公路工程中生物酶固化研究進(jìn)展分析

金星、吳凡

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京211100）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和基礎(chǔ)設(shè)施的增加，產(chǎn)生對土木工程建設(shè)高質(zhì)量的需求與土體不良間的矛盾。為了解決這一問題，通常會采用土壤固化劑[1]對土體進(jìn)行加固。土壤固化劑按照成分可分為有機(jī)化合物、無機(jī)化合物、復(fù)合型固化劑及生物酶等，具體固化劑分類與固化原理如表1所示。比較傳統(tǒng)的土壤固化劑有：水泥、石灰、粉煤灰等，但它們不僅會污染環(huán)境，而且在使用過程中產(chǎn)生大量的溫室氣體，存在能耗高、成本高等缺點(diǎn)。

表1 固化劑分類及固化原理

目前，很多發(fā)達(dá)國家都采用環(huán)境友好型的新型土壤固化劑，其中應(yīng)用廣泛的是生物酶。它是一種天然、不易燃、沒有腐蝕性、無毒的液體，一般來源于植物提取液。與傳統(tǒng)固化劑相比，具有造價低、施工簡單、無污染等特點(diǎn)。本文對新型固化劑生物酶進(jìn)行綜述。

1 固化機(jī)理

生物酶來源于植物提取液，一些研究者[2]從離子置換的角度分析機(jī)理，認(rèn)為通過生物酶的催化作用，使得黏土中生成一種中間反應(yīng)酶，吸附在黏土上，削弱吸水能力，阻止土體的膨脹。防水層的形成，使土體更加密實(shí)，強(qiáng)度和穩(wěn)定性有所提高，達(dá)到加固的效果。

另外，有一些研究者從電子角度分析，認(rèn)為土壤顆粒被負(fù)電子包圍，為了中和電子吸收水中豐富金屬陽離子，使土壤顆粒周圍形成一層水膜，土體強(qiáng)度降低。研究發(fā)現(xiàn)，增加生物酶可以減少或消除水膜，得到永久性的壓實(shí)。其作用機(jī)理主要是：生物酶降低水分子中的電荷，使得金屬正離子在自由水中釋放，水層厚度降低。因此，土壤顆粒更接近，固化土體。

圖1 生物酶與土的微觀相互作用

2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國外研究進(jìn)展

20世紀(jì)80年代，便開始生物酶的研究，部分國外學(xué)者首先對生物酶能改善土壤何種特性展開研究。Robert.L.Parsons（2003）[3]將不同類型土壤分別添加生物酶、石灰、水泥以及粉煤灰四種固化劑進(jìn)行研究，根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：生物酶固化效果與土壤類型有關(guān)，石灰與水泥固化效果相差不大，而粉煤灰的固化效果較差。A.G.Gungor（2009）[4]將土體摻入生物酶進(jìn)行固化后發(fā)現(xiàn)，生物酶略微降低土體的液塑限，數(shù)值僅下降5%～10%，但是明顯增加了土體的CBR 值，上升了350%。Dandin（2014）[5]在印度黑棉土中摻入泰然酶，分析泰然酶對土體CBR、耐久性、液塑限、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓實(shí)性等特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土體強(qiáng)度提升最為明顯，且塑限及最大干密度也有一定程度提升，而液限、最優(yōu)含水量及塑性指數(shù)有一定程度降低。Saini[6]、Ramesh[7]、Nandini[8]（2015）等采用生物酶對紅黏土、泥炭、高液限黏土等土體進(jìn)行固化研究，結(jié)果表明經(jīng)生物酶固化后，土體的最優(yōu)含水率、最大干密度、土的顆粒比重、CBR、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等物理性能皆有一定程度的改善。

近年來為了研究生物酶最佳固土效果，部分國外學(xué)者對生物酶的最佳齡期進(jìn)行探究。Venkatasubramanian 等（2011）測試3 種不同特性的土壤，當(dāng)添加生物酶固化4 周后，承載比(CBR)增加157～673%，而無側(cè)限強(qiáng)度(UCS)中則增加152～200%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明生物酶最佳齡期是4 周。但是Puneet Agarwal 等（2017）對生物酶處理土壤樣品進(jìn)行UCS 試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)齡期7d 時，UCS 顯著提高，高達(dá)200%，即最佳齡期是7d。對于生物酶的最佳齡期，每個學(xué)者都有自己的結(jié)論，還需要進(jìn)一步研究。

表2 最佳齡期研究結(jié)果

大量的文獻(xiàn)指出，生物酶想要達(dá)到最佳的固土效果，除了考慮齡期，摻量也是重要因素。土體強(qiáng)度并不是隨生物酶的增加，一直呈上升趨勢，而是存在最佳摻量值。對于最佳摻量，不同的學(xué)者有不同的見解，表3 總結(jié)了一些學(xué)者的研究結(jié)果。

表3 中，學(xué)者給出的最佳摻量值均在200ml/m3附近。但SandeepPanchal（2017）等人對最佳摻量給出了新的數(shù)值，通過承載比（CBR）試驗(yàn)，研究齡期（7d、14d、28d）及泰然酶含量（500ml/m3、700ml/m3、900ml/m3、1000ml/m3）對土體CBR 的影響。試驗(yàn)表明當(dāng)劑量是900ml/m3及齡期兩周的條件下，改良效果最佳，CBR 是空白組的134.49%。至于生物酶的最佳摻量，目前沒有明確的范圍，還需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)去驗(yàn)證。

