泰然酶固化劑固化土壤的試驗(yàn)研究

李　威

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙　410114)

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泰然酶固化劑固化土壤的試驗(yàn)研究

李威

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙410114)

摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外采用泰然酶固化劑對(duì)原狀土壤進(jìn)行改良的研究情況，通過實(shí)驗(yàn)，分析研究了固化劑摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度、CBR值等的影響，對(duì)最佳摻量的選擇提供了參考，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，為泰然酶的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土基加固； 泰然酶； 摻量； 抗壓強(qiáng)度； CBR

0引言

一般而言土壤的承載能力改良方法主要是依靠水泥或石灰來(lái)對(duì)土的性能進(jìn)行改良，而在生產(chǎn)和使用水泥、石灰的過程中消耗了大量能源，造價(jià)較高，且對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重。同時(shí)施工過程中難與土壤拌合均勻。所以很有必要找出一種既能夠像水泥和石灰一樣改良土壤承載力性能又環(huán)保、經(jīng)濟(jì)且便于施工的新型土壤改良材料。泰然酶是一種能夠很好地改善土壤性能的固化劑，它不僅綠色環(huán)保而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。與此同時(shí)在改良原狀土路基的力學(xué)性能方面有著出色的表現(xiàn)，主要體現(xiàn)在其改良土的承載力增加較大，同時(shí)提高其水穩(wěn)定性。

1國(guó)內(nèi)外的研究情況

泰然酶為棕褐色水溶性液體，使用時(shí)用水稀釋，最小稀釋比為1∶500。早在20世紀(jì)初，國(guó)外就開始了對(duì)生物酶加固土進(jìn)行研究。美國(guó)的Nature Plus Inc生產(chǎn)的TerraZyme，在泰然酶應(yīng)用技術(shù)中產(chǎn)生了廣泛的影響。主要用應(yīng)于一級(jí)公路、二級(jí)公路、鄉(xiāng)村公路、停車場(chǎng)等。馬來(lái)西亞棕櫚研究院用泰然酶對(duì)土壤穩(wěn)定效果的研究持續(xù)了3 a，表明用此方法可以降低75%的筑路成本，路況在四個(gè)季節(jié)都能保持良好[1]。同時(shí)在英國(guó)、日本、德國(guó)、南非等國(guó)家對(duì)泰然酶加固土壤進(jìn)行了深層次的研究，并有較完善的技術(shù)體系，在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

近些年在國(guó)內(nèi)有較多研究人員著手研究將生物酶應(yīng)用于土壤改良。國(guó)內(nèi)某些科研單位和高校從美國(guó)、日本等引進(jìn)理論與技術(shù)再根據(jù)本國(guó)國(guó)情對(duì)其進(jìn)行研究。較早開始用生物酶改良土壤是黑龍江農(nóng)場(chǎng)總局交通局采用的ENDURAZYME生物酶進(jìn)行的土壤改良，和內(nèi)蒙古采用PERMAZYME土壤酶進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。在2000年河北遷安采用PERMAZYME泰然酶對(duì)鄉(xiāng)村公路進(jìn)行固化[2]。2004年在陜西的銅川市用泰然酶固化技術(shù)修筑了西固和阿莊2條試驗(yàn)路一共10 km。2006年長(zhǎng)沙理工大學(xué)的解瑞松對(duì)泰然酶的應(yīng)用與改良技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并從宏觀到微觀深入地研究了泰然酶的作用機(jī)理[3]。2014年，河北省把泰然酶固化土壤技術(shù)應(yīng)用到官?gòu)d湖環(huán)湖公路，并取得成功。東南大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校也對(duì)其進(jìn)行了一系列的研究。

現(xiàn)在越來(lái)越多的人重視這項(xiàng)技術(shù)，研究的人也越來(lái)越多，也推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展。

