生物固化酶

土壤固化酶简介摘要：2007年全国水泥消耗量12亿吨，相当于内地百姓每人要用1吨水泥。

另外，世界其他国家消耗水泥的总和不过13亿吨。

大量的水泥消耗造成大量的环境污染。

而土壤固化剂是一种性能优良的复合材料,由多种无机和有机材料配制而成，它与土壤混合后通过一系列物理化学反应，可产生胶结土粒、填充孔隙等作用，将松散土体变成致密的胶凝材料，大大改善土体的强度、耐久性等工程性质。

本文针对这一新型材料及其应用技术进行综述。

关键字：固化剂；水泥；新材料土壤固化剂是一种性能优良的复合材料,由多种无机和有机材料配制而成，它与土壤混合后通过一系列物理化学反应，可产生胶结土粒、填充孔隙等作用，将松散土体变成致密的胶凝材料，大大改善土体的强度、耐久性等工程性质。

由于土壤固化剂具有水泥所不具备的一些特点，美国称之为20世纪的伟大发明之一，日本称之为21世纪的新材料。

目前国外的研发力度与普及程度都大大的领先于我国，我国由于起步晚直到20世纪80年代才引进尽管土壤固化剂的应用还处于起步阶段，利用固化剂材料的工程建设项目还很少，但已有的工程实践证明，土壤固化剂可大量应用于水利、交通、环境、港口、机场等基础设施的建设。

其最大特点是可以就地取材进行施工，能节省大量的水泥、砂石料费用[1]。

1 土壤固化酶发明的前提条件当今水泥消耗量相当之大，以道路施工为例，用C25混凝土修建道路时，每立方的水混凝土需要水泥350千克，水180千克，凝固之后需要约三天时间才能测量硬度。

[2]为了解决生产使用水泥所造成的污染环境问题，我们有必要寻找出水泥的替代品，而此时土壤固化酶的出现给我们带来一丝曙光。

2 按专业的分法，将固化剂分为三类:2.1 电离子类土壤固化剂。

这是一种高浓缩的水溶液，溶解于水后形成一离子交换中介物，洒入土壤中，通过电离子交换，改变水分子和土壤颗粒的电离子特性，破坏土壤毛细管结构。

在外力作用下，孔隙间游离水分子被排掉后，土壤由亲水性变为斥水性，土壤颗粒被压实，具有很强的内聚力，达到固化土壤之目的。

2.2 水化类固化剂。

由水泥、生石灰、粉煤灰加入激发剂后经工艺加工而成，固体粉末状。

按一定掺量和土壤拌和均匀后，经过碾压，固化剂与土壤中的水分发生水化反应，生成针状结晶物质和各种水化物，与土壤颗粒发生水硬性反应，实现土壤固化之目的。

2.3 生物酶类固化酶。

此类固化剂系为有机物质经发酵而生成的蛋白质多酶基产品，为液体状。

按一定比例配制成水溶液洒入泥土中，通过生物酶素的催化作用，经过外力压实，使土壤粒子之间的黏合性得以充分发挥，形成牢固的不渗透结构。

3 固化酶应用20世纪60年代以来，固化酶被作为一种新型的工程材料，在国外被广泛加以研究。

因用它处理过的土体，具有较高的强度及较小的渗透性，实现了对各种土质的加固。

同时也由于它比水泥具有更好的经济效益，所以被广泛应用于实际工程当中。

国外固化酶技术的工程应用已经相当普遍，在日本、美国、加拿大、澳大利亚、南非和欧洲都有很成熟的固化酶研究应用机构和公司。

我国八十年代开始引进这项技术，目前已有近50家机构和公司在进行开发应用。

尽管土壤固化酶的应用还处于起步阶段，利用固化酶材料的工程建设项目还很少，但已有的工程实践证明，土壤固化酶可大量应用于水利、交通、环境、港口、机场等基础设施的建设。

其最大特点是可以就地取材进行施工，能节省大量的水泥、砂石料费用。

固化酶可用于以下地基处理工程中：(1)软弱地基改良；(2)临时地基加固改良；(3)防止打桩机颠覆地基改良；(4)护墙护坡基础地基改良；(5)涵洞地基改良；(6)防止路堤滑动；(7)建筑物基础地基改良；(8)连续墙地基改良；(9)防止冻胀；(10)挖掘土坡、污泥处理等；特别近年来，固化酶在土木工程中得到了广泛的应用。

