李廣平,宿文姬
(1.廣州市市政工程設計研究院,廣東廣州 510060;2.華南理工大學土木與交通學院,廣東廣州 510640)
土壤固化劑,是指添加到土壤中一種材料,該材料通過離子結合、水化反應、生物作用等,將對土體密實性、耐水性、彈性及強度等性能起到一定程度的改善作用。根據(jù)土壤固化劑作用機理,主要分為無機膠結類、離子類、有機類和生物酶類等四大類。目前,石灰、水泥、石灰+火山灰、石灰+粉煤灰、石灰+爐渣、石灰+粉煤灰+礦渣等作為最早使用的土壤固化劑,已廣泛應用于道路工程、建筑工程的土體加固、穩(wěn)定和防滲處理。而當前,有機類(高聚物類、表面活性劑類)和酶類(如派酶)物質也開始應用于土體的加固處理。但我國對有機類和酶類固化劑的研究工作很少,尚處于起步階段[1]。
派酶(Permazyme)作為一種液態(tài)生物復合酶制劑,是從自然界生物中提取出來的多種酶類、菌類,經過復雜的生物化學反應而研制成的純生物制品,對人、畜、水源及耕田不會造成危害,是無毒無害的環(huán)保型有機結合材料,對土體具有一定的固化效果,因此越來越受到工程技術領域的關注。
本文將從派酶土壤固化劑(以下簡稱派酶)的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀出發(fā),討論派酶加固與改良土體在我國的應用與發(fā)展前景。
20世紀40年代,派酶技術首先由美國國際酶制品公司研制成功,并于20世紀50年代起首次應用于鄉(xiāng)村泥路的性能改良,結果顯示所鋪筑路面剛性大,防水性好。自此,派酶技術逐漸開始應用于道路工程、建筑物基礎加固等領域,其中,國外使用派酶修筑的道路已達數(shù)萬千米以上。
1995年,我國在北京市昌平修建了第一條派酶道路,隨后又在內蒙古、青海、上海、河北、云南、江西、河南等地進行了派酶路基上加鋪瀝青面層的試驗和工程應用,修筑了不同等級的派酶基層路面達數(shù)千千米。[2]近年來,科研工作者通過對派酶與其他品種固化劑的試驗對比、派酶作用機理的研究,對土壤固化酶所體現(xiàn)的環(huán)保價值、經濟效益和社會效益受到越來越廣泛的關注。
與相類似性能指標的傳統(tǒng)路基路面結構相比,生物酶加固土技術以其明顯的價格優(yōu)勢和突出的環(huán)保價值,引起了人們越來越多的關注和更大的興趣。自1980年以來,人們不斷開發(fā)研制了多種土壤固化酶產品,如:CONAIDSUPER,TERRAZYME,PERMAZYME,ROADBOND,ENDURAZYME等。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[3],除應用于筑路、基礎加固領域外,并逐漸將其應用擴展到筑堤、筑壩、垃圾填埋處理等領域,取得了一些與傳統(tǒng)土壤固化材料(如石灰、水泥等)不同的效果,并且其應用在歐洲、美國、非洲、南美洲和南亞的一些國家和地區(qū)的應用已呈現(xiàn)不斷擴大的趨勢[4~11]。
目前,國內學者對于派酶技術的研究多集中于路基加固處理領域,主要是針對派酶固化土的性能做了大量的試驗與筑路實踐應用研究:
(1)1999年,陳昌海、汪建國等人通過對青海、湖南不同地區(qū)成因的道路基層進行派酶試驗與比較,得出經派酶處理后的基層穩(wěn)定性指標與經濟指標,均優(yōu)于傳統(tǒng)的石灰穩(wěn)定土[12~13]。
(2)2001年,朱建平等人通過從施工工藝、技術特點角度對路面基層使用派酶的試驗和鋪筑進行了總結、分析、比較,提出了推廣和應用派酶的可行性[14]。
(3)2002年,劉淑娟等人經實踐驗證:經派酶固化處理的基層,其各項指標均達到技術要求,具有較好的社會經濟效益和推廣前景[15~17]。
