生物酶土壤固化剂的研究应用进展

黄泓翔 丁一帆

(1重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074;2浙江大学宁波理工学院， 浙江 宁波 315100)

0 引言

土壤固化剂通常可以直接胶结在土壤颗粒表面上或与粘土矿物反应形成胶凝材料，通过离子结合、水化反应、生物反应等在一定程度上提高土体的耐水性、强度与弹性、致密性等性能。科学家们观察到亚马逊丛林蚂蚁的分泌物固化丛林中的土壤来修筑蚁巢，且其高度达至1—2米。亚马逊的洪水能摧毁大多数建筑，却不能够破坏蚁巢。因而得出了运用生物酶来对土体进行固化的猜想。

1 生物酶的基本性能

生物酶类土壤固化剂是从植物中提取的一种液态生物复合酶。该材料以液态形式掺到土内，造成土体的密实。土体在压实操作后，强度提高，抗渗性增大，板结能力强，不仅应用于筑路、基础加固领域，还逐步将其扩伸至堤坝、垃圾与污泥资源化应用等领域，取得了一些有别于传统土壤固化材料（例如石灰、水泥等）的效果，并且快速应用于美国、欧洲、非洲等的一些国家和地区，因此在工程技术领域得到越来越多的关注。常见的生物酶土壤类固化剂有 TERRAZYME，PERMAZYME，ROADBOND等产品。

2 生物酶的加固机理

国外Scholen（1992）在报告美国交通部联邦公路管理局时，指明固化时是有某种物质和粘土的结构进行交换反应，而此物质则由酶类固化剂与有机分子的结合提供，然后粘土双电层结构破碎，水排出，使土壤颗粒团聚，继续进一步团粒化以胶结。相应地固化剂可以附着于黏土矿物的内外区域以阻止吸附水分。Raul（2005）等的研究结果支持Scholen的看法，认为一些酶能够被附着于粘土结构的内部，和各种金属阳离子进行交换作用，也可以随着土壤电解液被输送。生物酶不仅能够使土壤中的多种菌类更加活跃，还可以释放氢离子，在土壤颗粒表面会有一个非常明显的PH值梯度，极大地改变了土壤的原始结构，造成渗透性的降低，以提高抗渗透性。而在国内研究较少。报道错误！未找到引用源。称酶是一种生物催化剂，只需要少些数量就可以加速催化反应。在理想的情况下，酶的质量在反应前后是守恒的，所以生物酶固化剂在土层中进行固化作用后能持续地发挥着效果。汤彦等总结了相关研究成果，认为泰然酶对土的固化机理主要表现为：离子交换作用增强土颗粒间粘结，表面活性剂改善粘土、水界面的表面特性以及压实作用提高土体强度等。

3 生物酶固化试验研究

国外对生物酶固化土的研究始于20世纪80年代，Scholen（1992）基于美国多个公路项目的数个试验段测试结果，研究了四种生物酶固化土的工程特性，证实了生物酶固化土作为路面基层的可行性。Dandin（2014）以泰然酶为固化剂对印度黑棉土进行了固化研究，分析了不同固化剂掺量、不同养护龄期对固化土液塑限、无侧限抗压强度、压实性、CBR（加州承载比）和耐久性等工程特性的影响，结果表明固化土不仅显著地提升了强度，而且塑限和最大干密度都有一定程度地增加，但是液限、塑性指数与最优含水率降低。

我国自1995年首次引入生物酶固化路基技术后，工程技术人员与研究人员就开始了相关的应用研究。2000年新疆使用派酶土壤固化剂，经实践后得出选取派酶加固天然砂砾能有效地提升基层的无侧限抗压强度，从而减少路面结构层的厚度，减小土方量;同时能够节省大约20%的施工用水，也适用于盐渍土，基层的透水能力非常低，可有效地防止路基冻胀和翻浆。解瑞松（2006）采用泰然酶对陕西低液限黏土进行了固化研究，针对试验过程中发现的固化土水稳定性不足的现象，添加其它外加剂进行综合处理，有效改善了固化土的水稳定性。

4 生物酶的优点及展望

传统的以水泥石灰为主的高钙类固化建材虽然对土的固化效果不错，但其使用对环境的影响较大，会对以后农作物的生长造成影响，不利于环境保护。而作为对比的是，生物酶土壤固化剂作为一种酶，其作用在于催化，自身及固化后均没有毒害，还拥有如下优点：

（1）与已有的筑路材料相比明显具有无污染、固化强度高、施工简捷、降低投资成本等优点。

（2）用量节省，性价比高。1 L酶可以处理约30 m³土体，在综合造价上都较传统筑路材料有巨大的经济优势。

（3）防渗性好。相比传统基层高30倍左右，大大提高了道路的使用寿命。经测试，用派酶处理过的路基，其渗透系数小于

（4）适用层面广。据国外试验得知，生物酶可以适用大部分的土质，但是为了能够最大限度地发挥效果，土体应该具有一定的黏性。适用于路基、坪基，垃圾处理、防渗、基础加固等领域。

生物酶固化剂作为一种新型高科技生物制剂，自出现以来，就表现出显著的价格和环保优势，它既不会像水泥、石灰那样发生一系列的化学反应，也不需要水的养护就能达到理想的效果，因此一定会受到愈加广泛的关注。当前，国外对于生物酶的应用领域很广，但是现阶段各种酶的研发都是具有针对性的，只有对应某一种类型的酶才有一个显著的固化效果，没有一种酶可以完全适用于各种土壤，可以想象的是，生物酶固化剂一定会出现有适用于大多数土壤的固化剂，随着国内建设行业的发展，这种环保型的产品必定受到欢迎，其前景一片光明。

[1]Scholen,D E.Non-standard stabilizers[R].Washington D C:FHWA,1992:4

[2]Raul V,Mihai O M,Ray H,et al.Preliminary laboratory investigation of enzyme solutions as a soil stabilizer. Minnesota department of transportation research services section.2005,Final report:1

[3]孟子龙.生物酶固化技术在道路基层中的应用研究[D].长沙理工大学.2012

[4]汤邦彦,蒋余静.生物酶技术在低等级公路中的应用[J].交通标准化.2011(23)

[5]Dandin S,Hiremath S.A study on some geotechnical properties of bio-enzyme stabilized expansive soil[C].Proceedings of Indian Geotechnical Conference IGC-2014,2014,India

[6]陈厚军,王秋丽."铺而满"土壤固化酶在新疆公路应用之初探[J].中国水运,2010,10(8):204

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