生物酶土壤固化劑的研究應用進展

黃泓翔 丁一帆

(1重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074;2浙江大學寧波理工學院， 浙江 寧波 315100)

0 引言

土壤固化劑通常可以直接膠結在土壤顆粒表面上或與粘土礦物反應形成膠凝材料，通過離子結合、水化反應、生物反應等在一定程度上提高土體的耐水性、強度與彈性、致密性等性能。科學家們觀察到亞馬遜叢林螞蟻的分泌物固化叢林中的土壤來修筑蟻巢，且其高度達至1—2米。亞馬遜的洪水能摧毀大多數建筑，卻不能夠破壞蟻巢。因而得出了運用生物酶來對土體進行固化的猜想。

1 生物酶的基本性能

生物酶類土壤固化劑是從植物中提取的一種液態生物復合酶。該材料以液態形式摻到土內，造成土體的密實。土體在壓實操作后，強度提高，抗滲性增大，板結能力強，不僅應用于筑路、基礎加固領域，還逐步將其擴伸至堤壩、垃圾與污泥資源化應用等領域，取得了一些有別于傳統土壤固化材料（例如石灰、水泥等）的效果，并且快速應用于美國、歐洲、非洲等的一些國家和地區，因此在工程技術領域得到越來越多的關注。常見的生物酶土壤類固化劑有 TERRAZYME，PERMAZYME，ROADBOND等產品。

2 生物酶的加固機理

國外Scholen（1992）在報告美國交通部聯邦公路管理局時，指明固化時是有某種物質和粘土的結構進行交換反應，而此物質則由酶類固化劑與有機分子的結合提供，然后粘土雙電層結構破碎，水排出，使土壤顆粒團聚，繼續進一步團粒化以膠結。相應地固化劑可以附著于黏土礦物的內外區域以阻止吸附水分。Raul（2005）等的研究結果支持Scholen的看法，認為一些酶能夠被附著于粘土結構的內部，和各種金屬陽離子進行交換作用，也可以隨著土壤電解液被輸送。生物酶不僅能夠使土壤中的多種菌類更加活躍，還可以釋放氫離子，在土壤顆粒表面會有一個非常明顯的PH值梯度，極大地改變了土壤的原始結構，造成滲透性的降低，以提高抗滲透性。而在國內研究較少。報道錯誤！未找到引用源。稱酶是一種生物催化劑，只需要少些數量就可以加速催化反應。在理想的情況下，酶的質量在反應前后是守恒的，所以生物酶固化劑在土層中進行固化作用后能持續地發揮著效果。湯彥等總結了相關研究成果，認為泰然酶對土的固化機理主要表現為：離子交換作用增強土顆粒間粘結，表面活性劑改善粘土、水界面的表面特性以及壓實作用提高土體強度等。

3 生物酶固化試驗研究

國外對生物酶固化土的研究始于20世紀80年代，Scholen（1992）基于美國多個公路項目的數個試驗段測試結果，研究了四種生物酶固化土的工程特性，證實了生物酶固化土作為路面基層的可行性。Dandin（2014）以泰然酶為固化劑對印度黑棉土進行了固化研究，分析了不同固化劑摻量、不同養護齡期對固化土液塑限、無側限抗壓強度、壓實性、CBR（加州承載比）和耐久性等工程特性的影響，結果表明固化土不僅顯著地提升了強度，而且塑限和最大干密度都有一定程度地增加，但是液限、塑性指數與最優含水率降低。

我國自1995年首次引入生物酶固化路基技術后，工程技術人員與研究人員就開始了相關的應用研究。2000年新疆使用派酶土壤固化劑，經實踐后得出選取派酶加固天然砂礫能有效地提升基層的無側限抗壓強度，從而減少路面結構層的厚度，減小土方量;同時能夠節省大約20%的施工用水，也適用于鹽漬土，基層的透水能力非常低，可有效地防止路基凍脹和翻漿。解瑞松（2006）采用泰然酶對陜西低液限黏土進行了固化研究，針對試驗過程中發現的固化土水穩定性不足的現象，添加其它外加劑進行綜合處理，有效改善了固化土的水穩定性。

4 生物酶的優點及展望

傳統的以水泥石灰為主的高鈣類固化建材雖然對土的固化效果不錯，但其使用對環境的影響較大，會對以后農作物的生長造成影響，不利于環境保護。而作為對比的是，生物酶土壤固化劑作為一種酶，其作用在于催化，自身及固化后均沒有毒害，還擁有如下優點：

（1）與已有的筑路材料相比明顯具有無污染、固化強度高、施工簡捷、降低投資成本等優點。

（2）用量節省，性價比高。1 L酶可以處理約30 m3土體，在綜合造價上都較傳統筑路材料有巨大的經濟優勢。

（3）防滲性好。相比傳統基層高30倍左右，大大提高了道路的使用壽命。經測試，用派酶處理過的路基，其滲透系數小于

（4）適用層面廣。據國外試驗得知，生物酶可以適用大部分的土質，但是為了能夠最大限度地發揮效果，土體應該具有一定的黏性。適用于路基、坪基，垃圾處理、防滲、基礎加固等領域。

生物酶固化劑作為一種新型高科技生物制劑，自出現以來，就表現出顯著的價格和環保優勢，它既不會像水泥、石灰那樣發生一系列的化學反應，也不需要水的養護就能達到理想的效果，因此一定會受到愈加廣泛的關注。當前，國外對于生物酶的應用領域很廣，但是現階段各種酶的研發都是具有針對性的，只有對應某一種類型的酶才有一個顯著的固化效果，沒有一種酶可以完全適用于各種土壤，可以想象的是，生物酶固化劑一定會出現有適用于大多數土壤的固化劑，隨著國內建設行業的發展，這種環保型的產品必定受到歡迎，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]孟子龍.生物酶固化技術在道路基層中的應用研究[D].長沙理工大學.2012

[4]湯邦彥,蔣余靜.生物酶技術在低等級公路中的應用[J].交通標準化.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]陳厚軍,王秋麗."鋪而滿"土壤固化酶在新疆公路應用之初探[J].中國水運,2010,10(8):204

[7]解瑞松.泰然(TerraZyme)土壤穩定酶的應用與改良技術研究[D].長沙理工大學,2006