泰然酶固化土料的特性及工程應(yīng)用

羅 斌

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 涯南 長(zhǎng)沙 410132)

泰然酶固化土料的特性及工程應(yīng)用

羅 斌

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 涯南 長(zhǎng)沙 410132)

泰然酶是一種與傳統(tǒng)公路建筑材料完全不同的新材料。使用泰然酶固化土壤具有無污染，高強(qiáng)度，高水穩(wěn)定性和低成本的突出優(yōu)點(diǎn)。介紹了泰然酶的基本性質(zhì)和機(jī)理，通過對(duì)其工程應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析，進(jìn)一步闡述泰然酶固化技術(shù)在湖南農(nóng)村公路建設(shè)中的適用性，為開發(fā)泰然酶土壤固化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)和參考。

公路工程； 泰然土壤固化酶; 土料固化技術(shù); 固化效果

在最近的20 a里，為了提高民用建筑如公路、鐵路和路堤路基的穩(wěn)定，并在建設(shè)中取得經(jīng)濟(jì)效益，一些發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是美國(guó)已經(jīng)在新材料生物土壤穩(wěn)定劑的研究。通過研究，取得了非常實(shí)用的生物穩(wěn)定化技術(shù)，并將多種生物酶產(chǎn)品應(yīng)用于低等級(jí)公路建設(shè)[1,2]。這種生物酶是從植物發(fā)酵中獲得的。摻入這種生物酶的土壤可以壓實(shí)容易，并具有更好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，具有顯著的低滲透壓實(shí)效果。更重要的是，與傳統(tǒng)的路基和表面相比，這種生物穩(wěn)定技術(shù)在工程造價(jià)方面有較大的優(yōu)勢(shì)。

泰然土壤固化酶(以下簡(jiǎn)稱泰然酶)是由設(shè)在美國(guó)的Nature Plus公司生產(chǎn)的液體化合物酶產(chǎn)物，泰然酶是一種生物酶促土壤穩(wěn)定劑，對(duì)原料要求較低，適應(yīng)性和路用性能較好。泰然酶固化土技術(shù)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn)，并且成功地惠及了全球30多個(gè)國(guó)家。到目前為止，泰然酶固化土技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于黑龍江、陜西和內(nèi)蒙古等地區(qū)的工程建設(shè)[1,3-5]。然而，泰然酶的影響在很大程度上受到當(dāng)?shù)貧夂?、土壤性質(zhì)和交通載荷條件等的限制，在湖南潮濕多雨地區(qū)，對(duì)泰然酶固化土的路用性能要求更高[4-6]。基于湖南省氣候、地質(zhì)、材料供應(yīng)和環(huán)境的特點(diǎn)，本文研究泰然酶固化機(jī)理和工程特點(diǎn)，為類似項(xiàng)目提供參考。

1 泰然酶的性質(zhì)和穩(wěn)定機(jī)制

泰然酶是從甘蔗的莖或根提取。它是黑褐色無毒液體，密度為1.00～1.08 g/cm3左右,pH圍繞4.30～5.30(略酸性物質(zhì))，沸點(diǎn)是 212 ℃，極易溶于水，無毒，使用時(shí)用水稀釋，最小稀釋比為1∶500。

泰然酶是一種生物催化劑，當(dāng)土壤中加入非常少量生物酶時(shí)可以極大地加速化學(xué)反應(yīng)。該生物酶由植物的活細(xì)胞形成，通過其催化，存在于粘土中的有機(jī)大分子產(chǎn)生中間體酶，將被粘土離子取代和吸收，結(jié)果可以降低粘土顆粒的水力傳導(dǎo)系數(shù)，并且粘土顆粒表面上的水膜的厚度也將相應(yīng)地減小[3]。這樣，粘土的結(jié)構(gòu)改變，就意味著土壤的膨脹系數(shù)減少，與此同時(shí)也進(jìn)行另一防水過程，在壓實(shí)之后，土壤顆粒將變得更致密并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化。

