石灰粉煤灰土溫縮性影響因素敏感性分析
摘要：石灰粉煤灰土溫縮性影響因素很多，對其有較大影響的因素進正交試驗分析，可確定石灰粉煤灰土溫縮性的最敏感和較敏感因素，從而在石灰粉煤灰土組成365JT設計和365JT施工過程中更加有針對性的進行控制。最后的極差分析和方差分析都表明：溫度是二灰土溫縮性的顯著影響因素，粉煤灰用量是其較顯著性因素，而石灰用量的影響不是很明顯。其結果對二灰土基層材料的組成設計和施工、如何減少溫縮裂縫具有一定的參考價值。
關鍵詞：石灰粉煤灰土；溫度收縮；正交試驗；因素敏感性分析
1 引言
近年來，在高等級公路建設中, 石灰粉煤灰土半剛性材料以其優良的力學性能及顯著的經濟效益被廣泛用作路面基層或底基層。但是在溫度、濕度等自然因素綜合作用下, 收縮大、易開裂是這類半剛性材料的固有缺點。由于基層開裂致使路面出現反射裂縫、對應裂縫, 從而影響了路面的水穩性及使用功能。半剛性基層收縮開裂是溫度收縮、干燥收縮及其與面層間相互作用的結果。已有的研究表明：半剛性瀝青路面在重、輕冰凍地區產生裂縫的主要原因是溫度收縮, 而溫度收縮又與半剛性材料的類型、被穩定土的情況、含水量等因素有關[1] 。對于北方冬季寒冷地區，系統地研究分析其影響因素,對該地區提高路面抗裂性能具有積極的指導作用。本文利用正交試驗設計方法，就石灰粉煤灰土進行了室內配比試驗研究，分析了影響溫縮性的主次因素,為該類半剛性材料的組成設計提供參考。
2 正交試驗設計
2.1 正交試驗指標、因素及因素水平的選取
(1)試驗指標
標準養生28d, 石灰粉煤灰土的溫縮系數。
(2)考察因素及水平
影響石灰粉煤灰土的溫縮性因素很多，為使問題的研究不致過于復雜 ,石灰粉煤灰土溫縮試驗著重考慮以下三個因素:
A石灰用量，為石灰粉煤灰土中石灰所占混合料的重量百分比(%) ，擬用 8%,10% 和 12% 三個水平；
B 粉煤灰用量，也為粉煤灰所占混合料的重量百分比 (%) ，擬用 15%, 25% 和 35% 三個水平；
C 試驗溫度，本試驗擬采用 0 ℃, -10℃和-20℃ 。
假定因素Ａ、Ｂ和Ｃ之間沒有交互作用。三因素及其水平如表1所示。
表1 因素水平
水平 因素
石灰用量
B 粉煤灰用量
C 試驗溫度
1 8 % 15 % 0℃
2
3 10% 25% -10℃
12 % 35% -20℃
2.2 試驗設計方案
根據正交試驗設計的思想，及選定的因素及水平 ,擬選取 L9(34) 規格化正交表來安排實驗計算方案,如表 2 所示。
表 2 正交設計計算方案、材料的配比和試驗結果表
試
驗
號 因素
A(%) B(%) C （℃） 配合比
1 1(8 %) 1(15%) 1(0℃ ) 8： 15 ：77
2 1(8 %) 2(25%) 2(-10℃) 8： 25 ：67
4 2(10%) 1(15 %) 2(-10℃) 10： 15 ：75
5 2(10%) 2(25%) 3(-20℃) 10： 25 ：65
6 2(10%) 3(35%) 1(0℃) 10： 35 ：55
7 3(12 %) 1(15 %) 3(-20℃) 12： 15 ：73
8 3(12 %) 2(25%) 1(0℃) 12： 25 ：63
9 3(12 %) 3(35%) 2(-10℃) 12： 35 ：53
3 試驗
用于溫縮的試件為 15ｃｍ× 15ｃｍ× 45ｃｍ的小梁 ,在最佳含水量下采用壓力機靜壓成型。脫模后放入養護室,養生溫度 20℃± 2℃度。溫縮試驗時, 將其在40℃溫箱中烘干至恒重。試驗的起點溫度為15℃。[2]
4 正交試驗結果分析
試驗結果如表3所示,對結果進行分析如下:
表 3 試驗結果表
試
驗
號 因素 試驗指標值
A(%) B(%) C （℃） 配合比 溫縮應變εt 溫縮系數αt
1 1(8 %) 1(15%) 1(0℃ ) 8： 15 ：77 143.8 9.59
2 1(8 %) 2(25%) 2(-10℃) 8： 25 ：67 1283 51.33
4 2(10%) 1(15 %) 2(-10℃) 10： 15 ：75 1465 58.58
5 2(10%) 2(25%) 3(-20℃) 10： 25 ：65 1850 52.85
6 2(10%) 3(35%) 1(0℃) 10： 35 ：55 62.5 4.16
7 3(12 %) 1(15 %) 3(-20℃) 12： 15 ：73 1642 46.90
8 3(12 %) 2(25%) 1(0℃) 12： 25 ：63 91.6 6.11
9 3(12 %) 3(35%) 2(-10℃) 12： 35 ：53 679.1 25.16
對正交試驗設計計算的數據結果分析，一般常用的方法有極差分析法和方差分析法。
極差分析法是先求出個因素每一水平下試驗指標的平均值，然后計算出同一因素下同水平條件下試驗指標均值的極差。極差越大的因素對試驗指標的影響
