泰然酶固化剂固化土壤的试验研究

李　威

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙　410114)



泰然酶固化剂固化土壤的试验研究

李威

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙410114)

摘要：介绍了国内外采用泰然酶固化剂对原状土壤进行改良的研究情况，通过实验，分析研究了固化剂掺量对抗压强度、CBR值等的影响，对最佳掺量的选择提供了参考，并进行了经济技术分析，为泰然酶的推广应用提供了依据。

关键词：土基加固； 泰然酶； 掺量； 抗压强度； CBR

0引言

一般而言土壤的承载能力改良方法主要是依靠水泥或石灰来对土的性能进行改良，而在生产和使用水泥、石灰的过程中消耗了大量能源，造价较高，且对环境的污染严重。同时施工过程中难与土壤拌合均匀。所以很有必要找出一种既能够像水泥和石灰一样改良土壤承载力性能又环保、经济且便于施工的新型土壤改良材料。泰然酶是一种能够很好地改善土壤性能的固化剂，它不仅绿色环保而且经济实用。与此同时在改良原状土路基的力学性能方面有着出色的表现，主要体现在其改良土的承载力增加较大，同时提高其水稳定性。

1国内外的研究情况

泰然酶为棕褐色水溶性液体，使用时用水稀释，最小稀释比为1∶500。早在20世纪初，国外就开始了对生物酶加固土进行研究。美国的Nature Plus Inc生产的TerraZyme，在泰然酶应用技术中产生了广泛的影响。主要用应于一级公路、二级公路、乡村公路、停车场等。马来西亚棕榈研究院用泰然酶对土壤稳定效果的研究持续了3 a，表明用此方法可以降低75%的筑路成本，路况在四个季节都能保持良好[1]。同时在英国、日本、德国、南非等国家对泰然酶加固土壤进行了深层次的研究，并有较完善的技术体系，在实际工程中得到了广泛的应用。

近些年在国内有较多研究人员着手研究将生物酶应用于土壤改良。国内某些科研单位和高校从美国、日本等引进理论与技术再根据本国国情对其进行研究。较早开始用生物酶改良土壤是黑龙江农场总局交通局采用的ENDURAZYME生物酶进行的土壤改良，和内蒙古采用PERMAZYME土壤酶进行的现场试验研究。在2000年河北迁安采用PERMAZYME泰然酶对乡村公路进行固化[2]。2004年在陕西的铜川市用泰然酶固化技术修筑了西固和阿庄2条试验路一共10 km。2006年长沙理工大学的解瑞松对泰然酶的应用与改良技术进行了系统的研究，并从宏观到微观深入地研究了泰然酶的作用机理[3]。2014年，河北省把泰然酶固化土壤技术应用到官厅湖环湖公路，并取得成功。东南大学、浙江大学、西安交通大学等高校也对其进行了一系列的研究。

现在越来越多的人重视这项技术，研究的人也越来越多，也推动了这项技术在国内的快速发展。

2泰然酶固化剂的作用机理

采用泰然酶作为土壤的固化剂是缘于大自然中生物对土壤的固化作用，亚马逊河域的丛林中蚂蚁采用它们自身的分泌物对土壤进行固化修筑巢穴，其高度可达1～2 m，在洪水的冲击下大部分建筑都被冲垮而蚁穴却没被冲毁，人们由此得到了启发。泰然酶土壤固化剂是一种催化剂，它加速了土体矿物间原本存在的细微化学反应的反应速率[4]。土壤中的有机大分子在泰然酶的催化作用下原来基本保持稳定的有机分子开始变得异常活跃，且粘土粒子间进行离子交换，生成物在土壤表面形成一道防水屏障，从而削弱了土壤吸附水的能力，使土壤不再有吸水膨胀的倾向。再通过机械作用对土体压实，使土体间大部分的水分和气体排出，同时在土颗粒之间生成一种具有粘接作用的有机膜，这样使得土颗粒与土颗粒粘在一起，土壤的强度和稳定性大幅提高，且不易受水的影响[5]。

3泰然酶固化土的室内试验分析

3.1试验样土的物理参数

试验样土取自桃江县里家屋红黏土土样来进行室内试验。土的物理性能指标见表1。

表1 里家屋红黏土物理性能指标土样类别天然含水率w/%湿密度ρ/(g·cm-3)天然重度/(kN·m-3)塑性指数Ip粘聚力C/kPa压缩模量/MPa有机质/%里家屋红黏土38.41.4817.818.41.283.063.12

3.2泰然酶最佳用量的确定

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)试验规程，对试验用土掺不同量的泰然酶进行无侧限抗压强度试验。实验结果见表2，数据分析见图1。

表2 不同泰然酶掺量7d、28d里家屋红黏土样无侧限抗压强度值土样龄期/d不同泰然酶的用量(mL/10kg土)时的无侧限抗压强度/MPa00.50.60.70.80.91.0里家屋红黏土70.561.131.351.421.451.511.53280.681.381.651.821.841.881.90