根據(jù)已有研究成果，泰然酶對(duì)土的要求如下： ①級(jí)配： 泰然生物酶與土中粘性顆粒發(fā)生穩(wěn)定性反應(yīng)。通過2 mm篩的細(xì)顆粒至少為15%，至少含有6%的粘土。②液塑限: 液限應(yīng)小于50%，且塑性指數(shù)為5%～30%。③pH值: 土的pH值最好為4.5～9.5[3,4]。

2 泰然酶固化土的工程特性

2.1 原材料

1) 試驗(yàn)用典型土料。選取試驗(yàn)路用代表性的2種土料，分別標(biāo)記為素土1和素土2，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40 — 2007)，進(jìn)行篩分試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)等試驗(yàn)，確定其基本物理性質(zhì)如表1。表1的試驗(yàn)結(jié)果表明，2種土料都為低液限粘土，滿足泰然酶對(duì)土質(zhì)的要求，使用泰然酶有良好的固化效果[3]。

2) 固化劑： 采用泰然土壤固化酶。

表1 土料的基本物理性質(zhì)

3) 水泥。采用湖南省湘鄉(xiāng)生產(chǎn)的32.5#普通硅酸鹽水泥，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)其主要物理性能滿足規(guī)范要求[7]。

2.2 泰然酶固化土配比的確定

本文泰然酶固化土的配比設(shè)計(jì)，采用典型土料，擬定泰然酶固化土配比，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)性，確定泰然酶最佳劑量，為泰然酶固化土路用性能的研究和試驗(yàn)段的鋪筑確定最佳配比。

對(duì)于選用的2種土料，本次試驗(yàn)分別采用劑量為0、0.04、0.05、0.06、0.07 、0.08 mL/kg泰然酶和3%水泥等6種泰然酶固化土配比，其中mL/kg單位為泰然酶固化土中泰然酶劑量單位，表示每1 kg干土中摻加泰然酶的用量(mL)，水泥的含量為占干土的質(zhì)量百分比。通過泰然酶固化土標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。表2、表3的試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入3%水泥對(duì)土料的最大干密度、最佳含水量有所提高，摻入不同劑量泰然酶+3%水泥的混合料與僅摻3%水泥混合料的最大干密度和最佳含水量基本沒有區(qū)別，因此可認(rèn)為在試驗(yàn)初期混合料中泰然酶用量的增減對(duì)土料的最大干密度和最佳含水量影響很小。

表2 泰然酶固化土1標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表3 泰然酶固化土2標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

在選用的2種土料的最佳含水量時(shí)，選用劑量為0.04、0.05、0.06、0.07和0.08 mL/kg泰然酶和3%水泥等5種泰然酶固化土配比，根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51 — 2009)相關(guān)規(guī)定，采用靜力壓實(shí)法制備泰然酶固化土試件，試件尺寸采取Φ100 mm×100 mm，在試件壓實(shí)度為95%和自然養(yǎng)生、恒溫恒濕2種養(yǎng)生條件下養(yǎng)生7 d、28 d后，采用無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)方法進(jìn)行泰然酶固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。7 d、28 d泰然酶固化土1和泰然酶固化土2的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2。

圖1、圖2試驗(yàn)結(jié)果表明，在恒溫恒濕和自然養(yǎng)護(hù)2種養(yǎng)生模式和7 d、28 d這2個(gè)齡期下，隨著泰然酶劑量的增加，泰然酶固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)變化較快，當(dāng)泰然酶劑量達(dá)到0.06 mL/kg后，隨著泰然酶劑量的進(jìn)一步增加，泰然生物酶加固土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度變緩。當(dāng)泰然酶劑量達(dá)到0.06 mL/kg時(shí)，泰然酶固化土1和泰然酶固化土2的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值分別為2.74 MPa和2.60 MPa。參照《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 034 — 2000)中關(guān)于水泥穩(wěn)定土的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，摻入0.06 mL/kg泰然酶固化劑和3%水泥的泰然酶固化土，即可滿足二級(jí)和二級(jí)以下公路基層的技術(shù)要求(2.5 MPa)[7]。

