CN112113989A - 一种可快速检测水泥固化土拌和均匀性的方法 - Google Patents

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郭倩倩
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高玉峰
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Abstract

本发明将水泥中的特定元素作为水泥及水化产物的示踪物，通过X荧光光谱仪(XRF)快速测量固化土中示踪元素的浓度及其分布，并利用该元素浓度的统计学指标评价水泥固化土的拌和均匀性。本发明提出的检测方法，可以快速地评估水泥固化土拌和均匀性，进而指导现场施工，保证水泥固化土的拌和质量。

Description

一种可快速检测水泥固化土拌和均匀性的方法
技术领域
本发明涉及一种建筑工程领域，尤其涉及一种可快速评估水泥固化土拌和均匀性的方法。
背景技术
近年来为了保持河道的通航、防洪能力并改善民众的居住环境，国家加强河道以及湖泊的治理。清淤是河道首选的治理方式，但是淤泥的含水率高、强度低、呈流态。在处理淤泥时，存在方量大、堆放难、外运难等问题。同时，在我国东部地区，施工时经常遇到池塘、泥洼地、暗塘、深厚软基等，显著增加施工难度以及施工造价。针对上述不良地基，通常采用高压喷浆、就地固化和水泥土搅拌桩等加固方式处理，以达到增强土体强度，提高地基承载力的目的。
很多学者研究发现，由于现场拌和均匀性差、养护条件差等因素，现场固化土的强度仅为室内固化土强度的30％-50％。此外，在水泥土搅拌桩和就地固化工程中，固化土拌和不均匀导致水泥桩断桩、桩身不连续；水泥固化土中存在水泥富集块、未反应的水泥灰或者软弱土夹层等质量问题，导致地基承载力不足，严重时甚至会引起工程事故。
目前，工程中采用强度作为水泥固化土质量的评价指标，但是强度地发展需要一定的养护龄期，难以及时发现固化土拌和质量，该指标结果具有滞后性。若7天或者28天龄期后，水泥固化土强度不满足工程要求，难以返工且浪费大量的人力物力资源。
因此，在水泥固化土搅拌结束后，亟需一种可快速检测固化土拌和均匀性的检测方法及控制指标。如果水泥固化土未达到预期拌和效果，可以及时对水泥固化土进行复搅或者补搅，有效控制固化土的拌和质量。
发明内容
为实现上述目的，本发明提出一种可快速检测水泥固化法拌和均匀性的方法。选用钙元素作为水泥及其水化产物的示踪元素，采用固化土中钙元素浓度分布的统计学指标(变异系数)定量评价固化剂的拌和均匀性。本发明提出的检测方法具有操作方便、快速测量、实用性强等优势。对某一区域的软弱土加固结束后，使用X荧光光谱仪可以快速地得到钙元素浓度及分布，通过计算即可得到钙元素浓度的变异系数。变异系数的值越小，说明各点钙元素浓度的分布越均匀，水泥固化土的拌和均匀性好；变异系数的值越大，说明各点钙元素浓度对浓度均值的离散度越大，固化土的拌和均匀性越差。对变异系数不满足要求的区域，可立即组织现场搅拌机械进行复搅，保证固化土的拌和质量。
本发明采用手持式X荧光光谱仪(XRF)测量钙元素浓度。X荧光光谱仪在射线管产生X射线，经被检测样本反射后产生X荧光，根据X荧光对各元素的行分析，该仪器可以精确测量各元素的浓度，如钙、锌、汞、锰、铜、铁等元素。
本发明选用钙元素作为水泥固化土中水泥拌和均匀性的标志性元素。因为当水泥与软土拌和后，水泥中的氧化钙、氧化硅等氧化物与软土中的水迅速发生水化反应，生成水化硅酸钙、水化硫铝酸钙和氢氧化钙等水化产物，所产生的水化产物是固化土强度增长的主要原因。钙元素在水泥的水化反应过程中发挥至关重要的作用。
在水泥固化土中，水泥及其水化产物中的钙元素浓度是随空间位置变化的，具有随机性。如果检测水泥固化土中的多个点的钙元素浓度即可得到钙元素浓度在固化土中的空间分布特征。为了得到固化土中的钙元素浓度分布，本发明对水泥固化土试样随机取样，并采用统计学的方法对水泥固化土中的钙元素分布进行统计分析后，发现钙元素浓度分布符合正态分布。
当钙元素浓度均匀分布时，在正态分布中单位体积水泥土中钙元素的含量相等，该状态可以作为水泥固化土拌和均匀的微观体现。在不同的搅拌状态下，对试样钙元素浓度进行统计分析，采用变异系数定量评估水泥固化土的拌和均匀性，衡量总体钙元素随机分布变量与数学期望间的偏移程度。
本发明具体步骤如下：
1、制备固化土样
在土样中加入规定掺量的水泥，利用固化设备进行搅拌，搅拌时间根据固化设备以及固化工艺确定。
2、测量示踪元素浓度
未进行加固的区域称为未处理区，掺加固化剂的区域称为固化区。对固化区划分区块，在每一个区块内使用X荧光光谱仪测量钙元素浓度，每1m3至少测试10样本点。
3、计算固化土中示踪元素浓度的统计学指标
假设每个区块取n个样本点，测量每个样本的示踪元素浓度(钙元素浓度)，将每个测点的钙元素浓度记为c1，c2，c3…cn。
