酶石灰技術加快穩定軟土路基試驗研究

劉海鵬，陳冠一,2，楊和平 編譯

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114；2.廣東鴻高建設集團有限公司)

修建公路時，外借土或現場改良土均須滿足強度標準，改良現場土常用石灰、水泥和粉煤灰作添加劑。盡管石灰易制取成本低，且穩定土施工工藝簡單，但因對環境有害，如今在國外已不再大量采用(Little 1995；Najmiah 和 Razap，2007)。

中國土壤改良技術研究仍較薄弱，添加劑多采用石灰、水泥、粉煤灰及其這類材料的拌和物,近些年來雖也在引進、消化國外固化劑技術，并研制了TFISS等幾種新型固化劑，不過因制作工藝、成本等原因，其實用性較差無法大面積推廣。發達國家1980年就開始生物酶固土技術研究，并取得了良好經濟環保效益且得到國內外業界的認可，但中國將其引進至今只鋪筑了幾條生物酶固土低等級道路，其研究應用仍在起步階段，缺乏成型且適合中國國情的技術和施工工藝。近年來，深圳、東莞等沿海城市掀起了新一輪大規?！皣Ｔ礻憽睙岢?，同時為處置城市建筑渣土，采用了“推填擠淤”技術構筑陸域工作面，不少廢渣土因質量差，加之對海相淤泥需做加固處治，采用常規添加劑因污染環境被海洋局嚴控使用，給圍海造陸工程建設帶來極大困擾。隨著中國對海洋環境保護的日益重視，石灰固土過程中帶來的環境污染問題亟待解決。

國外最新研究認為,解決石灰固土污染環境的可行方案是加替代物——酶，以減少石灰的摻量。酶是環保型有機膠狀物質，因能被生物分解，可避免污染風險(Shankar等，2009；Shukla等，2003)，且土中摻酶還被證實能提高土路基的耐久性，目前國外研究正嘗試用酶部分替代石灰。大量試驗研究雖已完成并弄清了在其他鹽類或化學物質存在條件下土中摻石灰后形成的混合物性質，但至今在國內外未見有關酶石灰穩定土壤的研究報道。然而，已有許多個案研究(Vedula等，2002)說明酶自身就能改善土壤性質。該文目的是通過觀測經熟石灰、酶、酶石灰處治后各類型土的加州承載比值(CBR)的變化，分析酶石灰用于路基路面設計和建造的可能及經濟性。

1 穩定的方式

羅馬時代起，用石灰固土就是各項工程建設常用的傳統方法且從未完全消失，其機理是陽離子交換而并非火山灰反應的強化作用(Sherwood，1993)，Khalid和Rogers等認為石灰生成的硅酸鹽黏粒黏合劑改變了黏土表面礦物學特性，使土的塑性和持水能力降低而穩定性提高。但石灰穩定土有缺點，石灰碳化與硫酸鹽鹽反應隨齡期可導致黏結崩解。為消除該負面影響，已開展灰土中摻各類鹽及化學物質試驗并驗證有效添加劑為水泥、粉煤灰和稻殼灰。

該文重點研究酶在石灰固土中的作用。酶是種親水性有機催化劑，如條件對反應有利，將刺激某些化學反應(Choudalakis和Gotsis，2009)，但不會積極參與反應，故低濃度就足夠。與大型有機分子連接的酶添加劑會被黏土礦物的負表面電荷吸引，一旦土與酶緊密結合將失去再吸水能力，其力學性能提高 (Tingleet等，2007)。因石灰和酶用相同陽離子交換機制改善黏土特性，土中同時加石灰和酶(稱酶石灰)似乎可行，還需研究加固土的CBR值變化。

2 使用的材料和方法

所用土樣均是從萬神廟采購取自印度喀拉拉邦的一種高嶺土(取于同一深度)。石灰為喀拉拉邦巴爾卡德一采石場所產石灰。生物酶購自印度金奈，學名為泰然酶，是一種糖蜜中的提取物。