2泰然酶固化劑的作用機(jī)理

采用泰然酶作為土壤的固化劑是緣于大自然中生物對(duì)土壤的固化作用，亞馬遜河域的叢林中螞蟻采用它們自身的分泌物對(duì)土壤進(jìn)行固化修筑巢穴，其高度可達(dá)1～2 m，在洪水的沖擊下大部分建筑都被沖垮而蟻穴卻沒被沖毀，人們由此得到了啟發(fā)。泰然酶土壤固化劑是一種催化劑，它加速了土體礦物間原本存在的細(xì)微化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率[4]。土壤中的有機(jī)大分子在泰然酶的催化作用下原來(lái)基本保持穩(wěn)定的有機(jī)分子開始變得異?；钴S，且粘土粒子間進(jìn)行離子交換，生成物在土壤表面形成一道防水屏障，從而削弱了土壤吸附水的能力，使土壤不再有吸水膨脹的傾向。再通過機(jī)械作用對(duì)土體壓實(shí)，使土體間大部分的水分和氣體排出，同時(shí)在土顆粒之間生成一種具有粘接作用的有機(jī)膜，這樣使得土顆粒與土顆粒粘在一起，土壤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性大幅提高，且不易受水的影響[5]。

3泰然酶固化土的室內(nèi)試驗(yàn)分析

3.1試驗(yàn)樣土的物理參數(shù)

試驗(yàn)樣土取自桃江縣里家屋紅黏土土樣來(lái)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。土的物理性能指標(biāo)見表1。

表1 里家屋紅黏土物理性能指標(biāo)土樣類別天然含水率w/%濕密度ρ/(g·cm-3)天然重度/(kN·m-3)塑性指數(shù)Ip粘聚力C/kPa壓縮模量/MPa有機(jī)質(zhì)/%里家屋紅黏土38.41.4817.818.41.283.063.12

3.2泰然酶最佳用量的確定

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)試驗(yàn)用土摻不同量的泰然酶進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，數(shù)據(jù)分析見圖1。

表2 不同泰然酶摻量7d、28d里家屋紅黏土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值土樣齡期/d不同泰然酶的用量(mL/10kg土)時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa00.50.60.70.80.91.0里家屋紅黏土70.561.131.351.421.451.511.53280.681.381.651.821.841.881.90

圖1　不同泰然酶摻量7 d、28 d里家屋紅黏土樣無(wú)　　　側(cè)限抗壓強(qiáng)度值曲線

由上表可得：當(dāng)土中不加泰然酶時(shí)是加泰然酶0.5 mL/10 kg土?xí)r無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的1/2左右，隨著泰然酶加入量的增加土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之增加，從泰然酶0.4～0.7 mL/10 kg土含量的增加，7 d或28 d的土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，而從泰然酶0.7～1.0 mL/10 kg土含量的增加，7 d或28 d的土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢。因此從力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮認(rèn)為泰然酶的含量為0.7 mL/10 kg土?xí)r效果最優(yōu)。

3.3加酶與不加酶無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)

確定了泰然酶的最佳用量后，再對(duì)加酶與不加酶土樣進(jìn)行不同擊實(shí)數(shù)的7 d、28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)分為兩類，每類做3組平行試驗(yàn)。見圖2，表3，表4，圖3。

從上面的數(shù)據(jù)可以看出擊實(shí)次數(shù)從30～98次，不管加酶與否，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都增加。未加泰然酶的土體隨擊實(shí)次數(shù)的增加，7 d無(wú)側(cè)限強(qiáng)度為0.21～0.56 MPa，強(qiáng)度偏低，而28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.32～0.76 MPa，強(qiáng)度在7 d的基礎(chǔ)上有所提高。在加入泰然酶后土體隨擊實(shí)次數(shù)的增加，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.08～1.65 MPa，28 d無(wú)側(cè)限

圖2　為液壓壓力機(jī)在測(cè)定試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表3 未加酶及加酶試件7d、28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果試樣配方每層擊實(shí)數(shù)養(yǎng)生條件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa7d28d1里家屋紅黏土1(未加酶)985030自然養(yǎng)生0.560.680.300.490.210.322里家屋紅黏土2(未加酶)985030自然養(yǎng)生0.530.760.320.530.280.333里家屋紅黏土3(未加酶)985030自然養(yǎng)生0.540.870.370.640.220.424里家屋紅黏土1(加酶)985030自然養(yǎng)生1.381.851.551.641.211.335里家屋紅黏土2(加酶)985030自然養(yǎng)生1.481.891.331.761.261.556里家屋紅黏土3(加酶)985030自然養(yǎng)生1.451.831.341.531.181.21

表4 里家屋紅黏土平行試驗(yàn)試件不同擊實(shí)數(shù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值表每層擊實(shí)數(shù)未加酶試樣1、2、3加酶試樣4、5、6無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值/MPa無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值/MPa7d28d7d28d300.2370.5371.2161.363500.3300.5531.4071.643980.5430.7701.4371.857

