公路工程中生物酶固化研究進展分析

金星、吳凡

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京211100）

0 引言

隨著城市化進程的加快和基礎設施的增加，產生對土木工程建設高質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]對土體進行加固。土壤固化劑按照成分可分為有機化合物、無機化合物、復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。比較傳統的土壤固化劑有：水泥、石灰、粉煤灰等，但它們不僅會污染環境，而且在使用過程中產生大量的溫室氣體，存在能耗高、成本高等缺點。

表1 固化劑分類及固化原理

目前，很多發達國家都采用環境友好型的新型土壤固化劑，其中應用廣泛的是生物酶。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。與傳統固化劑相比，具有造價低、施工簡單、無污染等特點。本文對新型固化劑生物酶進行綜述。

1 固化機理

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理，認為通過生物酶的催化作用，使得黏土中生成一種中間反應酶，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，強度和穩定性有所提高，達到加固的效果。

另外，有一些研究者從電子角度分析，認為土壤顆粒被負電子包圍，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，土體強度降低。研究發現，增加生物酶可以減少或消除水膜，得到永久性的壓實。其作用機理主要是：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 國內外研究進展

2.1 國外研究進展

20世紀80年代，便開始生物酶的研究，部分國外學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行研究，根據結果發現：生物酶固化效果與土壤類型有關，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行固化后發現，生物酶略微降低土體的液塑限，數值僅下降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、無側限抗壓強度、壓實性等特性的影響，結果發現土體強度提升最為明顯，且塑限及最大干密度也有一定程度提升，而液限、最優含水量及塑性指數有一定程度降低。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行固化研究，結果表明經生物酶固化后，土體的最優含水率、最大干密度、土的顆粒比重、CBR、無側限抗壓強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，部分國外學者對生物酶的最佳齡期進行探究。Venkatasubramanian 等（2011）測試3 種不同特性的土壤，當添加生物酶固化4 周后，承載比(CBR)增加157～673%，而無側限強度(UCS)中則增加152～200%，試驗數據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行UCS 試驗，發現當齡期7d 時，UCS 顯著提高，高達200%，即最佳齡期是7d。對于生物酶的最佳齡期，每個學者都有自己的結論，還需要進一步研究。

表2 最佳齡期研究結果

大量的文獻指出，生物酶想要達到最佳的固土效果，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，不同的學者有不同的見解，表3 總結了一些學者的研究結果。

表3 中，學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值，通過承載比（CBR）試驗，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。試驗表明當劑量是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，還需要大量的試驗數據去驗證。

表3 國外最佳摻量研究結果

除了從宏觀上分析生物酶的作用效果以外，學者還對生物酶的微觀和固土的經濟性進行研究和分析。G.P.Ganapathy 等對不摻生物酶和摻入生物酶的山地土壤進行SEM 分析。研究發現，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使得土壤孔隙體積減小。Venika Saini 等（2015）發現生物酶本質上是有機、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固化劑相比較高，從維護成本和耐久性上看，生物酶固化土壤是經濟性的。Suneet Kaur 對生物酶經濟性理論評估，研究過程中發現使用TerraZyme 作為土壤穩定劑來修建公路，成本減少約18～26%。

2.2 國內研究進展

相比國外發達國家，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。隨后漸漸有學者開始生物酶固化土體的研究，吳冠雄（2013）等[9]人，通過彎沉試驗檢測表明，摻加生物酶固化的土彎沉遠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。

國內一些學者也對生物酶的最佳摻量進行研究。李貞（2017）[10]通過無側限抗壓試驗，對生物酶的不同摻量（1%、3%、5%、8%、10%）進行研究。試驗發現，生物酶并非是用量越多越好，試驗建議最優劑量是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，通過一維固結試驗，研究固結壓力對生物酶改良膨脹土體壓縮特性的影響。研究發現，在相同的養護齡期下，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，學者們還對其他因素進行探究。孟子龍（2017）[12]通過對比自然養護和恒溫恒濕養護，發現養生條件對生物酶加固土的抗壓強度有較大影響。究其根本原因，溫度是影響生物酶發揮固化效果的因素之一。潘湘輝（2018）[13]等人，經試驗發現土樣的CBR 與壓實度有關，成較明顯的線性關系。在壓實度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理，學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，針對香港地區的海洋黏土、完全風化花崗巖和完全風化凝灰巖三種土體，進行生物酶加固試驗研究。結果表明，作用效果最好的是海洋黏土，強度與未處理的土體相比提高20%。為了進一步分析原因，戴北冰等人通過掃描電鏡（SEM）從微觀層面進行研究，發現生物酶固化土是生物酶分子與黏土礦物分子間膠結作用。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，進行SEM 電鏡分析。研究結果表明，添加生物酶的穩定土試樣微觀結構比不添加生物酶的試樣微觀結構更為致密。其原因是經過生物酶處理的穩定土樣品顆粒比未處理的土樣塊體結構更多。黃泓翔（2015）等人，通過XRD 驗證摻加生物酶增強土體性能僅是物理作用。對素土和摻加生物酶的土樣進行成分比較，發現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部結構，從而提高了土體的強度。

國內學者也從經濟角度分析了生物酶的實用價值，趙清華、曹林琳等借助于實際工程，將生物酶與傳統固化劑（水泥與石灰）進行經濟效益層次對比，結果表明，生物酶在造價層面有著明顯的優勢，具體數據見表4。

表4 生物酶與傳統固化劑（水泥與石灰）經濟效益層次對比

3 結論

本文主要綜述近幾年國內外生物酶的研究進展，各文獻從宏觀工程性能角度證明生物酶能提升土體強度等性能指標，又從微觀角度解釋生物酶作用機理，主要為減少顆粒間孔隙，改善土體內部結構，使土體更加密實。

且與傳統傳統的土壤固化劑（水泥、石灰、粉煤灰等）相比，生物酶有著如下優勢：

其一，傳統固化劑雖有較好的固化效果，但固化過程中產生的溫室氣體會污染環境，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境產生污染。

其二，經濟效益優勢顯著。

其三，適用性廣。根據國內外研究成果發現，生物酶對大部分土體固化效果皆很顯著。