EDTA滴定法檢測(cè)攪拌樁水泥摻量的改進(jìn)試驗(yàn)*

江蘇省水利建設(shè)工程有限公司 揚(yáng)州 225002

0 引言

水泥攪拌樁作為一種成熟的地基處理技術(shù)，在工程中得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)行水泥攪拌樁質(zhì)量檢測(cè)主要有樁身完整性檢測(cè)、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、單樁承載力檢測(cè)、復(fù)合地基承載力試驗(yàn)等。但這些試驗(yàn)均偏重于檢測(cè)樁體某一方面指標(biāo)來間接反映水泥攪拌樁質(zhì)量，但施工中水泥究竟摻了多少，是否均勻等缺乏直接的檢測(cè)方法。

目前檢測(cè)水泥土填料的水泥摻量有專門的試驗(yàn)規(guī)程，方法是按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)范》（JTG E51—2009），運(yùn)用EDTA乙二胺四乙酸滴定法檢測(cè)，可以準(zhǔn)確繪制水泥摻量與EDTA耗量的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

但公路工程中，水泥穩(wěn)定土填料一般是經(jīng)過加工并基本控制了最優(yōu)含水率的土料與水泥的拌和料，主要用于填筑，通過分層鋪筑施加外力碾壓成型；而水泥攪拌樁是水泥與原狀土利用機(jī)械直接在地下攪拌，使軟土自然硬化固結(jié)。二者雖說都是水泥與土的混合物，但存在較大差異。齡期、含水率、攪拌方法、固結(jié)原理等因素限制了EDTA滴定法在水泥攪拌樁水泥摻量檢測(cè)中的直接應(yīng)用[1-4]。

本文通過理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比分析水泥攪拌樁水泥摻量檢測(cè)和水泥穩(wěn)定土填料水泥摻量檢測(cè)的差異，研究了EDTA滴定法的影響因素和水泥攪拌樁施工等方面的特點(diǎn)，提出適用于水泥攪拌樁水泥摻量檢測(cè)的改進(jìn)EDTA滴定法。

1 試驗(yàn)步驟

1.1 改進(jìn)取土和制樣方法

JTG E51—2009規(guī)定“檢測(cè)水泥土填料的水泥摻量時(shí)，取工地用水泥和土，風(fēng)干后測(cè)其含水量，然后使用該材料制備標(biāo)準(zhǔn)曲線”。

而水泥攪拌樁是在原位將水泥漿攪拌到土體中而沒有將土風(fēng)干，試驗(yàn)時(shí)如將土風(fēng)干則和現(xiàn)場(chǎng)差別較大。所以本試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣的制備過程不能硬搬現(xiàn)行規(guī)范的操作方法進(jìn)行，即不能將土樣事先風(fēng)干，應(yīng)該使用攪拌設(shè)備直接將按設(shè)計(jì)水灰比配制的水泥漿拌和到從現(xiàn)場(chǎng)取回的土樣中。在取土和制樣過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）為保持含水率一致，從工地取土樣時(shí)應(yīng)用不透氣塑料袋密封裝運(yùn)存放。

2）將稱量好的土樣、水泥、外加劑和水放入攪拌器中反復(fù)攪拌直到均勻。水泥摻量按0和設(shè)計(jì)劑量的-2%、+2%、+4%分別制樣4組。

3）將保鮮袋套在試杯上，將攪拌均勻的泥漿裝入試杯內(nèi)，并振搗使試樣充分密實(shí)。每個(gè)土層的每種水泥摻量各制備試樣20個(gè)，并在試杯上貼上標(biāo)簽注明土層、水泥摻量等信息。