圖1 泰然酶固化土1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 泰然酶固化土2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于所采用2種典型土料，在綜合考慮泰然酶固化土的強(qiáng)度和工程經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)上，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，推薦本次試驗(yàn)泰然酶固化土配合比如表4。

表4 泰然酶固化土配合比

2.3 泰然酶固化土的物理力學(xué)性能

根據(jù)表4所示試驗(yàn)路配合比制作試件，在試件壓實(shí)度為95%情況下，進(jìn)行泰然酶固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)[8-10](試驗(yàn)結(jié)果如表5～表7)，評(píng)價(jià)泰然酶固化土的力學(xué)特性、水穩(wěn)定性能、收縮性能，確定施工工藝和質(zhì)量控制指標(biāo)以指導(dǎo)施工。

表5 泰然酶固化土力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

表6 泰然酶固化土水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

表7 泰然酶固化土收縮性試驗(yàn)結(jié)果

表5～表7中的測(cè)試表明，添加泰然酶可以顯著提高2種土壤的強(qiáng)度，并大大縮短了穩(wěn)定時(shí)間。另一方面，泰然酶穩(wěn)定土在其水穩(wěn)定性、收縮以及抗裂性方面具有更好的性能。完全滿足道路工程的要求。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，泰然酶為典型的土壤提供了非常好的凝固性能，因此它可以完全替代傳統(tǒng)的穩(wěn)定劑。

3 泰然酶固化土技術(shù)的工程應(yīng)用研究

3.1 試驗(yàn)路概況

為驗(yàn)證泰然酶在公路建設(shè)中的應(yīng)用可行性，本文選取湖南省雙峰縣青樹鎮(zhèn)金陵村典型農(nóng)村公路為試驗(yàn)樣本。建立1條1 km長(zhǎng)的泰然酶固化土試驗(yàn)路和另一條1 km長(zhǎng)含4%水泥穩(wěn)定砂礫為比較的路段。村內(nèi)現(xiàn)有的道路是一條5 km的砂石路，經(jīng)過復(fù)雜的地形、環(huán)境以及路基。整個(gè)路基的占地寬度從4 m到6 m不等。在這整條道路上，兩側(cè)都有農(nóng)田和水池，道路上現(xiàn)有的大多數(shù)排水系統(tǒng)不工作或阻塞。這條道路的交通流量主要是拖拉機(jī)和小型車，由于村里的建設(shè)活動(dòng)，偶爾有20 t車。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡缆窏l件、生產(chǎn)生活基礎(chǔ)和施工方法，決定采用在原路基上加鋪3%水泥+0.06 mL/kg泰然酶固化土基層、8 mm厚稀漿封層，2 cm厚瀝青表處面層。考慮到泰然酶固化土1的固化效果更理想，選擇土樣1作為泰然酶固化土基層的土料，采用裝載機(jī)作業(yè)的路拌法施工。

3.2 泰然酶固化土基層施工工藝

3.2.1 作業(yè)面質(zhì)量準(zhǔn)備

1) 按施工前的設(shè)計(jì)要求對(duì)路基進(jìn)行檢查。下一個(gè)程序可以在檢查路基是否合格時(shí)進(jìn)行。

2) 首先全斷面開挖原路基，經(jīng)翻拌破碎、超寬布料，現(xiàn)場(chǎng)噴灑泰然酶溶液，并濕拌、找平、壓實(shí)；然后加鋪泰然酶固化土層，保證路面有效寬度內(nèi)充分壓實(shí)；最后反挖水溝。

3.2.2 泰然酶物料拌和

1) 拌合場(chǎng)： 在本實(shí)驗(yàn)中，用裝料機(jī)制備矩形場(chǎng)。材料被裝載機(jī)適當(dāng)?shù)貪L動(dòng)和混合。移動(dòng)材料20～25 m遠(yuǎn)的形狀，其寬度為裝載機(jī)的1.5倍。在混合材料旁邊準(zhǔn)備泰然酶穩(wěn)定劑。另備一根約20 m長(zhǎng)的水管。