Figure BDA0002643881730000021
Figure BDA0002643881730000031
Figure BDA0002643881730000032
Figure BDA0002643881730000033
式中：ci为试样中钙元素浓度；n为取样点个数；Ki为模比系数；σ为钙元素浓度分布的标准差；Cv为变异系数，表征检测各点钙元素浓度对浓度均值的相对离散程度，为模比系数的均方差，是一种对模比系数的无偏估计。
利用钙元素浓度分布的变异系数Cv可以定量评价新拌和固化土中钙元素的分布均匀性。当Cv取值为0时，说明样本内各点钙元素浓度分布均匀，水泥在固化土中分布均匀；Cv值越大，说明各点钙元素浓度对浓度均值的离散度越大，固化土的拌和均匀性越差，即固化土拌和不均匀。
根据固化土和固化剂的类型、固化土的强度确定是否复搅对应的变异系数。若变异系数Cv不满足要求，则说明此次搅拌固化土的均匀性差。组织机械进行复搅，补搅或者复搅后，再重复上述步骤1-2，直至钙元素浓度的变异系数满足要求。
上述是以钙元素作为示例距离说明，还可以是钾元素等其它常见元素。
XRF具有快速、便捷、可操作性强的优势，本发明利用XRF可以准确地测量物质中化学元素的浓度。相对于pH值和电阻率，本发明可以快速、精确地得到钙元素浓度分布的变异系数，同时固化土中的水不会影响测试结果，本发明可定量评价固化土拌和均匀性，极大地提高了施工质量以及工效。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
1、本发明提供了一种快速检测水泥固化土中固化剂拌和均匀性的方法，适用于水泥加固土的质量检测。
2、本发明可以定量评价固化土的拌和均匀性，指导现场固化设备施工进而保证固化土拌和质量。
3、本发明提供的固化土拌和均匀性检测方法，可以快速、准确地得到固化土中各检测点的钙元素浓度，极大地提高了施工质量以及施工效率。
附图说明
图1为水泥固化土拌和均匀性检测流程示意图。
具体实施方式
下面对水泥固化土均匀性检测方法作进一步的详细描述。以下实施步骤仅用于更加清晰地描述本发明内容而不用于限制本发明的范围。
在某施工现场快速检测水泥固化淤泥的施工拌和质量：
1)按照预期10％的水泥掺量，使用就地搅拌设备缓慢提升搅拌并喷固化剂，对水泥和淤泥土进行搅拌，每个搅拌点搅拌2min。
2)搅拌完成后进行整平养护，并在固化区划分5个10m×10m×1m区块。使用手持式X荧光光谱仪分别测量5个区块的钙元素浓度，1m3取15个测试点。
3)计算每个区块的变异系数。测试结果见下表：
Figure BDA0002643881730000041
根据现场固化土的类型、养护条件，本实例中取Cv＞0.5作为复搅的条件。由上表可知，区块2、4、5的变异系数不满足要求，则立即组织搅拌机械进行复搅，直至拌和均匀性满足要求。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实例所公开的技术手段，还包括以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术应力的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与修改，均应纳入本发明的保护范围内，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种检测水泥固化土拌和均匀性的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)利用固化剂对待固化土进行固化，利用光谱仪测量固化土中某个元素的浓度；
(2)然后对该元素浓度的分布进行统计分析；
(3)利用该元素浓度的统计学指标衡量水泥固化土的拌和均匀性。
2.如权利要求1所述的一种检测水泥固化土拌和均匀性的方法，其特征在于，所选元素可以是固化剂中独有的元素或者固化剂中的元素浓度大于待固化土中的对应值的元素。
3.如权利要求1所述一种检测水泥固化土拌和均匀性的方法，其特征在于，待固化土不含所选的元素或者含量低于固化剂中元素含量。
4.如权利要求1所述的一种检测水泥固化土拌和均匀性的方法，其特征在于，光谱仪为手持式X荧光光谱仪。
5.如权利要求1或2所述的一种检测水泥固化土拌和均匀性的方法，其特征在于，固化剂为水泥，石灰、粉煤灰、纤维中的任一种。
6.如权利要求1或2所述的一种检测水泥固化土拌和均匀性的方法，其特征在于，待固化土是粉砂、海洋土中的一种。
7.如权利要求1或2所述的一种检测水泥固化土拌和均匀性的方法，其特在于，所述统计学指标为示踪元素浓度的标准差与均值之比，方差、偏态系数等统计学指标的任一种。
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