生物酶土壤固化劑的研究應(yīng)用進(jìn)展

黃泓翔 丁一帆

(1重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074;2浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院， 浙江 寧波 315100)

0 引言

土壤固化劑通?？梢灾苯幽z結(jié)在土壤顆粒表面上或與粘土礦物反應(yīng)形成膠凝材料，通過(guò)離子結(jié)合、水化反應(yīng)、生物反應(yīng)等在一定程度上提高土體的耐水性、強(qiáng)度與彈性、致密性等性能?？茖W(xué)家們觀察到亞馬遜叢林螞蟻的分泌物固化叢林中的土壤來(lái)修筑蟻巢，且其高度達(dá)至1—2米。亞馬遜的洪水能摧毀大多數(shù)建筑，卻不能夠破壞蟻巢。因而得出了運(yùn)用生物酶來(lái)對(duì)土體進(jìn)行固化的猜想。

1 生物酶的基本性能

生物酶類(lèi)土壤固化劑是從植物中提取的一種液態(tài)生物復(fù)合酶。該材料以液態(tài)形式摻到土內(nèi)，造成土體的密實(shí)。土體在壓實(shí)操作后，強(qiáng)度提高，抗?jié)B性增大，板結(jié)能力強(qiáng)，不僅應(yīng)用于筑路、基礎(chǔ)加固領(lǐng)域，還逐步將其擴(kuò)伸至堤壩、垃圾與污泥資源化應(yīng)用等領(lǐng)域，取得了一些有別于傳統(tǒng)土壤固化材料（例如石灰、水泥等）的效果，并且快速應(yīng)用于美國(guó)、歐洲、非洲等的一些國(guó)家和地區(qū)，因此在工程技術(shù)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的關(guān)注。常見(jiàn)的生物酶土壤類(lèi)固化劑有 TERRAZYME，PERMAZYME，ROADBOND等產(chǎn)品。

2 生物酶的加固機(jī)理

國(guó)外Scholen（1992）在報(bào)告美國(guó)交通部聯(lián)邦公路管理局時(shí)，指明固化時(shí)是有某種物質(zhì)和粘土的結(jié)構(gòu)進(jìn)行交換反應(yīng)，而此物質(zhì)則由酶類(lèi)固化劑與有機(jī)分子的結(jié)合提供，然后粘土雙電層結(jié)構(gòu)破碎，水排出，使土壤顆粒團(tuán)聚，繼續(xù)進(jìn)一步團(tuán)?；阅z結(jié)。相應(yīng)地固化劑可以附著于黏土礦物的內(nèi)外區(qū)域以阻止吸附水分。Raul（2005）等的研究結(jié)果支持Scholen的看法，認(rèn)為一些酶能夠被附著于粘土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，和各種金屬陽(yáng)離子進(jìn)行交換作用，也可以隨著土壤電解液被輸送。生物酶不僅能夠使土壤中的多種菌類(lèi)更加活躍，還可以釋放氫離子，在土壤顆粒表面會(huì)有一個(gè)非常明顯的PH值梯度，極大地改變了土壤的原始結(jié)構(gòu)，造成滲透性的降低，以提高抗?jié)B透性。而在國(guó)內(nèi)研究較少。報(bào)道錯(cuò)誤！未找到引用源。稱(chēng)酶是一種生物催化劑，只需要少些數(shù)量就可以加速催化反應(yīng)。在理想的情況下，酶的質(zhì)量在反應(yīng)前后是守恒的，所以生物酶固化劑在土層中進(jìn)行固化作用后能持續(xù)地發(fā)揮著效果。湯彥等總結(jié)了相關(guān)研究成果，認(rèn)為泰然酶對(duì)土的固化機(jī)理主要表現(xiàn)為：離子交換作用增強(qiáng)土顆粒間粘結(jié)，表面活性劑改善粘土、水界面的表面特性以及壓實(shí)作用提高土體強(qiáng)度等。

