生物酶土壤固化筑路技术应用研究

曹林琳,李跃军

(1.湖南省郴宁高速公路建设开发有限公司,湖南郴州 423000; 2.湖南省交通科学研究院,湖南长沙 410015)

0 前言

目前,我国公路建设突飞猛进,投资巨大。路面基层多采用以石灰、粉煤灰、水泥和碎石为主要材料的半刚性基层,随着公路建设的发展,对砂、石等建筑材料的用量也越来越大,使这些自然资源日渐贫乏,其开采对自然环境的破坏也越来越严重。因此,不断开发和利用一些新的建筑材料,建设环境友好型、资源节约型公路,具有十分重要的现实意义。

泰然酶(TerraZyme),全称泰然生物催化酶土壤固化剂,是美国Nature Plus,Inc.生产的高科技液态复合酶制品,属于生物酶类土壤固化剂,它是一种完全不同于传统道路建材的革命性新型系列筑路材料,一种生物高科技产品。该类土壤酶由植物发酵而成,以溶解状态掺入土中,使土体密实。土体经压实、养生后,土体强度提高,渗透性下降,板结效果好。泰然酶筑路技术已在在欧洲、美洲等三十多个国家的公路建设中成功推广使用。

采用生物固化技术修筑的路基路面与传统水泥和石灰等固化材料相比,其优势主要表现在:①路用性能好:泰然酶对土壤有很好的稳定固化作用,完全可以替代传统的固化材料,泰然酶固化土可以作为农村公路基层,也可用于干线公路、高速公路的底基层;②造价低廉:与传统筑路技术相比,泰然酶固化筑路技术可节约资金30%左右,具有显著的经济效益和社会效益;③施工工艺简单:不需专门的施工机械,厂拌及路拌法施工都满足质量要求,施工速度快;④环保无污染:泰然生物酶固化剂生产不排污,无污染,稀释后的固化剂溶液无毒、无害。生物酶筑路技术大幅度减少石灰、水泥用量,从而节约资源、能源,减少CO2排放,有利于生态环境保护。

1 室内试验研究

通过系统的室内试验,研究了不同土质、不同配比、不同压实度、不同龄期等情况下的泰然酶加固土CBR值、无侧限抗压强度、回弹模量、渗透系数等路用性能及其影响因素。

1.1 原材料

1)泥土:课题组选取试验路代表性的2种土样,进行了颗粒分析、液塑限、标准击实等试验,其基本物理力学性质见表1所示。

2)固化剂:采用泰然(Terrazyme)土壤固化酶。

3)砂砾、卵石:采用天然砂砾、卵石,天然砂砾的最大粒径为15mm,卵石的最大粒径为48mm。

表1 土样的基本物理力学性质

4)水泥:采用湖南湘乡水泥有限公司生产的32.5#普通硅酸盐水泥。

5)石灰:本试验采用长沙当地生产的消石灰。

1.2 试验内容

1.2.1 无侧限抗压强度试验

1)泰然酶固化土无侧限抗压强度试验。

泰然酶固化土壤时存在最佳剂量的问题,泰然酶用量在最佳剂量时,泰然酶固化土的加固效果最好,因为无侧限抗压强度是评价稳定材料路用性能的一个非常重要的指标,所以泰然酶的最佳剂量由无侧限抗压强度值来确定(见图1,图2)。

图1 TZ酶加固土1无侧限抗压强度试验结果

图2 TZ酶加固土2无侧限抗压强度试验结果

在龄期7 d、28 d时,TZ酶固化土1和土2的强度开始都呈明显上升阶段,到0.6m L/10 kg土以后,强度开始变平缓,说明酶的剂量的增加对土强度的影响不大,取0.6 mL/10 kg土是酶与2种土作用的最佳剂量,以下掺加泰然酶进行试验时,均采取此剂量进行试验。

2)石灰土、水泥土对比试验。

由图3和图4可知,随着掺量的增大,分别养生7 d、28 d的石灰土、水泥土的强度均呈上升趋势,但未出现峰值,结合设计要求和经济要求,决定进行室内试验时石灰、水泥的最佳掺量都为4%。

3)固化土无侧限抗压强度与压实度的关系(见图5)。

图3 石灰土剂量与无侧限抗压强度关系

图4 水泥土剂量与无侧限抗压强度关系

①试验结果表明,随着压实度的增加,固化土的无侧限抗压强度也随之增大,且两者呈较明显的线性关系。7 d、28 d的固化土1压实度93%与100%之间强度分别相差0.93MPa、1.35 MPa;7 d、28 d的固化土2压实度93%与100%之间强度分别相差0.87MPa、1.41MPa。