2) 土壤樣品： 從每塊土壤中取40 m3土壤作為樣品，測(cè)試當(dāng)前含水量。

3) 干式拌合： 通過挖掘機(jī)以往復(fù)方式推動(dòng)土壤。在施用泰然酶溶液之前，完全推動(dòng)并混合整個(gè)土壤以使其松散和均勻。

4) 泰然酶溶液的制備：在進(jìn)行濕拌合步驟之前，按照設(shè)計(jì)以適當(dāng)?shù)谋壤苽涮┤幻溉芤骸?/p>

5) 濕式拌合： 將一定量的制備的泰然酶溶液噴灑到干式拌合土中，裝載機(jī)重復(fù)上述步驟3，使混合物完全混合，使整個(gè)混合物的顏色均勻。水含量應(yīng)比最佳含水量低2%。

6) 材料固化： 將濕混合混合物固化6～12 h，使材料變得松動(dòng)和潮濕。固化時(shí)間可根據(jù)實(shí)際天氣條件和含水量進(jìn)行調(diào)整。

7) 二次拌合： 根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)將水泥加入固化的混合物中。在實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)使用的水泥的實(shí)際用量應(yīng)比實(shí)驗(yàn)室使用的水泥高0.5%～1%。在這個(gè)階段，確保整個(gè)混合物已經(jīng)充分混合，沒有結(jié)塊或其他不合格的情況。繼續(xù)向混合物中加入泰然酶溶液，以控制其含水量不比最佳含水量大2%。

3.2.3 泰然酶物料攤鋪

將拌和合格的泰然酶土壤運(yùn)輸?shù)街付üぷ鲄^(qū)域，采用人工攤鋪和平整土壤，擬鋪設(shè)在道路上的材料應(yīng)鋪設(shè)寬度大于道路寬度。每個(gè)鋪路層的厚度應(yīng)符合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的松散鋪路材料的系數(shù)。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)的高度，在道路兩側(cè)各攤鋪50 cm素天然土路肩。重新檢查壓實(shí)強(qiáng)度、高度、寬度和土壤的坡度。只有在檢查上述工作合格后，才能進(jìn)行下一個(gè)工序。

3.2.4 泰然酶物料碾壓

泰然酶固化土層的壓實(shí)應(yīng)在良好的天氣條件下進(jìn)行。當(dāng)其含水量接近最佳含量時(shí)，進(jìn)行以下工作：使用18 t振動(dòng)壓路機(jī)靜態(tài)壓實(shí)1～2次，以消除隆起、凹陷、偏析或其他不規(guī)則性。其次，振動(dòng)壓實(shí)2～4次，同時(shí)將漿料提取到表面準(zhǔn)備最后的精加工。最后使用光輪壓路機(jī)完全壓實(shí)其上部結(jié)構(gòu)4～6次，并根據(jù)需要完成表面收光。

3.2.5 養(yǎng)生

當(dāng)泰然酶穩(wěn)定層完成并且其表面完全干燥時(shí)，在表面上噴灑1/3 000 泰然酶溶液，每天2次，持續(xù)10 d。同時(shí)，材料運(yùn)輸卡車可以適當(dāng)?shù)匕才旁谕瓿傻奶┤幻阜€(wěn)定層上行駛，以進(jìn)一步固化。

3.3 泰然酶固化土技術(shù)的固化效果評(píng)價(jià)

為了全面檢測(cè)試驗(yàn)路狀況，進(jìn)行了載重18 t的汽車運(yùn)營(yíng)荷載試驗(yàn)，并按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60 — 2008)方法對(duì)試驗(yàn)路和對(duì)比試驗(yàn)路段進(jìn)行了彎沉、壓實(shí)度檢測(cè)，評(píng)價(jià)泰然酶固化路段效果，現(xiàn)場(chǎng)彎沉和壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果如表8。

