膨胀土水泥改性掺量延时测定衰减现象试验研究

刘彤 王恩杰

摘要：南水北调中线工程南阳镇平一标涉及到膨胀土问题的渠段较长，范围广、条件复杂，任何局部的边坡失稳都将可能影响渠道正常输水。为了确保膨胀土渠道土方填筑质量，采取弱膨胀土中掺入适量水泥，控制其膨胀性在规定范围内，而水泥掺量是决定膨胀土改性质量的重要指标，检测水泥掺量的常用方法采用EDTA滴定法。而水泥接触膨胀土后发生反应，随时间的不同测定出的水泥掺量不同。为了搞清楚其中规律，必须对水泥改性土延时测定进行了试验研究。因此，本文就此为切入点，对其膨胀土水泥改性掺量延时测定衰减现象试验进行了研究分析，以供参考。

关键词：EDTA滴定法；膨胀土；水泥改性土；水泥掺量；延时测定；南水北调

前言

膨胀土问题是南水北调中线工程的一个主要工程地质问题。南水北调中性总干渠全长1432km，渠道沿线地质条件复杂，穿越膨胀土渠段累计长约387公里。一般膨胀土渠道容易出现边坡失稳，其主要原因是膨胀土的胀缩变形，在降雨以前或渠道水位以下时，受气候等因素影响，土体会产生多种规模及不同方向的裂缝，在大气降水和渠水的长时间侵润等条件下，水体很快沿这些裂缝下渗，使裂隙周边的土体吸水膨胀并向周边扩展，从而使土体饱和，一方面降低了土中的负压力，使有效应力降低，同时土体软化、抗剪强度降低，这是膨胀土边坡变形的主要原因之一。另一个重要原因是土层倾坡向的水平应力与横坡向水平应力在饱水后急剧增大，土体中某处的水平应力与垂直应力之比增大，土体边坡达到极限平衡状态，即沿渠坡土体裂隙面或最大剪应力面产生变形破坏。因此，为了防止膨胀土对渠道造成破坏所需的处理工程和处理费用是非常巨大的，且处理膨胀土边坡施工工艺和技术也相当复杂，工期相对较长。南阳地区作为南水北调路线中的一部分，其中广泛分布着膨胀土，给这顿渠道的建设带来了很大的困难，必需对膨胀土渠道加以改良。因此，水泥掺量是决定膨胀土改性质量的控制指标之一。为保证膨胀土水泥改性的质量，在施工中水泥掺量测定的准确性尤为重要。

一、试验方法及原理

EDTA滴定法是目前检测水泥掺量的主要方法，适用于工地快速测定水泥掺量。针对南水北调中线工程膨胀土，对拌和后放置不同时间的水泥改性土用EDTA滴定法进行水泥掺量测定，研究膨胀土水泥改性掺量延时测定衰减现象及其解决方法，为确保现场测定结果的准确性提供依据。

EDTA二钠是乙二胺四乙酸二钠的简称，分子式为C10H14N2Na2O8。EDTA二钠易溶于水且和多重金属离子形成十分稳定的混合物，是一种重要的络合剂，用于络合金属离子及Ca2+和Mg2+。

EDTA滴定法的步骤和原理为：①取适量具有代表性的水泥改性土试样，根据最大粒径确定取样量。一般细粒土为300g。②在盛试样的陶瓷杯中加入600ml10%的NH4Cl溶液。水泥中的主要成分是3CaO·Si02、2CaO·Si02、3CaO·Al2O3和4CaO·Al2O3，遇水后会形成微溶的Ca（OH）2，而加入NH4Cl溶液起到了溶解的作用，使其转变成了易溶的CaCl2。③搅拌3min并静置10min，以保证充分生成Ca（OH）2并溶解形成清液。④用移液管吸取上层清液10ml，加入50ml含三乙醇胺的NaOH溶液。加入NaOH溶液起到调节pH值得作用。适量的三乙醇胺可以避免水泥和土料中存在的Al3+、Fe3+对Ca2+的干扰。⑤加入钙红指示剂，以溶液变色作为滴定终点。钙红指示剂与Ca2+形成显玫瑰红色的混合物，当Ca2+与EDTA二钠反应完全即滴定终点时，溶液变为纯蓝色。

