水泥含量測定法控制水泥攪拌樁施工質量研究

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(河海大學 a. 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室；b.巖土工程科學研究所，南京 210098)

1 研究背景

水泥攪拌樁是軟基處理中常用的處理方法，通過將水泥與地基土原位攪拌成水泥土圓柱體，與周圍土體共同形成復合地基，從而提高地基的穩(wěn)定性和承載力[1-2]。水泥攪拌樁具有錨固效果較好、施工快速、造價低、噪音小的優(yōu)點，且對相鄰建筑物無不利影響，其在軟弱地基加固中具有廣闊的發(fā)展前景[3-4]。目前，水泥攪拌樁質量檢測方法主要存在28 d齡期鉆孔取芯法、靜載試驗法、靜力觸探法和標貫法[5]，本領域研究人員結合具體工程背景亦提出許多不同的檢測方法[6-8]。大量工程實踐表明，現(xiàn)有檢測方法均偏重于檢測樁體某一方面指標以間接反映水泥攪拌樁質量，不僅存在較大片面性，而且具有養(yǎng)護齡期長、檢測費用高、檢測過程過于繁瑣的不足[9]。

水泥含量是水泥攪拌樁質量的直接控制指標，在室內配合比試驗滿足要求前提下，若水泥攪拌樁施工中水泥含量滿足要求且攪拌均勻，樁的質量一般就能達到要求。有效檢測樁體水泥含量對于控制水泥攪拌樁質量有重要意義。檢測水泥含量的方法有很多，其中EDTA滴定法具有原理簡單、檢測成本低、檢測速度快捷和檢測精度較高的優(yōu)點，并且能夠較好地反映水泥穩(wěn)定土的拌合均勻性，在公路工程中已得到廣泛應用。但是規(guī)范中EDTA滴定法僅僅適用公路工程水泥穩(wěn)定材料的水泥含量檢測[10]。因此，本文根據(jù)水泥攪拌樁的特點，分析各個因素的影響機理及規(guī)律，提出改進EDTA滴定法用于攪拌樁水泥含量的檢測。

EDTA滴定法檢測水泥含量優(yōu)點之一在于快速檢測。運用于水泥攪拌樁施工中，還缺乏合適的取樣裝置能夠在樁身范圍內連續(xù)取出水泥土漿液。若采用鉆芯取樣，水泥土在終凝前具有一定流動性，取土困難，同時成本相對較大。而常用的軟土取樣器往往偏重于取出原狀的軟土，取土裝置較為復雜。因此，本文設計研發(fā)出管式側開閉口軟土取土裝置，在水泥攪拌樁施工完成后及水泥土漿液初凝之前，沿水泥攪拌樁深度方向進行樁芯取樣，結合提出的改進EDTA法檢測其水泥含量，分析水泥攪拌樁施工質量，最終形成一種無損、快速檢測水泥攪拌樁質量的方法。

2 水泥含量檢測方法原理

2.1 EDTA滴定法原理

EDTA滴定法基本原理是用10%的NH4Cl弱酸溶出水泥土中的Ca2+，然后用EDTA二鈉標準溶液中的絡合物固定水溶液中游離Ca2+，通過EDTA二鈉標準溶液的消耗量確定與之對應的水泥劑量[10]。EDTA法具有原理簡單、檢測成本低、檢測速度快和檢測精度高等優(yōu)點[11]，而且可以較好檢測水泥與土的拌合均勻性。目前常規(guī)EDTA滴定法在水泥穩(wěn)定土的填料水泥劑量的檢測中已得到廣泛運用，但運用于水泥攪拌樁水泥含量檢測，則存在一定的限制因素。

2.2 EDTA滴定法用于水泥攪拌樁檢測的影響因素及改進

2.2.1 齡期的影響

規(guī)范中EDTA滴定法適用于在水泥終凝之前的水泥含量測定[10]，而水泥攪拌樁的質量檢測一般要等到水泥土凝固后進行取芯檢測，顧小安等[12]研究表明，齡期對EDTA滴定法檢測精度影響很大。主要原因分析如下：隨著水泥土水解水化反應的進行，可浸取Ca2+逐漸形成CSH等穩(wěn)定結構物，NH4Cl溶液溶解Ca2+總量減少；同時隨著齡期增加，水泥與土顆粒凝結成團，檢測時顆粒粒徑增加，比表面積相應減少，規(guī)范中10%NH4Cl對Ca2+的溶解率減少，測定的EDTA消耗量隨著齡期的增加而減少。對于水泥土養(yǎng)護齡期的影響，顧小安等[12-14]在研究中提出了不同齡期修正方法。

通過以上分析，本試驗配制不同摻量的水泥土測定各個齡期的EDTA消耗量如圖1所示。其中齡期對數(shù)坐標中，EDTA消耗量與齡期近似表現(xiàn)為對數(shù)線性關系。圖2為對應于各個養(yǎng)護齡期的EDTA消耗量標準曲線?，F(xiàn)場試驗時，通過EDTA隨齡期衰減方程，計算出相應齡期的EDTA標準曲線，將試樣EDTA消耗量代入該標準曲線即可得到該試樣的水泥含量。

