生物酶類土壤固化劑的固化機理及進展綜述

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筑路建材與傳統固化劑的高效環保型材料。了解生物酶當前發展背景，研究分析生物酶改良土的改良機理，并通過比較傳統固化劑的優缺點，闡述生物酶的特點和優勢，分析生物酶固化劑的經濟效益以及應用前景，對今后土壤固化劑的發展方向進行展望。

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.

關鍵詞：生物酶;土壤固化;經濟效益

Key words： biological enzyme;soil solidification;economic benefit

中圖分類號：U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）21-0248-02

0? 引言

目前，我國已經有很多研究生石灰、水泥、粉煤灰、以及木質素等傳統固化劑對土壤進行改良分析[1-3]。木質素由于其結構的復雜性以及物理化學性質的不均一性等性能缺陷，未能得到充分的實踐應用;消石灰的減水性較弱，對過濕土壤含水量降低效果不明顯，達到設計壓實度所需劑量較多，不經濟，且拌合量不易把握，容易出現拌合不均勻現象，路基的強度與穩定性得不到保證，運輸過程較難;生石灰具有較強的減水能力，但施工作業時間要求嚴格，不易把控;粉煤灰較消石灰與生石灰的吸水能力較弱，且強度提高不明顯，工藝復雜[4]。生物酶因其高效、環保、無污染且施工工藝簡單的特性，在國外得到了廣泛的應用，近年來在國內也開始嶄露頭角。生物酶是無毒、無污染的蛋白質多酶氨基酸產品，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有的筑路材料以及傳統固化劑相比，它具有良好的路用性能和低成本優勢，加上環保無污染的簡易施工技術，可作為基層農村公路使用，也可作為干線公路的底基層使用，世界上已有多個國家成功地在公路建設中廣泛應用它。本文在前人的研究基礎上，通過比較不同土壤固化劑改良土壤的優劣，分析了生物酶土壤固化劑較傳統固化劑的優勢和前景。

1? 生物酶固化劑研究現狀及機理

1.1 生物酶固化劑的研究現狀? 生物酶加固技術在國外土木工程建設領域，特別是在道路建設領域已得到初步應用。生物酶主要研究成果有：Terrazyme、Permazyme、Alkazyme等。Manu A S等[5]研究結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，提高土壤強度。Aye Nyein Thida等[6]研究證明泰然酶可有效提高土壤UCS（無側限抗壓強度）和CBR（加州承載比值）。Pradeep Singh Sodhi等[7]利用Alkazyme加固土壤，并與原土進行了比較，試驗證明：Alkazyme改良效果較好，經濟效益高，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在國外已有較多研究與應用，但在我國尚處于起步階段。生物酶從1995年開始引入我國，各地學者開始對不同類型生物酶展開研究調查。戴北冰等[8]從微觀角度研究生物酶加固土壤的本質，指出生物酶分子與土壤中粘土礦物分子相互作用產生的膠結效應是生物酶固土效應的主要原理。張心平等[9]通過將Permazyme與石灰、水泥分別摻入土中進行對照試驗，得出Permazyme提高土體的穩定性效果更強。羅曉光等[10]研究結果顯示生物酶改良土的壓實度、CBR值、彎沉以及回彈模量均滿足工程要求。王超等[11]采用數值分析方法對生物酶改性土在動力加載作用下的動力特性進行了分析，得出改性后的路面強度與穩定性更高的結論。文暢平等[12]通過三軸固結排水試驗，計算分析生物酶摻量對南水模型各參數的影響，提出了基于生物酶摻量的修正南水模型能更好的反應生物酶摻量對膨脹土的彈塑性應力-應變關系等。

1.2 生物酶固化機理? 生物酶土壤固化劑是以活的植物細胞為原料制成的土壤固化劑，具有良好的固結性和穩定性。通過它的催化作用，粘土中大量的有機大分子可以結合形成中間反應酶。該物質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，對水產生屏蔽作用，形成防水土層，通過壓實，使土壤在壓實后失去再吸水的能力，并且即使在壓實后再加水也不會影響土體壓實后的機械效益[13]。反應是微米級的，濕物質和粘土大小的細小顆粒的存在是必不可少的。粘土的存在是必不可少的，因為形成的鍵將這種大小的顆粒結合在一起。通過增加土的密度，提高土的強度和穩定性，可以有效地降低土的膨脹性，并且能有效改善粉質路基因車輛動荷載引起的液化現象，延長道路的使用壽命。

每種生物酶都會促進其他分子內部或之間的化學反應，酶在這些反應中性質是保持不變的。它們充當其他分子的宿主，從而加快了正常的化學反應和物理反應的速度。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結合，創造了更持久的結構，更能抵抗風化、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的能力，受自然環境影響較小，適應性較強從而能保證固化土壤的長期效果，安全性較高。

2? 經濟效益與實用性分析

趙清華、曹林琳等[14-18]將生物酶土壤固化劑應用到工程實際中，在造價上具有顯著的優勢，下面對采用生物酶固化道路和采用傳統方法的經濟效益進行比較，見表1。

從表1中可以得到：以上四個現場施工情況說明相較于傳統的筑路材料水泥混凝土和水泥穩定砂，采用生物酶固化層的每公里筑路所需費用都明顯減少，由于筑路造價降低，能有效緩和貧困地區筑路困難問題，也為國家經濟發展政策的實施提供了方便。

目前，我國道路基層填料改良大多采用石灰、水泥這類無機類土壤固化劑進行改良，價格相對昂貴，路基改良時易產生揚塵，長期施工情況下，易改變土體pH值，對周圍環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，且節能環保，具有良好的前景。國內相關室內外試驗研究增多，得到針對不同土類最佳生物酶劑量的研究結果，將有利于加快生物酶土壤固化劑投入更多的工程實踐中。王昌衡[19]等通過室內和現場試驗證明了泰然酶在低等級公路上改良的實用性。李國棟[20]等通過室內試驗研究，得出帕爾瑪酶能提高公路基層抗壓強度、抗烈性、抗凍性等路用性能。吳冠雄[21]通過固化土壤的室內外試驗，研究得到了生物酶固化上最佳配合比，不同級配和不同材料組成對改良效果的影響，為將生物酶廣泛投入應用的道路設計和施工方案提供技術建議和指導。

由于我國的生物酶土壤固化劑還在發展階段，相關研究較少，且生物酶土壤固化劑主要是由國外引進，引進價格較高，若能將生物酶土壤固化劑的研究開發投入國內生產，不僅僅只是應用在公路工程上，加固的原理在邊坡的防護以及河堤、溝渠等工程都可以運用，將能大大降低工程成本，以及推動生物酶土壤固化劑在我國的發展。

3? 結語

①生物酶通過與粉土中的有機物發生反應形成膠結物來減小滲透性并提高土體強度，環保無污染，相較于傳統固化劑具有明顯的優勢，符合當代環境友好型社會發展要求。②與傳統筑路材料和改良方法相比，生物酶加固土具有強度高、造價低、養護簡單、穩定性好等特點，有明顯的社會效益和經濟效益，能有效的減少貧困鄉村公路建設的費用，未來通過試驗和研究將生物酶固化土壤推廣到城市道路建設以及經濟緊張的貧困山區，具有廣泛的應用前景。

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