生物酶土壤固化筑路技術(shù)應(yīng)用研究

曹林琳,李躍軍

(1.湖南省郴寧高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司,湖南郴州 423000; 2.湖南省交通科學(xué)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

0 前言

目前,我國(guó)公路建設(shè)突飛猛進(jìn),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(shè)的發(fā)展,對(duì)砂、石等建筑材料的用量也越來(lái)越大,使這些自然資源日漸貧乏,其開(kāi)采對(duì)自然環(huán)境的破壞也越來(lái)越嚴(yán)重。因此,不斷開(kāi)發(fā)和利用一些新的建筑材料,建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型公路,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

泰然酶(TerraZyme),全稱泰然生物催化酶土壤固化劑,是美國(guó)Nature Plus,Inc.生產(chǎn)的高科技液態(tài)復(fù)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(tǒng)道路建材的革命性新型系列筑路材料,一種生物高科技產(chǎn)品。該類土壤酶由植物發(fā)酵而成,以溶解狀態(tài)摻入土中,使土體密實(shí)。土體經(jīng)壓實(shí)、養(yǎng)生后,土體強(qiáng)度提高,滲透性下降,板結(jié)效果好。泰然酶筑路技術(shù)已在在歐洲、美洲等三十多個(gè)國(guó)家的公路建設(shè)中成功推廣使用。

采用生物固化技術(shù)修筑的路基路面與傳統(tǒng)水泥和石灰等固化材料相比,其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在:①路用性能好:泰然酶對(duì)土壤有很好的穩(wěn)定固化作用,完全可以替代傳統(tǒng)的固化材料,泰然酶固化土可以作為農(nóng)村公路基層,也可用于干線公路、高速公路的底基層;②造價(jià)低廉:與傳統(tǒng)筑路技術(shù)相比,泰然酶固化筑路技術(shù)可節(jié)約資金30%左右,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益;③施工工藝簡(jiǎn)單:不需專門的施工機(jī)械,廠拌及路拌法施工都滿足質(zhì)量要求,施工速度快;④環(huán)保無(wú)污染:泰然生物酶固化劑生產(chǎn)不排污,無(wú)污染,稀釋后的固化劑溶液無(wú)毒、無(wú)害。生物酶筑路技術(shù)大幅度減少石灰、水泥用量,從而節(jié)約資源、能源,減少CO2排放,有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

1 室內(nèi)試驗(yàn)研究

通過(guò)系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn),研究了不同土質(zhì)、不同配比、不同壓實(shí)度、不同齡期等情況下的泰然酶加固土CBR值、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量、滲透系數(shù)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(yàn)路代表性的2種土樣,進(jìn)行了顆粒分析、液塑限、標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)等試驗(yàn),其基本物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)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(xué)性質(zhì)

4)水泥:采用湖南湘鄉(xiāng)水泥有限公司生產(chǎn)的32.5#普通硅酸鹽水泥。

5)石灰:本試驗(yàn)采用長(zhǎng)沙當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的消石灰。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

1)泰然酶固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

泰然酶固化土壤時(shí)存在最佳劑量的問(wèn)題,泰然酶用量在最佳劑量時(shí),泰然酶固化土的加固效果最好,因?yàn)闊o(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)穩(wěn)定材料路用性能的一個(gè)非常重要的指標(biāo),所以泰然酶的最佳劑量由無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值來(lái)確定(見(jiàn)圖1,圖2)。

圖1 TZ酶加固土1無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 TZ酶加固土2無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

在齡期7 d、28 d時(shí),TZ酶固化土1和土2的強(qiáng)度開(kāi)始都呈明顯上升階段,到0.6m L/10 kg土以后,強(qiáng)度開(kāi)始變平緩,說(shuō)明酶的劑量的增加對(duì)土強(qiáng)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?lián)郊犹┤幻高M(jìn)行試驗(yàn)時(shí),均采取此劑量進(jìn)行試驗(yàn)。

2)石灰土、水泥土對(duì)比試驗(yàn)。

由圖3和圖4可知,隨著摻量的增大,分別養(yǎng)生7 d、28 d的石灰土、水泥土的強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì),但未出現(xiàn)峰值,結(jié)合設(shè)計(jì)要求和經(jīng)濟(jì)要求,決定進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)石灰、水泥的最佳摻量都為4%。

3)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓實(shí)度的關(guān)系(見(jiàn)圖5)。

圖3 石灰土劑量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖4 水泥土劑量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

①試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著壓實(shí)度的增加,固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之增大,且兩者呈較明顯的線性關(guān)系。7 d、28 d的固化土1壓實(shí)度93%與100%之間強(qiáng)度分別相差0.93MPa、1.35 MPa;7 d、28 d的固化土2壓實(shí)度93%與100%之間強(qiáng)度分別相差0.87MPa、1.41MPa。