1) 在表8中，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中獲得的數(shù)據(jù)表明具有泰然酶穩(wěn)定性的道路具有顯著低的回彈彎沉值和更好的壓實(shí)和裝載性能。這意味著泰然酶可以改善土壤性質(zhì)的工程目的和加強(qiáng)土壤的穩(wěn)定。泰然酶的優(yōu)點(diǎn)還導(dǎo)致在壓實(shí)之后提供更高的道路強(qiáng)度和硬化表面。

2) 另一方面，由18 t卡車進(jìn)行的載荷試驗(yàn)表明，在實(shí)驗(yàn)過程中，符合相關(guān)道路建設(shè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)道路保持良好狀態(tài)和平坦。在卡車測(cè)試之后，在路面上沒有出現(xiàn)空洞或凹槽。因此，可以得出結(jié)論，泰然酶穩(wěn)定技術(shù)的應(yīng)用是可行的，并在農(nóng)村道路上有良好的表現(xiàn)。

3.4 泰然酶固化土技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益分析

泰然酶固化土技術(shù)在道路建設(shè)的成本效益方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。從本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，泰然酶固化道路的成本為(13.5～13.9)萬元/km，而在同等條件下，使用4%水泥穩(wěn)定礫石基層的成本為(18～19)萬元/km。與傳統(tǒng)的固化技術(shù)相比較，使用泰然酶固化技術(shù)可以節(jié)省25%～30%的成本[3～5]。而且利用泰然酶進(jìn)行固化可以就地取材，不污染環(huán)境。

4 結(jié)論

1) 泰然酶固化技術(shù)的低成本和簡(jiǎn)單的工藝流程是實(shí)用的。建議在潮濕和多雨地區(qū)的農(nóng)村道路中應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。

2) 不同土質(zhì)的泰然酶固化性能在不同的土壤中不同，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)路土樣1比土壤2有更好的固化性能。固化土中存在最佳泰然酶劑量問題，對(duì)室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試表明，隨著泰然酶劑量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度將更快地增加，然而，增加到一定量時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度將會(huì)緩慢變化。可以得出結(jié)論，添加0.06 mL/kg泰然酶固化劑和3%水泥是土壤的最佳比例，滿足二級(jí)及以下道路路基的技術(shù)規(guī)范和要求[7]。

3) 泰然酶可以大大提高施工土壤的性能，對(duì)土壤固化效果顯著。泰然酶穩(wěn)定劑可以為土壤提供更高的強(qiáng)度，更好的水穩(wěn)定性，收縮性和抗劈裂性能，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。作為具有較好的穩(wěn)定固化性能的穩(wěn)定劑，泰然酶穩(wěn)定劑可以完全替代傳統(tǒng)的穩(wěn)定劑。

4) 泰然酶改善土壤的密度、滲透性和致密性，以加強(qiáng)土壤的承載能力和路面的完整性。與傳統(tǒng)的穩(wěn)定材料和方法相比，泰然酶穩(wěn)定路基在硬度、水穩(wěn)定性、成本低、維護(hù)方便、對(duì)環(huán)境無害等方面具有突出的優(yōu)勢(shì)[3]。泰然酶穩(wěn)定技術(shù)是農(nóng)村道路的更好的解決方案，通常面臨著艱難而復(fù)雜的建設(shè)條件。因此，它可以帶來巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)回報(bào)，并有廣泛應(yīng)用前景。

5) 在農(nóng)村公路建設(shè)中，泰然酶穩(wěn)定固化技術(shù)需要堅(jiān)實(shí)的路基和良好的排水條件。建議現(xiàn)場(chǎng)處理土壤混合物，并應(yīng)用挖掘和回填整條道路的施工過程，并在以后建立排水系統(tǒng)。在固化期，應(yīng)向表面噴灑足夠的酶溶液，并用卡車進(jìn)一步壓實(shí)道路，碾壓要充分，嚴(yán)格控制壓實(shí)度，保證施工質(zhì)量。

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2017-04-02

羅 斌(1973-)，男，副教授，碩士，研究方向：巖土工程。

1008-844X(2017)02-0102-04

U 416.212

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