EDTA法檢測(cè)路基石灰改良土影響因素分析

嚴(yán)卓輝，解長(zhǎng)淵

(1.南通市城市建設(shè)工程管理中心，江蘇 南通 226007；2.中交一公局第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000)

在我國(guó)公路建設(shè)中，鑒于地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)性考慮等原因，路基施工時(shí)需要對(duì)土體進(jìn)行改良處理。石灰改良土作為目前常用的有效方式之一，被廣泛使用于各級(jí)公路建設(shè)中[1-3]。石灰改良土中石灰劑量的多少直接決定著石灰改良土的力學(xué)性能，目前常用的檢測(cè)方式為EDTA滴定法，包括現(xiàn)場(chǎng)對(duì)拌和石灰改良土的檢測(cè)以及碾壓完成后土體石灰摻量檢測(cè)。上述現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)完成后，通過(guò)與室內(nèi)制定的EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比，即可推算出現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的石灰劑量。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，制定EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)試樣制備應(yīng)盡量與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件及環(huán)境保持一致。而實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中并未對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行深入考慮，相關(guān)分析也僅對(duì)部分因素進(jìn)行了研究[4-6]，因此有必要對(duì)可能影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的相關(guān)因素進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了確?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)準(zhǔn)確性，必須保證室內(nèi)試驗(yàn)室試樣準(zhǔn)備與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)樣品具有較高的一致性，才能采用“類比”試驗(yàn)根據(jù)EDTA消耗量直接通過(guò)EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線完成現(xiàn)場(chǎng)石灰摻量的檢測(cè)[7-8]。但實(shí)際操作過(guò)程中，試驗(yàn)室試樣與現(xiàn)場(chǎng)樣品難免會(huì)存在一定差異，為此有必要對(duì)潛在的差異因素進(jìn)行羅列，并分析各因素對(duì)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響程度，為更好地完成EDTA法灰量檢測(cè)提供有效指導(dǎo)。研究擬通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)方法，對(duì)比分析EDTA法進(jìn)行石灰改良土石灰劑量檢測(cè)過(guò)程中，延遲時(shí)間、壓實(shí)度、含水率及養(yǎng)生溫度等因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，主要試驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

2 影響因素分析

2.1 延遲時(shí)間影響

《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則(JTG/T F20-2015)》中對(duì)延遲時(shí)間定義為無(wú)機(jī)結(jié)合料加水、結(jié)合料拌和后開(kāi)始計(jì)算所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，本文借用此概念表示土體與石灰加水拌和后經(jīng)歷時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)石灰改良土施工完成后，由于條件差異，各段落并不能保證在同一時(shí)間進(jìn)行灰量檢測(cè)，而施工完成后延遲時(shí)間長(zhǎng)短是否會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，有必要從試驗(yàn)及原理分析兩方面進(jìn)行相關(guān)探究[9]。在室內(nèi)制備5%劑量石灰改良土，儲(chǔ)存不同時(shí)間進(jìn)行EDTA法滴定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 石灰改良土EDTA消耗量隨延遲時(shí)間變化Figure 1 Consumption of EDTA in lime-modified soil as a function of delay time

由圖1分析可知：

a.隨著延遲時(shí)間增加，相同質(zhì)量石灰改良土EDTA消耗量呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢(shì)，其中前期(前1 d)加速減緩，后期降幅減緩且呈現(xiàn)線性趨勢(shì)。由于EDTA滴定原理為EDTA試液與石灰改良土中石灰有效游離Ca2+、Mg2+反應(yīng)所需消耗量，當(dāng)石灰品種確定后其單位質(zhì)量所含游離Ca2+、Mg2+比例一定，因此可通過(guò)EDTA消耗量推算石灰摻合料。上述變化表明，隨著延遲時(shí)間增加，石灰中有效游離Ca2+、Mg2+逐漸與土體及水反應(yīng)，進(jìn)而改善了石灰改良土理化及力學(xué)性能。

b.當(dāng)延遲時(shí)間為1 d時(shí)，EDTA消耗量減小10%，減小幅度相對(duì)較大。因此在制作EDTA滴定標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，有條件情況下可進(jìn)行延遲時(shí)間對(duì)EDTA消耗量影響曲線，以保證具有與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件一致的室內(nèi)滴定曲線，從而更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作。

c.從滴定曲線可知，石灰改良土前1 d為石灰反應(yīng)加速區(qū)，表明實(shí)際施工中在石灰改良土混合料完成拌和之后應(yīng)盡量在1 d之內(nèi)完成碾壓施工，以避免強(qiáng)度形成后再次碾壓造成強(qiáng)度衰減。