越大，反之亦然。極差分析結果如表 3 所示。
表3 極差分析結果表
A B C
第一水平均值 35.30667 38.35667 6.62
第二水平均值 38.53 36.76333 45.02333
第三水平均值 26.05667 24.77333 48.25
極差 12.47333 13.58333 41.63
極差順序 3 2 1
由表3可知, 試驗溫度對石灰粉煤灰土溫度收縮性影響最大， 粉煤灰用量的影響其次，石灰用量的影響最小。同時，由極差分析也可知：在負溫度區間，石灰粉煤灰土溫縮系數隨溫度下降而增大；一般地粉煤灰的含量增加可以減小溫縮系數；石灰對石灰粉煤灰土的溫縮系數的影響曲線為向上凸的曲線，由此可知：存在有最佳石灰劑量。這可用CaO-SiO2-H2O系統中不同C/S的反應物條件下水化硅酸鈣生成反應的自由能變化△G0 進行解釋。隨著C/S有小變大, 水化硅酸鈣生成反應的自由能變化△G0降到最低值, 生成反應的“推動力”最大,&n
[1][2]下一頁
[NextPage]
bsp水化硅酸鈣生成物的量也最大。爾后，繼續增加C/S，△G0 增大，生成反應的“推動力”則減小[3]。各因素與二灰土溫縮系數的曲線關系，如圖1所示。
圖1 影響因素與二灰土溫縮系數之間試驗曲線
但是，極差分析只能得出各因素對試驗指標影響的相對大小而不能確定每個因素對試驗指標的影響是否顯著及顯著性的大小。因此，針對石灰粉煤灰土的溫度收縮，本文還采用了方差分析方法對正交試驗的結果進行了分析。這既可彌補極差分析方法的不足，也可對影響因素進行顯著性檢驗，再者，還可與極差分析的結果進行對比。
方差分析，就是在假設各總體均為正態變量且方差相等的情況下，檢驗多個正態總體均值是否相等的一種統計方法。其基本思路是用離差分解法即將數據的總離差分解為組內離差平方和與組間離差平方和。利用各因素的離差平方和與組間離差平方和構造檢驗統計量，作F檢驗，即可判斷各因素的作用是否顯著。若計算所得之F值比相應的Fα值大，即F＞Fα，就可判定在此顯著性水平α下被考察因素對試驗指標有顯著影響，反之亦然。關于方差分析的詳細理論介紹參考文獻[3][4]。常用的顯著性水平的α為0.1、0.05和0.01，用所得之F值與以上3種顯著性水平的Fα比較，將因素對試驗指標影響的顯著性水平劃分為4個等級。
本正交試驗設計方差分析結果如表4所示。
表4 方差分析結果表
因素 Q(離差平方和) 自由度n S(均方離差) F值 顯著性
A 251.5364222 2 125.7682111 2.97871267 有影響
B 330.8057556 2 165.4028778 3.917425239 較顯著
C 3218.284289 2 1609.142144 38.11115099 顯著
均方誤差 84.44468889 2 42.22234444
總和 3885.071156 8
已知:F0.01(2,2)=99；F0.05(2,2)=19；F0.10(2,2)=9.00； F0.25(2,2)=3.00。
由方差分析結果可知，試驗溫度對石灰粉煤灰土的溫縮系數的影響在α=0.05的置信水平上是顯著的。粉煤灰對溫縮系數的影響不及試驗溫度的影響大，但在α=0.25的置信水平上是顯著的。石灰對二灰土溫縮系數的影響沒有試驗溫度和粉煤灰的影響顯著，但是有一定的影響。
5 結論
5.1 運用正交試驗設計對石灰粉煤灰土溫度收縮的影響因素敏感性分析可以看出，不論是極差分析還是方差分析，其所選的3個因素排序為：試驗溫度＞粉煤灰用量＞石灰用量。從方差分析結果可以看出，試驗溫度對石灰粉煤灰土的溫度收縮有顯著影響，粉煤灰用量對其有較顯著影響，而石灰用量對其有影響，但不顯著。
5.2 從方差分析可知溫度是試件發生溫縮的最主要因素, 因此在北方冰凍地區石灰粉煤灰土的施工季節中要特別注意施工溫度的要求。應在夏季到來之前和夏季組織施工，并在第一次重冰凍（﹣3℃～﹣5℃）到來之前一個月停止施工[5]。這樣，既有利于石灰粉煤灰土的強度形成，又有利于減少其溫度收縮裂縫。同時，在做石灰粉煤灰土的組成設計時充分考慮溫度對其溫縮性的顯著性影響，把混合料的抗溫縮性作為一重要控制指標，以提高北方冰凍地區二灰土的抗溫縮性能。
5.3 粉煤灰含量對石灰粉煤灰土的溫縮性質有較顯著影響。由極差分析得，二灰比中粉煤灰用量的增加有利于溫度收縮系數的減小。這是由于粉煤灰的感溫性差，溫度收縮效應快[3]。在北方冰凍地區石灰粉煤灰土的混合料設計可適當增加粉煤灰的用量，這樣可以增加二灰土的抗溫縮裂縫能力。這在實際工程中具有重要的指導意義。
5.4 由正交試驗結果分析可知，石灰用量對石灰粉煤灰土的溫縮性的影響存在著最佳用量。但是，不同的粉煤灰用量，對應有不同最佳石灰劑量。
上一頁[1][2]
