生物酶类土壤固化剂的固化机理及进展综述

任睆遐 夏艳波 何振华 邓新宇 张艺馨

摘要：生物酶土壤固化剂是一种有别于传统筑路建材与传统固化剂的高效环保型材料。了解生物酶当前发展背景，研究分析生物酶改良土的改良机理，并通过比较传统固化剂的优缺点，阐述生物酶的特点和优势，分析生物酶固化剂的经济效益以及应用前景，对今后土壤固化剂的发展方向进行展望。

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.

关键词：生物酶;土壤固化;经济效益

Key words： biological enzyme;soil solidification;economic benefit

中图分类号：U414                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）21-0248-02

0  引言

目前，我国已经有很多研究生石灰、水泥、粉煤灰、以及木质素等传统固化剂对土壤进行改良分析[1-3]。木质素由于其结构的复杂性以及物理化学性质的不均一性等性能缺陷，未能得到充分的实践应用;消石灰的减水性较弱，对过湿土壤含水量降低效果不明显，达到设计压实度所需剂量较多，不经济，且拌合量不易把握，容易出现拌合不均匀现象，路基的强度与稳定性得不到保证，运输过程较难;生石灰具有较强的减水能力，但施工作业时间要求严格，不易把控;粉煤灰较消石灰与生石灰的吸水能力较弱，且强度提高不明显，工艺复杂[4]。生物酶因其高效、环保、无污染且施工工艺简单的特性，在国外得到了广泛的应用，近年来在国内也开始崭露头角。生物酶是无毒、无污染的蛋白质多酶氨基酸产品，有效减少土壤水分，显著提高土壤密度和承载力。生物酶土壤固化剂和现有的筑路材料以及传统固化剂相比，它具有良好的路用性能和低成本优势，加上环保无污染的简易施工技术，可作为基层农村公路使用，也可作为干线公路的底基层使用，世界上已有多个国家成功地在公路建设中广泛应用它。本文在前人的研究基础上，通过比较不同土壤固化剂改良土壤的优劣，分析了生物酶土壤固化剂较传统固化剂的优势和前景。

1  生物酶固化剂研究现状及机理

1.1 生物酶固化剂的研究现状  生物酶加固技术在国外土木工程建设领域，特别是在道路建设领域已得到初步应用。生物酶主要研究成果有：Terrazyme、Permazyme、Alkazyme等。Manu A S等[5]研究结果表明添加不同剂量的Terrazyme（泰然酶）可以降低黑棉土的液塑限，提高土壤强度。Aye Nyein Thida等[6]研究证明泰然酶可有效提高土壤UCS（无侧限抗压强度）和CBR（加州承载比值）。Pradeep Singh Sodhi等[7]利用Alkazyme加固土壤，并与原土进行了比较，试验证明：Alkazyme改良效果较好，经济效益高，且酶掺用量与土壤类型决定了土壤的改良程度。生物酶加固土壤技术在国外已有較多研究与应用，但在我国尚处于起步阶段。生物酶从1995年开始引入我国，各地学者开始对不同类型生物酶展开研究调查。戴北冰等[8]从微观角度研究生物酶加固土壤的本质，指出生物酶分子与土壤中粘土矿物分子相互作用产生的胶结效应是生物酶固土效应的主要原理。张心平等[9]通过将Permazyme与石灰、水泥分别掺入土中进行对照试验，得出Permazyme提高土体的稳定性效果更强。罗晓光等[10]研究结果显示生物酶改良土的压实度、CBR值、弯沉以及回弹模量均满足工程要求。王超等[11]采用数值分析方法对生物酶改性土在动力加载作用下的动力特性进行了分析，得出改性后的路面强度与稳定性更高的结论。文畅平等[12]通过三轴固结排水试验，计算分析生物酶掺量对南水模型各参数的影响，提出了基于生物酶掺量的修正南水模型能更好的反应生物酶掺量对膨胀土的弹塑性应力-应变关系等。