2.2 壓實(shí)度影響

在進(jìn)行上述延遲時(shí)間對(duì)EDTA消耗量影響分析時(shí)，采用了與規(guī)范相同的制樣方法，即采用拌和后混合料進(jìn)行滴定試驗(yàn)。而現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)路基石灰改良土已經(jīng)碾壓成型后再需進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證時(shí)，其狀態(tài)將與室內(nèi)制樣存在一定差異。因此研究采用對(duì)比分析法，類比分析土樣在松散和密實(shí)狀態(tài)下對(duì)EDTA滴定試驗(yàn)的影響。首先確定最佳含水率及最大干密度，然后采用室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)制備壓實(shí)度為98%試樣[10]。上述兩種試樣制備完成后均包裹放置于室溫條件下，不同密實(shí)狀態(tài)下石灰改良土在不同延遲時(shí)間下滴定試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 石灰改良土EDTA消耗量隨密實(shí)狀態(tài)變化Figure 2 Consumption of EDTA in lime-modified soil varies with compaction

由圖2分析可知：

a.不論是松散狀態(tài)還是壓實(shí)狀態(tài)，隨著延遲時(shí)間增長(zhǎng)石灰改良土EDTA消耗量均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

b.相較松散狀態(tài)，密實(shí)狀態(tài)下石灰改良土EDTA消耗量較小。這可能是由于碾壓過(guò)程中石灰改良土發(fā)生機(jī)械重組，石灰與土體接觸更為緊密，更有利于二者反應(yīng)的發(fā)生，因此可中和EDTA的游離鈣、鎂離子減小更快，故其EDTA消耗量相對(duì)較小。

c.根據(jù)上述分析，若現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)為在取土坑取樣時(shí)，應(yīng)制定松散狀態(tài)下的EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線；當(dāng)對(duì)碾壓后土體進(jìn)行取樣檢測(cè)時(shí)，應(yīng)制定密實(shí)狀態(tài)下EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線。

隨著碾壓機(jī)械的發(fā)展，大厚度壓實(shí)技術(shù)逐漸運(yùn)用到路基路面施工中，而已有研究顯示在全厚度平均壓實(shí)度滿足規(guī)范要求前提下，大厚度壓實(shí)存在上下壓實(shí)度存在一定壓實(shí)度差這一問(wèn)題。而上述試驗(yàn)分析表明，壓實(shí)度對(duì)EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線制定具有一定影響。為了進(jìn)一步研究壓實(shí)度對(duì)EDTA消耗量影響，另制備了90%、85%兩種壓實(shí)度狀態(tài)與上述壓實(shí)度為98%試樣進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，相同延遲時(shí)間下，不同壓實(shí)度石灰改良土EDTA消耗量差異較小，可認(rèn)為在同一試樣的平行試驗(yàn)誤差之內(nèi)。表明碾壓狀態(tài)下，壓實(shí)度差異不會(huì)影響石灰改良土EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線制定。

圖3 石灰改良土EDTA消耗量隨壓實(shí)度變化Figure 3 EDTA consumption of lime-modified soil as a function of compaction

2.3 含水率影響

石灰改良土現(xiàn)場(chǎng)施工前，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定特定石灰劑量下石灰改良土的最大干密度與最佳含水率。但現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，由于施工工藝控制差異會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際含水率會(huì)出現(xiàn)一定差異。本次室內(nèi)確定石灰改良土最大干密度為1.671 g/cm3、最佳含水率為16.1%。為了研究石灰改良土含水率對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響，除最佳含水率外，分別制備12%、19%兩個(gè)含水率下松散狀態(tài)試樣。不同含水率石灰改良土在不同延遲時(shí)間下滴定試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：

圖4 石灰改良土EDTA消耗量隨含水率變化(松散狀態(tài))Figure 4 Consumption of EDTA in lime-modified soil as a function of water content (loose state)

由圖4分析可知：

a.整體而言，不同含水率石灰改良土隨著延遲時(shí)間增長(zhǎng)EDTA消耗量均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，且不同時(shí)間衰減趨勢(shì)基本一致，這與上述研究結(jié)論一致。

b.相同延遲時(shí)間下，石灰改良土含水率越大，EDTA消耗量越小。表明石灰改良土含水率越大，可反應(yīng)的游離Ca2+、Mg2+數(shù)量越少。這可能是由于高含水率下，游離Ca2+、Mg2+移動(dòng)速率更快，加速了石灰改良土內(nèi)部反應(yīng)形成。但應(yīng)注意的是，加大含水率促進(jìn)了石灰改良土內(nèi)部強(qiáng)度形成的同時(shí)也會(huì)降低石灰改良土形成強(qiáng)度上限，即會(huì)減小最終成型強(qiáng)度。

c.上述研究表明，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線制定時(shí)，有條件時(shí)可制定不同含水率下標(biāo)準(zhǔn)曲線。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)含水率對(duì)最終檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

