固化/改性土搅拌均匀性测试与评价方法

2022-08-12邓婷婷邓永锋许传龙

东南大学学报（自然科学版） 2022年4期

邓婷婷刘行张峰邓永锋许传龙柯瀚

(1东南大学交通学院, 南京 211189)(2东南大学能源与环境工程学院, 南京 210096)(3浙江大学建筑工程学院, 杭州 310058)

我国在经济转型过程中出现了一系列遗留问题,污染问题尤为突出[1].大力开展污染场地修复工作是解决该问题的有效措施之一,固化/稳定化修复技术已被广泛应用于工程实践中[2-4].但在污染场地原位修复中,由于土体与药剂的拌和均匀性差异,会出现大小不一的土团夹杂,土团中的污染物未被固化或稳定化,随着时间推移而发生迁移,导致土体修复效果及其长期性能与理论相差甚远.

搅拌均匀性决定了地基处理中的搅拌桩或就地固化的施工质量.文献[5]指出,搅拌桩工法的成败关键是水泥和土的搅拌均匀程度,若施工不慎,地面返浆,深部水泥量不足,水泥浆未能与土体充分搅拌,会导致水泥富集块或桩身不连续等质量问题,甚至导致工程事故.将室内配比设计应用于实际工程中,效果往往会发生几倍的折减,如室内水泥试样强度可达1 MPa,现场强度只有0.3～0.5 MPa.究其原因在于,现场施工时由于土质不均、施工设备和工艺限制等原因,搅拌均匀度难以与室内设计一致.

搅拌均匀性与工程施工密切相关,在一定程度上决定了工程质量,提高或控制搅拌均匀性有着重大的工程意义.优化搅拌设备和工艺是提高均匀性的有效措施,已有学者开展相关研究[6].目前主要存在以下问题:① 选择搅拌设备时未综合考虑设备条件、场地用途和经济成本;② 施工工艺需要进一步优化;③ 缺少直观有效地描述现场施工均匀性的评价方法.学者们尚未就均匀性测试方法以及均匀性评价指标达成共识,尚无统一的搅拌均匀性评判标准.因此,搅拌均匀性评价标准的形成是工程实践中亟待解决的问题.

均匀性是食品或药品等行业的重要考核指标,标准物质和粉体混合物均有相关规范标准参考[7-11].对岩土工程而言,无论是污染场地固化/稳定化修复、软基处理的搅拌固化施工,还是路基工程的不良土改性,均需将土体与药剂或改性材料进行混合,这与食品或药品行业的混合工艺相似.在食品或药品等行业中,将均匀度达到一定标准后的混合物定义为标准物质,从而形成了均匀度的评价与控制体系.本文通过借鉴标准物质、均匀性和混合均匀度相关成果,探讨固化/改性土中均匀性概念,总结常见的均匀性测试方法,讨论均匀性评价指标,提出了适合于固化/改性土搅拌均匀性的测试与评价方法,并开展了试验验证可行性.研究结果可为设备研发、施工工艺优化、现场施工质量检验等方面提供参考.

1 均匀性检验中关键成分测试方法

均匀性是指表征物质中与一种或多种特性相关的结构或组成的一致性状态[7].混合均匀度是指在外力的作用下,各种物料相互拌和,使其在任何体积内每种组分均匀分布的程度.均匀性的理论概念是一个绝对概念,但在实际生产中,满足产品要求的相对均匀标准(产品均匀分布要求)即为均匀.因此,搅拌均匀性应针对所关注的对象(或问题)来确定均匀标准.

由均匀性的概念可知,搅拌均匀性的本质是物质中组分分布或结构特征.以下归纳了几类常见的均匀性测试方法,共同点均是通过测试得到组分的含量,进而计算出均匀性.

1.1 试剂检测法

试剂检测法是指通过添加试剂与样品反应、示踪等测试手段获得关键成分的含量,目前主要有化学分析法和示踪法.

