生物酶類土壤固化劑的固化機(jī)理及進(jìn)展綜述

任睆遐 夏艷波 何振華 鄧新宇 張藝馨

摘要：生物酶土壤固化劑是一種有別于傳統(tǒng)筑路建材與傳統(tǒng)固化劑的高效環(huán)保型材料。了解生物酶當(dāng)前發(fā)展背景，研究分析生物酶改良土的改良機(jī)理，并通過比較傳統(tǒng)固化劑的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述生物酶的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，分析生物酶固化劑的經(jīng)濟(jì)效益以及應(yīng)用前景，對(duì)今后土壤固化劑的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

Abstract： Biological enzyme soil curing agent is an efficient and environmentally friendly material that is different from traditional road building materials and traditional curing agents. This article understands the current development background of bioenzymes， studies and analyzes the improvement mechanism of bioenzyme improved soil， explains the characteristics and advantages of bioenzymes by comparing the advantages and disadvantages of traditional curing agents， analyzes the economic benefits and application and prospects the future development direction of soil curing agents.

關(guān)鍵詞：生物酶;土壤固化;經(jīng)濟(jì)效益

Key words： biological enzyme;soil solidification;economic benefit

中圖分類號(hào)：U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）21-0248-02

0? 引言

目前，我國已經(jīng)有很多研究生石灰、水泥、粉煤灰、以及木質(zhì)素等傳統(tǒng)固化劑對(duì)土壤進(jìn)行改良分析[1-3]。木質(zhì)素由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及物理化學(xué)性質(zhì)的不均一性等性能缺陷，未能得到充分的實(shí)踐應(yīng)用;消石灰的減水性較弱，對(duì)過濕土壤含水量降低效果不明顯，達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)度所需劑量較多，不經(jīng)濟(jì)，且拌合量不易把握，容易出現(xiàn)拌合不均勻現(xiàn)象，路基的強(qiáng)度與穩(wěn)定性得不到保證，運(yùn)輸過程較難;生石灰具有較強(qiáng)的減水能力，但施工作業(yè)時(shí)間要求嚴(yán)格，不易把控;粉煤灰較消石灰與生石灰的吸水能力較弱，且強(qiáng)度提高不明顯，工藝復(fù)雜[4]。生物酶因其高效、環(huán)保、無污染且施工工藝簡(jiǎn)單的特性，在國外得到了廣泛的應(yīng)用，近年來在國內(nèi)也開始嶄露頭角。生物酶是無毒、無污染的蛋白質(zhì)多酶氨基酸產(chǎn)品，有效減少土壤水分，顯著提高土壤密度和承載力。生物酶土壤固化劑和現(xiàn)有的筑路材料以及傳統(tǒng)固化劑相比，它具有良好的路用性能和低成本優(yōu)勢(shì)，加上環(huán)保無污染的簡(jiǎn)易施工技術(shù)，可作為基層農(nóng)村公路使用，也可作為干線公路的底基層使用，世界上已有多個(gè)國家成功地在公路建設(shè)中廣泛應(yīng)用它。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，通過比較不同土壤固化劑改良土壤的優(yōu)劣，分析了生物酶土壤固化劑較傳統(tǒng)固化劑的優(yōu)勢(shì)和前景。

1? 生物酶固化劑研究現(xiàn)狀及機(jī)理

1.1 生物酶固化劑的研究現(xiàn)狀? 生物酶加固技術(shù)在國外土木工程建設(shè)領(lǐng)域，特別是在道路建設(shè)領(lǐng)域已得到初步應(yīng)用。生物酶主要研究成果有：Terrazyme、Permazyme、Alkazyme等。Manu A S等[5]研究結(jié)果表明添加不同劑量的Terrazyme（泰然酶）可以降低黑棉土的液塑限，提高土壤強(qiáng)度。Aye Nyein Thida等[6]研究證明泰然酶可有效提高土壤UCS（無側(cè)限抗壓強(qiáng)度）和CBR（加州承載比值）。Pradeep Singh Sodhi等[7]利用Alkazyme加固土壤，并與原土進(jìn)行了比較，試驗(yàn)證明：Alkazyme改良效果較好，經(jīng)濟(jì)效益高，且酶摻用量與土壤類型決定了土壤的改良程度。生物酶加固土壤技術(shù)在國外已有較多研究與應(yīng)用，但在我國尚處于起步階段。生物酶從1995年開始引入我國，各地學(xué)者開始對(duì)不同類型生物酶展開研究調(diào)查。戴北冰等[8]從微觀角度研究生物酶加固土壤的本質(zhì)，指出生物酶分子與土壤中粘土礦物分子相互作用產(chǎn)生的膠結(jié)效應(yīng)是生物酶固土效應(yīng)的主要原理。張心平等[9]通過將Permazyme與石灰、水泥分別摻入土中進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，得出Permazyme提高土體的穩(wěn)定性效果更強(qiáng)。羅曉光等[10]研究結(jié)果顯示生物酶改良土的壓實(shí)度、CBR值、彎沉以及回彈模量均滿足工程要求。王超等[11]采用數(shù)值分析方法對(duì)生物酶改性土在動(dòng)力加載作用下的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，得出改性后的路面強(qiáng)度與穩(wěn)定性更高的結(jié)論。文暢平等[12]通過三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，計(jì)算分析生物酶摻量對(duì)南水模型各參數(shù)的影響，提出了基于生物酶摻量的修正南水模型能更好的反應(yīng)生物酶摻量對(duì)膨脹土的彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等。

