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        竣工路基施工期間填料摻灰量反演研究

        2016-08-01 07:20:13穩(wěn)
        鐵道勘察 2016年3期
        關(guān)鍵詞:滴定法試驗(yàn)段石灰

        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。

        參考文獻(xiàn)

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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

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        PENG WenWANG Dong

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