②在实际施工过程中,综合考虑道路使用性能要求、实际施工能力和经济性,建议尽可能增加固化土的密度,压实度至少控制在96%以上。

图5 TZ酶加固土无侧限抗压强度试验结果(恒温恒湿)

1.2.2 击实试验

由表2可以看出:

1)掺加泰然酶、石灰或水泥对泥土的最大干密度和最佳含水率的影响不大,仅使素土的最佳含水率、最大干密度最大变化0.5%。

2)改变级配对泥土的最大干密度、最佳含水率的影响较大,如泰然酶加固级配土的最大干密度比素土分别增大0.527%、0.452%;最佳含水率分别降低5.9%、5.4%。

表2 土样标准重型击实试验结果

1.2.3 CBR试验

1)掺加泰然酶对加固土CBR值的影响见图6～图8。

图7 加固土1的CBR值与干密度的关系

素土添加泰然酶后,CBR值有了明显的提高。在相同击实次数和龄期的条件下,泰然酶加固土的CBR值较素土增加2～5倍左右,最高达5.11倍。对同一泰然酶加固土,它的强度随龄期增长而增长,前期增长较快,28 d后CBR增长变慢。

图8 加固土2的CBR值与干密度的关系

2)分别掺加4%石灰、水泥的对比试验见图9～图12。

图9 土样1的CBR值与龄期的关系

图10 石灰、水泥土1的CBR值与干密度的关系

图11 土样2的CBR值与龄期的关系

由以上试验结果可知:采用石灰和水泥加固2种土时,其CBR值有13%～73%不同程度的提高。采用泰然酶加固石灰和水泥土时,其CBR值增大2～3倍,因为2种土并非完全相同,所以酶的加固效果稍有差别。

图12 石灰、水泥土2的CBR值与干密度的关系

1.2.4 轮碾试验

采用HDCZ-02-08S型车辙试验仪进行常温加载试验,在试块养生的最后一天,进行抗压强度试验,试验结果见表3。

表3 抗压强度结果一览表

通过模拟行车荷载对泰然酶固化土强度的影响试验表明,试件的无侧限抗压强度随着轮碾作用次数的增加,固化土的无侧限抗压强度都有一定的增长,说明一定的交通量有利于泰然酶固化土强度的增长。相同加载次数时,随着龄期的增长,固化土28 d的无侧限抗压强度较7 d有一定的增长。

1.2.5 回弹模量检测

由PFWD检测结果(图13、图14)可知:掺加泰然酶的试样回弹模量显著大于不加酶的试样;且随着龄期的增长,固化土28 d的回弹模量较7 d时有一定的增长。说明泰然酶对土壤有良好的加固效果,可以增大土壤的回弹模量,提高道路的承载能力。

1.2.6 渗透试验

由表4可知,土体的渗透系数随着压实度的增大而呈现非线性曲线形式减小,即压实度越大时,渗透系数越小。且随着压实度的提高,这种变化趋势的幅度减小。泰然酶加固土的渗透系数比相同龄期的素土最高减小了57.7倍。渗透系数随着龄期的增加而降低,龄期越长渗透系数减小的速率越小,说明泰然酶可以显著地降低泥土的渗透系数,改善泥土的水稳定性。

图13 土样1的龄期与回弹模量的关系

图14 土样2的龄期与回弹模量的关系

表4 泰然酶加固土1渗透系数变化表

2 工程应用研究

2.1 试验路概况

为了验证泰然酶应用于公路建设的可行性,修筑了长约3 km试验路。地形、周围环境、道路路基状况较复杂。存在以下几种不同的路况:农田水塘旁路堤路段、大面积新填补路基、塘顶高填方路基、近水位路基等;原道路的排水系统,大部分已失去作用,大部分的涵管堵塞。

2.2 泰然酶固化层施工工艺

2.2.1 作业面质量准备

按设计要求及公路质量检验评标准要求,应在泰然酶固化层施工前进行路床检测,经检测合格后,方可进入下一步施工工序。

2.2.2 物料拌和、堆放闷料

1)搅拌拌和调试。

测试混合料土体含水率ω/%:取代表性粘土、石粉和连砂石,按土∶石粉∶连砂石为1∶1∶1配方,试烧混合配方土的当前含水率ω/%。

按以下浓度配制泰然酶稀释溶液少量试配:r=1/30×(ωop-ω-2%)m0×1 000

式中:ωop为混合土体的最佳含水率,%;m0为混合土体的最大容重,(103kg/m3);r为加酶溶液浓度。

按下式计算每斗物料拌和材料配比:

粘土=33.3%×T;

石粉=33.3%×T;

连砂石=33.3%×T;