1.2 生物酶固化機(jī)理? 生物酶土壤固化劑是以活的植物細(xì)胞為原料制成的土壤固化劑，具有良好的固結(jié)性和穩(wěn)定性。通過它的催化作用，粘土中大量的有機(jī)大分子可以結(jié)合形成中間反應(yīng)酶。該物質(zhì)被粘土離子取代吸附，從而削弱土壤顆粒的吸水能力，降低其親水性，對(duì)水產(chǎn)生屏蔽作用，形成防水土層，通過壓實(shí)，使土壤在壓實(shí)后失去再吸水的能力，并且即使在壓實(shí)后再加水也不會(huì)影響土體壓實(shí)后的機(jī)械效益[13]。反應(yīng)是微米級(jí)的，濕物質(zhì)和粘土大小的細(xì)小顆粒的存在是必不可少的。粘土的存在是必不可少的，因?yàn)樾纬傻逆I將這種大小的顆粒結(jié)合在一起。通過增加土的密度，提高土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可以有效地降低土的膨脹性，并且能有效改善粉質(zhì)路基因車輛動(dòng)荷載引起的液化現(xiàn)象，延長道路的使用壽命。

每種生物酶都會(huì)促進(jìn)其他分子內(nèi)部或之間的化學(xué)反應(yīng)，酶在這些反應(yīng)中性質(zhì)是保持不變的。它們充當(dāng)其他分子的宿主，從而加快了正常的化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)的速度。這種酶可以使土壤材料變得更容易濕潤和更致密，它們改善了土壤顆粒之間的化學(xué)結(jié)合，創(chuàng)造了更持久的結(jié)構(gòu)，更能抵抗風(fēng)化、滲水和磨損。由于生物酶能在土壤中長期保持活性，且具有改變土壤基質(zhì)的能力，受自然環(huán)境影響較小，適應(yīng)性較強(qiáng)從而能保證固化土壤的長期效果，安全性較高。

2? 經(jīng)濟(jì)效益與實(shí)用性分析

趙清華、曹林琳等[14-18]將生物酶土壤固化劑應(yīng)用到工程實(shí)際中，在造價(jià)上具有顯著的優(yōu)勢(shì)，下面對(duì)采用生物酶固化道路和采用傳統(tǒng)方法的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行比較，見表1。

從表1中可以得到：以上四個(gè)現(xiàn)場(chǎng)施工情況說明相較于傳統(tǒng)的筑路材料水泥混凝土和水泥穩(wěn)定砂，采用生物酶固化層的每公里筑路所需費(fèi)用都明顯減少，由于筑路造價(jià)降低，能有效緩和貧困地區(qū)筑路困難問題，也為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的實(shí)施提供了方便。

目前，我國道路基層填料改良大多采用石灰、水泥這類無機(jī)類土壤固化劑進(jìn)行改良，價(jià)格相對(duì)昂貴，路基改良時(shí)易產(chǎn)生揚(yáng)塵，長期施工情況下，易改變土體pH值，對(duì)周圍環(huán)境以及工作人員和居民身體健康有極大的影響。生物酶固化劑種類多，適用土類范圍廣，不僅能有效利用自然資源，且節(jié)能環(huán)保，具有良好的前景。國內(nèi)相關(guān)室內(nèi)外試驗(yàn)研究增多，得到針對(duì)不同土類最佳生物酶劑量的研究結(jié)果，將有利于加快生物酶土壤固化劑投入更多的工程實(shí)踐中。王昌衡[19]等通過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了泰然酶在低等級(jí)公路上改良的實(shí)用性。李國棟[20]等通過室內(nèi)試驗(yàn)研究，得出帕爾瑪酶能提高公路基層抗壓強(qiáng)度、抗烈性、抗凍性等路用性能。吳冠雄[21]通過固化土壤的室內(nèi)外試驗(yàn)，研究得到了生物酶固化上最佳配合比，不同級(jí)配和不同材料組成對(duì)改良效果的影響，為將生物酶廣泛投入應(yīng)用的道路設(shè)計(jì)和施工方案提供技術(shù)建議和指導(dǎo)。

