NCS固化劑處治過濕土路基的應(yīng)用研究

張晉龍

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

0 引言

我國幅員遼闊，公路縱橫八達，在修筑公路的過程中經(jīng)常會遇到過濕土路基，過濕土屬于軟黏性土，其含水量高、強度低、容易變形[1]。若不加以處治，竣工后，路基路面極易出現(xiàn)沉陷、變形與失穩(wěn)?，F(xiàn)行路基設(shè)計規(guī)范明確規(guī)定過濕土不能直接用于路基填筑，工程中可采用翻曬碾壓、換填方法對過濕土進行處理，但上述方法消耗過多時間與人工[2]。本文將采用土壤固化劑NCS對過濕土路基進行處理。

土壤固化劑是由多種有機與無機材料構(gòu)成的，能夠改變土壤性能，固化土壤的環(huán)保材料。固化過程中，固化劑與土壤會發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，從而使得土壤中的自由水以結(jié)晶水的形式固定，土壤顆粒表面的電流隨之降低，電解質(zhì)的濃度增強，使得土壤顆粒凝聚在一起，固化土壤形成統(tǒng)一整體，易于壓實，穩(wěn)定性顯著增加。國內(nèi)外對土壤固化劑展開了大量的研究，美國的EN-1型土壤固化劑與日本的Aught-Set型土壤固化劑均取得了不錯的應(yīng)用效果[3]。國內(nèi)陸續(xù)研發(fā)出了R型、TR型、WH型等固化劑，取得了可喜的成果[4]。運用土壤固化劑來處治過濕土路基具有較大的經(jīng)濟效益與實用價值，研究意義顯著。

本文以生石灰處治過濕土作為對比試驗，對NCS固化劑處治過濕土的性能展開了試驗研究。通過工程實例對NCS固化劑在施工中的應(yīng)用效果展開了研究，具有重要意義。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料

a）過濕土 過濕土試樣取自某新建一級公路施工現(xiàn)場，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[5]，對土樣的性能進行檢測可得如表1所示結(jié)果。

表1 過濕土樣的物理力學(xué)性質(zhì)

b）土壤固化劑 試驗采用某公司生產(chǎn)的NCS土壤固化劑，NCS固化劑作為一種復(fù)合材料，由水泥、石灰及SCA高性能無機增強吸水材料組成。NCS固化劑的物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表2 土壤固化劑的物理力學(xué)性能指標(biāo)

c）生石灰 試驗所用生石灰為Ⅲ級生石灰，參照相關(guān)試驗規(guī)范對其進行檢測分析[6]，各性能指標(biāo)均滿足要求，其組成含量如表3所示。

表3 生石灰組成含量

1.2 試驗方法

為了全面研究NCS固化劑處治過濕土的性能，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[5]，對過濕土樣在加入NCS固化劑后的含水率變化進行了研究，并通過擊實試驗與無側(cè)限抗壓強度試驗研究了不同含水量、固化劑摻入量及齡期下固化濕土的性能。

1.2.1 過濕土在摻入固化劑后的含水量變化

室溫下，將分別加入4%后的NCS固化劑與生石灰的過濕土樣按計量加水并進行攪拌，攪拌均勻過后對混合料進行24 h的悶料，接著對混合料進行擊實，并分別取適量的土樣檢測其在3 d、7 d、14 d與28 d時的含水量變化。

1.2.2 擊實試驗

試驗參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，取NCS固化劑與生石灰的摻入量分別為0%、3%、6%、9%制作固化過濕土試樣，分別對NCS固化過濕土、生石灰固化過濕土進行重型擊實試驗，對加入固化劑前后過濕土的壓實特性進行檢測與分析。

1.2.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，在過濕土中摻入相同摻量的NCS與生石灰，采用干法與濕法制備試樣，并對試樣進行保濕養(yǎng)生6 d，在進行7 d無側(cè)限抗壓強度試驗前，應(yīng)對試樣浸水養(yǎng)生24 h。

2 室內(nèi)試驗結(jié)果分析

2.1 過濕土在固化過程中含水量的變化

過濕土含水量的變化一般是由于干燥狀態(tài)下水分蒸發(fā)、與固化劑發(fā)生水化反應(yīng)時的水分消耗以及孔隙水在壓實的條件下，孔隙水被擠壓出去。由于本試驗的養(yǎng)護條件為飽和濕度的情況，因此可不必考慮水分蒸發(fā)的影響，只需研究固化過濕土在壓實與非壓實狀態(tài)下，不同齡期時的含水量變化情況。本試驗研究NCS固化劑與生石灰摻入量為4%的情況，固化過濕土含水量隨齡期變化的試驗結(jié)果如表4、表5以及圖1所示。

表4 固化過濕土的含水量變化 %

圖1 固化過濕土含水量的變化

由圖1所示結(jié)果可知，生石灰的減水效果要優(yōu)于NCS固化劑，壓實狀態(tài)下，生石灰與NCS固化濕土的含水量降低范圍分別為2.6%～8.3%和0.2%～5.3%，非壓實狀態(tài)下，生石灰與NCS固化濕土的含水量降低范圍分別3.8%～8.4%與0.2%～5.2%。另一方面，固化濕土在壓實狀態(tài)下含水量下降范圍比非壓實狀態(tài)下要小，這是因為壓實降低了土體的空隙率使得其與固化劑的接觸面積減小，從而阻礙了反應(yīng)部分反應(yīng)的進行。其次由試驗結(jié)果可知，固化濕土在3～7 d的時間內(nèi)，其含水量下降的幅度最大。因此在NCS固化劑固化過濕土的工程應(yīng)用中，建議將固化過濕土放置7 d后再將其壓實，以達到最好的減水效果。