使装载机手可比较准确地完成按比例喂料的工作。

泰然酶溶液添加量:W=(T/30)/r

式中:T为强制搅拌机单次拌和物料的方量。

按上面的计算值开机进行2次试搅拌,试搅拌后对含水率进行抽样检测。根据抽样检测结果,调整泰然酶溶液浓度与溶液添加量,使其同时满足:物料含水率与最佳含水率的误差小于2%,每1 L泰然酶原液固化处理混合料25～30 m3。

2)拌和、闷料。

按调试好的数据,大量配制泰然酶稀释溶液,可将拌好的物料,堆放在料场合适的地方闷料,不得在可积水的低洼位置堆料,每堆物料应大于15m3,堆顶无积水凹型,并把握好料堆间的距离。通常,拌和时间为1.5～2min。保证拌和的均匀性和含水率的要求。

3)物料摊铺。

拌和合格的物料运送到作业面后,采用人工摊铺、整平,摊铺高度为28 cm。加定道路中桩,交叉拉广线,精确整理路型。同时,对高程、宽度、横坡、纵坡进行复核,符合要求后进入下道工序。

4)碾压。

泰然酶固化土基层碾压须选择良好的施工天气进行碾压。铺料后,当物料的含水率接近最佳含水状态时,按以下步骤进行操作:

先用18 t振动压路机静压1～2遍,对道路局部鼓包、凹陷、物料离析等现象作处理;再振动碾压2～4遍,达到压实并振动提浆,为最后收光作好准备;然后使用三轮平动压路机,静压4～6遍,压实结构层上部,收光道路表面。使路面质量达到合格要求。

5)养生。

泰然酶固化层施工完成待表面干燥后,连续10 d在早上和下午喷洒1/3 000的泰然酶溶液进行养生,并适当碾压。同时可以合理安排施工顺序,用运料车对已经铺筑好的泰然酶固化层的碾压养生。

2.3 现场试验检测

2.3.1 弯沉检测

铺筑基层28 d后,课题组对试验路泰然酶固化层和对比试验段进行了贝克曼梁弯沉检测,检测方法按照《公路路基路面现场测试规程》(JTJ 059-95)进行。

从表5中数据可以看出,铺筑泰然酶加固土后其承载能力得到明显提高,通过现场检测还发现,随着龄期的增加,泰然酶加固土的实测弯沉值明显减小,前期减小较快,后期减小较慢,90 d后趋于稳定。说明泰然酶能有效改善土壤的工程性质,对土壤的加固效果较为显著。

表5 路面基层测试结果

2.3.2 压实度检测

由检测结果(图15)可知,泰然酶固化层压实度主要分布范围为97%～99%,占总样本的46.9%,个别测点的压实度甚至可以达到103%以上;4%石灰+泰然酶固化段的压实度主要分布范围为97%～101%,占总样本的90%;4%水泥+泰然酶固化段的压实度主要分布范围为97%～101%,占总样本的80%。

图15 压实度频率统计图

2.4 经济效益分析

采用生物酶固化的道路在造价上具有明显的优势,下面对泰然生物酶固化道路和采用的传统方法进行经济比较,见表6。

表6 经济比较

生物酶固化的道路在造价上具有明显的优势。与石灰、水泥和碎石为主要材料的传统半刚性基层相比,泰然生物酶固化土具有很好的路用性能,泰然生物酶加工时能耗小,节约资源和能源,不污染环境,施工工艺简单,完全可以替代传统的固化材料。

3 结语

1)本研究说明使用泰然酶固化土技术是可行的,且造价低廉、工艺简单,具有积极的推广应用价值。

2)泰然酶加固土存在最佳剂量的问题,通过室内无侧限抗压强度试验表明,泰然酶剂量到0.6 m L/10 kg土以后,随着泰然酶剂量的进一步增大,生物酶固化土的强度增长很小。

3)通过对泰然酶加固土进行的一系列室内试验研究可知,泰然酶加固土的CBR值较素土增加3～5倍;泰然酶加固土养生7 d以后回弹模量达到400 MPa以上,泰然酶加固土的抗渗透性能是同龄期的素土的57.7倍,说明泰然酶加固土具有较高的强度和水稳定性,泰然酶对土壤有很好的稳定固化作用。

4)通过现场弯沉和压实度检测可知,随着龄期的增加,泰然酶加固土的实测弯沉值明显减小,前期减小较快,后期减小较慢,90 d后趋于稳定;而泰然酶固化层压实度主要分布范围为97%～99%,说明泰然酶能有效改善土壤的工程性质,对土壤的加固效果较为显著,能够满足道路的设计和使用要求。

5)与水泥稳定砂等传统筑路材料和方法相比,泰然酶加固土强度高、成本低、养护简单、稳定性高、无污染,真正做到了强基薄面,具有显著的经济效益和社会效益。

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