泰然酶固化土料的特性及工程应用

罗 斌

(湖南交通职业技术学院， 涯南 长沙 410132)

泰然酶固化土料的特性及工程应用

罗 斌

(湖南交通职业技术学院， 涯南 长沙 410132)

泰然酶是一种与传统公路建筑材料完全不同的新材料。使用泰然酶固化土壤具有无污染，高强度，高水稳定性和低成本的突出优点。介绍了泰然酶的基本性质和机理，通过对其工程应用的实验测试和分析，进一步阐述泰然酶固化技术在湖南农村公路建设中的适用性，为开发泰然酶土壤固化技术的推广应用提供了依据和参考。

公路工程； 泰然土壤固化酶; 土料固化技术; 固化效果

在最近的20 a里，为了提高民用建筑如公路、铁路和路堤路基的稳定，并在建设中取得经济效益，一些发达国家，特别是美国已经在新材料生物土壤稳定剂的研究。通过研究，取得了非常实用的生物稳定化技术，并将多种生物酶产品应用于低等级公路建设[1,2]。这种生物酶是从植物发酵中获得的。掺入这种生物酶的土壤可以压实容易，并具有更好的强度和稳定性，具有显著的低渗透压实效果。更重要的是，与传统的路基和表面相比，这种生物稳定技术在工程造价方面有较大的优势。

泰然土壤固化酶(以下简称泰然酶)是由设在美国的Nature Plus公司生产的液体化合物酶产物，泰然酶是一种生物酶促土壤稳定剂，对原料要求较低，适应性和路用性能较好。泰然酶固化土技术在工程项目中的应用有很多优点，并且成功地惠及了全球30多个国家。到目前为止，泰然酶固化土技术已经应用于黑龙江、陕西和内蒙古等地区的工程建设[1,3-5]。然而，泰然酶的影响在很大程度上受到当地气候、土壤性质和交通载荷条件等的限制，在湖南潮湿多雨地区，对泰然酶固化土的路用性能要求更高[4-6]。基于湖南省气候、地质、材料供应和环境的特点，本文研究泰然酶固化机理和工程特点，为类似项目提供参考。

1 泰然酶的性质和稳定机制

泰然酶是从甘蔗的茎或根提取。它是黑褐色无毒液体，密度为1.00～1.08 g/cm3左右,pH围绕4.30～5.30(略酸性物质)，沸点是 212 ℃，极易溶于水，无毒，使用时用水稀释，最小稀释比为1∶500。

泰然酶是一种生物催化剂，当土壤中加入非常少量生物酶时可以极大地加速化学反应。该生物酶由植物的活细胞形成，通过其催化，存在于粘土中的有机大分子产生中间体酶，将被粘土离子取代和吸收，结果可以降低粘土颗粒的水力传导系数，并且粘土颗粒表面上的水膜的厚度也将相应地减小[3]。这样，粘土的结构改变，就意味着土壤的膨胀系数减少，与此同时也进行另一防水过程，在压实之后，土壤颗粒将变得更致密并实现稳定化。

根据已有研究成果，泰然酶对土的要求如下： ①级配： 泰然生物酶与土中粘性颗粒发生稳定性反应。通过2 mm筛的细颗粒至少为15%，至少含有6%的粘土。②液塑限: 液限应小于50%，且塑性指数为5%～30%。③pH值: 土的pH值最好为4.5～9.5[3,4]。

2 泰然酶固化土的工程特性

2.1 原材料

1) 试验用典型土料。选取试验路用代表性的2种土料，分别标记为素土1和素土2，根据《公路土工试验规程》(JTG E40 — 2007)，进行筛分试验、液塑限试验、标准击实等试验，确定其基本物理性质如表1。表1的试验结果表明，2种土料都为低液限粘土，满足泰然酶对土质的要求，使用泰然酶有良好的固化效果[3]。