圖3　里家屋紅黏土未加酶和加酶時(shí)平行試驗(yàn)　　　試件不同擊實(shí)數(shù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值

抗壓強(qiáng)度為1.21～1.89 MPa，由此可見加了酶的比沒加酶的7 d、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)都近3倍。因此從提高土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的角度來(lái)分析泰然酶對(duì)提高土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作用明顯。

3.4CBR試驗(yàn)

加州承比(CBR)是評(píng)價(jià)土基承載能力的指標(biāo)，通過對(duì)泰然酶加固土的CBR試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)泰然酶對(duì)土壤的加固效果是一種很有效的評(píng)價(jià)方法[6]。具體數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析圖分別見表5，表6，圖4。

由上可知：

1) 土樣的CBR值受擊實(shí)次數(shù)和泰然酶的影響。

表5 未加酶與加酶試件CBR試驗(yàn)結(jié)果試樣試樣每層擊實(shí)次數(shù)干密度/(g·cm-3)壓實(shí)度/%CBR值/%1里家屋紅黏土(未加酶)981.7310075.3501.6698.561.4301.6196.451.52里家屋紅黏土(未加酶)981.7110076.2501.6798.660.5301.5897.153.13里家屋紅黏土(未加酶)981.7810075.8501.6598.361.1301.6097.052.04里家屋紅黏土+酶981.80100112.7501.7198.2105.2301.6697.192.55里家屋紅黏土+酶981.79100116.3501.7198.4103.6301.6597.293.16里家屋紅黏土+酶981.81100118.5501.7297.2104.6301.6796.692.7

表6 里家屋紅黏土未加酶和加酶時(shí)平行試驗(yàn)試件不同擊實(shí)數(shù)CBR均值每層擊實(shí)次數(shù)未加酶試樣1、2、3號(hào)CBR均值/%加酶試樣4、5、6號(hào)CBR均值/%3052.2092.775061.00104.479875.77115.83

圖4　里家屋紅黏土未加酶和加酶時(shí)平行試驗(yàn)試件　　　不同擊實(shí)數(shù)CBR均值曲線圖

2) 當(dāng)每層擊實(shí)為30次時(shí)，加泰然酶土樣比沒加泰然酶土樣的CBR值增加了40%。當(dāng)每層擊實(shí)為50次時(shí)，加泰然酶土樣比沒加泰然酶土樣的CBR值增加了43%。當(dāng)每層擊實(shí)為98次時(shí)，加泰然酶土樣比沒加泰然酶土樣的CBR值增加了40%左右。由此可得加泰然酶試樣的CBR值比未加泰然酶的CBR值要提高40%左右，則泰然酶能夠使土樣的CBR值有較大的提高，相應(yīng)土基的回彈模量也隨之提高。

3) 土樣在加酶與未加酶的情況下，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加其CBR值都會(huì)增加。在未加酶的情況下，擊實(shí)次數(shù)從30次增加到50次時(shí)，其CBR值增加8%左右，擊實(shí)次數(shù)從50次增加到80次時(shí)，其CBR值增加14%左右。在加酶的情況下，擊實(shí)次數(shù)從30次增加到50次時(shí)，其CBR值增加12%左右，擊實(shí)次數(shù)從50次增加到80次時(shí)，其CBR值增加11%左右。所以可得出隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，加酶與否對(duì)CBR的增加值影響不大。

4工程應(yīng)用

4.1施工準(zhǔn)備

對(duì)所需修建的路基采用路拌法施工，對(duì)原路面破壞嚴(yán)重的地方進(jìn)行簡(jiǎn)單的修復(fù)。在原路面刨剃出2%的橫坡。抽樣檢測(cè)土樣的含水率，并使其土樣的含水率小于需要加固土最佳含水率的2%～3%。

4.2土體施酶及拌和

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土樣含水率測(cè)定以后，計(jì)算所需的用水量，再根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得出的結(jié)論泰然酶固化劑的摻量為0.7 mL/10 kg土，制成泰然酶固化劑的水溶液。泰然酶固化劑用噴灑裝置對(duì)干拌和達(dá)到要求的料堆進(jìn)行噴灑，邊噴灑邊用機(jī)械對(duì)土體進(jìn)行單向往復(fù)推進(jìn)，速度宜稍快，避免在此過程水分的過度蒸發(fā)。