其主要在以下几方面：[3](1)公路建设高等级公路路基、乡镇公路、简易公路、施工工地的临时路，加一定比例新型土固化酶处理后，可以得到高质量的半刚性路面基层材料，具有稳定性好、强度高、收缩率小的分布荷载能力加大的优点。

这可以减少高等级公路沥青面层厚度，即可大大减少沥青面层底面所受的拉应力或拉应变，使沥青面层不易产生弯拉疲劳破坏，又可大幅度减小土基顶面所受的压应力或压应变，有利于整个路面结构工作在弹性阶段，对保持路面的使用性能和延长路面的使用寿命都有重要意义。

山于半刚性路面具有很多的优点和明显的技术经济效益，国内外高等级公路越来越多地采用半刚性路面。

同时，高等级公路建设过程中，经常遇到软弱地基，对控制沉降有着重大的影响。

(2)铁路建设铁路路基加一定比例的新型土体固化酶处理后，即可满足工程要求，与不加新型土体固化酶相比，抗压、抗干湿循环、抗冲刷、抗泥化能力提高，缩短工期，降低成本，质量可靠。

(3)建筑软基用固化酶处理软土地基可代替开挖回填工程，且能达到设计强度。

(4)引排水工程引水排水工程使用固化酶后，起到防渗作用，且糙率比土渠大大降低，提高输水能力，可增加浇灌能力，提高产量。

当地土体掺加一定比例固化酶后还可直接制成U型渠块或板型材，替代混凝土预制板，降低成本，且满足工程要求。

(5)边坡提堰在河流冲刷严重地区，用固化酶处理岸坡，可有效避免河床淤泥抬高带来的隐患。

固化酶固化土体后可达到一定的抗压强度和防渗性能，可用来修筑堤坝或其中的防渗部分。

(6)淤泥处理围海工程、清理淤泥工程遇到大量的淤泥，若是采用挖除、回填的方法，成本大，用新型土体固化酶处理淤泥，有很大的优势，直接可以拌和压实，不用开挖。

(7)蓄水工程在干旱、半干旱缺水地区，修建水塘、水池、水窖、旱井等，发展就地集蓄雨水工程，可用土体固化酶过的土体填实或预制成型材衬砌，可替代水泥内衬，降低成本，防渗性能达到要求。

4 固化酶的基本特点有四方面：4.1 对土壤颗粒粒径有广泛的适用性。

在固化酶和土壤颗粒表面活化，在水化反应过程中，固化酶本身比表面积增加几百倍，因此即使是细颗粒的土壤也可得到固化，这克服了水泥的缺点。

4.2 可调性。

对不同的土壤成分及施工要求，所用的固化酶可根据需要进行配制，即不同种类的土壤可以用不同成分的固化酶来加固。

另外，由于初凝时间对水泥稳定土混合料的强度有明显的影响，因此固化土的初凝时间可以通过调节固化酶中的调凝成分来进行调整。

4.3 固结土体的收缩量很小。

由于固化酶的的内力抵消了部分收缩力，所以固结土相当收缩量小，充分提高了固结土的抗渗、抗冻、抗裂性能，减少了土体的变形，形成了特有的快干效果、早期强度效果、膨胀压缩效果、长期稳定效果及作业效果。

快干效果是由于和土壤颗粒结构成分中水的发热反应使土壤中含水量降低，粘土颗粒凝结团粒化改善了土壤的稠度，也增大了密实效果；早期强度效果是由于发热反应为主的自硬性成分有效地发挥作用，可以确保早期强度，即使在低湿状态下也能发挥较之原有固化酶优良的效果；膨胀压实效果是由于快干、早期强度的效果和膨胀吸水作用、自硬作用同时进行，增大改良土壤密度和满意的压实的效果和活性混合材料的反应充分而耐久，可得到长期稳定性。

4.4 经济上的优越性。

采用土壤固化酶做固化材料，可比传统固化方法降低造价10—20%。

5 固化酶加固机理分析固化酶改良土体作用有四方面的机理：1、体经过固化酶处理后，在成型压力作用下颗粒紧密接触，在土壤颗粒附近，固化酶水化生成水化硅酸钙、沸石、方纳石及硅酸等物质，使粘土颗粒表面形成凝结硬化壳。