2) 固化剂： 采用泰然土壤固化酶。

表1 土料的基本物理性质

3) 水泥。采用湖南省湘乡生产的32.5#普通硅酸盐水泥，经室内试验其主要物理性能满足规范要求[7]。

2.2 泰然酶固化土配比的确定

本文泰然酶固化土的配比设计，采用典型土料，拟定泰然酶固化土配比，进行标准击实试验和无侧限抗压强度试验，结合工程经济性，确定泰然酶最佳剂量，为泰然酶固化土路用性能的研究和试验段的铺筑确定最佳配比。

对于选用的2种土料，本次试验分别采用剂量为0、0.04、0.05、0.06、0.07 、0.08 mL/kg泰然酶和3%水泥等6种泰然酶固化土配比，其中mL/kg单位为泰然酶固化土中泰然酶剂量单位，表示每1 kg干土中掺加泰然酶的用量(mL)，水泥的含量为占干土的质量百分比。通过泰然酶固化土标准击实试验，试验结果见表2、表3。表2、表3的试验结果表明，掺入3%水泥对土料的最大干密度、最佳含水量有所提高，掺入不同剂量泰然酶+3%水泥的混合料与仅掺3%水泥混合料的最大干密度和最佳含水量基本没有区别，因此可认为在试验初期混合料中泰然酶用量的增减对土料的最大干密度和最佳含水量影响很小。

表2 泰然酶固化土1标准重型击实试验结果

表3 泰然酶固化土2标准重型击实试验结果

在选用的2种土料的最佳含水量时，选用剂量为0.04、0.05、0.06、0.07和0.08 mL/kg泰然酶和3%水泥等5种泰然酶固化土配比，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51 — 2009)相关规定，采用静力压实法制备泰然酶固化土试件，试件尺寸采取Φ100 mm×100 mm，在试件压实度为95%和自然养生、恒温恒湿2种养生条件下养生7 d、28 d后，采用无机结合料稳定材料试验方法进行泰然酶固化土无侧限抗压强度试验。7 d、28 d泰然酶固化土1和泰然酶固化土2的无侧限抗压强度试验结果如图1、图2。

图1、图2试验结果表明，在恒温恒湿和自然养护2种养生模式和7 d、28 d这2个龄期下，随着泰然酶剂量的增加，泰然酶固化土的无侧限抗压强度增长变化较快，当泰然酶剂量达到0.06 mL/kg后，随着泰然酶剂量的进一步增加，泰然生物酶加固土无侧限抗压强度增长幅度变缓。当泰然酶剂量达到0.06 mL/kg时，泰然酶固化土1和泰然酶固化土2的7 d无侧限抗压强度代表值分别为2.74 MPa和2.60 MPa。参照《公路路面基层施工技术规范》(JTJ 034 — 2000)中关于水泥稳定土的7d无侧限抗压强度标准，掺入0.06 mL/kg泰然酶固化剂和3%水泥的泰然酶固化土，即可满足二级和二级以下公路基层的技术要求(2.5 MPa)[7]。

图1 泰然酶固化土1无侧限抗压强度试验结果

图2 泰然酶固化土2无侧限抗压强度试验结果

对于所采用2种典型土料，在综合考虑泰然酶固化土的强度和工程经济性基础上，实际应用时，推荐本次试验泰然酶固化土配合比如表4。

表4 泰然酶固化土配合比

2.3 泰然酶固化土的物理力学性能

根据表4所示试验路配合比制作试件，在试件压实度为95%情况下，进行泰然酶固化土的无侧限抗压强度试验、抗压回弹模量试验、渗透试验、水稳定性试验、劈裂强度试验等室内试验[8-10](试验结果如表5～表7)，评价泰然酶固化土的力学特性、水稳定性能、收缩性能，确定施工工艺和质量控制指标以指导施工。

表5 泰然酶固化土力学试验结果

表6 泰然酶固化土水稳定性试验结果

表7 泰然酶固化土收缩性试验结果

表5～表7中的测试表明，添加泰然酶可以显著提高2种土壤的强度，并大大缩短了稳定时间。另一方面，泰然酶稳定土在其水稳定性、收缩以及抗裂性方面具有更好的性能。完全满足道路工程的要求。测试数据表明，泰然酶为典型的土壤提供了非常好的凝固性能，因此它可以完全替代传统的稳定剂。