由于我國的生物酶土壤固化劑還在發(fā)展階段，相關(guān)研究較少，且生物酶土壤固化劑主要是由國外引進(jìn)，引進(jìn)價(jià)格較高，若能將生物酶土壤固化劑的研究開發(fā)投入國內(nèi)生產(chǎn)，不僅僅只是應(yīng)用在公路工程上，加固的原理在邊坡的防護(hù)以及河堤、溝渠等工程都可以運(yùn)用，將能大大降低工程成本，以及推動(dòng)生物酶土壤固化劑在我國的發(fā)展。

3? 結(jié)語

①生物酶通過與粉土中的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)形成膠結(jié)物來減小滲透性并提高土體強(qiáng)度，環(huán)保無污染，相較于傳統(tǒng)固化劑具有明顯的優(yōu)勢(shì)，符合當(dāng)代環(huán)境友好型社會(huì)發(fā)展要求。②與傳統(tǒng)筑路材料和改良方法相比，生物酶加固土具有強(qiáng)度高、造價(jià)低、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，能有效的減少貧困鄉(xiāng)村公路建設(shè)的費(fèi)用，未來通過試驗(yàn)和研究將生物酶固化土壤推廣到城市道路建設(shè)以及經(jīng)濟(jì)緊張的貧困山區(qū)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王東星，王宏偉，鄒維列，王協(xié)群，李麗華.堿激發(fā)粉煤灰固化淤泥微觀機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，38（S1）：3197-3205.

[2]高建偉，余宏明，錢玉智，等.水泥改良膨脹土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].公路，2013，3（12）：165-168.

[3]張西海，夏瓊，楊有海.水泥及水泥粉煤灰改良粉土填料性能試驗(yàn)研究[J].路基工程，2007（3）：75-76.

[4]陳燕，魏宏超，徐鵬.高速鐵路粉土路基改良試驗(yàn)研究[J]. 安全與環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2011，18（3）：126-128.

[5]Manu A S， S P Mahendra. Strength Properties of Bioenzyme Treated Black Cotton Soil [J]. International Journal of Applied Engineering Research， 2018，13（7）：302-306.

[6]Aye Nyein Thida， Than Mar Swe. Experimental Research on the Strength Behavior of Enzyme-Treated Soils [J]. International Journal of Science， Engineering and Technologe Research， 2014，1（1）：1-5.

[7]PRADEEP SINGH SODHI， OCEAN， YOGESH KUMAR. STABILIZATION OF SOIL USING ALKALINE BIO-ENZYME （ALKAZYME）[J]. International Research Journal of Engineering and Technology， 2018，5（8）：1-5.

[8]戴北冰，徐鍇，楊峻，等.基于生物酶的固土技術(shù)在香港的應(yīng)用研究[J].巖土力學(xué)，2014，35（6）：1735-1742.

[9]張心平，蘇海濤，彭紅濤，等.派酶固化土壤的無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].公路，2008，6（6）：171-172.

[10]羅曉光，李增光，夏強(qiáng).生物酶土壤固化筑路技術(shù)在高速公路底基層中的應(yīng)用研究[J].公路工程，2014，39（1）：99-102.

[11]王超，李增光.交通荷載作用下生物酶固化土路基動(dòng)力特性數(shù)值模擬研究[J].公路工程，2014，39（1）：54-58.

[12]文暢平，王解軍.基于南水模型的生物酶改良膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，37（04）：1011-1019.

[13]Puneet Agarwal， Suneet Kaur. Effect of Bio-enzyme Stabilization on Unconfined Compressive Strength of Expansive Soil[J]. International Journal of Research in Engineering and Technology， 2014.

[14]趙清華.泰然土壤固化酶的路用性能及應(yīng)用研究[J].公路工程，2009，34（3）：33-36.

[15]曹林琳，李躍軍.生物酶土壤固化筑路技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 湖南交通科技，2010，36（3）：23-27.

[16]方濤，李躍軍.泰然酶土壤固化筑路技術(shù)應(yīng)用研究[J].市政·交通·水利工程設(shè)計(jì)，2009，3（5）：92-96.

[17]付中玉.農(nóng)村公路施工中帕爾瑪應(yīng)用探討[J].交通建設(shè)與管理，2007：38-42.

[18]劉松玉，張濤，蔡國軍，等.生物能源副產(chǎn)品木質(zhì)素加固土體研究進(jìn)展[J].中國公路學(xué)報(bào)，2014，27（8）：1-10.

[19]王昌衡，陳湘亮，王燦輝.TerraZyme生物固化酶在縣鄉(xiāng)公路中的應(yīng)用[J].湖南交通科技學(xué)報(bào)，2007，33（1）：66-67.

[20]李國棟.派酶加固土路用性能試驗(yàn)研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2009.

[21]吳冠雄.生物酶土壤固化劑加固土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].公路工程，2013，38（1）：70-81.