生物酶土壤固化筑路技術應用研究

曹林琳,李躍軍

(1.湖南省郴寧高速公路建設開發有限公司,湖南郴州 423000; 2.湖南省交通科學研究院,湖南長沙 410015)

0 前言

目前,我國公路建設突飛猛進,投資巨大。路面基層多采用以石灰、粉煤灰、水泥和碎石為主要材料的半剛性基層,隨著公路建設的發展,對砂、石等建筑材料的用量也越來越大,使這些自然資源日漸貧乏,其開采對自然環境的破壞也越來越嚴重。因此,不斷開發和利用一些新的建筑材料,建設環境友好型、資源節約型公路,具有十分重要的現實意義。

泰然酶(TerraZyme),全稱泰然生物催化酶土壤固化劑,是美國Nature Plus,Inc.生產的高科技液態復合酶制品,屬于生物酶類土壤固化劑,它是一種完全不同于傳統道路建材的革命性新型系列筑路材料,一種生物高科技產品。該類土壤酶由植物發酵而成,以溶解狀態摻入土中,使土體密實。土體經壓實、養生后,土體強度提高,滲透性下降,板結效果好。泰然酶筑路技術已在在歐洲、美洲等三十多個國家的公路建設中成功推廣使用。

采用生物固化技術修筑的路基路面與傳統水泥和石灰等固化材料相比,其優勢主要表現在:①路用性能好:泰然酶對土壤有很好的穩定固化作用,完全可以替代傳統的固化材料,泰然酶固化土可以作為農村公路基層,也可用于干線公路、高速公路的底基層;②造價低廉:與傳統筑路技術相比,泰然酶固化筑路技術可節約資金30%左右,具有顯著的經濟效益和社會效益;③施工工藝簡單:不需專門的施工機械,廠拌及路拌法施工都滿足質量要求,施工速度快;④環保無污染:泰然生物酶固化劑生產不排污,無污染,稀釋后的固化劑溶液無毒、無害。生物酶筑路技術大幅度減少石灰、水泥用量,從而節約資源、能源,減少CO2排放,有利于生態環境保護。

1 室內試驗研究

通過系統的室內試驗,研究了不同土質、不同配比、不同壓實度、不同齡期等情況下的泰然酶加固土CBR值、無側限抗壓強度、回彈模量、滲透系數等路用性能及其影響因素。

1.1 原材料

1)泥土:課題組選取試驗路代表性的2種土樣,進行了顆粒分析、液塑限、標準擊實等試驗,其基本物理力學性質見表1所示。

2)固化劑:采用泰然(Terrazyme)土壤固化酶。

3)砂礫、卵石:采用天然砂礫、卵石,天然砂礫的最大粒徑為15mm,卵石的最大粒徑為48mm。

表1 土樣的基本物理力學性質

4)水泥:采用湖南湘鄉水泥有限公司生產的32.5#普通硅酸鹽水泥。

5)石灰:本試驗采用長沙當地生產的消石灰。

1.2 試驗內容

1.2.1 無側限抗壓強度試驗

1)泰然酶固化土無側限抗壓強度試驗。

泰然酶固化土壤時存在最佳劑量的問題,泰然酶用量在最佳劑量時,泰然酶固化土的加固效果最好,因為無側限抗壓強度是評價穩定材料路用性能的一個非常重要的指標,所以泰然酶的最佳劑量由無側限抗壓強度值來確定(見圖1,圖2)。

圖1 TZ酶加固土1無側限抗壓強度試驗結果

圖2 TZ酶加固土2無側限抗壓強度試驗結果

在齡期7 d、28 d時,TZ酶固化土1和土2的強度開始都呈明顯上升階段,到0.6m L/10 kg土以后,強度開始變平緩,說明酶的劑量的增加對土強度的影響不大,取0.6 mL/10 kg土是酶與2種土作用的最佳劑量,以下摻加泰然酶進行試驗時,均采取此劑量進行試驗。

2)石灰土、水泥土對比試驗。

由圖3和圖4可知,隨著摻量的增大,分別養生7 d、28 d的石灰土、水泥土的強度均呈上升趨勢,但未出現峰值,結合設計要求和經濟要求,決定進行室內試驗時石灰、水泥的最佳摻量都為4%。

3)固化土無側限抗壓強度與壓實度的關系(見圖5)。

圖3 石灰土劑量與無側限抗壓強度關系

圖4 水泥土劑量與無側限抗壓強度關系

①試驗結果表明,隨著壓實度的增加,固化土的無側限抗壓強度也隨之增大,且兩者呈較明顯的線性關系。7 d、28 d的固化土1壓實度93%與100%之間強度分別相差0.93MPa、1.35 MPa;7 d、28 d的固化土2壓實度93%與100%之間強度分別相差0.87MPa、1.41MPa。