天然土風干1周，經人工破碎，過4.75 mm篩篩分后，保存于封閉室內大型敞口容器中，成為一類土樣；用75 μm篩濕篩另備兩組額外天然土樣，提取細粒加到兩組未篩分土中以增大黏粒含量，并命名含黏粒40%和60%兩控制土樣為C-40和C-60；此外還用到兩類土樣：購于薩吉夫和卡利卡特，分別產自特里凡得瑯和金奈黏土礦的高嶺土和鈉基膨潤土。高嶺土先用燒堿和水洗處理，過濾后所得的漿液在熔爐中噴灑干燥；膨潤土則經簡單碾磨處理去除水和易揮發物質(CO2)，并需磨成合適粒徑。表1、2分別為5種土樣和生物酶的基本性質，表1中高嶺土、膨潤土相對密度及縮限性質的微小異常源于它們為經化學處理的商業用品。

不同石灰摻量重塑樣是按印度標準確定的最佳含水率和最大干密度條件下制備，試樣在貼有標簽塑料袋內養生并置于干燥器中以防失水，分別完成1、2、3、4周養生后，測試無側限抗壓強度，取強度平均增幅最高樣的摻灰量為最佳摻量。用同樣方法確定酶和酶石灰最佳摻量。

表1 試驗土樣的工程性質

注：CH為高塑性黏土；MH為高塑性粉土。

表2 生物酶的性質

為研究CBR強度，按各最佳固化劑摻量和最佳含水率分別制備石灰、酶和酶石灰穩定土樣，經養生后測試各自的CBR值，分析不同固化劑對處治土CBR的影響。

3 天然土的試驗結果

無側限抗壓強度測試結果表明：3%的灰土比為最佳石灰摻量，與其他學者所做研究(Bell 1996，Eren和Filiz 2009，Kassim，2000)得到的最佳石灰摻量也相差無幾；同樣測得的天然土最佳酶摻量為80 mL/m3(Isaacetal等，2003)；最佳的酶石灰配比為酶70 mL/m3，灰土比為1.75%。

天然土養生與試驗期間，對石灰、酶及酶石灰加固土同樣按各自最佳含水率及固化劑摻量分別完成制樣、養生及CBR試驗。相比天然土，固化劑穩定土的CBR均有所提高。圖1為各養生周期分別用干、濕法測得4種土的強度增長，干法測得石灰土及酶土的CBR值比天然土的分別增高5倍和3倍，類似試驗也測得石灰土CBR增大達4倍(Modarres和Nosoudy，2015)，酶土CBR增大更是高達15倍(Rubensand和Sheldon，2002)。

由圖1可知:酶石灰穩定土的干法CBR測試值為天然土的6倍多。經2周養生，石灰及酶穩定土CBR值獲得的提高不足2倍；而酶石灰穩定土的干法CBR測試值則提高近4倍，濕法測試結果也有類似規律。因此，現試驗研究結果證實用酶石灰比僅用石灰或酶穩定土壤效果更顯著，可節約時間和建筑材料，推測經濟效益會更好。

圖1 不同固化劑摻量對天然土CBR的影響

圖2、3為未處治土和穩定土養生4周干法和濕法CBR樣的應力-貫入量關系曲線。

圖2 干法養生(28 d)天然土樣的應力-貫入量曲線

圖3 濕法養生(28 d)天然土樣的應力-貫入量曲線

由圖2、3可知：無論干、濕法條件酶石灰穩定土的CBR值均最大。干法條件下相同應變時，酶石灰穩定土比石灰穩定土能承受的荷載要大得多。但濕法條件下養生4周，石灰穩定土與酶石灰穩定土應力應變特性基本相同。

Ouhadi等(2014)研究了石灰對泥灰質黏土的影響并報告濕法測試CBR其值降低78%。該研究濕法條件下測得的CBR值降低：石灰穩定土為29%，酶穩定土近50%，酶石灰穩定土近32%。

該研究用3種固化劑穩定天然高嶺土效果相當好，石灰中摻酶比單用石灰對提高穩定土特性好?？杉僭O酶誘導的黏土顆粒聚集，通過陽離子橋接和氫鍵形成了黏土聚合物互聯網絡。以前有過類似機構報道：電泳陽離子酶導致高嶺土晶體結構發生陽離子交換并改變其反應性質(Tate和 Theng，1980)并使介入成為可能(Schnitzer 和 Kodama，1966)。

