彭　穩(wěn)　王　東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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竣工路基施工期間填料摻灰量反演研究

彭穩(wěn)王東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

摘要本研究對(duì)象為竣工路基的石灰含量，采用逆向EDTA方法，反演還原施工期間的石灰含量?；诔Ｒ?guī)EDTA滴定法，指出“時(shí)效性”對(duì)常規(guī)試驗(yàn)的限制，采用逆向EDTA滴定法來反演竣工路基施工期間填料摻灰量。以某鐵路IV標(biāo)段為例，合理選取竣工路基土、水、灰樣，利用試驗(yàn)段獲取施工至今摻灰路基填料中鈣離子流失量為2.09%，通過EDTA滴定法測得路基施工完成30個(gè)月后填料中實(shí)測摻石灰量為0.41%～1.87%；以此為依據(jù)，反演出施工期間現(xiàn)場實(shí)際摻灰量約2.50%～3.96%。

關(guān)鍵詞逆向EDTA滴定法摻灰量反演

在路基摻石灰填料填筑施工過程中，石灰劑量檢測是評(píng)價(jià)路基施工質(zhì)量能否滿足設(shè)計(jì)要求的重要手段，EDTA滴定法因其操作簡單，快捷高效，在鐵路、公路的路基石灰劑量檢測中得到廣泛應(yīng)用[1-8]。工程應(yīng)用中，常規(guī)方法是根據(jù)已知的設(shè)計(jì)摻灰比，計(jì)算所需石灰、土、水的數(shù)量并現(xiàn)場拌合得到設(shè)計(jì)摻灰比的灰土，然后采用規(guī)范中指定的EDTA滴定法檢測現(xiàn)場實(shí)際值是否與設(shè)計(jì)理論值相符。而隨著摻灰后時(shí)間的增加，摻灰填料中實(shí)測石灰含量將隨著石灰土齡期的增長不斷減少。因此，常規(guī)的EDTA滴定法多應(yīng)用于施工過程中的灰劑量檢測，而在路基竣工完成以后再反演施工期間摻灰填料中實(shí)際石灰含量，國內(nèi)外報(bào)道鮮見。結(jié)合工程實(shí)例，探討如何合理反演路基竣工以后施工期間填料摻灰量。

1EDTA滴定法[9]

EDTA滴定法屬于經(jīng)典化學(xué)分析中的絡(luò)合滴定法，采用的EDTA溶液是乙二胺四乙酸二鈉(C10H14N2O8Na22H2O)的簡稱。其測定石灰含量的機(jī)理是利用乙二胺四乙酸鹽作為絡(luò)合劑，使其與樣品石灰浸提液中的Ca2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)液滴定到鈣指示劑指示變色終點(diǎn)時(shí)，通過測定EDTA的消耗量來計(jì)算Ca2+含量，然后通過給定石灰劑量的石灰土測定EDTA消耗量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，就可以由Ca2+推算出石灰劑量，其反應(yīng)過程如下。

(1)加入濃度為10%的NH4Cl溶液浸取Ca2+：當(dāng)土樣為穩(wěn)定的細(xì)粒土?xí)r，稱取300 g土樣放入搪瓷杯中，加入濃度為10%的NH4Cl溶液600 mL。以110～120次/min的速度攪拌混合液3～5 min，然后靜置，直到溶液澄清。

(2)調(diào)節(jié)溶液pH值：為排除干擾離子對(duì)試驗(yàn)的影響，滿足鈣的絡(luò)合條件，用移液管吸取的10 mL上層清液中，加入濃度為1.8%的NaOH溶液50 mL，調(diào)節(jié)溶液pH值在11.0～12.5之間。并且，NaOH溶液中還應(yīng)加入2 mL，其作用是在堿性條件下三乙醇胺能與試樣中的Al3+、Fe3+等生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，掩蔽其對(duì)試驗(yàn)的干擾。

(3)加入鈣指示劑(C21H13O7N2SNa)：鈣指示劑與灰土NH4Cl浸提液中的Ca2+生成紅色絡(luò)合物，再加EDTA，EDTA也與浸提液中的Ca2+結(jié)合生成無色的絡(luò)合物，但后者比前者穩(wěn)定，所以當(dāng)有鈣指示劑存在的含Ca2+的石灰土浸提液中滴入EDTA溶液并到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，過量滴定液奪取紅色絡(luò)合物中的Ca2+而使鈣指示劑游離，于是溶液由紅色轉(zhuǎn)變成鈣指示劑本身的純藍(lán)色。

其顏色變化過程為：加鈣指示劑→玫瑰紅→紫藍(lán)色→藍(lán)紫色→純藍(lán)色。

(4)滴定：用EDTA 標(biāo)準(zhǔn)液對(duì)處理過的溶液進(jìn)行滴定試驗(yàn)，測定的EDTA消耗量反映了Ca2+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過Ca2+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)又可以反算出土樣中的石灰含量。