表3 國外最佳摻量研究結(jié)果

除了從宏觀上分析生物酶的作用效果以外，學(xué)者還對生物酶的微觀和固土的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究和分析。G.P.Ganapathy 等對不摻生物酶和摻入生物酶的山地土壤進(jìn)行SEM 分析。研究發(fā)現(xiàn)，摻入生物酶處理后的土體，孔隙體積小于未處理的土樣。由于生物酶的作用，土壤顆粒的聚集和膠結(jié)使得土壤孔隙體積減小。Venika Saini 等（2015）發(fā)現(xiàn)生物酶本質(zhì)上是有機(jī)、無毒且可生物降解的，但固化作用是永久的。在初始成本上生物酶較傳統(tǒng)固化劑相比較高，從維護(hù)成本和耐久性上看，生物酶固化土壤是經(jīng)濟(jì)性的。Suneet Kaur 對生物酶經(jīng)濟(jì)性理論評估，研究過程中發(fā)現(xiàn)使用TerraZyme 作為土壤穩(wěn)定劑來修建公路，成本減少約18～26%。

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

相比國外發(fā)達(dá)國家，我國對生物酶的研究起步比較晚，1995年才首次引入生物酶固化路基技術(shù)。隨后漸漸有學(xué)者開始生物酶固化土體的研究，吳冠雄（2013）等[9]人，通過彎沉試驗(yàn)檢測表明，摻加生物酶固化的土彎沉遠(yuǎn)小于原路基的彎沉值，說明生物酶能顯著提高道路的承載能力。

國內(nèi)一些學(xué)者也對生物酶的最佳摻量進(jìn)行研究。李貞（2017）[10]通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，對生物酶的不同摻量（1%、3%、5%、8%、10%）進(jìn)行研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物酶并非是用量越多越好，試驗(yàn)建議最優(yōu)劑量是5%。曾娟娟（2018）等[11]人以素土為對照組，其他組生物酶含量為1∶400、1∶300、1∶200、1∶100，通過一維固結(jié)試驗(yàn)，研究固結(jié)壓力對生物酶改良膨脹土體壓縮特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在相同的養(yǎng)護(hù)齡期下，摻加泰然酶的試件孔隙率小于素土，且最佳生物酶配比為1∶300。

生物酶固化效果不僅受摻量影響，學(xué)者們還對其他因素進(jìn)行探究。孟子龍（2017）[12]通過對比自然養(yǎng)護(hù)和恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)生條件對生物酶加固土的抗壓強(qiáng)度有較大影響。究其根本原因，溫度是影響生物酶發(fā)揮固化效果的因素之一。潘湘輝（2018）[13]等人，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土樣的CBR 與壓實(shí)度有關(guān)，成較明顯的線性關(guān)系。在壓實(shí)度96%的情況下，摻加生物酶的土樣CBR 為28.5%，明顯高于素土12.2%的CBR。生物酶的摻加有利于提高土樣的CBR，可以加固土體。

為了更好地研究生物酶的固化機(jī)理，學(xué)者從微觀的層面研究生物酶在土體中的作用。戴北冰（2014）等[14]人，針對香港地區(qū)的海洋黏土、完全風(fēng)化花崗巖和完全風(fēng)化凝灰?guī)r三種土體，進(jìn)行生物酶加固試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，作用效果最好的是海洋黏土，強(qiáng)度與未處理的土體相比提高20%。為了進(jìn)一步分析原因，戴北冰等人通過掃描電鏡（SEM）從微觀層面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)生物酶固化土是生物酶分子與黏土礦物分子間膠結(jié)作用。Xin Zhang（2014）等人，對不同齡期（14d、28d）摻入生物酶與不摻入生物酶的土樣，進(jìn)行SEM 電鏡分析。研究結(jié)果表明，添加生物酶的穩(wěn)定土試樣微觀結(jié)構(gòu)比不添加生物酶的試樣微觀結(jié)構(gòu)更為致密。其原因是經(jīng)過生物酶處理的穩(wěn)定土樣品顆粒比未處理的土樣塊體結(jié)構(gòu)更多。黃泓翔（2015）等人，通過XRD 驗(yàn)證摻加生物酶增強(qiáng)土體性能僅是物理作用。對素土和摻加生物酶的土樣進(jìn)行成分比較，發(fā)現(xiàn)生物酶只是起到了一個催化劑的效果，它減少了土壤顆粒間的孔隙水，改善的是土顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高了土體的強(qiáng)度。

國內(nèi)學(xué)者也從經(jīng)濟(jì)角度分析了生物酶的實(shí)用價值，趙清華、曹林琳等借助于實(shí)際工程，將生物酶與傳統(tǒng)固化劑（水泥與石灰）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益層次對比，結(jié)果表明，生物酶在造價層面有著明顯的優(yōu)勢，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 生物酶與傳統(tǒng)固化劑（水泥與石灰）經(jīng)濟(jì)效益層次對比

3 結(jié)論

本文主要綜述近幾年國內(nèi)外生物酶的研究進(jìn)展，各文獻(xiàn)從宏觀工程性能角度證明生物酶能提升土體強(qiáng)度等性能指標(biāo)，又從微觀角度解釋生物酶作用機(jī)理，主要為減少顆粒間孔隙，改善土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使土體更加密實(shí)。

且與傳統(tǒng)傳統(tǒng)的土壤固化劑（水泥、石灰、粉煤灰等）相比，生物酶有著如下優(yōu)勢：

其一，傳統(tǒng)固化劑雖有較好的固化效果，但固化過程中產(chǎn)生的溫室氣體會污染環(huán)境，而生物酶是一種天然、無毒、沒有腐蝕性的液體，固化過程中不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。

其二，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢顯著。

其三，適用性廣。根據(jù)國內(nèi)外研究成果發(fā)現(xiàn)，生物酶對大部分土體固化效果皆很顯著。