3 泰然酶固化土技术的工程应用研究

3.1 试验路概况

为验证泰然酶在公路建设中的应用可行性，本文选取湖南省双峰县青树镇金陵村典型农村公路为试验样本。建立1条1 km长的泰然酶固化土试验路和另一条1 km长含4%水泥稳定砂砾为比较的路段。村内现有的道路是一条5 km的砂石路，经过复杂的地形、环境以及路基。整个路基的占地宽度从4 m到6 m不等。在这整条道路上，两侧都有农田和水池，道路上现有的大多数排水系统不工作或阻塞。这条道路的交通流量主要是拖拉机和小型车，由于村里的建设活动，偶尔有20 t车。

根据当地的道路条件、生产生活基础和施工方法，决定采用在原路基上加铺3%水泥+0.06 mL/kg泰然酶固化土基层、8 mm厚稀浆封层，2 cm厚沥青表处面层。考虑到泰然酶固化土1的固化效果更理想，选择土样1作为泰然酶固化土基层的土料，采用装载机作业的路拌法施工。

3.2 泰然酶固化土基层施工工艺

3.2.1 作业面质量准备

1) 按施工前的设计要求对路基进行检查。下一个程序可以在检查路基是否合格时进行。

2) 首先全断面开挖原路基，经翻拌破碎、超宽布料，现场喷洒泰然酶溶液，并湿拌、找平、压实；然后加铺泰然酶固化土层，保证路面有效宽度内充分压实；最后反挖水沟。

3.2.2 泰然酶物料拌和

1) 拌合场： 在本实验中，用装料机制备矩形场。材料被装载机适当地滚动和混合。移动材料20～25 m远的形状，其宽度为装载机的1.5倍。在混合材料旁边准备泰然酶稳定剂。另备一根约20 m长的水管。

2) 土壤样品： 从每块土壤中取40 m3土壤作为样品，测试当前含水量。

3) 干式拌合： 通过挖掘机以往复方式推动土壤。在施用泰然酶溶液之前，完全推动并混合整个土壤以使其松散和均匀。

4) 泰然酶溶液的制备：在进行湿拌合步骤之前，按照设计以适当的比例制备泰然酶溶液。

5) 湿式拌合： 将一定量的制备的泰然酶溶液喷洒到干式拌合土中，装载机重复上述步骤3，使混合物完全混合，使整个混合物的颜色均匀。水含量应比最佳含水量低2%。

6) 材料固化： 将湿混合混合物固化6～12 h，使材料变得松动和潮湿。固化时间可根据实际天气条件和含水量进行调整。

7) 二次拌合： 根据设计规定的标准将水泥加入固化的混合物中。在实际施工现场使用的水泥的实际用量应比实验室使用的水泥高0.5%～1%。在这个阶段，确保整个混合物已经充分混合，没有结块或其他不合格的情况。继续向混合物中加入泰然酶溶液，以控制其含水量不比最佳含水量大2%。

3.2.3 泰然酶物料摊铺

将拌和合格的泰然酶土壤运输到指定工作区域，采用人工摊铺和平整土壤，拟铺设在道路上的材料应铺设宽度大于道路宽度。每个铺路层的厚度应符合现场测量的松散铺路材料的系数。同时根据设计的高度，在道路两侧各摊铺50 cm素天然土路肩。重新检查压实强度、高度、宽度和土壤的坡度。只有在检查上述工作合格后，才能进行下一个工序。

3.2.4 泰然酶物料碾压

泰然酶固化土层的压实应在良好的天气条件下进行。当其含水量接近最佳含量时，进行以下工作：使用18 t振动压路机静态压实1～2次，以消除隆起、凹陷、偏析或其他不规则性。其次，振动压实2～4次，同时将浆料提取到表面准备最后的精加工。最后使用光轮压路机完全压实其上部结构4～6次，并根据需要完成表面收光。