1.2 改進(jìn)養(yǎng)護(hù)方法

水泥穩(wěn)定土填料中使用EDTA滴定法檢測(cè)水泥摻量時(shí)，制備好的標(biāo)準(zhǔn)試樣在3 d內(nèi)就會(huì)進(jìn)行滴定，不會(huì)放置很長(zhǎng)時(shí)間。而水泥攪拌樁施工中一般要到施工完成28 d后才可以進(jìn)行鉆孔取芯，因此使用EDTA滴定法檢測(cè)水泥攪拌樁試樣的水泥含量時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)試樣制備完成后不能立即進(jìn)行滴定，需要養(yǎng)護(hù)一定的時(shí)間，因此本試驗(yàn)中需將制備的標(biāo)準(zhǔn)試樣埋在同層次的原狀素土中密封養(yǎng)護(hù)。具體方式為：將試杯中的試樣放在恒溫、濕的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d使其成型。將成型的試樣脫模后放入裝有同層次的原狀素土的密閉器皿中以防含水率改變，并壓實(shí)土樣使其將試樣裹緊以模擬現(xiàn)場(chǎng)。

1.3 改進(jìn)檢測(cè)時(shí)間

JTG E51—2009規(guī)定“EDTA滴定法適用于水泥終凝前（12 h）的水泥含量檢測(cè)，否則需要相應(yīng)齡期的EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗量的標(biāo)準(zhǔn)曲線確定”。

為研究檢測(cè)時(shí)間不同對(duì)EDTA滴定法檢測(cè)精度的影響，本試驗(yàn)在不同齡期（檢測(cè)齡期分別為7 d、14 d、28 d和42 d）對(duì)攪拌樁標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行EDTA滴定試驗(yàn)，研究標(biāo)準(zhǔn)試樣EDTA消耗量隨齡期的衰減規(guī)律，以期獲得改良的能夠考慮時(shí)間因素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.4 滴定試驗(yàn)

當(dāng)養(yǎng)護(hù)至預(yù)定的檢測(cè)時(shí)間時(shí)，將試樣從密封的塑料箱中取出，全部破碎后過2 mm篩，將篩下的土樣稱取2份100 g待測(cè)，并將篩下的土樣裝鋁盒測(cè)其含水率。

JTG E51—2009中“工地水泥和石灰穩(wěn)定土含水量的少量變化（±2%），實(shí)際上不影響測(cè)定結(jié)果”的規(guī)定表明含水率變化在2%以內(nèi)對(duì)試驗(yàn)影響較小，在公路工程中，水泥穩(wěn)定土是按照最佳含水率來拌和的，一般滿足2%的變化范圍，對(duì)試驗(yàn)影響不大。而在水泥攪拌樁中由于不同區(qū)域的原土含水率差異較大，不同土層攪拌樁的含水率變化遠(yuǎn)大于2%范圍，所以必須考慮含水率對(duì)本試驗(yàn)的影響。具體做法是采取把100 g濕土換算成100 g干土所得到的10 mL清液消耗的EDTA量進(jìn)行分析。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及關(guān)系曲線繪制

實(shí)驗(yàn)成果見表1及圖1～圖4。

表1 某層土試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.6.1 齡期與EDTA耗量的關(guān)系

圖1 原土試樣EDTA消耗量隨齡期的衰減曲線

圖2 100 g干土試樣EDTA消耗量隨齡期的衰減曲線

圖3 原土試樣各齡期標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖4 原土換算為100 g干土各齡期標(biāo)準(zhǔn)曲線

制備某一齡期的標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，由不同劑量水泥土的衰減曲線計(jì)算出這一齡期不同劑量水泥土的EDTA耗用量，由EDTA消耗量和水泥摻量的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以得到與時(shí)間有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

隨著齡期的增加，水泥拌和料經(jīng)過初凝、終凝，直到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在這過程中鈣離子的浸出率會(huì)減小，從而使得所耗EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液量較少。EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量隨著齡期的增加而衰減，與時(shí)間的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。

試驗(yàn)顯示，水泥土清液的EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸衰減，并與時(shí)間的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，且衰減較為明顯。雖然不同水泥摻量土樣EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液的消耗量隨著齡期的增加而衰減，但在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)某一齡期時(shí)不同水泥摻量土樣的EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量差異明顯，即在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)任意齡期時(shí)仍能明顯反映出水泥摻量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。所以可以由各個(gè)齡期時(shí)不同水泥摻量的土樣EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量的差異得到這一齡期水泥摻量和EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量之間的關(guān)系[5-8]。

