固化/改性土攪拌均勻性測(cè)試與評(píng)價(jià)方法

鄧婷婷 劉 行 張 峰 鄧永鋒 許傳龍 柯 瀚

(1東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 211189)(2東南大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院, 南京 210096)(3浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院, 杭州 310058)

我國在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型過程中出現(xiàn)了一系列遺留問題,污染問題尤為突出[1].大力開展污染場(chǎng)地修復(fù)工作是解決該問題的有效措施之一,固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中[2-4].但在污染場(chǎng)地原位修復(fù)中,由于土體與藥劑的拌和均勻性差異,會(huì)出現(xiàn)大小不一的土團(tuán)夾雜,土團(tuán)中的污染物未被固化或穩(wěn)定化,隨著時(shí)間推移而發(fā)生遷移,導(dǎo)致土體修復(fù)效果及其長期性能與理論相差甚遠(yuǎn).

攪拌均勻性決定了地基處理中的攪拌樁或就地固化的施工質(zhì)量.文獻(xiàn)[5]指出,攪拌樁工法的成敗關(guān)鍵是水泥和土的攪拌均勻程度,若施工不慎,地面返漿,深部水泥量不足,水泥漿未能與土體充分?jǐn)嚢?會(huì)導(dǎo)致水泥富集塊或樁身不連續(xù)等質(zhì)量問題,甚至導(dǎo)致工程事故.將室內(nèi)配比設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際工程中,效果往往會(huì)發(fā)生幾倍的折減,如室內(nèi)水泥試樣強(qiáng)度可達(dá)1 MPa,現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度只有0.3～0.5 MPa.究其原因在于,現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)由于土質(zhì)不均、施工設(shè)備和工藝限制等原因,攪拌均勻度難以與室內(nèi)設(shè)計(jì)一致.

攪拌均勻性與工程施工密切相關(guān),在一定程度上決定了工程質(zhì)量,提高或控制攪拌均勻性有著重大的工程意義.優(yōu)化攪拌設(shè)備和工藝是提高均勻性的有效措施,已有學(xué)者開展相關(guān)研究[6].目前主要存在以下問題:① 選擇攪拌設(shè)備時(shí)未綜合考慮設(shè)備條件、場(chǎng)地用途和經(jīng)濟(jì)成本;② 施工工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化;③ 缺少直觀有效地描述現(xiàn)場(chǎng)施工均勻性的評(píng)價(jià)方法.學(xué)者們尚未就均勻性測(cè)試方法以及均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)成共識(shí),尚無統(tǒng)一的攪拌均勻性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).因此,攪拌均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的形成是工程實(shí)踐中亟待解決的問題.

均勻性是食品或藥品等行業(yè)的重要考核指標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和粉體混合物均有相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)參考[7-11].對(duì)巖土工程而言,無論是污染場(chǎng)地固化/穩(wěn)定化修復(fù)、軟基處理的攪拌固化施工,還是路基工程的不良土改性,均需將土體與藥劑或改性材料進(jìn)行混合,這與食品或藥品行業(yè)的混合工藝相似.在食品或藥品等行業(yè)中,將均勻度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后的混合物定義為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),從而形成了均勻度的評(píng)價(jià)與控制體系.本文通過借鑒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、均勻性和混合均勻度相關(guān)成果,探討固化/改性土中均勻性概念,總結(jié)常見的均勻性測(cè)試方法,討論均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo),提出了適合于固化/改性土攪拌均勻性的測(cè)試與評(píng)價(jià)方法,并開展了試驗(yàn)驗(yàn)證可行性.研究結(jié)果可為設(shè)備研發(fā)、施工工藝優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量檢驗(yàn)等方面提供參考.

1 均勻性檢驗(yàn)中關(guān)鍵成分測(cè)試方法

均勻性是指表征物質(zhì)中與一種或多種特性相關(guān)的結(jié)構(gòu)或組成的一致性狀態(tài)[7].混合均勻度是指在外力的作用下,各種物料相互拌和,使其在任何體積內(nèi)每種組分均勻分布的程度.均勻性的理論概念是一個(gè)絕對(duì)概念,但在實(shí)際生產(chǎn)中,滿足產(chǎn)品要求的相對(duì)均勻標(biāo)準(zhǔn)(產(chǎn)品均勻分布要求)即為均勻.因此,攪拌均勻性應(yīng)針對(duì)所關(guān)注的對(duì)象(或問題)來確定均勻標(biāo)準(zhǔn).

