公路工程中生物酶固化研究进展分析

2021-04-28金星吴凡

运输经理世界 2021年17期

金星、吴凡

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京211100）

0 引言

随着城市化进程的加快和基础设施的增加，产生对土木工程建设高质量的需求与土体不良间的矛盾。为了解决这一问题，通常会采用土壤固化剂[1]对土体进行加固。土壤固化剂按照成分可分为有机化合物、无机化合物、复合型固化剂及生物酶等，具体固化剂分类与固化原理如表1所示。比较传统的土壤固化剂有：水泥、石灰、粉煤灰等，但它们不仅会污染环境，而且在使用过程中产生大量的温室气体，存在能耗高、成本高等缺点。

表1 固化剂分类及固化原理

目前，很多发达国家都采用环境友好型的新型土壤固化剂，其中应用广泛的是生物酶。它是一种天然、不易燃、没有腐蚀性、无毒的液体，一般来源于植物提取液。与传统固化剂相比，具有造价低、施工简单、无污染等特点。本文对新型固化剂生物酶进行综述。

1 固化机理

生物酶来源于植物提取液，一些研究者[2]从离子置换的角度分析机理，认为通过生物酶的催化作用，使得黏土中生成一种中间反应酶，吸附在黏土上，削弱吸水能力，阻止土体的膨胀。防水层的形成，使土体更加密实，强度和稳定性有所提高，达到加固的效果。

另外，有一些研究者从电子角度分析，认为土壤颗粒被负电子包围，为了中和电子吸收水中丰富金属阳离子，使土壤颗粒周围形成一层水膜，土体强度降低。研究发现，增加生物酶可以减少或消除水膜，得到永久性的压实。其作用机理主要是：生物酶降低水分子中的电荷，使得金属正离子在自由水中释放，水层厚度降低。因此，土壤颗粒更接近，固化土体。

图1 生物酶与土的微观相互作用

2 国内外研究进展

2.1 国外研究进展

20世纪80年代，便开始生物酶的研究，部分国外学者首先对生物酶能改善土壤何种特性展开研究。Robert.L.Parsons（2003）[3]将不同类型土壤分别添加生物酶、石灰、水泥以及粉煤灰四种固化剂进行研究，根据结果发现：生物酶固化效果与土壤类型有关，石灰与水泥固化效果相差不大，而粉煤灰的固化效果较差。A.G.Gungor（2009）[4]将土体掺入生物酶进行固化后发现，生物酶略微降低土体的液塑限，数值仅下降5%～10%，但是明显增加了土体的CBR 值，上升了350%。Dandin（2014）[5]在印度黑棉土中掺入泰然酶，分析泰然酶对土体CBR、耐久性、液塑限、无侧限抗压强度、压实性等特性的影响，结果发现土体强度提升最为明显，且塑限及最大干密度也有一定程度提升，而液限、最优含水量及塑性指数有一定程度降低。Saini[6]、Ramesh[7]、Nandini[8]（2015）等采用生物酶对红黏土、泥炭、高液限黏土等土体进行固化研究，结果表明经生物酶固化后，土体的最优含水率、最大干密度、土的颗粒比重、CBR、无侧限抗压强度等物理性能皆有一定程度的改善。

近年来为了研究生物酶最佳固土效果，部分国外学者对生物酶的最佳龄期进行探究。Venkatasubramanian 等（2011）测试3 种不同特性的土壤，当添加生物酶固化4 周后，承载比(CBR)增加157～673%，而无侧限强度(UCS)中则增加152～200%，试验数据表明生物酶最佳龄期是4 周。但是Puneet Agarwal 等（2017）对生物酶处理土壤样品进行UCS 试验，发现当龄期7d 时，UCS 显著提高，高达200%，即最佳龄期是7d。对于生物酶的最佳龄期，每个学者都有自己的结论，还需要进一步研究。

表2 最佳龄期研究结果

大量的文献指出，生物酶想要达到最佳的固土效果，除了考虑龄期，掺量也是重要因素。土体强度并不是随生物酶的增加，一直呈上升趋势，而是存在最佳掺量值。对于最佳掺量，不同的学者有不同的见解，表3 总结了一些学者的研究结果。