(4)2008年,為了比較、分析派酶與傳統(tǒng)固化材料(石灰、水泥)對土的無側限抗壓強度的影響,張心平等人通過對比試驗分析,得出派酶作為土壤固化劑具有比石灰和水泥等傳統(tǒng)的固化劑明顯的優(yōu)點:①派酶土的抗壓強度高于灰土的抗壓強度;②派酶土對于土體固化所需的環(huán)境僅僅是自然狀態(tài)下的風干,而水泥則需要水的養(yǎng)護才能達到理想的效果。因此,派酶土壤固化劑有著更廣闊的前景[18~20]。
(5)2007年由建設部標準定額研究所主編的《土壤固化劑應用技術導則》(RISN-TG003-2007)中,對土壤固化劑產品在市政道路及公路、水利、建筑等各個可應用的行業(yè)中,土壤固化劑固化工程結構的性能要求、設計、施工與檢驗等作了明確、統(tǒng)一規(guī)定,同時對生物酶類作為土壤固化劑的技術特點進行了闡述;2009年上海市建筑產品推薦性應用標準《派酶土壤固化劑應用技術規(guī)程》(DBJ/CT069-2009)的出現(xiàn),為派酶土壤固化劑的進一步應用及推廣創(chuàng)造了可操作的指南[21]。
從目前的研究成果來看,派酶作為一種生物酶制劑,對土體具有一定的固化效果。通過對細砂土、粗砂土、中砂土、粉砂土及粘土的無側限抗壓強度的研究,發(fā)現(xiàn)派酶對含粘粒多的土體的固化效果優(yōu)于含砂粒和粉粒多的土體。
紅色教育是高校思想政治教育中不可或缺的環(huán)節(jié),虛擬現(xiàn)實技術因其新鮮靈活的形式、不受現(xiàn)實條件的制約和開放的開發(fā)平臺,符合當代大學生的學習特點,提升了高校思想政治教育的承載力,豐富了校園紅色教育資源,成為高校開展紅色教育的有效途徑。
近年來,隨著我國經濟的高速發(fā)展,各項基礎工程建設速度的加快,不斷有國外的固化劑產品向國內推廣,我國也采用進口固化劑修筑了不同等級的公路,取得了一些經驗和教訓,但由于我國地域廣闊、土質差異、道路標準的不同、試驗手段的多樣化,使得這些進口固化劑在我國并沒有得到大規(guī)模的應用。因此,在大力推動加固土技術的發(fā)展,擴大其應用范圍、使用規(guī)模等方面,大力研究、開發(fā)和推廣適合我國土體性質的新型固化劑加固土技術,對于資源優(yōu)化配置,節(jié)約投資,搞好基礎建設,促進經濟發(fā)展、環(huán)保都具有十分重要的意義,其必能帶來重大的經濟與社會效益。
派酶作為一種有機催化劑,僅需加入極少量的酶到土體中,就可以起到加快土體化學反應的媒介作用,促使土體中分子間或分子內的排列組合加速改變,從而達到快速產生壓實致密的效果。同時,酶和大量有機分子結合產生的屏蔽作用,可進一步達到防止土體分子繼續(xù)吸附水分而導致土體密度降低的目的[22]。
(1)環(huán)保性
盡管石灰、水泥、石灰+粉煤灰、石灰+爐渣、石灰+粉煤灰+礦渣等無機類土壤固化劑,都能大幅度提高土壤的強度、密實度和耐水性能,但這些無機類固化劑對土質的副作用也很大,經其固化后的土層不僅不再適宜植物生長,而且對于今后路面翻修、拆除后的如何處置影響也很大,多作為建筑垃圾處理。更為嚴重的是,經過這類固化劑處理的土體中含有的大量堿性物將隨雨水、河水滲入到周邊田地中,會對農作物的生長、河水的水質產生極大危害作用。但派酶土壤固化劑是一種生物酶制品,派酶的作用在于催化,催化后的土壤只是密實度提高,不會對土壤和水質造成污染,各項指標均能達到環(huán)保要求,具有無毒無害,綠色環(huán)保的特性。
(2)優(yōu)越的水理性——節(jié)水性與防水性
派酶具有良好的滲透性,它能夠迅速滲透到土壤顆粒中,與有機分子迅速結合,從而形成的屏蔽作用,能夠有效防止土壤表面水分蒸發(fā),經試驗研究證實,使土體達到最佳含水量所用水量可減少約25%。同時,經派酶催化后的土壤,很快產生一致密的防水層,起到防滲抵侵的作用。經前人研究測試,派酶處理過的路基,其滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s。
(3)高強度
根據(jù)加入派酶的路基固化土的自然狀態(tài)下7天齡期試驗(派酶稀釋比1∶1 000),測得路基固化土的平均表觀密度約為2 300 kg/m3,無側限抗壓強度約為3 MPa。派酶的高強度加固效果,從而使得土體僅需要較小的壓力就可以得到較好的壓實效果。
