NCS固化剂处治过湿土路基的应用研究

张晋龙

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

0 引言

我国幅员辽阔，公路纵横八达，在修筑公路的过程中经常会遇到过湿土路基，过湿土属于软黏性土，其含水量高、强度低、容易变形[1]。若不加以处治，竣工后，路基路面极易出现沉陷、变形与失稳。现行路基设计规范明确规定过湿土不能直接用于路基填筑，工程中可采用翻晒碾压、换填方法对过湿土进行处理，但上述方法消耗过多时间与人工[2]。本文将采用土壤固化剂NCS对过湿土路基进行处理。

土壤固化剂是由多种有机与无机材料构成的，能够改变土壤性能，固化土壤的环保材料。固化过程中，固化剂与土壤会发生一系列的物理化学反应，从而使得土壤中的自由水以结晶水的形式固定，土壤颗粒表面的电流随之降低，电解质的浓度增强，使得土壤颗粒凝聚在一起，固化土壤形成统一整体，易于压实，稳定性显著增加。国内外对土壤固化剂展开了大量的研究，美国的EN-1型土壤固化剂与日本的Aught-Set型土壤固化剂均取得了不错的应用效果[3]。国内陆续研发出了R型、TR型、WH型等固化剂，取得了可喜的成果[4]。运用土壤固化剂来处治过湿土路基具有较大的经济效益与实用价值，研究意义显著。

本文以生石灰处治过湿土作为对比试验，对NCS固化剂处治过湿土的性能展开了试验研究。通过工程实例对NCS固化剂在施工中的应用效果展开了研究，具有重要意义。

1 室内试验

1.1 试验材料

a）过湿土 过湿土试样取自某新建一级公路施工现场，根据相关规范标准[5]，对土样的性能进行检测可得如表1所示结果。

表1 过湿土样的物理力学性质

b）土壤固化剂 试验采用某公司生产的NCS土壤固化剂，NCS固化剂作为一种复合材料，由水泥、石灰及SCA高性能无机增强吸水材料组成。NCS固化剂的物理力学性质如表2所示。

表2 土壤固化剂的物理力学性能指标

c）生石灰 试验所用生石灰为Ⅲ级生石灰，参照相关试验规范对其进行检测分析[6]，各性能指标均满足要求，其组成含量如表3所示。

表3 生石灰组成含量

1.2 试验方法

为了全面研究NCS固化剂处治过湿土的性能，根据相关规范标准[5]，对过湿土样在加入NCS固化剂后的含水率变化进行了研究，并通过击实试验与无侧限抗压强度试验研究了不同含水量、固化剂掺入量及龄期下固化湿土的性能。

1.2.1 过湿土在掺入固化剂后的含水量变化

室温下，将分别加入4%后的NCS固化剂与生石灰的过湿土样按计量加水并进行搅拌，搅拌均匀过后对混合料进行24 h的闷料，接着对混合料进行击实，并分别取适量的土样检测其在3 d、7 d、14 d与28 d时的含水量变化。

1.2.2 击实试验

试验参照相关规范标准[5-6]，取NCS固化剂与生石灰的掺入量分别为0%、3%、6%、9%制作固化过湿土试样，分别对NCS固化过湿土、生石灰固化过湿土进行重型击实试验，对加入固化剂前后过湿土的压实特性进行检测与分析。

1.2.3 无侧限抗压强度试验

按照相关规范标准[5-6]，在过湿土中掺入相同掺量的NCS与生石灰，采用干法与湿法制备试样，并对试样进行保湿养生6 d，在进行7 d无侧限抗压强度试验前，应对试样浸水养生24 h。

2 室内试验结果分析

2.1 过湿土在固化过程中含水量的变化

过湿土含水量的变化一般是由于干燥状态下水分蒸发、与固化剂发生水化反应时的水分消耗以及孔隙水在压实的条件下，孔隙水被挤压出去。由于本试验的养护条件为饱和湿度的情况，因此可不必考虑水分蒸发的影响，只需研究固化过湿土在压实与非压实状态下，不同龄期时的含水量变化情况。本试验研究NCS固化剂与生石灰掺入量为4%的情况，固化过湿土含水量随龄期变化的试验结果如表4、表5以及图1所示。

表4 固化过湿土的含水量变化 %

图1 固化过湿土含水量的变化

由图1所示结果可知，生石灰的减水效果要优于NCS固化剂，压实状态下，生石灰与NCS固化湿土的含水量降低范围分别为2.6%～8.3%和0.2%～5.3%，非压实状态下，生石灰与NCS固化湿土的含水量降低范围分别3.8%～8.4%与0.2%～5.2%。另一方面，固化湿土在压实状态下含水量下降范围比非压实状态下要小，这是因为压实降低了土体的空隙率使得其与固化剂的接触面积减小，从而阻碍了反应部分反应的进行。其次由试验结果可知，固化湿土在3～7 d的时间内，其含水量下降的幅度最大。因此在NCS固化剂固化过湿土的工程应用中，建议将固化过湿土放置7 d后再将其压实，以达到最好的减水效果。