由均勻性的概念可知,攪拌均勻性的本質(zhì)是物質(zhì)中組分分布或結(jié)構(gòu)特征.以下歸納了幾類常見的均勻性測(cè)試方法,共同點(diǎn)均是通過測(cè)試得到組分的含量,進(jìn)而計(jì)算出均勻性.

1.1 試劑檢測(cè)法

試劑檢測(cè)法是指通過添加試劑與樣品反應(yīng)、示蹤等測(cè)試手段獲得關(guān)鍵成分的含量,目前主要有化學(xué)分析法和示蹤法.

1.1.1 化學(xué)分析法

化學(xué)分析法是采用合適的化學(xué)試劑與樣品發(fā)生反應(yīng),通過滴定的方式或采用特定儀器,定量其中某種物質(zhì)的含量,從而計(jì)算出混合均勻度.

當(dāng)工地需要快速測(cè)定水泥/石灰穩(wěn)定料中灰劑量時(shí),一般采用EDTA滴定法檢查現(xiàn)場(chǎng)拌和攤鋪質(zhì)量和均勻性[12].其原理是水泥和石灰的主要成分Ca2+與鈣紅指示劑形成絡(luò)合物,在滴定液作用下顏色發(fā)生改變.通過EDTA消耗量獲得Ca2+含量,從而計(jì)算出水泥和石灰摻量[13].直讀式測(cè)鈣儀法適用于新拌石灰土中石灰劑量的測(cè)定[12],原理是在一定體積、一定濃度的NH4Cl溶液中,Ca(OH)2游離出Ca2+,鈣電極將Ca2+以電位的形式轉(zhuǎn)換成石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯示出來[13].

化學(xué)分析法測(cè)試結(jié)果可靠,儀器簡單,成本低廉;但前提是試劑能與樣品的某種成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),且有明顯的反應(yīng)終止信號(hào).

1.1.2 示蹤法

示蹤法是指將少量的示蹤劑與物料混合,通過相應(yīng)檢測(cè)手段記錄其蹤跡,計(jì)算樣品中示蹤劑含量,得出混合均勻度.常見的示蹤劑有硫化鋅、硅酸鋅、氧化釔、鹵代磷酸鈣、磁性鐵粉或有特殊顏色的惰性顆粒等.

飼料混合均勻度測(cè)定常采用甲基紫法,原理是以甲基紫色素作為示蹤物,在混合基中混合規(guī)定時(shí)間后取樣,采用比色法測(cè)定樣品中甲基紫的含量,根據(jù)不同試樣間的差異來評(píng)價(jià)飼料的混合均勻度[12].食品行業(yè)采用無水茶堿作為示蹤分子,采用近紅外光譜檢測(cè),評(píng)估雙螺旋造粒機(jī)混合乳糖的性能[14].

示蹤法能直觀地對(duì)物料混合的整個(gè)過程進(jìn)行觀察,但對(duì)示蹤劑的要求較高,即不能與物料發(fā)生反應(yīng),且不能影響混合物的功效.

1.2 光譜法

光譜法是通過樣品的光譜信息與標(biāo)準(zhǔn)光譜圖(集)對(duì)比獲得樣品組分分布特征,常用的測(cè)試方法有X射線熒光光譜法和近紅外光譜法.

1.2.1 X射線熒光光譜法

X射線熒光光譜法(XRF)通過檢測(cè)各組成元素特征X射線的波長及強(qiáng)度,與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行對(duì)比，得到元素的類型與含量,計(jì)算出混合均勻度.

研究者們通過XRF測(cè)定輕燒白云石中的主要成分[15],結(jié)合X射線熒光顯微分析與電感耦合等離子體質(zhì)譜法,測(cè)定保健食品中的元素分布均勻性[16].

XRF操作簡便,分析速度快,可同時(shí)檢測(cè)多種元素,實(shí)現(xiàn)無損分析,但只適用于無機(jī)物的檢測(cè),且儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜.

1.2.2 近紅外光譜法

近紅外光譜法(NIR)通過將樣品的近紅外光譜與準(zhǔn)(參考)樣品光譜集進(jìn)行對(duì)比,分析樣品中某一組分的含量,計(jì)算出混合均勻度.