黏粒吸附酶蛋白使其改性(Pinck，1960；Franchi等，2003；Theng，2012)。酶主要與黏土基質連接而改變黏土分子，當反應結束又恢復到原來的形式，將改變的黏土重新連接 (Pfeiffer，1954)。新改性土與石灰結合時陽離子鍵加速形成，短期內完成強度增長，這也是因為改性土與石灰反應所需活化能低導致的。

4 控制土樣和黏土礦物的試驗結果

控制土樣采用黏粒礦物高嶺土和膨潤土。選高嶺土是因各試驗土中含有高嶺石礦物；選鈉基膨潤土是為模仿蒙脫土這種最大問題土的特性。而膨潤土中的鈉離子有望促進與石灰與酶中鈣離子的離子交換。

就控制土樣來說，其石灰、酶和酶石灰的最佳劑量保持與天然土樣相同。然而，就高嶺土和膨潤土礦物而言，各自的最佳劑量分別為6%+80 mL/m3，4%+70 mL/m3；2%+70 mL/m3;1%+70 mL/m3。養生后，石灰和酶石灰穩定控制土樣的稠度限界，因黏粒含量增加而顯示重大變化。對照土樣中的界限含水率發生顯著的變化。但像天然土一樣，各種穩定土的界限含水率受酶穩定的影響非常小。

圖4～7為經石灰、酶和酶石灰穩定土樣的CBR增長曲線。試驗結果表明：與石灰和酶穩定的情況相同，隨黏粒含量增多酶石灰的穩定效率提高。黏粒含量越多意味著改性的黏土越多，與石灰發生火山灰反應越劇烈，因而穩定土的強度就越高。但C-60的CBR增長系數比C-40的低(Che Mamat，2013)。

圖4 最佳摻量下不同固化劑處治C-40土的CBR變化

圖5 最佳摻量下不同固化劑處治C-60土的CBR變化

圖6 最佳摻量下不同固化劑處治高嶺土的CBR變化

圖7 用各最佳摻量固化劑處治的膨潤土CBR變化

圖4顯示C-40無論干、濕法試驗條件下，酶石灰穩定土的CBR均顯著提高。石灰穩定土即使干法測試，其CBR強度也相對較低。而酶穩定土的強度增長比酶石灰穩定小更多。雖所有穩定土接觸到水后CBR都會顯著降低，但水對酶穩定土的影響最大。

此次試驗，C-40獲得最高強度的是含有40%黏土細粒的控制土樣。對比圖4、5可看出：強度增長與黏粒含量不成正比。與C-40相比，用石灰、酶和酶石灰穩定C-60土的強度提高程度均較低。但所有固化劑穩定土中，酶石灰穩定土強度增長仍最大。與酶石灰穩定天然土特性類似，控制土樣也顯示強度增長率加快，且養生兩周內其強度增幅較大。

CBR試驗總的趨勢顯示，黏粒含量為35%～50%時，強度最大的提升與各種固化劑有關。黏粒含量過低時，因土中含大量未經處理的粉粒和砂粒，強度沒得到充分提高。此外，較低黏粒含量延緩了現場土的干燥(NLA，2004)。黏粒含量過大時，自絮凝膠粒(Cao等，2012)抑制了強度增長，將阻止固化劑與土粒間陽離子交換。此外，黏土含量較大的土養生易干燥(Ragassi，1995)，表現出低強度和高脆性。同樣，石灰穩定過程中，其最佳摻量隨黏土含量和黏土礦物而變化 (Trivedi等，2013)。但石灰穩定土中有酶存在時表明，只需唯一的最小石灰摻量即可達到必要的固化強度。因此，催化劑酶減少了高石灰百分比對環境的影響。

研究發現，黏粒含量不低于20%時酶石灰穩定土是有效的，并證明土中黏粒含量低于10%時可直接用生物酶穩定(Bergmann和Dimas，2000)。該文所推薦的穩定體系也適合10%黏粒含量的土。

研究表明，酶石灰穩定土在養生時不會像石灰穩定土那樣變得干燥，充分說明酶石灰穩定過程中只需非常低的水化熱。因此，用此法穩定的道路能抵抗路面交通荷載的磨損作用，避免出現道路路面的常見問題，如坑洞、破裂和軟化(Rubens和Sheldon，2002) ，因酶石灰可使穩定土更耐久。已證明酶穩定土還有防粉塵污染功效 (ShirSavkar和Koranne，2010)，此功能在酶石灰穩定土中也可發揮。

