素水平對材料抗壓強度的影響，并得到滿足要求的配合比，有效地減少了試驗工作量，提高了試驗效率。

本次試驗選用L9（34）正交表，試驗指標為水泥固化劑穩(wěn)定土的7、28 d無側(cè)限抗壓強度，具體試驗設(shè)計方案見表6。

表6 正交試驗設(shè)計方案Tab.6 Design of orthogonal test

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 正交試驗結(jié)果分析

無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果列于表7。從試驗結(jié)果中可以看出，隨著養(yǎng)生齡期的延長，材料的抗壓強度均有所提高，各配合比的7 d強度值達到28 d強度值的55.1%～74.1%，說明該類材料早期強度增長較快，有利于加快施工進度。

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制抗壓強度與各影響因素的關(guān)系，如圖1所示?？梢钥闯?，隨著水泥摻量和固化劑摻量的增加，材料強度均有較大幅度的提升，而壓實度提高對材料強度提升的效果不明顯。

表7 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果Tab.7 Results of unconfined compressive strength test

圖1 抗壓強度與因素水平趨勢圖Fig.1 Trend graph of compressive strength and factor level

3.2 極差分析

極差分析是正交試驗分析中最簡單直接的分析方法，極差表示同一水平各因素中平均值的最大值與最小值之差，極差越大表示該因素對試驗指標的影響越大，可根據(jù)極差確定影響因素的主次順序。對正交試驗結(jié)果進行極差分析，結(jié)果如表8所示。其中：K表示同一水平各因素試驗值的總和，下標表示相應(yīng)的水平；k表示相應(yīng)試驗結(jié)果的平均值，k=K/3；R表示極差，R=kmax-kmin。

根據(jù)極差分析結(jié)果，對各因素的極差進行對比分析，如圖2所示?？梢钥闯?，對于7 d強度而言，各影響因素極差的主次順序為：水泥摻量＞固化劑摻量＞壓實度＞試驗誤差，且水泥摻量的極差明顯大于其它因素，說明水泥摻量是影響材料早期強度的最主要因素；對于28 d強度而言，極差的主次順序不變，但固化劑摻量與水泥摻量的極差十分相近，說明固化劑摻量對材料后期強度的影響與水泥摻量相當；壓實度對材料強度有一定影響，但遠小于水泥摻量及固化劑摻量；試驗誤差的影響最小，說明本次試驗精度較高。

表8 極差分析結(jié)果Tab.8 Results of range analysis

圖2 影響因素極差對比圖Fig.2 Comparison graph of influencing factor range

3.3 方差分析

方差分析基本思想是將數(shù)據(jù)的總變異分解成因素引起的變異和誤差引起的變異兩部分，構(gòu)造F統(tǒng)計量，作F檢驗，與極差法相比，方差分析方法可以多引出一個結(jié)論：各列對試驗指標的影響是否顯著，在什么水平上顯著[5]。

抗壓強度方差分析結(jié)果如表9所示，當F＞F0.01時，表示該因素影響高度顯著，記為“**”；F0.01≥F＞F0.05時，表示該因素影響顯著，記為“*”；F0.05≥F＞F0.10時，表示該因素影響較顯著，記為“[*]”，當F＜F0.10時，表示該因素影響不顯著。

從表9可以看出，水泥摻量對材料7 d、28 d強度的影響程度均為高度顯著；固化劑摻量對材料7 d強度的影響顯著，對28 d強度的影響為高度顯著；壓實度對7 d強度的影響較顯著，對28 d強度的影響不顯著；方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果基本一致。

表9 無側(cè)限抗壓強度方差分析Tab.9 Variance analysis of unconfined compressive strength

3.4 配合比選擇

從極差分析與方差分析結(jié)果可知，水泥對材料的早期強度影響十分顯著，對有早強要求的材料可適當加大水泥摻量，但不宜過高，有研究表明，當水泥用量超過6%時，材料的干縮與溫縮系數(shù)會有較高的增長，易導(dǎo)致收縮開裂，嚴重影響道路的服務(wù)質(zhì)量及使用壽命[6]；固化劑對材料早期強度的影響明顯低于水泥，對后期強度的影響程度與水泥相近，主要原因是固化劑前期水化反應(yīng)速度不及水泥，早期強度增長比較緩慢，但隨著活性成分逐漸被激發(fā)，后期強度穩(wěn)定增長，基本能夠達到甚至超過水泥的水平，并且該固化劑的抗裂性能良好，有利于提高基層材料的耐久性，在滿足材料早期強度要求的前提下，可適當增加固化劑用量；雖然在本次試驗中，壓實度對材料強度的影響較小，但壓實度不僅影響材料的強度，還對其收縮性能有很大影響[7]，大量實踐證明，壓實質(zhì)量是影響道路壽命的關(guān)鍵因素，因此在施工中應(yīng)嚴格控制壓實標準。

依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）的規(guī)定，水泥穩(wěn)定類材料作為二級及二級以下公路（重交通）底基層材料的7 d無側(cè)限抗壓強度要求為2.0～4.0 MPa，由表6的試驗結(jié)果可知，除1、2、4組配合比外，其余配合比均能滿足強度要求，綜合考慮強度、耐久性、經(jīng)濟性等因素，建議選擇第5組：水泥摻量4%、固化劑摻量4%、壓實度97%的配合比作為二級及二級以下公路的底基層材料。

3.5 線性回歸分析

為得到無側(cè)限抗壓強度的回歸方程，先假設(shè)水泥固化劑穩(wěn)定土的抗壓強度與水泥摻量、固化劑摻量、壓實度之間存在線性關(guān)系，假設(shè)線性回歸預(yù)測模型為：式中：y為抗壓強度；bi（i=0,1,2,3）為回歸系數(shù)；x1為水泥摻量；x2為固化劑摻量x3為壓實度；e為試驗誤差。

將表6中的試驗結(jié)果代入回歸模型（1）中，得到7 d、28 d無側(cè)限抗壓強度的線性回歸方程：

可以看出，7 d、28 d強度線性回歸方程的R2分別為0.983和0.989，表明該方程的擬合度很高[8]，抗壓強度與這三個影響因素存在良好的線性相關(guān)關(guān)系，可為該類材料的配合比設(shè)計試驗提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）正交試驗結(jié)果表明：水泥固化劑穩(wěn)定土的早期強度較高，隨著養(yǎng)生齡期的延長，材料強度有一定幅度的增長；水泥摻量和固化劑摻量的增加對材料強度的提升效果明顯，壓實度變化對材料強度的影響較小。

（2）通過極差、方差分析表明：影響水泥固化劑穩(wěn)定土7 d、28 d強度的因素主次順序均為：水泥摻量＞固化劑摻量＞壓實度。水泥摻量是影響材料強度的最主要因素，對材料各齡期強度的影響程度均為高度顯著；固化劑摻量對材料強度的影響略小于水泥摻量，對材料7 d強度影響顯著，對28 d強度的影響高度顯著；壓實度對材料7 d強度影響較顯著，對28 d強度的影響不顯著。

（3）綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟等因素，建議采用水泥摻量為4%、固化劑摻量為4%、壓實度為97%的水泥固化劑穩(wěn)定土作為二級或二級以下公路底基層材料。

（4）對試驗結(jié)果進行多元線性回歸分析，結(jié)果表明：水泥固化劑穩(wěn)定土的抗壓強度與與水泥摻量、固化劑摻量、壓實度之間存在良好的線性關(guān)系，抗壓強度線性回歸模型具有很高的擬合度，為該類材料的配合比設(shè)計提供了參考依據(jù)。