基于響應(yīng)面法的固化泥漿強(qiáng)度試驗(yàn)研究

陳宇軒 王悅鑫 劉 紀(jì) 張明明

(上海理工大學(xué),上海 200093)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，迎來了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，尤其是地下工程的建設(shè)，盾構(gòu)作業(yè)施工已得到大規(guī)模的使用。然而，盾構(gòu)作業(yè)廢棄的泥漿量不僅巨大，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。為此，不少學(xué)者開展了針對(duì)廢棄土和廢棄泥漿的復(fù)合固化劑配方的研究[1,2]。

Osula[3]對(duì)細(xì)粒粘性土固化研究表明，石灰摻入比對(duì)固化物強(qiáng)度的影響很大。Eeishi Tomohisa等[4]采用粉煤灰對(duì)泥漿進(jìn)行了固化處理，認(rèn)為粉煤灰中CaO和SO3含量對(duì)固化效果影響很大，其固化產(chǎn)物能夠有效的提高強(qiáng)度。Omar Saeed Baghabra[5]通過對(duì)含水量較高的黏土進(jìn)行了固化研究，水泥和石灰作為固化材料，能夠有效的提高土體強(qiáng)度。

響應(yīng)面法作為一種廣泛應(yīng)用于食品化學(xué)配方研究的統(tǒng)計(jì)方法[6]，它不僅可以確定響應(yīng)值與各因素之間的函數(shù)模型，還可以研究各個(gè)因素之間的交互關(guān)系。本次試驗(yàn)采用Box-Behnken設(shè)計(jì)方法，以水泥、粉煤灰、生石灰、硅酸鈉作為四個(gè)自變量，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為因變量。根據(jù)前期的單摻試驗(yàn)結(jié)果，確定以泥漿質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，水泥(5%,10%,15%)，粉煤灰(10%,25%,40%)，生石灰(2.5%,6.25%,10%)，硅酸鈉(0%,1%,2%)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

制備固化泥漿的材料主要包括盾構(gòu)廢棄泥漿和泥漿固化劑。泥漿固化劑的主要成分為粉煤灰、普通硅酸鹽水泥、生石灰和硅酸鈉。其中，廢棄泥漿取自上海市楊浦區(qū)某盾構(gòu)施工場(chǎng)地。其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。粉煤灰采用侯鋼火電廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰。水泥為325號(hào)普通硅酸鹽水泥。生石灰采用國藥試劑化學(xué)有限公司生產(chǎn)的氧化鈣分析純。硅酸鈉采用天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的硅酸鈉分析純。

表1 泥漿基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試樣制作及養(yǎng)護(hù)

首先將粉煤灰、水泥、生石灰、硅酸鈉顆粒加入攪拌器后密封，低速攪拌20 min得到固化劑，后將配置好的固化劑按照試驗(yàn)方案配比加入泥漿中攪拌至均勻，裝入試模并用保鮮膜密封后放入溫度為(20±3) ℃，相對(duì)濕度不小于90%的養(yǎng)護(hù)箱中按照設(shè)計(jì)齡期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。式樣尺寸為直徑47 mm，高度為100 mm。達(dá)到設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)齡期后，每組取三個(gè)平行式樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，取算術(shù)平均值作為該組試樣的測(cè)試結(jié)果。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用4因素(X1,X2,X3,X4),三水平的Box-Behnken設(shè)計(jì)方法[7]。在實(shí)驗(yàn)方案中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總數(shù)為2K1+2K2+M0，其中，K1和K2為自變量總數(shù)；M0為中心點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)。

用標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式回歸方法，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到二次多項(xiàng)式，作為響應(yīng)量和自變量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如下：

(1)

其中，Y為預(yù)測(cè)響應(yīng)值；b0為截距；bi為線性系數(shù)；bij為平方系數(shù)；bi-j為交互系數(shù)。

本次試驗(yàn)中，以28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為因變量，水泥摻量(wf)、粉煤灰摻量(wf)、生石灰摻量(wf)和硅酸鈉摻量(wf)為自變量。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)編碼

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 回歸方程的建立

試樣經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化范圍為0.52 MPa～8.31 MPa。

利用design expert軟件對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)回歸擬合。并對(duì)其進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度回歸模型方差分析

本試驗(yàn)采用F分布來檢驗(yàn)二項(xiàng)式擬合后方程各分項(xiàng)的顯著性，以α=0.1作為方程檢驗(yàn)的顯著性水平。當(dāng)P值大于α值時(shí)，即認(rèn)為該項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的結(jié)果是不顯著的；當(dāng)P值小于α值時(shí)，可認(rèn)為該項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的結(jié)果具有顯著性。因此，利用design expert軟件剔除不顯著項(xiàng)D,AD,BC,BD,CD,B2,A2后，調(diào)整得到的28 d固化泥漿的多項(xiàng)式回歸方程如下：

qu=3.39+1.46A+1.78B+0.65C+
0.68AB-0.94AC+0.37C2-1.21AC2+1.05B2C

(2)