EDTA消耗量反映了Ca2+的含量，而Ca2+的含量又反映了水泥改性土中水泥的含量。所以在用EDTA滴定法测定水泥掺量时，需提前在室内作出EDTA标准曲线：配制5种水泥掺量的水泥改性土（两种掺量大于设计值，两种掺量小于设计值），用EDTA滴定法对其进行测定，由测定结果绘制EDTA消耗量与水泥掺量关系曲线图，即为EDTA标准曲线。在实际施工当中，就可以在该标准曲线上查出水泥掺量。

二、试验内容

以南水北调镇平一标为工程实例，渠道长12.0km，过水断面采用梯形断面。渠道填筑为水泥改性土。该水泥改性土所用膨胀土为弱膨胀土，自由膨胀来吧为52%，液限为56%、塑性指数为27.8、最优含水率为20.4%。

配制水泥掺量为0%、2%、4%、6%、8%、10%的改性土，分别放置0h、2h、4h、12h、24h（根据南水北调技术要求，从加水拌和到碾压终了的延續时间不宜超过4h，宜在4h内完成质量检测），用EDTA法滴定，得到相应延时测定时的水泥掺量标准曲线。

水泥掺量的检测主要包括两方面：①试验室在改性土拌和站检测，保证按设计掺量拌和（不存在延时）；②试验室在水泥改性土填筑现场进行检测（存在延时），保证水泥掺量按延迟曲线换算后实际也是够的。对于检测时间的不确定，而室内标准曲线是延时0h，这就要求有相应延时测定点的标准曲线，来保证水泥掺量测定结果的准确性，正确地指导施

三、试验分析

①随着水泥掺量的增加，EDTA消耗量近似线性增长。完全符合EDTA的滴定原理，EDTA消耗量与澄清液中的游离Ca2+成正比，而Ca2+全部来自于水泥遇水与NH4Cl溶液反应生成。随水泥掺量增加，相应的EDTA消耗量也成比例增加。②随着水泥改性土放置时间的延长，相同水泥掺量的改性土消耗的EDTA呈现衰减趋势，而且水泥掺量较大，放置时间较长的衰减更明显。这是由于随着放置时间的延长，水泥在混合料中发生水化反应，导致澄清液中的游离Ca2+减少，EDTA消耗量也就减少了。③0h段的标准曲线可以为快速测定水泥改性土拌合站水泥掺量提供参照依据，其他延时测定时段的标准曲线可以作为对应放置时间填筑现场改性土的参照依据。

综上所述，对于南水北调中线工程镇平段弱膨胀土，EDTA滴定法对水泥改性土水泥掺量随测定的延时存在衰减现象。我们发现了以上的规律，对于准确控制水泥掺量找到了正确的参考依据。

四、试验结论

南水北调中线工程膨胀土地区的弱膨胀土，用水泥改性满足设计要求后，方可使用。因此水泥掺量的控制显得尤为重要，而EDTA滴定法延时测定膨胀土水泥改性掺量存在衰减现象，这就需要用相应测定时间的EDTA标准曲线进行检测。当延迟时间小于2h时（一般在改性土拌和站取样检测），EDTA消耗量衰减较小，仍可以用初始（延时测定时间0h）标准曲线来测定；当延时时间超过2h时（一般在填筑现场取样检测），EDTA消耗量衰减较大，就需要用相应放置时间的EDTA标准曲线进行测定。如果不考虑延时测定膨胀土水泥改性掺量存在衰减现象，用原初始0h标准曲线测定的水泥掺量将小于拌和时的实际水泥掺量，就会得出质量不合格需要返工处理的结论，造成不必要的工程损失。因此，在南水北调中线工程膨胀土地区，膨胀土水泥改性掺量延时测定衰减现象试验研究就显得非常有意义，以上解决方法都有其局限性，更好的解决方法有待进一步探讨。

参考文献

[1]岑胜.膨胀土水泥改性评价指标试验研究[D].武汉理工大学.2013年.

[2]张晨辰，等.膨胀土水泥改性掺灰量测定的龄期效应研究[J].南水北调与水利科技.2012（05）.

[3]赵春吉，等.水泥改性强膨胀土理化试验研究[J].大连理工大学学报.2014（06）.