1.2 生物酶固化机理  生物酶土壤固化剂是以活的植物细胞为原料制成的土壤固化剂，具有良好的固结性和稳定性。通过它的催化作用，粘土中大量的有机大分子可以结合形成中间反应酶。该物质被粘土离子取代吸附，从而削弱土壤颗粒的吸水能力，降低其亲水性，对水产生屏蔽作用，形成防水土层，通过压实，使土壤在压实后失去再吸水的能力，并且即使在压实后再加水也不会影响土体压实后的机械效益[13]。反应是微米级的，湿物质和粘土大小的细小颗粒的存在是必不可少的。粘土的存在是必不可少的，因为形成的键将这种大小的颗粒结合在一起。通过增加土的密度，提高土的强度和稳定性，可以有效地降低土的膨胀性，并且能有效改善粉质路基因车辆动荷载引起的液化现象，延长道路的使用寿命。

每种生物酶都会促进其他分子内部或之间的化学反应，酶在这些反应中性质是保持不变的。它们充当其他分子的宿主，从而加快了正常的化学反应和物理反应的速度。这种酶可以使土壤材料变得更容易湿润和更致密，它们改善了土壤颗粒之间的化学结合，创造了更持久的结构，更能抵抗风化、渗水和磨损。由于生物酶能在土壤中长期保持活性，且具有改变土壤基质的能力，受自然环境影响较小，适应性较强从而能保证固化土壤的长期效果，安全性较高。

2  经济效益与实用性分析

赵清华、曹林琳等[14-18]将生物酶土壤固化剂应用到工程实际中，在造价上具有显著的优势，下面对采用生物酶固化道路和采用传统方法的经济效益进行比较，见表1。

从表1中可以得到：以上四个现场施工情况说明相较于传统的筑路材料水泥混凝土和水泥稳定砂，采用生物酶固化层的每公里筑路所需费用都明显减少，由于筑路造价降低，能有效缓和贫困地区筑路困难问题，也为国家经济发展政策的实施提供了方便。

目前，我国道路基层填料改良大多采用石灰、水泥这类无机类土壤固化剂进行改良，价格相对昂贵，路基改良时易产生扬尘，长期施工情况下，易改变土体pH值，对周围环境以及工作人员和居民身体健康有极大的影响。生物酶固化剂种类多，适用土类范围广，不仅能有效利用自然资源，且节能环保，具有良好的前景。国内相关室内外试验研究增多，得到针对不同土类最佳生物酶剂量的研究结果，将有利于加快生物酶土壤固化剂投入更多的工程实践中。王昌衡[19]等通过室内和现场试验证明了泰然酶在低等级公路上改良的实用性。李国栋[20]等通过室内试验研究，得出帕尔玛酶能提高公路基层抗压强度、抗烈性、抗冻性等路用性能。吴冠雄[21]通过固化土壤的室内外试验，研究得到了生物酶固化上最佳配合比，不同级配和不同材料组成对改良效果的影响，为将生物酶广泛投入应用的道路设计和施工方案提供技术建议和指导。

由于我国的生物酶土壤固化剂还在发展阶段，相关研究较少，且生物酶土壤固化剂主要是由国外引进，引进价格较高，若能将生物酶土壤固化剂的研究开发投入国内生产，不仅仅只是应用在公路工程上，加固的原理在边坡的防护以及河堤、沟渠等工程都可以运用，将能大大降低工程成本，以及推动生物酶土壤固化剂在我国的发展。

3  结语

①生物酶通过与粉土中的有机物发生反应形成胶结物来减小渗透性并提高土体强度，环保无污染，相较于传统固化剂具有明显的优势，符合当代环境友好型社会发展要求。②与传统筑路材料和改良方法相比，生物酶加固土具有强度高、造价低、养护简单、稳定性好等特点，有明显的社会效益和经济效益，能有效的减少贫困乡村公路建设的费用，未来通过试验和研究将生物酶固化土壤推广到城市道路建设以及经济紧张的贫困山区，具有广泛的应用前景。

参考文献：

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