表3 中，学者给出的最佳掺量值均在200ml/m3附近。但SandeepPanchal（2017）等人对最佳掺量给出了新的数值，通过承载比（CBR）试验，研究龄期（7d、14d、28d）及泰然酶含量（500ml/m3、700ml/m3、900ml/m3、1000ml/m3）对土体CBR 的影响。试验表明当剂量是900ml/m3及龄期两周的条件下，改良效果最佳，CBR 是空白组的134.49%。至于生物酶的最佳掺量，目前没有明确的范围，还需要大量的试验数据去验证。

表3 国外最佳掺量研究结果

除了从宏观上分析生物酶的作用效果以外，学者还对生物酶的微观和固土的经济性进行研究和分析。G.P.Ganapathy 等对不掺生物酶和掺入生物酶的山地土壤进行SEM 分析。研究发现，掺入生物酶处理后的土体，孔隙体积小于未处理的土样。由于生物酶的作用，土壤颗粒的聚集和胶结使得土壤孔隙体积减小。Venika Saini 等（2015）发现生物酶本质上是有机、无毒且可生物降解的，但固化作用是永久的。在初始成本上生物酶较传统固化剂相比较高，从维护成本和耐久性上看，生物酶固化土壤是经济性的。Suneet Kaur 对生物酶经济性理论评估，研究过程中发现使用TerraZyme 作为土壤稳定剂来修建公路，成本减少约18～26%。

2.2 国内研究进展

相比国外发达国家，我国对生物酶的研究起步比较晚，1995年才首次引入生物酶固化路基技术。随后渐渐有学者开始生物酶固化土体的研究，吴冠雄（2013）等[9]人，通过弯沉试验检测表明，掺加生物酶固化的土弯沉远小于原路基的弯沉值，说明生物酶能显著提高道路的承载能力。

国内一些学者也对生物酶的最佳掺量进行研究。李贞（2017）[10]通过无侧限抗压试验，对生物酶的不同掺量（1%、3%、5%、8%、10%）进行研究。试验发现，生物酶并非是用量越多越好，试验建议最优剂量是5%。曾娟娟（2018）等[11]人以素土为对照组，其他组生物酶含量为1∶400、1∶300、1∶200、1∶100，通过一维固结试验，研究固结压力对生物酶改良膨胀土体压缩特性的影响。研究发现，在相同的养护龄期下，掺加泰然酶的试件孔隙率小于素土，且最佳生物酶配比为1∶300。

生物酶固化效果不仅受掺量影响，学者们还对其他因素进行探究。孟子龙（2017）[12]通过对比自然养护和恒温恒湿养护，发现养生条件对生物酶加固土的抗压强度有较大影响。究其根本原因，温度是影响生物酶发挥固化效果的因素之一。潘湘辉（2018）[13]等人，经试验发现土样的CBR 与压实度有关，成较明显的线性关系。在压实度96%的情况下，掺加生物酶的土样CBR 为28.5%，明显高于素土12.2%的CBR。生物酶的掺加有利于提高土样的CBR，可以加固土体。

为了更好地研究生物酶的固化机理，学者从微观的层面研究生物酶在土体中的作用。戴北冰（2014）等[14]人，针对香港地区的海洋黏土、完全风化花岗岩和完全风化凝灰岩三种土体，进行生物酶加固试验研究。结果表明，作用效果最好的是海洋黏土，强度与未处理的土体相比提高20%。为了进一步分析原因，戴北冰等人通过扫描电镜（SEM）从微观层面进行研究，发现生物酶固化土是生物酶分子与黏土矿物分子间胶结作用。Xin Zhang（2014）等人，对不同龄期（14d、28d）掺入生物酶与不掺入生物酶的土样，进行SEM 电镜分析。研究结果表明，添加生物酶的稳定土试样微观结构比不添加生物酶的试样微观结构更为致密。其原因是经过生物酶处理的稳定土样品颗粒比未处理的土样块体结构更多。黄泓翔（2015）等人，通过XRD 验证掺加生物酶增强土体性能仅是物理作用。对素土和掺加生物酶的土样进行成分比较，发现生物酶只是起到了一个催化剂的效果，它减少了土壤颗粒间的孔隙水，改善的是土颗粒的内部结构，从而提高了土体的强度。

国内学者也从经济角度分析了生物酶的实用价值，赵清华、曹林琳等借助于实际工程，将生物酶与传统固化剂（水泥与石灰）进行经济效益层次对比，结果表明，生物酶在造价层面有着明显的优势，具体数据见表4。