4.3攤鋪與整平

攤鋪的厚度一般為30 cm，攤鋪時(shí)應(yīng)對(duì)原路噴灑適量的水進(jìn)行潤(rùn)濕。攤鋪時(shí)留一定的松鋪厚度且注意預(yù)留2%的橫坡，然后用壓路機(jī)按兩邊向中間的方法先靜壓2遍再振壓3遍，最后再靜壓2遍。嚴(yán)禁壓路機(jī)在路上調(diào)頭或急剎，確保固化層表面不受破壞及保證平整度良好。

4.4養(yǎng)生

路基壓實(shí)成型以后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)生，養(yǎng)生期為一周左右，養(yǎng)生期間每天用1∶3 000的泰然酶水溶液對(duì)路面進(jìn)行噴灑。養(yǎng)生期間允許輕型車輛通行，禁止重載車輛通行。

4.5試驗(yàn)檢測(cè)及評(píng)價(jià)

在養(yǎng)生期結(jié)束后，對(duì)泰然酶固化后的路基按 《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTJ059-95)進(jìn)行貝克曼梁彎沉檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表7。

表7 路面貝克曼梁彎沉檢測(cè)結(jié)果路基類型代表彎沉值/(0.01mm)土基未固化236.3泰然酶固化后7d 78.5泰然酶固化后30d62.6泰然酶固化后60d60.3泰然酶固化后90d59.7

1) 由表7可知土基在沒有經(jīng)過泰然酶固化時(shí)的代表彎沉值達(dá)到200(0.01 mm)以上，當(dāng)經(jīng)過泰然酶固化后的代表彎沉值降到100(0.01 mm)以下，且在30 d后代表彎沉值慢慢趨于穩(wěn)定。

2) 經(jīng)泰然酶固化的土壤比沒經(jīng)固化的代表彎沉值要小得多，說明泰然酶對(duì)土壤的固化效果明顯。

5泰然酶應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

工程造價(jià)的多少往往能夠制約著一種新的研究成果能否在實(shí)際工程中的應(yīng)用。泰然酶固化劑是一種既環(huán)保又節(jié)省的新型固化材料。 ①?gòu)牟牧腺M(fèi)方面計(jì)算，泰然酶改良土的主要原料為天然土，這樣就省去了常規(guī)路用材料碎(礫)石、砂、水泥等材料的費(fèi)用。 ②從運(yùn)費(fèi)方面計(jì)算，土一般是原地取材這樣就節(jié)省了常規(guī)材料碎(礫)石、砂、水泥等材料的運(yùn)輸費(fèi)用。 ③從施工費(fèi)用方面計(jì)算，泰然酶改良土所用機(jī)械比常規(guī)施工所用機(jī)械更簡(jiǎn)單，所以施工成本也略有減少。

用泰然酶固化劑加固15 cm厚度的土路基，每公里的費(fèi)用大概是6.6萬(wàn)元，而采用15 cm厚的水泥砼板所需的費(fèi)用大概是16萬(wàn)元。若采用15 cm泰然酶固化土+稀漿封層罩面大約需要11萬(wàn)元，而采用15 cm水泥穩(wěn)定基層+瀝青表處大約需要22萬(wàn)元。由此可見采用泰然酶改良土壤能節(jié)約一半左右的成本。

6結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)泰然酶的室內(nèi)試驗(yàn)研究表明：

1) 使用泰然酶進(jìn)行固化的土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比未經(jīng)泰然酶處理的土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高2～3倍。

2) 每種土質(zhì)對(duì)泰然酶有一個(gè)最佳摻量，本條路的最佳摻量為0.7 mL/10 kg土。

3) 使用泰然酶處理過的土樣，其CBR能在原來(lái)的基礎(chǔ)上提高40%左右。

4) 擊實(shí)次數(shù)也是影響土樣CBR的一個(gè)重要因素，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，土樣的CBR值相應(yīng)得到提高。

5) 采用泰然酶固化劑能大幅節(jié)約筑路成本，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。

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文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0081-05

收稿日期:2015-12-17

作者簡(jiǎn)介:李威( 1988-) ，男，碩士，研究方向: 道路與鐵道工程。

中圖分類號(hào)：U 416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A