固化酶的激活组分以不同的方式渗入颗粒内部，与粘土矿物发生物理化学作用，形成水铝酸盐、水硅酸盐等胶凝物质，使粘土颗粒表面产生不可逆凝结硬化，固化后的粘土具有水稳定性和强度稳定性。

2、极性水分子和OH离子进入粘土内部空穴，使土体分散，比表面积增加。

这些被分散的粘土颗粒表面一般带有负电荷，其动电电位增大，固化酶的某种成分可代换土体中凝聚能力低的离子，降低电位，促使粘土颗粒凝聚，同时电解质浓度增加，胶粒双电层减薄，也有利于颗粒凝聚。

3、疏松土体的联结主要是靠矿物与胶结物界面上的化学力实现的，层状硅酸盐自身建立空间网状结构；固化酶的主要水化产物以及其与粘土矿物反应的生成物，均属上述胶结物之一，能牢固的胶结分散的土壤颗粒，增强和加固这种网状结构，使之成为一个具有较高强度的整体。

4、固化酶对土壤颗粒粒径有广泛的适用范围，在固化酶中的激活成分能使固化酶颗粒和土壤颗粒表面活化，在水化反应过程中，使固化酶本身比表面积增加几百倍，因此固化酶能固化粘土等细颗粒土，与水泥相比具有优势。

6 固化酶加固地基特征使用固化酶对地基进行加固，有以下特征：(1)快干效果由于固化酶的水化以及土颗粒间水发热反应，使土体中的含水量降低，同时粘土颗粒凝结团粒化，改善土体的稠度，也增大了密实效果。

(2)早期强度高由于以发热反应为主的自硬性成分有效的发挥作用，可确保早期强度，即使在低温状态下也有较好的效果。

(3)膨胀、压实效果由于快干，早强的效果及膨胀吸水作用、自硬作用同时进行，从而改变了土的密实度。

(4)长期稳定效果由于早强、快干及膨胀效果和活性材料的反应充分而耐久，可得到长期稳定性。

(5)作业效果由于快干、膨胀的效果，与原有水泥系列固化酶相比，可以与高粘性土充分搅拌均匀，得到满意的效果，同时可固化工业废弃物，有机质淤泥，防止有害物质析出。

(6)固化酶与水泥、石灰的区别水泥固化土主要发生砂石的胶结固化，加固软土效果差，对高含水量土体，容易收缩而产生裂缝。

用石灰加固软弱土壤，能产生排水效果及一定的改良作用，但土强度提高不大。

而性能优良的固化酶能提高土体的强度，达到水泥、石灰不能达到的效果。

(7)低廉的价格及良好的经济效益由于固化酶的价格极低廉，且运输较为方便，而在施工中，因其早期强度大，可缩短工期，连续施工，基本不需养护，且不污染环境，所以能节约工程费用的10％～30％。

7 固化酶加固地基的特点对软弱地基添加固化材料并均匀混合搅拌，进行密实处理，可以达到使地基加固的目的，已形成地基化学改良施工法，其特点有：(1)固化酶适用于各种土质条件的表层、深层土体的改良加固；(2)固化强度可以调整，以满足不同工程的要求；(3)早期达到的固化强度效果等具备了以前其他方法所不具备的优点和特征；(4)在土体固化方面有独特功能和优势，其耐久性与水泥相同；(5)具有很高的价格性能比，高效低耗，节约能源和资源；(6)无毒无公害无污染，是理想的环境保护产品。

8 总结现阶段研制开发的各种固化酶一般是有针对性的，只对某种土质才有显著的固化效果，并没有一种固化酶能够适宜于固化各种土质，并且对于每一种土质需要通过试验确定固化酶的配合比。

中国地域广大，土质情况较复杂，应加强试验研究，开发应用于湿陷性黄土、多年冻土、膨胀土、红黏土及重金属污染土的固化酶。

目前，对于固化机理的研究还不十分成熟，从固化酶的开发角度而言，有必要更深入地研究固化酶的固化机理，以研制出更有效的固化酶。