3 生物酶固化試驗(yàn)研究

國(guó)外對(duì)生物酶固化土的研究始于20世紀(jì)80年代，Scholen（1992）基于美國(guó)多個(gè)公路項(xiàng)目的數(shù)個(gè)試驗(yàn)段測(cè)試結(jié)果，研究了四種生物酶固化土的工程特性，證實(shí)了生物酶固化土作為路面基層的可行性。Dandin（2014）以泰然酶為固化劑對(duì)印度黑棉土進(jìn)行了固化研究，分析了不同固化劑摻量、不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土液塑限、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓實(shí)性、CBR（加州承載比）和耐久性等工程特性的影響，結(jié)果表明固化土不僅顯著地提升了強(qiáng)度，而且塑限和最大干密度都有一定程度地增加，但是液限、塑性指數(shù)與最優(yōu)含水率降低。

我國(guó)自1995年首次引入生物酶固化路基技術(shù)后，工程技術(shù)人員與研究人員就開(kāi)始了相關(guān)的應(yīng)用研究。2000年新疆使用派酶土壤固化劑，經(jīng)實(shí)踐后得出選取派酶加固天然砂礫能有效地提升基層的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，從而減少路面結(jié)構(gòu)層的厚度，減小土方量;同時(shí)能夠節(jié)省大約20%的施工用水，也適用于鹽漬土，基層的透水能力非常低，可有效地防止路基凍脹和翻漿。解瑞松（2006）采用泰然酶對(duì)陜西低液限黏土進(jìn)行了固化研究，針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的固化土水穩(wěn)定性不足的現(xiàn)象，添加其它外加劑進(jìn)行綜合處理，有效改善了固化土的水穩(wěn)定性。

4 生物酶的優(yōu)點(diǎn)及展望

傳統(tǒng)的以水泥石灰為主的高鈣類(lèi)固化建材雖然對(duì)土的固化效果不錯(cuò)，但其使用對(duì)環(huán)境的影響較大，會(huì)對(duì)以后農(nóng)作物的生長(zhǎng)造成影響，不利于環(huán)境保護(hù)。而作為對(duì)比的是，生物酶土壤固化劑作為一種酶，其作用在于催化，自身及固化后均沒(méi)有毒害，還擁有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）與已有的筑路材料相比明顯具有無(wú)污染、固化強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)捷、降低投資成本等優(yōu)點(diǎn)。

（2）用量節(jié)省，性價(jià)比高。1 L酶可以處理約30 m3土體，在綜合造價(jià)上都較傳統(tǒng)筑路材料有巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

（3）防滲性好。相比傳統(tǒng)基層高30倍左右，大大提高了道路的使用壽命。經(jīng)測(cè)試，用派酶處理過(guò)的路基，其滲透系數(shù)小于

（4）適用層面廣。據(jù)國(guó)外試驗(yàn)得知，生物酶可以適用大部分的土質(zhì)，但是為了能夠最大限度地發(fā)揮效果，土體應(yīng)該具有一定的黏性。適用于路基、坪基，垃圾處理、防滲、基礎(chǔ)加固等領(lǐng)域。

生物酶固化劑作為一種新型高科技生物制劑，自出現(xiàn)以來(lái)，就表現(xiàn)出顯著的價(jià)格和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，它既不會(huì)像水泥、石灰那樣發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，也不需要水的養(yǎng)護(hù)就能達(dá)到理想的效果，因此一定會(huì)受到愈加廣泛的關(guān)注。當(dāng)前，國(guó)外對(duì)于生物酶的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，但是現(xiàn)階段各種酶的研發(fā)都是具有針對(duì)性的，只有對(duì)應(yīng)某一種類(lèi)型的酶才有一個(gè)顯著的固化效果，沒(méi)有一種酶可以完全適用于各種土壤，可以想象的是，生物酶固化劑一定會(huì)出現(xiàn)有適用于大多數(shù)土壤的固化劑，隨著國(guó)內(nèi)建設(shè)行業(yè)的發(fā)展，這種環(huán)保型的產(chǎn)品必定受到歡迎，其前景一片光明。

[1]Scholen,D E.Non-standard stabilizers[R].Washington D C:FHWA,1992:4

[2]Raul V,Mihai O M,Ray H,et al.Preliminary laboratory investigation of enzyme solutions as a soil stabilizer. Minnesota department of transportation research services section.2005,Final report:1

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