3.2.5 养生

当泰然酶稳定层完成并且其表面完全干燥时，在表面上喷洒1/3 000 泰然酶溶液，每天2次，持续10 d。同时，材料运输卡车可以适当地安排在完成的泰然酶稳定层上行驶，以进一步固化。

3.3 泰然酶固化土技术的固化效果评价

为了全面检测试验路状况，进行了载重18 t的汽车运营荷载试验，并按照《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60 — 2008)方法对试验路和对比试验路段进行了弯沉、压实度检测，评价泰然酶固化路段效果，现场弯沉和压实度检测结果如表8。

1) 在表8中，在现场测试中获得的数据表明具有泰然酶稳定性的道路具有显著低的回弹弯沉值和更好的压实和装载性能。这意味着泰然酶可以改善土壤性质的工程目的和加强土壤的稳定。泰然酶的优点还导致在压实之后提供更高的道路强度和硬化表面。

2) 另一方面，由18 t卡车进行的载荷试验表明，在实验过程中，符合相关道路建设规范和标准的实验道路保持良好状态和平坦。在卡车测试之后，在路面上没有出现空洞或凹槽。因此，可以得出结论，泰然酶稳定技术的应用是可行的，并在农村道路上有良好的表现。

3.4 泰然酶固化土技术的经济效益分析

泰然酶固化土技术在道路建设的成本效益方面具有显著的优势。从本文的实验结果来看，泰然酶固化道路的成本为(13.5～13.9)万元/km，而在同等条件下，使用4%水泥稳定砾石基层的成本为(18～19)万元/km。与传统的固化技术相比较，使用泰然酶固化技术可以节省25%～30%的成本[3～5]。而且利用泰然酶进行固化可以就地取材，不污染环境。

4 结论

1) 泰然酶固化技术的低成本和简单的工艺流程是实用的。建议在潮湿和多雨地区的农村道路中应用这项技术。

2) 不同土质的泰然酶固化性能在不同的土壤中不同，根据实验，试验路土样1比土壤2有更好的固化性能。固化土中存在最佳泰然酶剂量问题，对室内无侧限抗压强度试验测试表明，随着泰然酶剂量的增加，无侧限抗压强度将更快地增加，然而，增加到一定量时，无侧限抗压强度将会缓慢变化。可以得出结论，添加0.06 mL/kg泰然酶固化剂和3%水泥是土壤的最佳比例，满足二级及以下道路路基的技术规范和要求[7]。

3) 泰然酶可以大大提高施工土壤的性能，对土壤固化效果显著。泰然酶稳定剂可以为土壤提供更高的强度，更好的水稳定性，收缩性和抗劈裂性能，满足设计和使用要求。作为具有较好的稳定固化性能的稳定剂，泰然酶稳定剂可以完全替代传统的稳定剂。

4) 泰然酶改善土壤的密度、渗透性和致密性，以加强土壤的承载能力和路面的完整性。与传统的稳定材料和方法相比，泰然酶稳定路基在硬度、水稳定性、成本低、维护方便、对环境无害等方面具有突出的优势[3]。泰然酶稳定技术是农村道路的更好的解决方案，通常面临着艰难而复杂的建设条件。因此，它可以带来巨大的社会和经济回报，并有广泛应用前景。

5) 在农村公路建设中，泰然酶稳定固化技术需要坚实的路基和良好的排水条件。建议现场处理土壤混合物，并应用挖掘和回填整条道路的施工过程，并在以后建立排水系统。在固化期，应向表面喷洒足够的酶溶液，并用卡车进一步压实道路，碾压要充分，严格控制压实度，保证施工质量。

[1] Sheldon. R. Murphy. TerraZyme soil instructions [M]. New York: Nature Plus,2000.

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[7] JTJ 034 — 2000,公路路面基层施工技术规范[S].

[8] JTG E51 — 2009,公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].

[9] JTG E40 — 2007,公路土工试验规程[S].

[10] JTG 052 — 2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

2017-04-02

罗 斌(1973-)，男，副教授，硕士，研究方向：岩土工程。

1008-844X(2017)02-0102-04

U 416.212

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