②在實(shí)際施工過(guò)程中,綜合考慮道路使用性能要求、實(shí)際施工能力和經(jīng)濟(jì)性,建議盡可能增加固化土的密度,壓實(shí)度至少控制在96%以上。

圖5 TZ酶加固土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(恒溫恒濕)

1.2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

由表2可以看出:

1)摻加泰然酶、石灰或水泥對(duì)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(jí)配對(duì)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(jí)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(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

1.2.3 CBR試驗(yàn)

1)摻加泰然酶對(duì)加固土CBR值的影響見(jiàn)圖6～圖8。

圖7 加固土1的CBR值與干密度的關(guān)系

素土添加泰然酶后,CBR值有了明顯的提高。在相同擊實(shí)次數(shù)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(dá)5.11倍。對(duì)同一泰然酶加固土,它的強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增長(zhǎng),前期增長(zhǎng)較快,28 d后CBR增長(zhǎng)變慢。

圖8 加固土2的CBR值與干密度的關(guān)系

2)分別摻加4%石灰、水泥的對(duì)比試驗(yàn)見(jiàn)圖9～圖12。

圖9 土樣1的CBR值與齡期的關(guān)系

圖10 石灰、水泥土1的CBR值與干密度的關(guān)系

圖11 土樣2的CBR值與齡期的關(guān)系

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知:采用石灰和水泥加固2種土?xí)r,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?xí)r,其CBR值增大2～3倍,因?yàn)?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(guān)系

1.2.4 輪碾試驗(yàn)

采用HDCZ-02-08S型車轍試驗(yàn)儀進(jìn)行常溫加載試驗(yàn),在試塊養(yǎng)生的最后一天,進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 抗壓強(qiáng)度結(jié)果一覽表

通過(guò)模擬行車荷載對(duì)泰然酶固化土強(qiáng)度的影響試驗(yàn)表明,試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著輪碾作用次數(shù)的增加,固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有一定的增長(zhǎng),說(shuō)明一定的交通量有利于泰然酶固化土強(qiáng)度的增長(zhǎng)。相同加載次數(shù)時(shí),隨著齡期的增長(zhǎng),固化土28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較7 d有一定的增長(zhǎng)。

1.2.5 回彈模量檢測(cè)

由PFWD檢測(cè)結(jié)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(zhǎng),固化土28 d的回彈模量較7 d時(shí)有一定的增長(zhǎng)。說(shuō)明泰然酶對(duì)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(yàn)

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

圖13 土樣1的齡期與回彈模量的關(guān)系

圖14 土樣2的齡期與回彈模量的關(guān)系

表4 泰然酶加固土1滲透系數(shù)變化表

2 工程應(yīng)用研究

2.1 試驗(yàn)路概況

為了驗(yàn)證泰然酶應(yīng)用于公路建設(shè)的可行性,修筑了長(zhǎng)約3 km試驗(yàn)路。地形、周圍環(huán)境、道路路基狀況較復(fù)雜。存在以下幾種不同的路況:農(nóng)田水塘旁路堤路段、大面積新填補(bǔ)路基、塘頂高填方路基、近水位路基等;原道路的排水系統(tǒng),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(yè)面質(zhì)量準(zhǔn)備

按設(shè)計(jì)要求及公路質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)要求,應(yīng)在泰然酶固化層施工前進(jìn)行路床檢測(cè),經(jīng)檢測(cè)合格后,方可進(jìn)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(diào)試。

測(cè)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(dāng)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(jì)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(jī)手可比較準(zhǔn)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(qiáng)制攪拌機(jī)單次拌和物料的方量。

按上面的計(jì)算值開(kāi)機(jī)進(jìn)行2次試攪拌,試攪拌后對(duì)含水率進(jìn)行抽樣檢測(cè)。根據(jù)抽樣檢測(cè)結(jié)果,調(diào)整泰然酶溶液濃度與溶液添加量,使其同時(shí)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(diào)試好的數(shù)據(jù),大量配制泰然酶稀釋溶液,可將拌好的物料,堆放在料場(chǎng)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(yīng)大于15m3,堆頂無(wú)積水凹型,并把握好料堆間的距離。通常,拌和時(shí)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(yùn)送到作業(yè)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(shí),對(duì)高程、寬度、橫坡、縱坡進(jìn)行復(fù)核,符合要求后進(jìn)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(jìn)行碾壓。鋪料后,當(dāng)物料的含水率接近最佳含水狀態(tài)時(shí),按以下步驟進(jìn)行操作:

先用18 t振動(dòng)壓路機(jī)靜壓1～2遍,對(duì)道路局部鼓包、凹陷、物料離析等現(xiàn)象作處理;再振動(dòng)碾壓2～4遍,達(dá)到壓實(shí)并振動(dòng)提漿,為最后收光作好準(zhǔn)備;然后使用三輪平動(dòng)壓路機(jī),靜壓4～6遍,壓實(shí)結(jié)構(gòu)層上部,收光道路表面。使路面質(zhì)量達(dá)到合格要求。

5)養(yǎng)生。

泰然酶固化層施工完成待表面干燥后,連續(xù)10 d在早上和下午噴灑1/3 000的泰然酶溶液進(jìn)行養(yǎng)生,并適當(dāng)碾壓。同時(shí)可以合理安排施工順序,用運(yùn)料車對(duì)已經(jīng)鋪筑好的泰然酶固化層的碾壓養(yǎng)生。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)

2.3.1 彎沉檢測(cè)

鋪筑基層28 d后,課題組對(duì)試驗(yàn)路泰然酶固化層和對(duì)比試驗(yàn)段進(jìn)行了貝克曼梁彎沉檢測(cè),檢測(cè)方法按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTJ 059-95)進(jìn)行。

從表5中數(shù)據(jù)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)還發(fā)現(xiàn),隨著齡期的增加,泰然酶加固土的實(shí)測(cè)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(wěn)定。說(shuō)明泰然酶能有效改善土壤的工程性質(zhì),對(duì)土壤的加固效果較為顯著。

表5 路面基層測(cè)試結(jié)果

2.3.2 壓實(shí)度檢測(cè)

由檢測(cè)結(jié)果(圖15)可知,泰然酶固化層壓實(shí)度主要分布范圍為97%～99%,占總樣本的46.9%,個(gè)別測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度甚至可以達(dá)到103%以上;4%石灰+泰然酶固化段的壓實(shí)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(shí)度主要分布范圍為97%～101%,占總樣本的80%。

圖15 壓實(shí)度頻率統(tǒng)計(jì)圖

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用生物酶固化的道路在造價(jià)上具有明顯的優(yōu)勢(shì),下面對(duì)泰然生物酶固化道路和采用的傳統(tǒng)方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較,見(jiàn)表6。

表6 經(jīng)濟(jì)比較

生物酶固化的道路在造價(jià)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與石灰、水泥和碎石為主要材料的傳統(tǒng)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(shí)能耗小,節(jié)約資源和能源,不污染環(huán)境,施工工藝簡(jiǎn)單,完全可以替代傳統(tǒng)的固化材料。

3 結(jié)語(yǔ)

1)本研究說(shuō)明使用泰然酶固化土技術(shù)是可行的,且造價(jià)低廉、工藝簡(jiǎn)單,具有積極的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2)泰然酶加固土存在最佳劑量的問(wèn)題,通過(guò)室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)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(jìn)一步增大,生物酶固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)很小。

3)通過(guò)對(duì)泰然酶加固土進(jìn)行的一系列室內(nèi)試驗(yàn)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(yǎng)生7 d以后回彈模量達(dá)到400 MPa以上,泰然酶加固土的抗?jié)B透性能是同齡期的素土的57.7倍,說(shuō)明泰然酶加固土具有較高的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性,泰然酶對(duì)土壤有很好的穩(wěn)定固化作用。

4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)彎沉和壓實(shí)度檢測(cè)可知,隨著齡期的增加,泰然酶加固土的實(shí)測(cè)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(wěn)定;而泰然酶固化層壓實(shí)度主要分布范圍為97%～99%,說(shuō)明泰然酶能有效改善土壤的工程性質(zhì),對(duì)土壤的加固效果較為顯著,能夠滿足道路的設(shè)計(jì)和使用要求。

5)與水泥穩(wěn)定砂等傳統(tǒng)筑路材料和方法相比,泰然酶加固土強(qiáng)度高、成本低、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、無(wú)污染,真正做到了強(qiáng)基薄面,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]TerraZyme Soil Stabilizer Application Instruction[Z].NATURALPUS,Inc.

[2]T.KAWASKI.Deep MixingMethod UsingCement Hardending Agent[Z].Proc,Tenth ICSMEF,1981.

[3]Tremblay H,Duchesne J,Locat J.Influence of the Nature of Organic Compounds on Fine Soil Stabilization with Cement[J].Canadian Geotechnical Testing Journal,2002:535-546.

[4]朱步祥.土壤固化劑在葛溝灌區(qū)節(jié)水改造工程的應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展,2002:41-42.

[5]侯瑜京.土壤固化劑技術(shù)在堤防加固工程中應(yīng)用[Z].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,2000.