2.2 固化過濕土的擊實特性

分別對不同摻入量的NCS固化劑與生石灰處治過濕土土樣進行重輕型擊實試驗，重型擊實試驗的擊實曲線如圖2～圖5所示。

圖2 生石灰處治過濕土樣重型擊實曲線

圖3 NCS固化劑處治過濕土樣重型擊實曲線

圖4 生石灰處治過濕土樣輕型擊實曲線

圖5 NCS固化劑處治過濕土樣輕型擊實曲線

由圖2～圖5的擊實曲線可得NCS固化劑與生石灰處治過濕土樣的最佳含水量Wm與最大干密度ρdmax如表5所示。

表5 不同固化過濕土樣擊實試驗結(jié)果

由表5所示試驗結(jié)果可知：摻入固化劑NCS與生石灰后的過濕土樣，其最大干密度均有所降低，最大含水量均增加；NCS固化劑的固化效果要好于生石灰。其中，重型擊實試驗時，當(dāng)生石灰的摻入量由3%增加到7%時，固化土樣的最大干密度減小了5%～6%，最佳含水量增加了0.7%～1.9%。當(dāng)NCS固化劑的摻入量由3%增加到8%時，固化土樣的最大干密度降低了6%～9%，最佳含水量增加了1.5%～2.5%。對比輕型擊實試驗可得到相似的結(jié)論。

2.3 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

干濕法分別制備試樣后，對4%摻入量的NCS固化劑與生石灰處治過濕土土樣分別進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果 MPa

由表6所示試驗結(jié)果可知，對相同條件、相同摻入量4%下的固化濕土，NCS固化劑處治過濕土樣的7 d無側(cè)限抗壓強度要明顯優(yōu)于生石灰處治過濕土。其中，采用干法制備的試樣，NCS處治固化濕土的強度相比于生石灰處治固化濕土的強度提高了50%左右，濕法制備的試樣，固化強度增加幅度超過了1倍。因此，在工程應(yīng)用中，在同等質(zhì)量控制條件下，NCS固化劑的用量要小于生石灰，具有較高的經(jīng)濟效益。另一方面，干法制備試樣時，生石灰固化濕土的強度要高于濕法制備的試樣，這是因為干法制備時，土顆粒與生石灰的接觸面積較大，整體性較強。而NCS固化濕土在采用濕法制備試樣時，其強度要大于干法制備的試樣，這是因為團狀過濕土樣被NCS固化劑纏繞包裹，固化劑與土團發(fā)生反應(yīng)，使得土團水分被吸收而形成比較堅硬的殼。同時，各土團之間由于NCS固化劑的連接作用，起到了加筋作用，從而增大了土體的強度與整體性。

3 NCS固化過濕土的工程應(yīng)用

3.1 工程概況

307國道太原市晉源區(qū)境內(nèi)，地下水位高且豐富，地下水多以空隙水與裂縫水存在，其中K583+230—K584+230段路床處于近似“沼澤”路段。由于當(dāng)?shù)刂凡牧蠀T乏，采用換填法處治將花費過多資金。經(jīng)過實地勘察過后，決定采用NCS固化劑處治過濕土路基，固化劑采用北京欣路特公司生產(chǎn)的NCS土壤固化劑，其摻入量為4%。

3.2 施工要點

施工時采用WB25穩(wěn)定土拌合機對NCS固化過濕土進行拌合，NCS土壤固化劑的摻入量準(zhǔn)確控制為4%，待過濕土攪拌3 min左右時，均勻摻入NCS固化劑到料斗中，將混合料拌合均勻并燜料7 d后進行碾壓。施工中應(yīng)注意避開雨季，并做好固化過濕土的后期養(yǎng)護工作，防止出現(xiàn)壓實不均勻、排水不通暢等問題。

3.3 施工檢測與評價

a）壓實度檢測 按照施工要求，對固化過濕土路基多次碾壓過后，進行壓實度的檢測，檢測結(jié)果表明，K583+230—K584+230段固化過濕土路基的壓實度均在94%以上，平均達到了95%，符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

b）無側(cè)向抗壓強度檢測 為了檢測NCS固化劑增強過濕土路基的強度效果，對K583+230—K584+230段每隔100 m對橫斷面進行鉆芯取樣，每個斷面取3個試件，將試件進行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度的檢測，檢測結(jié)果表明該段固化過濕土路基的平均無側(cè)限抗壓強度達到了1.7 MPa，大于室內(nèi)試驗結(jié)果，且滿足相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

c）彎沉檢測 過濕土路基施工養(yǎng)護60 d后，按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[7]選取有代表性的橫斷面埋設(shè)沉降板進行彎沉檢測，檢測結(jié)果如表7所示。

表7 K583+230—K584+230段路基沉降量觀測表

表7所示結(jié)果表明，NCS固化過濕土路基的沉降量均滿足相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值，因此NCS固化劑的摻入有效地提高了過濕土路基的強度，提高了路基穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

a）NCS固化過濕土在3～7 d的時間內(nèi)，其含水量下降的幅度最大；工程應(yīng)用中，建議將固化過濕土放置7 d后再壓實，以達到最好的減水效果。

b）過濕土樣在摻入NCS與生石灰固化劑后，其最大干密度均有所降低，最大含水量均增加；NCS固化劑的固化效果要好于生石灰。

c）相同條件下，NCS固化劑處治過濕土樣的7 d無側(cè)限抗壓強度要明顯優(yōu)于生石灰處治過濕土，且在同等質(zhì)量控制條件下，NCS固化劑的用量要小于生石灰，具有較高的經(jīng)濟效益。

d）工程實例表明，NCS固化劑的摻入能夠有效地控制過濕土路基的沉降，提高過濕土路基的強度與穩(wěn)定性，具有重要意義。