基于正交试验的EPS混合土抗压强度的研究

眭小龙,何明胜,付小建

基于正交试验的EPS混合土抗压强度的研究

眭小龙,何明胜,付小建

(石河子大学水利建筑工程学院,石河子832003)

保温轻质混凝土空心砌块——生土组合墙体结构是由 EPS混合土为内芯、轻质混凝土砌块为外模组成的一种新型结构形式。本文以该结构形式的内芯材料 EPS混合土为研究对象,将 EPS、水泥、水作为主要参数,对 EPS混合土进行了抗压强度试验研究。通过正交试验设计了16组试件,分析了各因素对混合土抗压强度的影响规律,得出EPS含量对EPS混合土抗压强度的影响最大,水泥含量和用水量次之;给出了各因素与EPS混合土抗压强度之间的关系曲线,得出最佳配合比,最佳水平为:水泥用量30%,EPS用量1%,用水量30%。通过对最优工程条件下真值变动半径的计算,得到了最优配合比的真值变动范围在1.108～2.778之间。

EPS混合土;正交试验;抗压强度

EPS混合土是指以原料土、EPS(发泡聚苯乙烯)、水泥和水为原材料配合而成的混合物。EPS混合土的原料土一般可以采用砂土、粘土或疏浚淤泥等各类工程弃土,轻质材料除了可以使用比较常见的发泡聚苯乙烯球粒外,还可以使用废弃泡沫塑料打碎加工成球状或片状颗粒加以利用。EPS混合土具有轻质、高强、强度可调节、经济性好等优点[1-3]。

20世纪80年代国外对轻质混合土用于岩土工程方面的研究就已开始。日本曾集合北海道开发局土木研究所等全国20个部门对EPS颗粒混合轻质土的力学特性进行了研究,此后日本学者对EPS混合土在高围压下应力-应变关系、水压作用下力学性质等方面均作了特别研究[3]。EPS轻质混合土的应用在日本已经形成产业化,除了应用于公路建设中外,还可用作地下工程和管线工程[4-5]。

国内学者近几年的研究大多将 EPS轻质混合土用于路基填土材料取代常规填土,处理诸如“桥头跳车”等问题[6]。董金梅等[5]研究了聚苯乙烯轻质混合土作为新型填土材料的抗压强度相关特性,河海大学岩土工程所等科研单位对聚丙烯轻质混合土物理、力学等方面的性能作了相关研究。但这些都是针对将聚苯乙烯混合土用于路基、边坡等方面的研究,将其用于墙体保温材料的研究和应用尚属空白。

为使具有诸多优点的 EPS混合土推广应用于集保温承重于一体的建筑墙体,本课题组提出了保温砌模轻质混凝土空心砌块——生土复合墙体这一新型结构。这种墙体是把轻质混凝土空心砌块作为外模,将EPS混合土浇筑到轻质混凝土空心砌块孔洞中,使外模内芯形成一个整体,具有良好的承压、抗震性能。通过二者结合,克服了各自的不足,充分发挥了二者的优点。此种结构体系具有节能、抗震、经济性好的特点,非常适合新疆地区的村镇建筑。

本文主要针对该结构体系的内芯—EPS混合土材料进行了相关试验研究。通过正交试验,分析了影响EPS混合土抗压强度的主要因素及其内在规律,以期为今后该方面的研究和发展提供一定的依据和借鉴。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用原料土为石河子大学北区东侧1～3 m深处的黏土。

由于本地建筑工地均使用复合硅酸盐水泥,所以本次试验水泥采用石河子开发区青松天业水泥有限公司生产的32.5R复合硅酸盐水泥。

EPS(发泡级聚苯乙烯)采用江苏嘉盛化学品有限公司生产的嘉昌牌 EPS(阻燃级C-104),颗粒粒径:3 mm～5 mm。水为清洁自来水。

1.2 试验方法

1.2.1 因素水平的选择

试验将EPS混合土砌块的一些组成材料作为试验的影响因素。根据国内外学者对该方面的研究和笔者前期的准备试验并参照文献[7-8]的正交配合比设计,因素水平确定为三因素四水平,各影响因素及水平见表1。

正交试验的配合比以干土质量为标准,EPS、水泥含量均相对于干土质量而言,用水量则相对于总量而言。

表1 EPS混合土试验的因素水平 %Tab.1 Factor’s level of the EPS soil test

1.2.2 正交试验

试验采用150 mm×150 mm×150 mm试模,在实验室条件下养护28 d后测定其抗压强度。选用正交表L16(45)即可满足试验要求。将各影响因素的各个水平代入,即可获得本次试验的正交试验计划表,如表2所示。表2中括号内的数值是对应的各因素水平百分数。

表2 正交试验设计Tab.2 The orthogonal test plan

2 试验结果与分析

本文以EPS混合土28 d的抗压强度为唯一指标考察各因素对强度的影响,以抗压强度不小于1 MPa为基本要求。按照正交试验计划表的16组不同配合比,分别进行EPS混合土砌块的抗压试验,得到了16组不同的试验结果。

试验数据的分析方法有2种:一种是直观分析法;另一种是方差分析法。

2.1 正交表的直观分析

试验结果的直观分析见表3。表3中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示各因素每一水平试验结果之和,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ之均值,试验结果之和越大的位级效果越好;Rf表示极差,极差越大的因素是影响大的重要因素。T表示16组抗压强度之和,u为试验数据总平均。

由表3可以分析出每个因素对 EPS混合土砌块的影响,直观分析的最佳结果为第16组试验,即A4B1C3;计算分析的最佳结果是(各列中计算最大值)A4B1C2;用极差分析因素的主次大小为B>A>C,说明EPS含量对EPS混合土砌块抗压强度的影响最大,水泥含量和用水量次之。