1.1.1 化学分析法

化学分析法是采用合适的化学试剂与样品发生反应,通过滴定的方式或采用特定仪器,定量其中某种物质的含量,从而计算出混合均匀度.

当工地需要快速测定水泥/石灰稳定料中灰剂量时,一般采用EDTA滴定法检查现场拌和摊铺质量和均匀性[12].其原理是水泥和石灰的主要成分Ca2+与钙红指示剂形成络合物,在滴定液作用下颜色发生改变.通过EDTA消耗量获得Ca2+含量,从而计算出水泥和石灰掺量[13].直读式测钙仪法适用于新拌石灰土中石灰剂量的测定[12],原理是在一定体积、一定浓度的NH4Cl溶液中,Ca(OH)2游离出Ca2+,钙电极将Ca2+以电位的形式转换成石灰的质量分数显示出来[13].

化学分析法测试结果可靠,仪器简单,成本低廉;但前提是试剂能与样品的某种成分发生化学反应,且有明显的反应终止信号.

1.1.2 示踪法

示踪法是指将少量的示踪剂与物料混合,通过相应检测手段记录其踪迹,计算样品中示踪剂含量,得出混合均匀度.常见的示踪剂有硫化锌、硅酸锌、氧化钇、卤代磷酸钙、磁性铁粉或有特殊颜色的惰性颗粒等.

饲料混合均匀度测定常采用甲基紫法,原理是以甲基紫色素作为示踪物,在混合基中混合规定时间后取样,采用比色法测定样品中甲基紫的含量,根据不同试样间的差异来评价饲料的混合均匀度[12].食品行业采用无水茶碱作为示踪分子,采用近红外光谱检测,评估双螺旋造粒机混合乳糖的性能[14].

示踪法能直观地对物料混合的整个过程进行观察,但对示踪剂的要求较高,即不能与物料发生反应,且不能影响混合物的功效.

1.2 光谱法

光谱法是通过样品的光谱信息与标准光谱图(集)对比获得样品组分分布特征,常用的测试方法有X射线荧光光谱法和近红外光谱法.

1.2.1 X射线荧光光谱法

X射线荧光光谱法(XRF)通过检测各组成元素特征X射线的波长及强度,与标准图谱进行对比，得到元素的类型与含量,计算出混合均匀度.

研究者们通过XRF测定轻烧白云石中的主要成分[15],结合X射线荧光显微分析与电感耦合等离子体质谱法,测定保健食品中的元素分布均匀性[16].

XRF操作简便,分析速度快,可同时检测多种元素,实现无损分析,但只适用于无机物的检测,且仪器结构复杂.

1.2.2 近红外光谱法

近红外光谱法(NIR)通过将样品的近红外光谱与准(参考)样品光谱集进行对比,分析样品中某一组分的含量,计算出混合均匀度.

NIR被广泛应用于医药领域,学者们利用近红外光谱技术，建立药物混合均匀度的定量分析模型,实现在线监测药物混合过程,准确、快速地判断混合终点[17-18].

NIR是一种无损技术,可实现在线实时监测，获取混合过程信息,但只适用于有机物混料,检测含氢基团分子.

1.3 其他测试方法

目前常见的均匀性测试方法还有数字图像分析法、X射线计算机断层扫描技术(X-CT)、高效液相色谱法、差示扫描量热法等.

1.3.1 数字图像分析法

数字图像分析法是通过图像采集设备,将连续图像通过分析软件处理为计算机可以采集的信息,建立模型,以某一信息作为评价混合均匀性的指标.

基于数字图像分析的沥青混合料均匀性评价方法备受关注.学者们基于数字图像技术,提出各种指标,例如颗粒面积比及其变异系数[19],用以评价沥青混合料均匀性.食品行业将数字图像分析技术用于评估烤箱温度场的均匀性,以定量评估不同烘焙状态下温度分布的均匀性[20].