图1　不同泰然酶掺量7 d、28 d里家屋红黏土样无　　　侧限抗压强度值曲线

由上表可得：当土中不加泰然酶时是加泰然酶0.5 mL/10 kg土时无侧限抗压强度的1/2左右，随着泰然酶加入量的增加土体的无侧限抗压强度也随之增加，从泰然酶0.4～0.7 mL/10 kg土含量的增加，7 d或28 d的土体无侧限抗压强度增长较快，而从泰然酶0.7～1.0 mL/10 kg土含量的增加，7 d或28 d的土体无侧限抗压强度增长较慢。因此从力学性能和经济方面综合考虑认为泰然酶的含量为0.7 mL/10 kg土时效果最优。

3.3加酶与不加酶无侧限抗压强度对比试验

确定了泰然酶的最佳用量后，再对加酶与不加酶土样进行不同击实数的7 d、28 d的无侧限抗压强度试验。试验分为两类，每类做3组平行试验。见图2，表3，表4，图3。

从上面的数据可以看出击实次数从30～98次，不管加酶与否，无侧限抗压强度都增加。未加泰然酶的土体随击实次数的增加，7 d无侧限强度为0.21～0.56 MPa，强度偏低，而28 d无侧限抗压强度为0.32～0.76 MPa，强度在7 d的基础上有所提高。在加入泰然酶后土体随击实次数的增加，7 d无侧限抗压强度为1.08～1.65 MPa，28 d无侧限

图2　为液压压力机在测定试件的无侧限抗压强度

表3 未加酶及加酶试件7d、28d无侧限抗压强度试验结果试样配方每层击实数养生条件无侧限抗压强度/MPa7d28d1里家屋红黏土1(未加酶)985030自然养生0.560.680.300.490.210.322里家屋红黏土2(未加酶)985030自然养生0.530.760.320.530.280.333里家屋红黏土3(未加酶)985030自然养生0.540.870.370.640.220.424里家屋红黏土1(加酶)985030自然养生1.381.851.551.641.211.335里家屋红黏土2(加酶)985030自然养生1.481.891.331.761.261.556里家屋红黏土3(加酶)985030自然养生1.451.831.341.531.181.21

表4 里家屋红黏土平行试验试件不同击实数无侧限抗压强度均值表每层击实数未加酶试样1、2、3加酶试样4、5、6无侧限抗压强度均值/MPa无侧限抗压强度均值/MPa7d28d7d28d300.2370.5371.2161.363500.3300.5531.4071.643980.5430.7701.4371.857

图3　里家屋红黏土未加酶和加酶时平行试验　　　试件不同击实数无侧限抗压强度均值

抗压强度为1.21～1.89 MPa，由此可见加了酶的比没加酶的7 d、28 d无侧限抗压强度增长都近3倍。因此从提高土体的无侧限抗压强度的角度来分析泰然酶对提高土体的无侧限抗压强度作用明显。

3.4CBR试验

加州承比(CBR)是评价土基承载能力的指标，通过对泰然酶加固土的CBR试验来评价泰然酶对土壤的加固效果是一种很有效的评价方法[6]。具体数据及数据分析图分别见表5，表6，图4。

由上可知：

1) 土样的CBR值受击实次数和泰然酶的影响。

表5 未加酶与加酶试件CBR试验结果试样试样每层击实次数干密度/(g·cm-3)压实度/%CBR值/%1里家屋红黏土(未加酶)981.7310075.3501.6698.561.4301.6196.451.52里家屋红黏土(未加酶)981.7110076.2501.6798.660.5301.5897.153.13里家屋红黏土(未加酶)981.7810075.8501.6598.361.1301.6097.052.04里家屋红黏土+酶981.80100112.7501.7198.2105.2301.6697.192.55里家屋红黏土+酶981.79100116.3501.7198.4103.6301.6597.293.16里家屋红黏土+酶981.81100118.5501.7297.2104.6301.6796.692.7

表6 里家屋红黏土未加酶和加酶时平行试验试件不同击实数CBR均值每层击实次数未加酶试样1、2、3号CBR均值/%加酶试样4、5、6号CBR均值/%3052.2092.775061.00104.479875.77115.83

图4　里家屋红黏土未加酶和加酶时平行试验试件　　　不同击实数CBR均值曲线图

2) 当每层击实为30次时，加泰然酶土样比没加泰然酶土样的CBR值增加了40%。当每层击实为50次时，加泰然酶土样比没加泰然酶土样的CBR值增加了43%。当每层击实为98次时，加泰然酶土样比没加泰然酶土样的CBR值增加了40%左右。由此可得加泰然酶试样的CBR值比未加泰然酶的CBR值要提高40%左右，则泰然酶能够使土样的CBR值有较大的提高，相应土基的回弹模量也随之提高。

3) 土样在加酶与未加酶的情况下，随着击实次数的增加其CBR值都会增加。在未加酶的情况下，击实次数从30次增加到50次时，其CBR值增加8%左右，击实次数从50次增加到80次时，其CBR值增加14%左右。在加酶的情况下，击实次数从30次增加到50次时，其CBR值增加12%左右，击实次数从50次增加到80次时，其CBR值增加11%左右。所以可得出随着击实次数的增加，加酶与否对CBR的增加值影响不大。