由計(jì)算結(jié)果知，模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.92,表明擬合值與實(shí)際情況接近。

3.2 響應(yīng)面交互作用分析

由圖1可知，固化泥漿的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰和水泥摻量的增大而增大，且在對(duì)角線方向上的增長(zhǎng)呈線性，因此，粉煤灰與水泥的交互關(guān)系為對(duì)等關(guān)系。可以認(rèn)為粉煤灰在一定摻量范圍內(nèi)可以以1∶ 1的比例代替水泥對(duì)泥漿進(jìn)行固化處理。粉煤灰是一種常用的固化處理原料，主要利用它的火山灰質(zhì)性質(zhì)，即在一些堿性物質(zhì)、硫酸鹽物質(zhì)和水泥等激發(fā)作用下，在水存在的情況下，能發(fā)生水化硬化反應(yīng)凝結(jié)成穩(wěn)定固結(jié)物[8]。

由圖2投影等高關(guān)系可以看出，在右上角的強(qiáng)度等高線(水泥和粉煤灰摻量高)，較左下角(水泥和粉煤灰摻量低)的強(qiáng)度等高線更密集。這是由于粉煤灰和水泥摻量相對(duì)于泥漿含水率過低，在低摻量情況下，不能與泥漿自由水分子充分結(jié)合并發(fā)生水化反應(yīng)，導(dǎo)致水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中摻雜有大量自由水分子。在受壓過程中，由于水分子不能被壓縮而破壞粒間膠結(jié)結(jié)構(gòu)，使得固化泥漿強(qiáng)度提升不明顯。

由圖3可知，水泥和生石灰的三維響應(yīng)面呈現(xiàn)出兩角低中間高的態(tài)勢(shì)。即當(dāng)水泥摻量較低時(shí)，固化泥漿的抗壓強(qiáng)度隨生石灰摻量的增大而增大；而當(dāng)水泥摻量高時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨生石灰摻量的增大呈先提高后降低的變化。當(dāng)生石灰摻量較低時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增大而增大，當(dāng)生石灰摻量為較高時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增大而降低。這說明生石灰摻量和水泥摻量?jī)烧咧g交互作用明顯，兩者的摻量不能同時(shí)過高或者過低，否則都不利于強(qiáng)度的提高,見圖4。

如圖5所示，固化泥漿的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的提高而提高。但其提高的速度與生石灰摻量有關(guān)，在高摻量生石灰的條件下，提高粉煤灰摻量對(duì)強(qiáng)度的提高作用明顯高于低摻量生石灰條件下的作用。

由圖6強(qiáng)度投影等高關(guān)系中所示，當(dāng)生石灰摻量為2.5%時(shí)，粉煤灰摻量從10%提高到40%，強(qiáng)度提高了3.5 MPa，且強(qiáng)度增長(zhǎng)的速率逐漸降低；當(dāng)生石灰摻量為10%時(shí)，粉煤灰摻量從10%提高到40%，強(qiáng)度提高了5 MPa，強(qiáng)度提高的速率逐漸增長(zhǎng)。因此，生石灰與粉煤灰對(duì)強(qiáng)度的交互影響明顯，生石灰可以有效地提高粉煤灰對(duì)泥漿的固化效果。這是由于生石灰可以提高泥漿中的堿性，以此提高粉煤灰的活性，進(jìn)一步促進(jìn)粉煤灰的水化反應(yīng)。同時(shí)從圖中可以看到，在粉煤灰摻量小于30%時(shí)，提高生石灰的摻量并不能有效的提高固化泥漿的抗壓強(qiáng)度，這是由于生石灰與水分子發(fā)生水解、水化反應(yīng)，生成Ca(OH)2以離子形式分布于泥漿中，由于碳化反應(yīng)較低，對(duì)強(qiáng)度影響較小。

4 結(jié)語

1)根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)方法得到的回歸模型顯示，水泥、生石灰對(duì)固化泥漿抗壓強(qiáng)度的線性作用顯著；水泥生石灰、生石灰粉煤灰對(duì)強(qiáng)度的交互作用顯著。同時(shí)，根據(jù)方差分析，剔除不顯著項(xiàng)后得到的固化泥漿28 d的強(qiáng)度預(yù)測(cè)方程，對(duì)于優(yōu)化固化劑配比或預(yù)測(cè)固化泥漿強(qiáng)度具有一定作用。

2)水泥、粉煤灰對(duì)于固化泥漿的強(qiáng)度影響顯著，粉煤灰在一定摻量條件下可以以1∶ 1的比例代替水泥對(duì)泥漿進(jìn)行固化。

3)生石灰的水化反應(yīng)會(huì)釋放大量熱量，不利于泥漿結(jié)構(gòu)的形成。過量的生石灰不利于水泥對(duì)泥漿的固化。

4)生石灰可以作為粉煤灰的活性激發(fā)劑，適量的生石灰有利于粉煤灰對(duì)泥漿的固化作用。