有關黏土礦物，酶石灰穩定的高嶺土顯示其最大CBR增長系數約為34，而用石灰或酶穩定時其增長系數分別為11和8。分析圖6中CBR的增長，表明酶石灰能有效改良高嶺土，且干、濕法條件下其強度增長的特性類似。

然而，酶石灰穩定膨潤土(圖7)則表現出非常低的CBR增長系數(小于1)。膨潤土緩沖能力低妨礙了高pH值黏性土的改良，而酶的存在也阻礙了土與石灰反應。因此，已證明用酶石灰去改良蒙脫土確無好的效果。且因膨潤土礦物的膨脹性，做濕法試驗也不大可能。

圖8～10為石灰、酶和酶石灰處治土的應力應變關系。

由圖8～10可知：相比石灰或酶穩定土，相同應變下酶石灰穩定土能承受更大應力，因而也證明酶石灰穩定土確比酶或石灰穩定土優越。

5 強度增長機理

分析測試數據可清楚看出，酶石灰能提高所有穩定土強度增長的速率，其機理是酶對黏土進行改性，改性后黏土與石灰相互作用，使處治土性質得到明顯改善，CBR試驗結果也是如此。石灰穩定土中，添加石灰僅幾天后，火山灰反應即產生硅酸鈣及鋁酸鈣水化物膠體，隨后水化物的結晶作用(Tran等，2014)將土顆粒黏結在一起而形成整體骨架結構(Bergado等，1996)。然而，當石灰和酶混合使用時，不僅避免了反應初始延時問題，且明顯提高了強度增長的速率。

圖8 最佳石灰摻量下不同類型土應力應變圖

圖9 最佳酶摻量下不同類型土的應力應變圖

圖10 最佳酶石灰摻量下不同類型土應力應變圖

酶石灰固化劑中存在唯一不確定因素是在高堿性石灰介質存在下酶的活性。極高或極低的pH/溫度值通常會導致大多數酶的活性完全喪失。但眾所周知，當酶-底物復合物形成時，酶在活性位點上的反應條件與其他位置完全不同。這樣，pH和溫度的變化就不會阻礙黏土的改性。當前的研究也可采用同樣假設，因為如果酶已經變性，觀察到的土樣改良情況可能就不會發生。此外，Pinck研究發現，即使在自然條件下，蛋白質/酶也能被黏土迅速吸收，高嶺土吸收酶的效果是蒙脫土的兩倍(1960)。因此，可以說酶石灰穩定土的主要機理是新形成的酶改性土及其他與石灰在較高反應速率下進行的反應(Mihai等，2005)。第二個機理涉及鋁酸鈣和硅鋁酸鈣與石灰的進一步反應，在酶R(OC2H4)nOH作用下，鈣離子取代現有的鋁離子而形成的更強化合物。

6 結論

單獨用酶或石灰穩定路基土的技術已廣泛采用,酶石灰穩定土卻是一種新的工藝技術，室內測試試驗結果表明：用酶石灰固化劑可提供更快、更好的穩定土效果，揭示了其良好應用前景。用它將黏土轉化為更強的基質土而改良土質，耗時僅需用石灰或酶固化的一半。該文用不同類型土的試驗證明所推薦穩定技術有效，穩定土發生破壞時的應力、應變明顯增大，且塑性指數較低，表明穩定土的脹縮性降低，這些都將有效解決軟土地基上常見道路工程的病害，提高行車的舒適性。

研究的主要結論如下：

(1) 石灰穩定土中添加酶，開始3周內土的強度增長速率顯著提高，4周后的增長速率略有降低，但仍超過石灰或酶穩定土的增長速率。

(2) 用酶石灰固化劑穩定黏粒含量較高的土其效果更佳。

(3) 相比其他處治方法，所有酶石灰穩定土中石灰的摻量均最少，可減少對環境的污染。

(4) 酶或酶石灰固化劑對提高膨潤土CBR強度的效果均不佳，不適合對蒙脫石類黏土的穩定。

(5) 酶石灰固土技術的經濟優勢在于充分利用當地土，減少運輸成本、縮短工期且節省建筑材料。