圖1 水泥土的EDTA消耗量隨齡期的衰減圖

圖2 EDTA消耗量標準曲線

2.2.2 土層的影響

水泥攪拌樁成樁過程中往往通過多個土層，土層成分和性質存在較大差異。水泥攪拌樁攪拌成樁后，水泥與土之間發(fā)生一系列的物理化學反應，水泥水化產(chǎn)生的Ca2+部分被黏土顆粒吸附交換，部分參與水泥水化反應形成CSH等膠凝物質，故不同土層的土由于黏粒含量、細度等物理化學性質不同，摻加相同量的水泥，EDTA消耗量不同，對于穿越多個土層的水泥攪拌樁應采用相應土層的標準曲線進行檢測。圖3為本試驗的2個土層土的EDTA消耗量隨時間的變化曲線，從中可以看出2類不同的土層EDTA消耗量在相同養(yǎng)護齡期條件下存在一定差別，說明土層性質對水泥水化反應的進行和水化產(chǎn)物的生成均存在一定影響，但土層產(chǎn)生的影響隨養(yǎng)護齡期的延長而逐漸減小。

圖3 不同種類土EDTA消耗量隨時間變化曲線

2.2.3 養(yǎng)護條件的影響

現(xiàn)場水泥攪拌樁是在封閉地下環(huán)境中成樁形成強度，不同的溫度、濕度、土壓力等條件會影響水泥土水化反應，從而影響檢測精度。為模擬現(xiàn)場情況，試驗過程中將標準試驗樣脫模成型后埋在相應土層的原裝素土中，對于地下水位以下的土層需保持素土表面浸水，再將標準樣和素土密封放在溫度為20℃、相對濕度為90%的地下室內，達到相應齡期后，進行EDTA滴定試驗，根據(jù)試驗結果繪制標準曲線。

2.2.4 含水率的影響

水泥攪拌樁現(xiàn)場施工中土層及水位等地質條件較為復雜，不同深度處土層含水率往往變化很大，同時由于取樣過程中浸水、蒸發(fā)、環(huán)境等因素的影響，也會一定程度上導致土樣含水率變化，這與室內標準樣含水率存在一定的差別，并對試驗精度產(chǎn)生一定的影響。土樣含水率較大時，一定量土樣中水泥含量則相對減少。為降低含水率影響，試驗過程中采用100 g干土EDTA的消耗量指標，繪制水泥含量標定曲線圖。換算關系為：100 g干土EDTA消耗量=100 g濕土EDTA消耗量×(1+含水率)。

2.2.5 水泥種類的影響

沈衛(wèi)國等[15]提出水泥品種會影響到試驗結果。不同種類水泥的組成成分、石膏摻量和水泥細度等有較大變化，影響到水泥的水解水化過程和結構形式，且成分差異導致鈣含量不同。所以采用EDTA滴定法檢測水泥攪拌樁水泥摻量時應研究水泥種類對檢測結果的影響。為研究水泥種類對EDTA滴定法的影響，試驗采用普通硅酸鹽C42.5和C32.5進行試驗，試驗用土為粉土，水泥摻量為25%。在不同齡期時分別對不同水泥品種水泥土進行EDTA滴定試驗。試驗結果如圖4。

圖4 不同水泥種類試樣在不同齡期時的EDTA消耗量

由圖4可知水泥品種對EDTA消耗量有較大影響，采用水泥C42.5制取的試樣EDTA消耗量大于水泥C32.5制取試樣的EDTA消耗量。不同水泥品種水泥的化學成分、鈣離子含量、水泥的水解水化速率不同，在氯化銨溶液中的溶解過程存在差異，一定齡期時可溶解的鈣離子量不同，在一定程度上影響了EDTA的消耗量。水泥攪拌樁水泥摻量檢測時應考慮水泥種類對檢測結果的影響，制作標準曲線時取現(xiàn)場攪拌樁使用的水泥，現(xiàn)場水泥品種改變時，需要重新制作標準曲線。

2.3 取土裝置的設計研發(fā)

(a)取樣器取土管

(b)實物圖

傳統(tǒng)取土裝置存在對軟土采樣率低、取樣深度難以確定、操作效率低等缺點。本文研究中根據(jù)水泥攪拌樁現(xiàn)場取樣和水泥含量滴定試驗的特點及要求，研發(fā)了一種管式側開閉口軟土取土裝置，可以一次性在水泥攪拌樁目標深度范圍內間隔20 cm取樣。取土裝置由管體部分及鉆頭組成，示意圖及實物圖如圖5所示，取土管由若干節(jié)類似于靜力觸探桿的取土管組成，每節(jié)取土管長100 cm。每節(jié)取土管設置5個取土器，且相鄰取土器間隔20 cm，取土器上開有長方形進土孔，孔上安裝有活動門。取土時，利用靜力觸探設備將取土管下壓和提升，其中取土器下壓到土層過程中，活動門保持關閉狀態(tài)，在取土器上提過程中，活動門打開，土樣進入取土器內。每個取土器間相互隔離，以保證水泥攪拌樁樁芯樣的代表性。