1.6.2 含水率與EDTA耗量的關(guān)系

當(dāng)含水率變化不大時(shí)（小于2%），采用相同濕土質(zhì)量和相同干土質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)的差別很小。當(dāng)含水率較大時(shí)，一定質(zhì)量的土樣中含水量較大而干土量相對(duì)較少，此時(shí)含有Ca2+量（水泥摻量）就相對(duì)較小，從而使得EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液的消耗量變小。此時(shí)不能很好地反映土中Ca2+和EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量之間的關(guān)系。在含水率變化較大時(shí)，由一定質(zhì)量的干土作為檢驗(yàn)水泥摻量的標(biāo)準(zhǔn)得到的衰減曲線規(guī)律明顯，能夠很好地反映出土中Ca2+和EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量之間的關(guān)系，并消除了試樣中水的質(zhì)量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.6.3 水泥摻量與EDTA耗量的關(guān)系

各個(gè)齡期時(shí)水泥摻量和EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量呈線性關(guān)系，隨著齡期的增加不同水泥摻量土樣的EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量都有所減小，但衰減規(guī)律趨于一致，衰減后在某一齡期時(shí)水泥摻量和EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量仍呈線性關(guān)系且?guī)讞l直線的斜率趨于一致。所以不同齡期時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合是可行的。

制備某一齡期的標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，由這一齡期的豎線插入圖中可得到這一齡期不同水泥摻量試樣的EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量。將這幾組數(shù)據(jù)繪制在水泥摻量和EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液消耗量的坐標(biāo)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到如圖5所示的曲線，可見相關(guān)性良好，可以用作檢驗(yàn)這一齡期水泥攪拌樁取芯試樣水泥摻量的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖5 水泥土某一齡期EDTA消耗標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 現(xiàn)場(chǎng)取芯驗(yàn)證

施工完后齡期3 d及28 d時(shí)，采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行全樁長(zhǎng)鉆孔，抽取芯樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)試樣進(jìn)行EDTA滴定試驗(yàn)，并描述水泥土攪拌均勻性。現(xiàn)場(chǎng)取芯的檢測(cè)結(jié)果見表2。

從表2可見，取芯試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水泥用量基本滿足要求，對(duì)于同一樁位個(gè)別樁的取芯試樣出現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果不一致，少數(shù)出現(xiàn)水泥不足沒有達(dá)到抗壓強(qiáng)度要求，主要原因?yàn)樗鄶嚢铇妒┕r(shí)攪拌不均勻。同時(shí)從表中含水率一欄可以看出含水率的變化范圍較大，含水率的變化對(duì)EDTA消耗量的影響較大，所以在計(jì)算水泥摻量時(shí)采用將濕土的EDTA消耗量換算為干土的消耗量來進(jìn)行計(jì)算，排除含水率的影響。

表2 現(xiàn)場(chǎng)取芯檢測(cè)（水泥摻量15%）

3 結(jié)語

試驗(yàn)表明齡期、含水率、試樣制備和養(yǎng)護(hù)條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大。所以應(yīng)用EDTA滴定法檢驗(yàn)水泥攪拌樁取芯試樣中的水泥摻量時(shí)要綜合考慮齡期、含水率、試樣制備和養(yǎng)護(hù)條件等因素的影響。本次試驗(yàn)解決了齡期、含水率等問題對(duì)試驗(yàn)的影響，并提出了較好的試樣制備和養(yǎng)護(hù)方法。

實(shí)踐表明，改進(jìn)EDTA滴定法能夠有效地檢測(cè)水泥攪拌樁取芯試樣的水泥摻量，為水泥攪拌樁質(zhì)量檢測(cè)提供了直接、定量、客觀的評(píng)判依據(jù)。本成果已獲得國家發(fā)明專利。