②在實際施工過程中,綜合考慮道路使用性能要求、實際施工能力和經濟性,建議盡可能增加固化土的密度,壓實度至少控制在96%以上。

圖5 TZ酶加固土無側限抗壓強度試驗結果(恒溫恒濕)

1.2.2 擊實試驗

由表2可以看出:

1)摻加泰然酶、石灰或水泥對泥土的最大干密度和最佳含水率的影響不大,僅使素土的最佳含水率、最大干密度最大變化0.5%。

2)改變級配對泥土的最大干密度、最佳含水率的影響較大,如泰然酶加固級配土的最大干密度比素土分別增大0.527%、0.452%;最佳含水率分別降低5.9%、5.4%。

表2 土樣標準重型擊實試驗結果

1.2.3 CBR試驗

1)摻加泰然酶對加固土CBR值的影響見圖6～圖8。

圖7 加固土1的CBR值與干密度的關系

素土添加泰然酶后,CBR值有了明顯的提高。在相同擊實次數和齡期的條件下,泰然酶加固土的CBR值較素土增加2～5倍左右,最高達5.11倍。對同一泰然酶加固土,它的強度隨齡期增長而增長,前期增長較快,28 d后CBR增長變慢。

圖8 加固土2的CBR值與干密度的關系

2)分別摻加4%石灰、水泥的對比試驗見圖9～圖12。

圖9 土樣1的CBR值與齡期的關系

圖10 石灰、水泥土1的CBR值與干密度的關系

圖11 土樣2的CBR值與齡期的關系

由以上試驗結果可知:采用石灰和水泥加固2種土時,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時,其CBR值增大2～3倍,因為2種土并非完全相同,所以酶的加固效果稍有差別。

圖12 石灰、水泥土2的CBR值與干密度的關系

1.2.4 輪碾試驗

采用HDCZ-02-08S型車轍試驗儀進行常溫加載試驗,在試塊養生的最后一天,進行抗壓強度試驗,試驗結果見表3。

表3 抗壓強度結果一覽表

通過模擬行車荷載對泰然酶固化土強度的影響試驗表明,試件的無側限抗壓強度隨著輪碾作用次數的增加,固化土的無側限抗壓強度都有一定的增長,說明一定的交通量有利于泰然酶固化土強度的增長。相同加載次數時,隨著齡期的增長,固化土28 d的無側限抗壓強度較7 d有一定的增長。

1.2.5 回彈模量檢測

由PFWD檢測結果(圖13、圖14)可知:摻加泰然酶的試樣回彈模量顯著大于不加酶的試樣;且隨著齡期的增長,固化土28 d的回彈模量較7 d時有一定的增長。說明泰然酶對土壤有良好的加固效果,可以增大土壤的回彈模量,提高道路的承載能力。

1.2.6 滲透試驗

由表4可知,土體的滲透系數隨著壓實度的增大而呈現非線性曲線形式減小,即壓實度越大時,滲透系數越小。且隨著壓實度的提高,這種變化趨勢的幅度減小。泰然酶加固土的滲透系數比相同齡期的素土最高減小了57.7倍。滲透系數隨著齡期的增加而降低,齡期越長滲透系數減小的速率越小,說明泰然酶可以顯著地降低泥土的滲透系數,改善泥土的水穩定性。

圖13 土樣1的齡期與回彈模量的關系

圖14 土樣2的齡期與回彈模量的關系

表4 泰然酶加固土1滲透系數變化表

2 工程應用研究

2.1 試驗路概況

為了驗證泰然酶應用于公路建設的可行性,修筑了長約3 km試驗路。地形、周圍環境、道路路基狀況較復雜。存在以下幾種不同的路況:農田水塘旁路堤路段、大面積新填補路基、塘頂高填方路基、近水位路基等;原道路的排水系統,大部分已失去作用,大部分的涵管堵塞。

2.2 泰然酶固化層施工工藝

2.2.1 作業面質量準備

按設計要求及公路質量檢驗評標準要求,應在泰然酶固化層施工前進行路床檢測,經檢測合格后,方可進入下一步施工工序。

2.2.2 物料拌和、堆放悶料

1)攪拌拌和調試。

測試混合料土體含水率ω/%:取代表性粘土、石粉和連砂石,按土∶石粉∶連砂石為1∶1∶1配方,試燒混合配方土的當前含水率ω/%。

按以下濃度配制泰然酶稀釋溶液少量試配:r=1/30×(ωop-ω-2%)m0×1 000

式中:ωop為混合土體的最佳含水率,%;m0為混合土體的最大容重,(103kg/m3);r為加酶溶液濃度。

按下式計算每斗物料拌和材料配比:

粘土=33.3%×T;

石粉=33.3%×T;

連砂石=33.3%×T;