NIR被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域,學(xué)者們利用近紅外光譜技術(shù)，建立藥物混合均勻度的定量分析模型,實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)藥物混合過程,準(zhǔn)確、快速地判斷混合終點(diǎn)[17-18].

NIR是一種無損技術(shù),可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取混合過程信息,但只適用于有機(jī)物混料,檢測(cè)含氫基團(tuán)分子.

1.3 其他測(cè)試方法

目前常見的均勻性測(cè)試方法還有數(shù)字圖像分析法、X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(X-CT)、高效液相色譜法、差示掃描量熱法等.

1.3.1 數(shù)字圖像分析法

數(shù)字圖像分析法是通過圖像采集設(shè)備,將連續(xù)圖像通過分析軟件處理為計(jì)算機(jī)可以采集的信息,建立模型,以某一信息作為評(píng)價(jià)混合均勻性的指標(biāo).

基于數(shù)字圖像分析的瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)方法備受關(guān)注.學(xué)者們基于數(shù)字圖像技術(shù),提出各種指標(biāo),例如顆粒面積比及其變異系數(shù)[19],用以評(píng)價(jià)瀝青混合料均勻性.食品行業(yè)將數(shù)字圖像分析技術(shù)用于評(píng)估烤箱溫度場(chǎng)的均勻性,以定量評(píng)估不同烘焙狀態(tài)下溫度分布的均勻性[20].

數(shù)字圖像分析法直觀,屬于無損檢測(cè),但不同種類的物料混合對(duì)應(yīng)不同的數(shù)字模型、統(tǒng)計(jì)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo),無法建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以適用于所有情況.

1.3.2 X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)

X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)通過發(fā)射X射線穿透試樣,在X射線檢測(cè)器上成像,使用計(jì)算機(jī)軟件將圖像重構(gòu)成3D圖像,通過分析高分辨率圖像評(píng)價(jià)均勻性.

學(xué)者們通過X射線成像技術(shù),研究顆粒分布及含量,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)樣品內(nèi)部混合均勻度的無損分析[21].在路面工程中,結(jié)合X-CT和數(shù)字圖像處理技術(shù),以冷再生瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)特征表征均勻性[22].

X-CT在不破壞試樣的前提下可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)試樣內(nèi)部混合均勻度分析,但不適用于多組分混合均勻性評(píng)價(jià),且不易區(qū)分具有相似結(jié)構(gòu)的材料.

2 均勻性評(píng)價(jià)方法

各種測(cè)試方法均可獲得能夠表征均勻性本質(zhì)的組分含量,但限于樣本大小和數(shù)量、測(cè)試方法復(fù)雜性、測(cè)試費(fèi)用等諸多因素,難以進(jìn)行巖土工程場(chǎng)地級(jí)的固化/改性土測(cè)試.下面歸納了巖土工程中目前常用的幾種均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法.

2.1 經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)法

目前,在巖土工程中,通常采用建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[23]中的水泥土攪拌樁施工質(zhì)量檢測(cè)方法來判斷攪拌均勻性,通過經(jīng)驗(yàn)分析法來評(píng)價(jià)或控制均勻性(見表1).

表1 水泥土攪拌樁施工質(zhì)量檢測(cè)方法

2.2 統(tǒng)計(jì)分析法

統(tǒng)計(jì)分析法是從總體中抽樣,選擇合適的測(cè)試方法,獲得樣本中某組分含量,對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,從而判斷其均勻性.

2.2.1 方差分析法

方差分析法利用測(cè)試數(shù)據(jù),通過比較組間方差和組內(nèi)方差來判斷各組測(cè)量值之間有無系統(tǒng)性差異.如果二者的比值小于統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的臨界值,則認(rèn)為樣品是均勻的[24].

(1)

(2)

(3)

(4)

v1=i-1

(5)

v2=J-i

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2.2 其他統(tǒng)計(jì)分析法

(10)

(11)

(12)

在此基礎(chǔ)上,魏清等[25]引入水泥含量變異系數(shù)對(duì)水泥土的均勻程度進(jìn)行定量判別,將樁體均勻程度分為4個(gè)等級(jí).文獻(xiàn)[26]采用多種均勻性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)(范圍、變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等)，分析路基改性土的壓實(shí)均勻性和不均勻性的嚴(yán)重程度.

