基于响应面法的矿渣-电石渣-脱硫石膏固化淤泥质土力学性能研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0889

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (2): 582-591.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0889

基于响应面法的矿渣-电石渣-脱硫石膏固化淤泥质土力学性能研究

王冬冬¹(), 张帅伟²(), 宋新江¹, 徐海波¹, 尹祥¹, 乔磊鑫³

^1.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，安徽省水科学与智慧水利重点实验室，蚌埠 233000
^2.宁波中淳高科股份有限公司，宁波 315100
^3.国机中兴工程咨询有限公司，郑州 450007

收稿日期:2025-09-03 修订日期:2025-10-24 出版日期:2026-02-20 发布日期:2026-03-09
通信作者: 张帅伟，工程师。E-mail：zhshuaiwei@sina.com
作者简介:王冬冬（1995—），男。主要从事固化土技术方面的研究。E-mail：wangdongdong9512@163.com
基金资助:
安徽省自然科学基金(2208085US01);安徽省自然科学基金(2208085US18);安徽省自然科学基金(2408055US004);安徽省水科院科技攻关项目(KJGG202302);安徽省水利科技项目(SLKJ202501-1)

Mechanical Properties of Silty Clay Stabilized with GGBS-Carbide Slag-Desulfurization Gypsum Based on Response Surface Methodology

WANG Dongdong¹(), ZHANG Shuaiwei²(), SONG Xinjiang¹, XU Haibo¹, YIN Xiang¹, QIAO Leixin³

^1.Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research，Anhui Provincial Key Laboratory of Water Science and Intelligent Water Conservancy，Bengbu 233000，China
^2.ZCONE High-Tech Pile Industry Holdings Co. ，Ltd. ，Ningbo 315100，China
^3.Sinomach Zhongxing Engineering Consulting Co. ，Ltd. ，Zhengzhou 450007，China

Received:2025-09-03 Revised:2025-10-24 Published:2026-02-20 Online:2026-03-09

摘要/Abstract

摘要：

淤泥质土在我国广泛分布，因含水率高、承载力低，难以直接用于工程建设。为改善淤泥质土性能，本文以矿渣、电石渣和脱硫石膏为固化剂，采用响应面法中的Box-Behnken design（BBD）数值分析，研究三者掺量对淤泥质土力学性能的影响规律并确定最优配比；再通过对比干湿作用下黄原胶固化土的强度与质量损失率，验证最优配比的有效性；最后结合SEM分析固化机理。结果表明，养护7 d后，随着矿渣和电石渣含量的增大，淤泥质土的无侧限抗压强度先增大后减小。养护28 d后，随着电石渣和脱硫石膏掺量的增加，淤泥质土的无侧限抗压强度先增加后下降。最优掺量为矿渣18.43%（质量分数，下同）、电石渣9.13%、脱硫石膏4.06%，该配比下强度与耐久性优于黄原胶固化土。固化剂的掺入导致水化硅酸钙（C-S-H）、水化硅铝酸钙（C-A-S-H）及钙矾石等凝胶产物生成，试样颗粒得到胶结与包裹，驱动孔隙结构优化与密实度增强，进而促进宏观层面的土体强度与耐久性能的提升。

关键词: 矿渣, 脱硫石膏, 电石渣, 响应面法, 淤泥质土

Abstract:

Silt clay is widely distributed in China， yet its high water content and low bearing capacity make it unsuitable for direct use in engineering. To enhance its properties， this study employed ground granulated blast furnace slag （GGBS）， carbide slag， and desulfurization gypsum as stabilizers. Using the Box-Behnken design （BBD） within the response surface methodology， the influence of the dosages of these three stabilizers on the mechanical properties of silt clay was investigated， and the optimal mix proportion was determined. The effectiveness of this optimal proportion was verified by comparing the strength and mass loss rate of clay stabilized with xanthan gum under dry-wet cycles. Furthermore， scanning electron microscopy （SEM） was utilized to elucidate the curing mechanism. The results indicate that under 7 d curing， the unconfined compressive strength （UCS） of the silt clay initially increases and then decreases with increasing dosages of GGBS and carbide slag. Under 28 d curing， with the increase in the admixture amounts of carbide slag and desulfurization gypsum， the UCS of silt clay first increases and then decreases. The optimal dosages are determined as 18.43% （mass fraction） for GGBS， 9.13% for carbide slag， and 4.06% for desulfurization gypsum. Under this optimal proportion， the strength and durability are superior to those of clay stabilized with xanthan gum. The incorporation of the stabilizer leads to the formation of gel products such as calcium silicate hydrate （C-S-H）， calcium aluminosilicate hydrate （C-A-S-H）， and ettringite. The sample particles are cemented and encapsulated， which drives the optimization of pore structure and the enhancement of compactness， thereby promoting the improvement of soil strength and durability at the macro level.