数字图像分析法直观,属于无损检测,但不同种类的物料混合对应不同的数字模型、统计方法和评价指标,无法建立统一标准以适用于所有情况.

1.3.2 X射线计算机断层扫描技术

X射线计算机断层扫描技术通过发射X射线穿透试样,在X射线检测器上成像,使用计算机软件将图像重构成3D图像,通过分析高分辨率图像评价均匀性.

学者们通过X射线成像技术,研究颗粒分布及含量,从而实现整个样品内部混合均匀度的无损分析[21].在路面工程中,结合X-CT和数字图像处理技术,以冷再生沥青混合料的微观结构特征表征均匀性[22].

X-CT在不破坏试样的前提下可实现对整个试样内部混合均匀度分析,但不适用于多组分混合均匀性评价,且不易区分具有相似结构的材料.

2 均匀性评价方法

各种测试方法均可获得能够表征均匀性本质的组分含量,但限于样本大小和数量、测试方法复杂性、测试费用等诸多因素,难以进行岩土工程场地级的固化/改性土测试.下面归纳了岩土工程中目前常用的几种均匀性评价指标及方法.

2.1 经验评价法

目前,在岩土工程中,通常采用建筑地基处理技术规范[23]中的水泥土搅拌桩施工质量检测方法来判断搅拌均匀性,通过经验分析法来评价或控制均匀性(见表1).

表1 水泥土搅拌桩施工质量检测方法

2.2 统计分析法

统计分析法是从总体中抽样,选择合适的测试方法,获得样本中某组分含量,对其进行统计学分析,从而判断其均匀性.

2.2.1 方差分析法

方差分析法利用测试数据,通过比较组间方差和组内方差来判断各组测量值之间有无系统性差异.如果二者的比值小于统计检验的临界值,则认为样品是均匀的[24].

(1)

(2)

(3)

(4)

v1=i-1

(5)

v2=J-i

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2.2 其他统计分析法

(10)

(11)

(12)

在此基础上,魏清等[25]引入水泥含量变异系数对水泥土的均匀程度进行定量判别,将桩体均匀程度分为4个等级.文献[26]采用多种均匀性定量评价指标(范围、变异系数、标准差等)，分析路基改性土的压实均匀性和不均匀性的严重程度.

3 讨论与展望

建筑地基处理技术规范[23]中水泥土采用桩身强度、肉眼观测和地基承载力等指标保证成桩质量,从检测数量的规定上为均匀性评价提供基础.但这些方法相对定性或间接,且无均匀性的评价控制标准.因此,形成可定量并直接的方法来评价检测搅拌均匀性具有必要性.

借鉴标准物质和其他行业均匀性检验测试与评价方法,本文初步提出了一种适合固化/改性土搅拌均匀性测试与评价方法,并通过试验加以验证.

3.1 检测单元及采样点

利用搅拌设备搅拌土体与固化剂/改性材料,形成施工区域,根据区域大小合理划分成若干检测单元.如果采用整体式搅拌(即在搅拌前将场地划分成若干单元,再使用搅拌头对各单元进行搅拌),宜将施工区域划分成若干方形单元作为检测单元,再将该方形单元平均分成若干个小单元,采样点分布于方形单元的中心点及若干个小单元的中心点(见图1(a)).如果采用桩式搅拌(即搅拌后形成圆柱形桩体),宜将每个桩体作为一个单元,采样点分布于桩体中心位置以及相邻桩体搭接位置(见图1(b)).在深度方向上,宜将不同土层分别进行均匀性检测,同一土层根据其厚度合理布置采样点,建议沿深度方向每隔一定距离设置一组采样点,土层分界面应设采样点(见图1(c)).

(a) 体式搅拌检测单元

划分好单元后,确定检测单元数量,不少于总单元数的5%,通过分层随机抽样的方法确定具体的检测单元.