3 討論與展望

建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[23]中水泥土采用樁身強(qiáng)度、肉眼觀測(cè)和地基承載力等指標(biāo)保證成樁質(zhì)量,從檢測(cè)數(shù)量的規(guī)定上為均勻性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ).但這些方法相對(duì)定性或間接,且無均勻性的評(píng)價(jià)控制標(biāo)準(zhǔn).因此,形成可定量并直接的方法來評(píng)價(jià)檢測(cè)攪拌均勻性具有必要性.

借鑒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和其他行業(yè)均勻性檢驗(yàn)測(cè)試與評(píng)價(jià)方法,本文初步提出了一種適合固化/改性土攪拌均勻性測(cè)試與評(píng)價(jià)方法,并通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證.

3.1 檢測(cè)單元及采樣點(diǎn)

利用攪拌設(shè)備攪拌土體與固化劑/改性材料,形成施工區(qū)域,根據(jù)區(qū)域大小合理劃分成若干檢測(cè)單元.如果采用整體式攪拌(即在攪拌前將場(chǎng)地劃分成若干單元,再使用攪拌頭對(duì)各單元進(jìn)行攪拌),宜將施工區(qū)域劃分成若干方形單元作為檢測(cè)單元,再將該方形單元平均分成若干個(gè)小單元,采樣點(diǎn)分布于方形單元的中心點(diǎn)及若干個(gè)小單元的中心點(diǎn)(見圖1(a)).如果采用樁式攪拌(即攪拌后形成圓柱形樁體),宜將每個(gè)樁體作為一個(gè)單元,采樣點(diǎn)分布于樁體中心位置以及相鄰樁體搭接位置(見圖1(b)).在深度方向上,宜將不同土層分別進(jìn)行均勻性檢測(cè),同一土層根據(jù)其厚度合理布置采樣點(diǎn),建議沿深度方向每隔一定距離設(shè)置一組采樣點(diǎn),土層分界面應(yīng)設(shè)采樣點(diǎn)(見圖1(c)).

(a) 體式攪拌檢測(cè)單元

劃分好單元后,確定檢測(cè)單元數(shù)量,不少于總單元數(shù)的5%,通過分層隨機(jī)抽樣的方法確定具體的檢測(cè)單元.

3.2 取樣測(cè)試

在檢測(cè)單元內(nèi)布設(shè)好采樣點(diǎn),利用鉆機(jī)在各個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行鉆芯取樣,并對(duì)鉆取的芯樣進(jìn)行編號(hào).

采用手持式X射線熒光光譜儀對(duì)各個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試(若要獲取更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),可使用烘箱烘干試樣,碾磨后測(cè)試),獲取樣品元素種類及含量.測(cè)試中建議以固化劑/改性材料中特有或主要元素作為標(biāo)記對(duì)象,獲取各樣品中該元素的含量.

3.3 攪拌均勻性評(píng)價(jià)

根據(jù)特有或主要元素的含量,計(jì)算各樣品的變異系數(shù),比較變異系數(shù)與均勻性指標(biāo)的差異,評(píng)價(jià)攪拌均勻性.均勻性指標(biāo)需要通過攪拌均勻性(即不同變異系數(shù))與關(guān)鍵工程性質(zhì)(如強(qiáng)度、滲透系數(shù)、浸出濃度等)間的關(guān)系確定.在此基礎(chǔ)上,結(jié)合關(guān)鍵工程性質(zhì)的要求，反推攪拌均勻性控制指標(biāo).

評(píng)價(jià)整體攪拌的均勻性,可先將檢測(cè)單元內(nèi)位于同一深度平面內(nèi)的采樣點(diǎn)作為一組,計(jì)算出樣品特殊元素或主要元素含量的變異系數(shù),比較其與均勻性指標(biāo)的差異,從而評(píng)價(jià)該檢測(cè)單元內(nèi)位于相應(yīng)深度平面上的土體攪拌均勻性.然后,將單元內(nèi)沿著深度方向上的采樣點(diǎn)作為一組,計(jì)算出樣品特殊元素或主要元素含量的變異系數(shù),比較其與均勻性指標(biāo)的差異,進(jìn)而評(píng)價(jià)出該單元內(nèi)沿深度方向的攪拌均勻性.最后,綜合平面上和沿深度方向上的土體攪拌均勻性,評(píng)價(jià)該檢測(cè)單元內(nèi)部的攪拌均勻性.