为便于分析各因素与抗压强度之间的关系,将各因素及水平数据绘成曲线图,如图1所示。由图1可以看出,每个影响因素的最佳水平为:水泥用量(A)为40%,EPS(B)用量为1%,用水量(C)为25%～30%。

表3 试验结果的直观分析Tab.3 Intiutive analysis of test result

图1 各因素与抗压强度之间的关系Fig.1 the relationship between factors and compressive strength

2.2 正交表的方差分析

2.2.1 方差分析表

方差分析的思路是设法把影响 EPS混合土砌块抗压强度的因素和其他偶然因素造成的试验误差分开,并找出各因素对EPS混合土砌块抗压强度的影响程度。

方法分析结果见表4。表4中标有Δ记号的因子表示将其变动归入误差。表4中的＊表示显著性水平为5%,即有95%的把握判断因素B和A对抗压强度的影响是显著的。方差分析结果表明:EPS含量和水泥含量对 EPS混合土砌块的抗压强度都有较大的影响。2.2.2 最优工程条件下真值的变动半径δ[9]

表4 方差分析Tab.4 variance analysis

首先确定最优配合比。由于直观分析的最佳结果与计算分析的最佳结果在C因素上的差异并不大:C因素的Ⅱ与Ⅲ之差是0.199,所以应该选择第16组配合比,同时,第11组和第16组的抗压强度值相差不是很大,且考虑到墙体保温需要及工程成本,本次试验的最优配合比方案应选为第11组。

选取工程条件为第11组的A3B1C2,计算其工程平均。先计算效应:

B、A 2个因子为本次试验主要因素,所以最优条件A3B1C2的工程平均是:μA3B1C2=μ+b1+a3=0.952+0.806+0.185=1.943;所以最优工程条件下的工程平均为:μ优=1.943;

变动半径δ的计算公式是:

上式中:S误=不显著因子变动之和+S误;f误=不显著因子自由度之和+f误;Fα1,f误是相应的 F临界值;有效重复数

3 结论

1)各因素对 EPS混合土砌块抗压强度的影响程度由大到小依次是 EPS>水泥>水。其中 EPS含量和水泥含量是影响抗压强度的显著因素。抗压强度在单一因素影响下:EPS含量不宜过大,一般控制在1%～2%左右,水泥含量不宜小于20%;用水量控制在25%～30%之间。

2)本试验中,28 d抗压强度大于1 MPa的共有4组配合比,其中只针对抗压强度这一指标来说,最佳配合比为第16组:A4B1C3;但考虑到墙体保温需要和工程成本,选择第11组配合比:A3B1C2作为本次试验的最优配合比。通过对最优工程条件下真值变动半径的计算,得到了最优配合比的真值变动范围在1.108～2.778之间。

[1]李明东,朱伟,马殿光,等.EPS颗粒混合轻质土的施工技术及其应用实例[J].岩土工程学报,2006,28(4):533-536.

[2]何奇宝.EPS颗粒混合轻质土(LCES)与粘土动力特性的对比试验研究[D].南京:河海大学,2007:1-58.

[3]童瑞铭.EPS颗粒混合轻质土(LSES)与砂土的动力特性对比试验研究[D].南京:河海大学,2007:1-67.

[4]马时冬.聚苯乙烯泡沫塑料轻质填土(SLS)的特性[J].岩土力学,2001,22(3):245-249.

[5]董金梅,刘汉龙,高玉峰,等.聚苯乙烯轻质混合土抗压强度特性试验研究[J].岩土力学,2004,25(12):1964-1968.

[6]周云东,何奇宝,丰土根,等.EPS颗粒混合轻质土动强度特性对比研究[J].河海大学学报:自然科学版,2008,36(6):810-813.

[7]刘新义,沈赣新,何明胜.轻骨料混凝土配合比设计的试验研究[J].石河子大学学报:自然科学版,2007,25(2):232-235.

[8]钱波,左玉强,王伟,等.基于混凝土强度的相似正交配合比试验研究[J].石河子大学学报:自然科学版,2008,26(3):355-358.

[9]北京大学数学力学系概率统计组.正交试验法[M].北京:化学工业出版社,1979,32-39.

Compressive Strength of Heterogeneous Soil Mixed with Expanded Polystyrene Based on Orthogonal Experiments

SUI Xiaolong,HE Mingsheng,FU Xiaojian
(Water conservancy and Architecture College,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

The composite masonry of thermal-insulating lightweight concrete hollow block(is a new type of structure with expanded polystyrenesoil(EPS)as its inner core and the lightweight concrete block as its external model.This paper takes the inner core material-EPS-soil(heterogeneous soil mixed with expanded polystyrene)of this version as its research subject,with EPS,cement and water as its main parameters.Experiment for compressive strength of EPS-soil was carried out.16 groups of samples are designed through the orthogonal test,the influence factors law to compressive strength of EPS-soil has been analyzed.EPS content is the most significant influencing factor in the compressive strength of EPS-soil,with cement content as the less and water content the least influencing factor;the influence factors’relational curves to compressive strength of EPS-soil have been given,and the optimum mix ratio is advanced,that is:cement content 30%,EPS content 1%,water content 30%.Through calculating the truth-value variable radius under optimal project condition,the mobility scale of the optimum mix radio’s truth-value was gained between 1.108～2.778.

heterogeneous soil mixed with expanded polystyrene;orthogonal experiment;compressive strength

TU411

A

2010-12-06

国家自然科学基金项目(50868011)

眭小龙(1988-),男,硕士研究生,专业方向为混凝土结构;e-mail:1002966263@qq.com。

何明胜(1971-),男,教授,从事组合结构及结构抗震、减震方面研究;e-mail:hms1971@sina.com。