3.2 取样测试

在检测单元内布设好采样点,利用钻机在各个采样点进行钻芯取样,并对钻取的芯样进行编号.

采用手持式X射线荧光光谱仪对各个样品进行测试(若要获取更为准确的数据,可使用烘箱烘干试样,碾磨后测试),获取样品元素种类及含量.测试中建议以固化剂/改性材料中特有或主要元素作为标记对象,获取各样品中该元素的含量.

3.3 搅拌均匀性评价

根据特有或主要元素的含量,计算各样品的变异系数,比较变异系数与均匀性指标的差异,评价搅拌均匀性.均匀性指标需要通过搅拌均匀性(即不同变异系数)与关键工程性质(如强度、渗透系数、浸出浓度等)间的关系确定.在此基础上,结合关键工程性质的要求，反推搅拌均匀性控制指标.

评价整体搅拌的均匀性,可先将检测单元内位于同一深度平面内的采样点作为一组,计算出样品特殊元素或主要元素含量的变异系数,比较其与均匀性指标的差异,从而评价该检测单元内位于相应深度平面上的土体搅拌均匀性.然后,将单元内沿着深度方向上的采样点作为一组,计算出样品特殊元素或主要元素含量的变异系数,比较其与均匀性指标的差异,进而评价出该单元内沿深度方向的搅拌均匀性.最后,综合平面上和沿深度方向上的土体搅拌均匀性,评价该检测单元内部的搅拌均匀性.

3.4 室内尺度均匀性评价案例

为了验证固化/改性土的搅拌均匀性检验测试与评价方法的可行性,开展了室内试验研究.试验用土取自南京明基医院附近地铁在建区,为长江漫滩典型土层粉质黏土,天然含水率为45.2%,湿密度为1.74 g/cm2.采用的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥,其质量为干土质量的10%,水灰质量比为0.5.

设计5组不同搅拌均匀性的试样(采用同一搅拌机搅拌不同时间),每组包含10个试样.采用振荡法制得直径为50 mm、高为100 mm的圆柱状试样,放入标准养护室(温度20 ℃,相对湿度不低于95%)，养护28 d.

对试样开展无侧限抗压强度试验,然后将试样放入烘箱中烘干后碾碎,采用四分法获得相应质量样品,放入试样杯中.利用X荧光光谱仪测得样品中钙元素的含量.

不同搅拌均匀性的各组试样的无侧限抗压强度见图2.由图可知,搅拌均匀性对水泥固化土的无侧限抗压强度的影响显著,搅拌均匀性越好,无侧限抗压强度越大.试验中均匀性最好的一组试样(第1组)强度约为均匀性最差的一组试样(第5组)强度的3倍.

图2 不同均匀性试样的无侧限抗压强度

每组试样的钙元素变异系数与无侧限抗压强度平均值的关系见图3.由图可见,随着钙元素变异系数的增大,试样的平均强度逐渐下降,钙元素变异系数为0.73%和12.9%的试样强度分别为378.5和70.8 kPa,两者相差约5.4倍.

图3 钙元素变异系数与平均强度的关系

综上可知,钙元素变异系数可以用于表征水泥固化土的搅拌均匀性,变异系数越大,搅拌均匀性越差.使用X荧光光谱仪测试固化剂/改性材料中主要元素的含量,以其变异系数表征拌和均匀性的方法是可行的.

上述案例是室内尺度的尝试,表明了跟踪主要元素含量,采用变异系数来描述均匀性,能有效构建固化土搅拌均匀性与强度关系.尽管如此,对于搅拌均匀性的测试和表征,以下工作需要进一步深化:①材料尺度(微观、细观和试样)和工程尺度(固化块体、桩柱体)的均匀性快速测试技术和表征、评价方法;②对强度、渗透和环境等参数的均匀性跨尺度响应机制和分析方法;③基于均匀性控制的搅拌设备、工艺和施工控制的系统优化与集成技术.