3.4 室內(nèi)尺度均勻性評(píng)價(jià)案例

為了驗(yàn)證固化/改性土的攪拌均勻性檢驗(yàn)測(cè)試與評(píng)價(jià)方法的可行性,開展了室內(nèi)試驗(yàn)研究.試驗(yàn)用土取自南京明基醫(yī)院附近地鐵在建區(qū),為長江漫灘典型土層粉質(zhì)黏土,天然含水率為45.2%,濕密度為1.74 g/cm2.采用的水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,其質(zhì)量為干土質(zhì)量的10%,水灰質(zhì)量比為0.5.

設(shè)計(jì)5組不同攪拌均勻性的試樣(采用同一攪拌機(jī)攪拌不同時(shí)間),每組包含10個(gè)試樣.采用振蕩法制得直徑為50 mm、高為100 mm的圓柱狀試樣,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20 ℃,相對(duì)濕度不低于95%)，養(yǎng)護(hù)28 d.

對(duì)試樣開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),然后將試樣放入烘箱中烘干后碾碎,采用四分法獲得相應(yīng)質(zhì)量樣品,放入試樣杯中.利用X熒光光譜儀測(cè)得樣品中鈣元素的含量.

不同攪拌均勻性的各組試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖2.由圖可知,攪拌均勻性對(duì)水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響顯著,攪拌均勻性越好,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大.試驗(yàn)中均勻性最好的一組試樣(第1組)強(qiáng)度約為均勻性最差的一組試樣(第5組)強(qiáng)度的3倍.

圖2 不同均勻性試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

每組試樣的鈣元素變異系數(shù)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值的關(guān)系見圖3.由圖可見,隨著鈣元素變異系數(shù)的增大,試樣的平均強(qiáng)度逐漸下降,鈣元素變異系數(shù)為0.73%和12.9%的試樣強(qiáng)度分別為378.5和70.8 kPa,兩者相差約5.4倍.

圖3 鈣元素變異系數(shù)與平均強(qiáng)度的關(guān)系

綜上可知,鈣元素變異系數(shù)可以用于表征水泥固化土的攪拌均勻性,變異系數(shù)越大,攪拌均勻性越差.使用X熒光光譜儀測(cè)試固化劑/改性材料中主要元素的含量,以其變異系數(shù)表征拌和均勻性的方法是可行的.

上述案例是室內(nèi)尺度的嘗試,表明了跟蹤主要元素含量,采用變異系數(shù)來描述均勻性,能有效構(gòu)建固化土攪拌均勻性與強(qiáng)度關(guān)系.盡管如此,對(duì)于攪拌均勻性的測(cè)試和表征,以下工作需要進(jìn)一步深化:①材料尺度(微觀、細(xì)觀和試樣)和工程尺度(固化塊體、樁柱體)的均勻性快速測(cè)試技術(shù)和表征、評(píng)價(jià)方法;②對(duì)強(qiáng)度、滲透和環(huán)境等參數(shù)的均勻性跨尺度響應(yīng)機(jī)制和分析方法;③基于均勻性控制的攪拌設(shè)備、工藝和施工控制的系統(tǒng)優(yōu)化與集成技術(shù).

4 結(jié)論

1) 均勻性是一個(gè)絕對(duì)概念,但實(shí)際操作中是一個(gè)相對(duì)概念,應(yīng)針對(duì)所關(guān)注的問題來確定相對(duì)均勻標(biāo)準(zhǔn).均勻性測(cè)試應(yīng)能反映物質(zhì)中組分或結(jié)構(gòu)的分布情況,可通過物料中某種或某些成分的分布或含量來實(shí)現(xiàn).目前的均勻性評(píng)價(jià)方法包括經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)法和統(tǒng)計(jì)分析法.

2) 對(duì)固化/改性土攪拌均勻性測(cè)試與評(píng)價(jià)方法而言,可通過X射線熒光光譜儀測(cè)試固化劑/改性材料中某種特有元素或主要元素的含量,分別計(jì)算出檢測(cè)單元同一深度平面內(nèi)以及沿著深度方向上的樣品元素含量的變異系數(shù).采用變異系數(shù)來表征攪拌均勻性.

3) 水泥固化土鈣元素變異系數(shù)與其平均強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.變異系數(shù)越大,平均強(qiáng)度越小.采用固化劑/改性材料中主要元素的變異系數(shù)表征固化/改性土攪拌均勻性的方法是可行的.