EDTA消耗量主要與石灰含量相關(guān)，但也受土源種類、石灰來源、施工用水等的影響，石灰含量和EDTA消耗量之間無固定的函數(shù)關(guān)系。因此，先要配制不同石灰劑量的標(biāo)準(zhǔn)混合料溶液并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，再將待測土樣的EDTA消耗量與標(biāo)準(zhǔn)曲線比對(duì)，方可確定待測土樣中的石灰含量。土源種類、石灰來源、施工用水等因素變化后均應(yīng)重新繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2EDTA滴定法的局限性與完善

2.1局限性

EDTA 滴定法的優(yōu)勢是第一時(shí)間現(xiàn)場測定摻灰填料的石灰含量，快速評(píng)價(jià)路基施工質(zhì)量。但在實(shí)際施工過程中，因各種情況而耽誤檢測時(shí)間的情況也時(shí)有發(fā)生，隨著齡期的增長，摻灰填料中的一部分游離鈣離子與土中的礦物反應(yīng)，導(dǎo)致鈣離子減少，試驗(yàn)值與實(shí)際數(shù)據(jù)相差很大。因此，常規(guī)EDTA滴定法在工程實(shí)際中的具有局限性，不可避免地遇到”時(shí)效性”的困擾。

2.2逆向EDTA滴定法

為合理反演填筑后路基摻灰填料在施工期間的實(shí)際摻灰量，解決“時(shí)效性”對(duì)常規(guī)EDTA滴定試驗(yàn)的限制，提出逆向EDTA滴定法，如圖1。

圖1　逆向EDTA滴定法流程

主要包括合理選取竣工路基土樣、水樣、灰樣等，應(yīng)避免小范圍取樣，提高取樣點(diǎn)的代表性，盡量減小取樣不均對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響；利用常規(guī)EDTA滴定法試驗(yàn)測定路基填筑完成后實(shí)際摻灰量，并根據(jù)鈣離子流失量，修正試驗(yàn)結(jié)果，得到合理的摻灰量反演值。

3工程概況

某鐵路IV標(biāo)段路基修筑時(shí)，正值雨季，填料含水率變大，在確保路基質(zhì)量前提下，為加快施工進(jìn)度，路基采取摻石灰填料填筑。鐵路目前已完成鋪架調(diào)試工作，路基填筑完成時(shí)間超30個(gè)月。為核定工程數(shù)量，開展合理反演竣工路基施工期間的填料摻灰量研究。

4工作內(nèi)容

4.1取樣

(1)既有路基取樣

對(duì)已填筑的路基進(jìn)行實(shí)地勘探取樣并進(jìn)行現(xiàn)場滴定試驗(yàn)。為避免對(duì)路基基床的破壞[10]，減少大氣環(huán)境對(duì)石灰含量的影響，于垂直路基邊坡以下不小于1.1 m處(石灰土混合料頂面)的路基邊坡上，采用鉆孔取芯法采取土樣[11](直至石灰土混合料下0.5 m)，根據(jù)肉眼觀察、現(xiàn)場滴定初步確定石灰摻和土的填筑高程、厚度；每兩壓實(shí)層0.5 m深度嚴(yán)格按照四分法取一組室內(nèi)試驗(yàn)樣品[12]。沿線路方向每隔約100 m布置一處鉆孔(短路基段落最少保證3處)，取樣深度應(yīng)大于大氣影響深度，鉆孔位置盡可能避開既有設(shè)施。共完成檢測斷面779個(gè)，取土樣5 752組(如圖2)。

圖2　取樣位置示意

(2)取土源取樣

施工期間，為縮短工期，保證路基施工質(zhì)量，Ⅳ標(biāo)段路基填料摻和生石灰以降低填料含水量。對(duì)區(qū)間路基取土場以及填筑試驗(yàn)段的取土場，按照所取填料填筑路基具體區(qū)段分別對(duì)取土場進(jìn)行取樣，主要為粉質(zhì)黏土、粉土，取土深度2～12 m。

(3)水和石灰取樣

為了最大程度反演施工實(shí)際情況，對(duì)Ⅳ標(biāo)段沿線施工可用的地表水和地下水進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，并結(jié)合施工方和監(jiān)理方提供的信息，確定不同里程段落對(duì)應(yīng)的施工用水并取樣。同時(shí)，對(duì)施工采用的的石灰料進(jìn)行取樣，共計(jì)水樣20組，石灰樣2組。