使裝載機手可比較準確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為強制攪拌機單次拌和物料的方量。

按上面的計算值開機進行2次試攪拌,試攪拌后對含水率進行抽樣檢測。根據抽樣檢測結果,調整泰然酶溶液濃度與溶液添加量,使其同時滿足:物料含水率與最佳含水率的誤差小于2%,每1 L泰然酶原液固化處理混合料25～30 m3。

2)拌和、悶料。

按調試好的數據,大量配制泰然酶稀釋溶液,可將拌好的物料,堆放在料場合適的地方悶料,不得在可積水的低洼位置堆料,每堆物料應大于15m3,堆頂無積水凹型,并把握好料堆間的距離。通常,拌和時間為1.5～2min。保證拌和的均勻性和含水率的要求。

3)物料攤鋪。

拌和合格的物料運送到作業面后,采用人工攤鋪、整平,攤鋪高度為28 cm。加定道路中樁,交叉拉廣線,精確整理路型。同時,對高程、寬度、橫坡、縱坡進行復核,符合要求后進入下道工序。

4)碾壓。

泰然酶固化土基層碾壓須選擇良好的施工天氣進行碾壓。鋪料后,當物料的含水率接近最佳含水狀態時,按以下步驟進行操作:

先用18 t振動壓路機靜壓1～2遍,對道路局部鼓包、凹陷、物料離析等現象作處理;再振動碾壓2～4遍,達到壓實并振動提漿,為最后收光作好準備;然后使用三輪平動壓路機,靜壓4～6遍,壓實結構層上部,收光道路表面。使路面質量達到合格要求。

5)養生。

泰然酶固化層施工完成待表面干燥后,連續10 d在早上和下午噴灑1/3 000的泰然酶溶液進行養生,并適當碾壓。同時可以合理安排施工順序,用運料車對已經鋪筑好的泰然酶固化層的碾壓養生。

2.3 現場試驗檢測

2.3.1 彎沉檢測

鋪筑基層28 d后,課題組對試驗路泰然酶固化層和對比試驗段進行了貝克曼梁彎沉檢測,檢測方法按照《公路路基路面現場測試規程》(JTJ 059-95)進行。

從表5中數據可以看出,鋪筑泰然酶加固土后其承載能力得到明顯提高,通過現場檢測還發現,隨著齡期的增加,泰然酶加固土的實測彎沉值明顯減小,前期減小較快,后期減小較慢,90 d后趨于穩定。說明泰然酶能有效改善土壤的工程性質,對土壤的加固效果較為顯著。

表5 路面基層測試結果

2.3.2 壓實度檢測

由檢測結果(圖15)可知,泰然酶固化層壓實度主要分布范圍為97%～99%,占總樣本的46.9%,個別測點的壓實度甚至可以達到103%以上;4%石灰+泰然酶固化段的壓實度主要分布范圍為97%～101%,占總樣本的90%;4%水泥+泰然酶固化段的壓實度主要分布范圍為97%～101%,占總樣本的80%。

圖15 壓實度頻率統計圖

2.4 經濟效益分析

采用生物酶固化的道路在造價上具有明顯的優勢,下面對泰然生物酶固化道路和采用的傳統方法進行經濟比較,見表6。

表6 經濟比較

生物酶固化的道路在造價上具有明顯的優勢。與石灰、水泥和碎石為主要材料的傳統半剛性基層相比,泰然生物酶固化土具有很好的路用性能,泰然生物酶加工時能耗小,節約資源和能源,不污染環境,施工工藝簡單,完全可以替代傳統的固化材料。

3 結語

1)本研究說明使用泰然酶固化土技術是可行的,且造價低廉、工藝簡單,具有積極的推廣應用價值。

2)泰然酶加固土存在最佳劑量的問題,通過室內無側限抗壓強度試驗表明,泰然酶劑量到0.6 m L/10 kg土以后,隨著泰然酶劑量的進一步增大,生物酶固化土的強度增長很小。

3)通過對泰然酶加固土進行的一系列室內試驗研究可知,泰然酶加固土的CBR值較素土增加3～5倍;泰然酶加固土養生7 d以后回彈模量達到400 MPa以上,泰然酶加固土的抗滲透性能是同齡期的素土的57.7倍,說明泰然酶加固土具有較高的強度和水穩定性,泰然酶對土壤有很好的穩定固化作用。

4)通過現場彎沉和壓實度檢測可知,隨著齡期的增加,泰然酶加固土的實測彎沉值明顯減小,前期減小較快,后期減小較慢,90 d后趨于穩定;而泰然酶固化層壓實度主要分布范圍為97%～99%,說明泰然酶能有效改善土壤的工程性質,對土壤的加固效果較為顯著,能夠滿足道路的設計和使用要求。

5)與水泥穩定砂等傳統筑路材料和方法相比,泰然酶加固土強度高、成本低、養護簡單、穩定性高、無污染,真正做到了強基薄面,具有顯著的經濟效益和社會效益。

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