2.2 固化过湿土的击实特性

分别对不同掺入量的NCS固化剂与生石灰处治过湿土土样进行重轻型击实试验，重型击实试验的击实曲线如图2～图5所示。

图2 生石灰处治过湿土样重型击实曲线

图3 NCS固化剂处治过湿土样重型击实曲线

图4 生石灰处治过湿土样轻型击实曲线

图5 NCS固化剂处治过湿土样轻型击实曲线

由图2～图5的击实曲线可得NCS固化剂与生石灰处治过湿土样的最佳含水量Wm与最大干密度ρdmax如表5所示。

表5 不同固化过湿土样击实试验结果

由表5所示试验结果可知：掺入固化剂NCS与生石灰后的过湿土样，其最大干密度均有所降低，最大含水量均增加；NCS固化剂的固化效果要好于生石灰。其中，重型击实试验时，当生石灰的掺入量由3%增加到7%时，固化土样的最大干密度减小了5%～6%，最佳含水量增加了0.7%～1.9%。当NCS固化剂的掺入量由3%增加到8%时，固化土样的最大干密度降低了6%～9%，最佳含水量增加了1.5%～2.5%。对比轻型击实试验可得到相似的结论。

2.3 无侧限抗压强度试验结果

干湿法分别制备试样后，对4%掺入量的NCS固化剂与生石灰处治过湿土土样分别进行无侧限抗压强度试验，试验结果如表6所示。

表6 7 d无侧限抗压强度试验结果 MPa

由表6所示试验结果可知，对相同条件、相同掺入量4%下的固化湿土，NCS固化剂处治过湿土样的7 d无侧限抗压强度要明显优于生石灰处治过湿土。其中，采用干法制备的试样，NCS处治固化湿土的强度相比于生石灰处治固化湿土的强度提高了50%左右，湿法制备的试样，固化强度增加幅度超过了1倍。因此，在工程应用中，在同等质量控制条件下，NCS固化剂的用量要小于生石灰，具有较高的经济效益。另一方面，干法制备试样时，生石灰固化湿土的强度要高于湿法制备的试样，这是因为干法制备时，土颗粒与生石灰的接触面积较大，整体性较强。而NCS固化湿土在采用湿法制备试样时，其强度要大于干法制备的试样，这是因为团状过湿土样被NCS固化剂缠绕包裹，固化剂与土团发生反应，使得土团水分被吸收而形成比较坚硬的壳。同时，各土团之间由于NCS固化剂的连接作用，起到了加筋作用，从而增大了土体的强度与整体性。

3 NCS固化过湿土的工程应用

3.1 工程概况

307国道太原市晋源区境内，地下水位高且丰富，地下水多以空隙水与裂缝水存在，其中K583+230—K584+230段路床处于近似“沼泽”路段。由于当地筑路材料匮乏，采用换填法处治将花费过多资金。经过实地勘察过后，决定采用NCS固化剂处治过湿土路基，固化剂采用北京欣路特公司生产的NCS土壤固化剂，其掺入量为4%。

3.2 施工要点

施工时采用WB25稳定土拌合机对NCS固化过湿土进行拌合，NCS土壤固化剂的掺入量准确控制为4%，待过湿土搅拌3 min左右时，均匀掺入NCS固化剂到料斗中，将混合料拌合均匀并焖料7 d后进行碾压。施工中应注意避开雨季，并做好固化过湿土的后期养护工作，防止出现压实不均匀、排水不通畅等问题。

3.3 施工检测与评价

a）压实度检测 按照施工要求，对固化过湿土路基多次碾压过后，进行压实度的检测，检测结果表明，K583+230—K584+230段固化过湿土路基的压实度均在94%以上，平均达到了95%，符合相关规范标准。

b）无侧向抗压强度检测 为了检测NCS固化剂增强过湿土路基的强度效果，对K583+230—K584+230段每隔100 m对横断面进行钻芯取样，每个断面取3个试件，将试件进行室内无侧限抗压强度的检测，检测结果表明该段固化过湿土路基的平均无侧限抗压强度达到了1.7 MPa，大于室内试验结果，且满足相应的规范标准。

c）弯沉检测 过湿土路基施工养护60 d后，按照相关规范标准[7]选取有代表性的横断面埋设沉降板进行弯沉检测，检测结果如表7所示。

表7 K583+230—K584+230段路基沉降量观测表

表7所示结果表明，NCS固化过湿土路基的沉降量均满足相应的规范标准值，因此NCS固化剂的掺入有效地提高了过湿土路基的强度，提高了路基稳定性。

4 结论

a）NCS固化过湿土在3～7 d的时间内，其含水量下降的幅度最大；工程应用中，建议将固化过湿土放置7 d后再压实，以达到最好的减水效果。

b）过湿土样在掺入NCS与生石灰固化剂后，其最大干密度均有所降低，最大含水量均增加；NCS固化剂的固化效果要好于生石灰。

c）相同条件下，NCS固化剂处治过湿土样的7 d无侧限抗压强度要明显优于生石灰处治过湿土，且在同等质量控制条件下，NCS固化剂的用量要小于生石灰，具有较高的经济效益。

d）工程实例表明，NCS固化剂的掺入能够有效地控制过湿土路基的沉降，提高过湿土路基的强度与稳定性，具有重要意义。