4.2鈣離子流失量

施工期間設(shè)置了1處路基填料摻灰填筑試驗(yàn)段。根據(jù)試驗(yàn)段施工資料：從取土場取得的填料含水量為26.8%，其素土的最佳含水量為16.3%；為降低填料含水量，采取一次性預(yù)摻質(zhì)量比5.1%的生石灰，經(jīng)燜土三天、翻曬等措施，含水量可以達(dá)到施工要求。以此為基準(zhǔn)，對(duì)試驗(yàn)段通過鉆探采集摻灰填料試樣，測得竣工后的摻灰量，其與試驗(yàn)段施工期間摻灰量的差值，即為試驗(yàn)段施工完成30個(gè)月后鈣離子的流失量。

4.3室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)進(jìn)行[9]。采用不同里程段落對(duì)應(yīng)的取土場填料、石灰品種和施工用水按不同組合分別制成混合料，并制備兩組平行試樣，每組混合料分別做0%、2%、4%、5%、6%、8%六種石灰含量試驗(yàn)，采用EDTA滴定法獲得不同摻灰量對(duì)應(yīng)的EDTA消耗值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。同時(shí)，對(duì)路基填土樣分別測定其EDTA消耗量，與其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合，即可確定土樣的灰劑量(如圖3)。

圖3　標(biāo)準(zhǔn)曲線示例

5試驗(yàn)結(jié)果

5.1鈣離子流失量

試驗(yàn)段完成挖探16 孔，完成EDTA試驗(yàn)樣品49 個(gè)，實(shí)際測出路基填料摻石灰量范圍為1.39%～4.10%，加權(quán)平均值為3.01%。根據(jù)施工單位提供的試驗(yàn)段資料，施工時(shí)路基填料摻石灰量為5.1%。由此得出試驗(yàn)段施工完成30個(gè)月后，路基填料摻石灰量的鈣離子流失量為Δ=2.09%(如圖4)。

圖4　試驗(yàn)段摻灰量分布

5. 2摻灰量

根據(jù)不同里程段落的取樣個(gè)數(shù)，剔除孔內(nèi)檢測無石灰含量的孔數(shù)，得到實(shí)測路基填料摻拌石灰百分含量范圍和平均值，并考慮鈣離子流失量，反演出施工時(shí)路基填料摻灰量。共完成標(biāo)準(zhǔn)曲線24組，土樣測試5 446組，土樣平行試驗(yàn)5 446組(見表1)。

表1　不同里程段落試驗(yàn)結(jié)果

6結(jié)論

(1)由于石灰摻拌采用路拌法施工，填料中會(huì)產(chǎn)生局部攪拌不均勻，取樣位置為隨機(jī)抽選，所以個(gè)別孔中試驗(yàn)檢測值為0，但總體上能真實(shí)反映施工情況。該段路基施工完成2年半后填料中實(shí)測摻石灰量為0.41%～1.87%。

(2)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示，局部勘探點(diǎn)的石灰含量較高，主要集中在DK262～DK294范圍內(nèi)，石灰含量范圍為2.94%～5.55%。

(3)試驗(yàn)段推測鈣離子流失量Δ=2.09%，該流失量為施工時(shí)路基填料摻石灰量5.1%經(jīng)2年半時(shí)間擺放后的鈣離子流失量。由于缺乏類似工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，初步評(píng)估報(bào)告以試驗(yàn)段推測的鈣離子流失量作為推測施工時(shí)其他路基段落填料摻灰量的依據(jù)，得出摻灰量約2.50%～3.96%，與現(xiàn)場情況基本相符。

本次檢測評(píng)估為竣工路基的石灰含量，采用逆向EDTA方法，反演還原施工期間的石灰含量，在竣工路

基中反演填料摻灰量試驗(yàn)中尚屬首次，具有一定的創(chuàng)新性，對(duì)以后相關(guān)工程問題也具有借鑒意義。項(xiàng)目通過了建設(shè)單位組織的專家審查和驗(yàn)收，并得到建設(shè)單位的通報(bào)表揚(yáng)。

本次檢測評(píng)估過程雖然符合趨勢，但不同摻灰量情況下的鈣離子流失量是否為等量關(guān)系，還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)檢測。本項(xiàng)目同時(shí)計(jì)劃將另外一批平行試樣在保濕環(huán)境下擺放30個(gè)月后，再試驗(yàn)不同摻灰量情況下的鈣離子流失量，可進(jìn)一步驗(yàn)證和修正反演結(jié)果。

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收稿日期：2016-03-07

第一作者簡介：彭穩(wěn)(1985—)，男，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)水利工程專業(yè)，碩士，工程師。

文章編號(hào)：1672-7479(2016)03-0054-03

中圖分類號(hào)：U416

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Inversion Study on Amount of Lime During Construction of Improved Soil For Completed Railway Subgrade

PENG WenWANG Dong