(4)受氣候條件影響小
經派酶處理的路面或道路基底層受溫度的影響很小,研究表明:當環(huán)境溫度為-40℃ ~40℃時,溫度對派酶固化土幾乎無影響,同時,經多次霜凍-解凍循環(huán)試驗后,派酶固化土的性能變化甚微。
(5)工藝簡單,工期短
與傳統(tǒng)的石灰土、灰渣層等路基固化土類型相比,派酶固化土路基的施工工藝較為簡單,其既可廠拌也可路拌,將派酶按1∶1 000~1∶2 000的比例用水稀釋,然后噴灑在土體中壓實即可,所用的機械設備也較少。養(yǎng)護期很短,每千米派酶固化土路基養(yǎng)護期僅需72小時,較傳統(tǒng)固化土路基施工期大大縮短,且強度增長較為迅速,養(yǎng)護好后即可進行路面的施工。
(6)就地取材,造價低廉
派酶對拌和料的材質要求并不高,如在浙江衢州高速公路試驗段上,拌和料就直接采用了修路的原地雜土。在派酶固化土路基中,即可充分利用當?shù)氐乃槭⒄惩吝M行拌和后,分層攤鋪,也可利用路基原有土體直接進行拌和使用。從而使得派酶固化土路基造價與傳統(tǒng)工藝設計道路路基相比,具備了價格低廉的絕對優(yōu)勢。
通過對派酶開展的應用和研究可知,派酶最大的特點表現(xiàn)為:在一定壓力下,能夠加速土體的固化,使土體強度迅速提高。目前我國市場上的土壤固化劑多以無機材料如水泥、灰土、礦渣為主,其對環(huán)境均存在不同程度的影響,且為未來發(fā)展空間留下障礙。而派酶技術的異軍突起,為道路施工、地基加固處理提供了一種較為新穎的技術方法。目前市場上使用的派酶技術正在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。
但任何類型的土壤固化劑都有其一定的局限性。如:不同土壤固化劑的針對性和兼容性、作用原理、技術標準及施工技術問題等等。因此,對派酶固化劑未來發(fā)展尚需進一步研究和解決以下問題:
(1)目前,我國對于將土壤固化酶應用于道路建設方面,已經取得了一些經驗和成效。但國外的土壤固化酶還可應用于筑堤、筑壩、垃圾填埋場處理等其他領域,而我國鮮見此方面的研究與應用,在這方面,仍將需要中國科研與技術人員的不斷研究與探索。
(2)我國地域廣闊,不同地區(qū)的巖土地質條件差異較大,針對不同類型、不同成因、不同環(huán)境及不同工況下的土質情況,如何更好地將派酶應用于具體工程,尚需要進一步的研究、實踐和總結。
(3)目前,國內外學者對派酶固化土的研究一方面對其穩(wěn)定作用機理的研究文獻較少,未能形成較為完善的系統(tǒng)理論對其進行理論支持,另一方面也缺乏運用有效的科學研究手段加以驗證。因此,土壤固化酶的穩(wěn)定作用機理還需要進一步研究、完善與實踐檢驗。
(4)派酶作為一種生物制劑,既不會像水泥、灰土和礦渣那樣發(fā)生一系列的化學反應,也不需要水的養(yǎng)護就可達到理想的效果。因而必將受到越來越廣泛的關注,由此可以看出,派酶土壤固化劑有著更廣闊的前景,但國內工程領域對派酶固化劑的認識與推廣應用尚需一個過程。
(5)但目前國內企業(yè)尚未掌握該類產品的生產技術,不能生產土壤固化酶,要想推廣和使用派酶技術,則需要盡快完成從產品引進到技術引進,自主生產、降低成本的過程。
派酶作為一種土壤固化生物制劑,自出現(xiàn)以來,就表現(xiàn)出明顯的技術優(yōu)勢、環(huán)保價值和經濟與社會效益,顯示出廣闊的發(fā)展前景。雖然國內起步較晚,但隨著我國各項建設的發(fā)展,環(huán)境保護的呼聲越來越高,這種環(huán)保型的技術產品必將受到越來越廣泛的重視與歡迎,尤其是對垃圾填埋場的處理、污染物的處置等領域的推廣使用。盡快掌握派酶土壤固化劑的生產技術,是推廣使用派酶的必要條件。
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