Key words: ground granulated blast furnace slag, desulfurization gypsum, carbide slag, response surface methodology, silty clay

中图分类号:

TU528

王冬冬, 张帅伟, 宋新江, 徐海波, 尹祥, 乔磊鑫. 基于响应面法的矿渣-电石渣-脱硫石膏固化淤泥质土力学性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(2): 582-591.

WANG Dongdong, ZHANG Shuaiwei, SONG Xinjiang, XU Haibo, YIN Xiang, QIAO Leixin. Mechanical Properties of Silty Clay Stabilized with GGBS-Carbide Slag-Desulfurization Gypsum Based on Response Surface Methodology[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(2): 582-591.

图/表 13

图1 试验材料

Fig.1 Test materials

表1 淤泥质土的基本物理力学性质

Table 1 Basic physical and mechanical properties of silt clay

Natural water content/%	Density ratio	Dry density/（g·cm^-3）	Liquid limit/%	Plastic limit/%	Specific gravity/%
58.15	3.21	1.17	31.22	15.64	2.79

表2 淤泥质土与固化剂（矿渣和脱硫石膏）的主要化学组成

Table 2 Main chemical composition of silt clay and curing agents （GGBS and desulfurization gypsum）

Material	Mass fraction/%
Material	CaO	SiO₂	Al₂O₃	SO₃	MgO	Fe₂O₃	Na₂O	Other
Silty clay	0.89	59.82	11.68	—	2.38	8.45	2.53	15.14
GGBS	30.06	36.50	20.60	—	5.92	1.23	1.05	4.64
Desulfurization gypsum	44.08	18.55	0.69	35.64	—	0.69	0.35	—

表3 电石渣主要化学组成

Table 3 Main chemical composition of carbide slag

Chemical composition	CaO	SiO₂	SiO	Al₂O₃	Na₂O	MgO	Fe₂O₃
Mass fraction/%	84.10	5.92	3.30	0.15	0.12	0.68	5.73

表4 BBD试验方案

Table 4 BBD test plan

Influence factor	Code	Code level
Influence factor	Code	-1	0	1
GGBS content/%	X₁	10	15	20
Carbide slag content/%	X₂	6	8	10
Desulfurization gypsum content/%	X₃	3	5	7

表5 响应面BBD试验预测值

Table 5 Prediction values of response surface BBD test

Serial number	Factor			Unconfined compressive strength/kPa
Serial number	X₁	X₂	X₃	7 d	28 d
1	10	6	5	401	685
2	10	8	3	462	584
3	10	8	7	488	711
4	10	10	5	531	732
5	15	6	3	411	688
6	15	6	7	488	711
7	15	8	5	585	841
8	15	8	5	579	821
9	15	8	5	601	811
10	15	8	5	555	802
11	15	8	5	574	821
12	15	10	3	461	685
13	15	10	7	601	875
14	20	6	5	585	743
15	20	8	3	501	644
16	20	8	7	614	815
17	20	10	5	543	802

表6 方差分析结果

Table 6 Analysis of variance results

Source	7 d			28 d
Source	P	F	Coefficient	P	F	Coefficient
Model	0.000 1	26.84	582.6	<0.000 1	41.32	823.04
X₁	0.000 2	54.59	45.13	0.000 4	38.79	36.51
X₂	0.001 3	26.39	31.38	0.000 7	32.43	33.37
X₃	0.000 2	53.09	44.52	<0.000 1	118.82	63.88
X₁X₂	0.001 6	24.78	-43.01	0.006 4	0.13	3.05
X₁X₃	0.039 9	6.34	21.75	0.032 5	1.76	11.15
X₂X₃	0.012 0	3.32	15.74	0.015 0	25.38	41.75
X₁²	0.042 8	6.11	-20.81	<0.000 1	68.54	-66.87
X₂²	0.000 9	30.91	-46.83	0.043 2	3.74	-15.62
X₃²	0.000 1	29.27	-45.51	<0.000 1	70.09	-67.63

图2 多因素对养护7 d试样的无侧限抗压强度的影响

Fig.2 Influence of multiple factors on UCS of 7 d cured samples

图3 多因素对养护28 d试样的无侧限抗压强度的影响

Fig.3 Influence of multiple factors on UCS of 28 d cured samples

图4 固化效果对比图

Fig.4 Comparison of stabilization effects

图5 不同干湿循环次数下SCD 固化剂与黄原胶固化淤泥质土的质量损失

Fig.5 Mass loss of silt clay stabilized with SCD stabilizer and xanthan gum with different numbers of dry-wet cycles

图6 不同干湿循环次数下SCD固化剂与黄原胶固化淤泥质土无侧限抗压强度

Fig.6 UCS of silt clay stabilized with SCD stabilizer and xanthan gum under different numbers of dry-wet cycles

图7 最优配合比条件下试样养护7与28 d的SEM照片

Fig.7 SEM images of samples cured for 7 and 28 d with optimal mix proportion conditions

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Mechanical Properties of Silty Clay Stabilized with GGBS-Carbide Slag-Desulfurization Gypsum Based on Response Surface Methodology

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