2.4 養(yǎng)生溫度影響

相較于路面工程中水泥穩(wěn)定碎石基層施工，對(duì)路基施工碾壓完成后養(yǎng)生環(huán)節(jié)重視相對(duì)較弱，多數(shù)項(xiàng)目并未根據(jù)項(xiàng)目冬季施工影響制定特定的養(yǎng)生方案，導(dǎo)致路基石灰改良土實(shí)際養(yǎng)生條件存在較大差異。為研究養(yǎng)生條件對(duì)EDTA滴定試驗(yàn)影響，采用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M方法，分別制備松散狀態(tài)下兩種不同養(yǎng)生條件試樣。其中，一種試樣放置于5 ℃恒溫箱中，另一種放置于20 ℃恒溫箱中，兩種試樣均采用塑料袋包裹以保持含水率的穩(wěn)定。不同含水率石灰改良土在不同延遲時(shí)間下滴定試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 石灰改良土EDTA消耗量隨養(yǎng)生溫度變化(松散狀態(tài))Figure 5 Consumption of EDTA in lime-modified soil as a function of curing temperature (loose state)

由圖5分析可知：

a.整體而言，不同養(yǎng)生溫度石灰改良土隨著時(shí)間延遲增長(zhǎng)EDTA消耗量均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，且不同時(shí)間衰減趨勢(shì)基本一致。

b.相同延遲時(shí)間下，隨著養(yǎng)生溫度提高，EDTA消耗量減小，表明此時(shí)可反應(yīng)的游離Ca2+、Mg2+數(shù)量減少。表明隨著養(yǎng)生條件變化，溫度提高加速了石灰與土體的反應(yīng)。同時(shí)也從另一方面表明合理的養(yǎng)生溫度對(duì)石灰改良土強(qiáng)度形成具有較利影響，冬季施工時(shí)應(yīng)制定專門(mén)的養(yǎng)護(hù)措施保證養(yǎng)護(hù)的正常實(shí)施。

3 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)方法，對(duì)比分析了EDTA法進(jìn)行石灰改良土石灰劑量檢測(cè)過(guò)程中，延遲時(shí)間、壓實(shí)度、含水率及養(yǎng)生溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響，得出如下結(jié)論。

a.隨著延遲時(shí)間增加，相同質(zhì)量石灰改良土EDTA消耗量呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢(shì)，其中前期(前1 d)加速減緩，后期降幅減緩且呈現(xiàn)線性趨勢(shì)。實(shí)際施工中在石灰改良土混合料完成拌和之后應(yīng)盡量在1 d之內(nèi)完成碾壓施工，以避免強(qiáng)度形成后再次碾壓造成強(qiáng)度衰減。

b.相較松散狀態(tài)，密實(shí)狀態(tài)下石灰改良土EDTA消耗量較小。這是由于碾壓過(guò)程中石灰改良土發(fā)生機(jī)械重組，石灰與土體接觸更為緊密，更有利于二者反應(yīng)的發(fā)生。

c.相同延遲時(shí)間下，不同壓實(shí)度石灰改良土EDTA消耗量差異較小，可認(rèn)為在同一試樣的平行試驗(yàn)誤差之內(nèi)。表明碾壓狀態(tài)下，壓實(shí)度差異不會(huì)影響石灰改良土EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線制定。

d.相同延遲時(shí)間下，石灰改良土含水率越大，EDTA消耗量越小。這是由于高含水率下，游離Ca2+、Mg2+移動(dòng)速率更快，加速了石灰改良土內(nèi)部反應(yīng)形成。但應(yīng)注意的是，加大含水率促進(jìn)了石灰改良土內(nèi)部強(qiáng)度形成的同時(shí)也會(huì)降低石灰改良土形成強(qiáng)度上限，即會(huì)減小最終成型強(qiáng)度。

e.相同延遲時(shí)間下，隨著養(yǎng)生溫度提高，EDTA消耗量減小。表明合理的養(yǎng)生溫度對(duì)石灰改良土強(qiáng)度形成具有較利影響，冬季施工時(shí)應(yīng)制定專門(mén)的養(yǎng)護(hù)措施保證養(yǎng)護(hù)的正常實(shí)施。