2.4 現(xiàn)場取樣測定水泥含量

水泥攪拌樁施工完成后，使用研制的取土裝置取出試樣，滴定得出不同深度土樣EDTA標準液的消耗量，根據(jù)標準曲線圖即可確定不同深度處樁芯樣的水泥含量。根據(jù)樁芯水泥含量滴定結果，繪制水泥含量隨深度的變化曲線圖，分析各個深度水泥含量和拌合均勻性，判斷水泥攪拌樁成樁質量，反饋指導施工。

3 應用實例

本文通過楊林船閘工程水泥攪拌試驗樁水泥含量檢測現(xiàn)場試驗，驗證了水泥含量檢測方法在評價水泥土攪拌樁成樁質量的準確性和適用性。

3.1 工程概況

楊林船閘擬采用水泥攪拌樁法處理軟弱地基及加固斜坡式護岸。地質勘察報告提供的該場地主要加固的土層為1-2(Q4al) 淤泥質黏土(層頂面埋深1.2～4.3 m，一般厚度16.0～19.9 m)和1-2b(Q4al)淤泥(層厚1.5～9.0 m)。水泥攪拌試驗樁設計樁徑為700 mm，樁長為20.8 m，樁間距1.0 m。固化劑選用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.55。

3.2 試驗成果及分析

楊林船閘水泥攪拌樁設計水泥含量為20%，28 d無側限抗壓強度設計值0.84 MPa，利用管式側開閉口軟土取土裝置獲取樁芯土樣，首先測定3 h齡期水泥含量，獲得3 h齡期水泥含量豎向分布如圖6所示。試驗過程中，由于氯化銨對水泥土的溶解能力有限，水泥含量大于30%時，試驗精度會存在一定程度的降低[16]，當計算得到水泥含量大于35%時，試驗結果仍按35%進行統(tǒng)計。

圖6 齡期3 h樁水泥含量檢測成果

根據(jù)圖6中3 h齡期水泥含量檢測結果，整樁平均水泥含量為21.5%，0～3 m樁體水泥含量低于設計值，3～6 m土體水泥含量較高，基本大于35%，10 m以下樁體土體水泥含量波動大，最小值4.7%，最大值大于5.0%，平均水泥含量為18.1%。由此可以看出，水泥攪拌樁施工過程中，存在水泥漿上浮和攪拌不均勻的質量問題，特別是上層樁體的漿液上浮以及深層樁體水泥摻量不均勻問題。針對檢測結果，建議采取調整施工工藝、加強復攪、改進攪拌刀具等措施，提高拌合均勻性。

圖7為改進攪拌工藝后，28 d齡期水泥攪拌樁鉆芯取樣水泥摻量分布圖和無側限抗壓強度曲線圖。取芯結果表明，試驗樁整樁水泥含量分布較為均勻，最大32.1%，最小量17.1%，平均值為21.9%，同時無側限抗壓強度為1.29～1.70 MPa，滿足強度設計值0.86 MPa的要求。水泥摻量檢測和強度檢測結果吻合，其中圖8為檢測的12根水泥攪拌樁水泥摻量和抗壓強度的關系圖，即水泥土攪拌樁實際無側限強度與水泥摻量基本保持正相關關系，可以通過水泥攪拌樁中水泥劑量檢測方法評價水泥攪拌樁成樁質量以及樁體強度是否滿足要求。

(a) 樁水泥摻量檢測成果

(b) 樁芯樣無側限抗壓強度

圖8 28 d樁芯樣無側限抗壓強度與水泥摻量關系

4 結 論

(1) 用測定水泥含量的方法控制水泥攪拌樁施工質量，該方法將水泥含量和拌合均勻性作為水泥攪拌樁質量評判指標，能夠直觀、定量反映水泥攪拌樁施工質量。

(2) 借助于管式側開閉口軟土取土裝置獲取水泥土漿液，可以檢測攪拌樁樁身任意處水泥含量及拌合均勻性，不會降低攪拌樁樁身的強度和止水性能，并且現(xiàn)場操作方便，費用低。

(3) 水泥含量檢測法克服了傳統(tǒng)取芯檢測中的齡期限制，在實際運用中，既可在施工初期用該法對試驗樁進行質量檢驗，及時反饋分析和適時調整施工工藝，也可以在施工后期用該法對施工樁進行抽檢，評估施工質量。

(4) 該方法彌補了常規(guī)檢測方法的不足，配合其他測試方法，可以綜合反映水泥攪拌樁的質量，成為水泥攪拌樁質量檢驗的一條新途徑。

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