4工程应用

4.1施工准备

对所需修建的路基采用路拌法施工，对原路面破坏严重的地方进行简单的修复。在原路面刨剃出2%的横坡。抽样检测土样的含水率，并使其土样的含水率小于需要加固土最佳含水率的2%～3%。

4.2土体施酶及拌和

对现场土样含水率测定以后，计算所需的用水量，再根据室内试验得出的结论泰然酶固化剂的掺量为0.7 mL/10 kg土，制成泰然酶固化剂的水溶液。泰然酶固化剂用喷洒装置对干拌和达到要求的料堆进行喷洒，边喷洒边用机械对土体进行单向往复推进，速度宜稍快，避免在此过程水分的过度蒸发。

4.3摊铺与整平

摊铺的厚度一般为30 cm，摊铺时应对原路喷洒适量的水进行润湿。摊铺时留一定的松铺厚度且注意预留2%的横坡，然后用压路机按两边向中间的方法先静压2遍再振压3遍，最后再静压2遍。严禁压路机在路上调头或急刹，确保固化层表面不受破坏及保证平整度良好。

4.4养生

路基压实成型以后，应当及时进行养生，养生期为一周左右，养生期间每天用1∶3 000的泰然酶水溶液对路面进行喷洒。养生期间允许轻型车辆通行，禁止重载车辆通行。

4.5试验检测及评价

在养生期结束后，对泰然酶固化后的路基按 《公路路基路面现场测试规程》(JTJ059-95)进行贝克曼梁弯沉检测，检测结果见表7。

表7 路面贝克曼梁弯沉检测结果路基类型代表弯沉值/(0.01mm)土基未固化236.3泰然酶固化后7d 78.5泰然酶固化后30d62.6泰然酶固化后60d60.3泰然酶固化后90d59.7

1) 由表7可知土基在没有经过泰然酶固化时的代表弯沉值达到200(0.01 mm)以上，当经过泰然酶固化后的代表弯沉值降到100(0.01 mm)以下，且在30 d后代表弯沉值慢慢趋于稳定。

2) 经泰然酶固化的土壤比没经固化的代表弯沉值要小得多，说明泰然酶对土壤的固化效果明显。

5泰然酶应用的经济性分析

工程造价的多少往往能够制约着一种新的研究成果能否在实际工程中的应用。泰然酶固化剂是一种既环保又节省的新型固化材料。 ①从材料费方面计算，泰然酶改良土的主要原料为天然土，这样就省去了常规路用材料碎(砾)石、砂、水泥等材料的费用。 ②从运费方面计算，土一般是原地取材这样就节省了常规材料碎(砾)石、砂、水泥等材料的运输费用。 ③从施工费用方面计算，泰然酶改良土所用机械比常规施工所用机械更简单，所以施工成本也略有减少。

用泰然酶固化剂加固15 cm厚度的土路基，每公里的费用大概是6.6万元，而采用15 cm厚的水泥砼板所需的费用大概是16万元。若采用15 cm泰然酶固化土+稀浆封层罩面大约需要11万元，而采用15 cm水泥稳定基层+沥青表处大约需要22万元。由此可见采用泰然酶改良土壤能节约一半左右的成本。

6结语

通过对泰然酶的室内试验研究表明：

1) 使用泰然酶进行固化的土体无侧限抗压强度比未经泰然酶处理的土体无侧限抗压强度提高2～3倍。

2) 每种土质对泰然酶有一个最佳掺量，本条路的最佳掺量为0.7 mL/10 kg土。

3) 使用泰然酶处理过的土样，其CBR能在原来的基础上提高40%左右。

4) 击实次数也是影响土样CBR的一个重要因素，随着击实次数的增加，土样的CBR值相应得到提高。

5) 采用泰然酶固化剂能大幅节约筑路成本，既环保又经济。

参考文献：

[1] Tremblay H，Duchesne J，Locat J.Influence of the Nature of Organic Compounds on Fine Soil Stabilization with Cement[J].Canadian Geotechnical Testing Journal，2002，39(3)：535-546.

[2] 陈湘亮.泰然酶(TerraZyme)固化土技术在乡村公路中的应用研究[D].长沙：湖南大学，2007.

[3] 解瑞松.泰然(TerraZyme)土壤稳定酶的应用与改良技术研究[D].长沙：长沙理工大学，2006.

[4] Hilary Inyang David Work and AnandPuppala.porosity Fluctuations in Desiccating Samples of Gout-Stabilized Soil[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2006(6)：12-16.

[5] 孟子龙.泰然酶固化技术在道路基层中的应用研究[D].长沙：长沙理工大学，2012.

[6] 邓学均.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2005.

文章编号：1008-844X(2016)02-0081-05

收稿日期:2015-12-17

作者简介:李威( 1988-) ，男，硕士，研究方向: 道路与铁道工程。

中图分类号：U 416.1

文献标识码：A