三合土中派酶的添加及其对颗粒间相互作用力的影响

三合土中派酶的添加及其对颗粒间相互作用力的影响

派酶是“perm-zyme”的中文名称。目前，中国还没有生产这些产品。派酶是一种生物酶液体制剂，没有毒、甜、淡。通过一定比例混合地，经过加固处理后，土壤的厚度可以显著提高。与传统土壤硬化材料（如石灰、水泥等）相比，派酶具有高效（单位体积土体混合较少）、施工方便、施工周期长、经济高效、环境友好等特点。从1995年到2009年，由美国国际酶制剂学会（shanghaico.）开发的派酶在上海、内蒙古、青海、河北、云南、江西、河南等省、区相继实施了该方法。2009年，上海建筑产品应用指南《土壤固化应用技术指南》（注释：“perma”是“perma”的中文翻译人称）采用了上海泥浆岩的应用技术指南，并对生物酶土壤固化的技术特征和工程实例进行了阐释。2009年，上海建筑产品应用指南dbj-tg009-2009年《土壤软化应用技术指南》（指“perma”是“perma”的同义词）在实践中推广了该技术。对于生物酶土壤固化的工艺研究，主要是国外文献的报道。对于植物样品制造商来说，当植物样品与水混合时，在土壤被压碎之前，它可以通过在土壤中产生强烈的胶结作用，这可以提高土壤的抗渗性。例如，mastart河边等人认为，当植物和水混合时，在土壤被压碎之前，它可以通过土壤中含有器官的加速粘附过程。对于土壤中的各种金属离子，可以通过土壤溶液被运输，从而促进土壤中的各种细菌释放氢离子，并形成土壤表面的ph值梯度，这有助于改善土壤结构。在酶的作用下，大量有机分子与土壤结合生成中间反应。当这些物质与粘土结构交换阳离子时，改变现有的土壤结构，关闭它，削弱土壤中的水分，并扩张土壤，使土壤更致密。将石灰、砂、土料按比例在一定含水量条件下压实而成三合土,是自古以来国内外工程实践中的常见做法.由于石灰的掺入,三合土土体中会形成碱性环境.有关研究表明,较强的碱性环境会抑制或杀灭细菌.因此,派酶作为一种生物酶固化剂,掺入三合土中是否仍能起到有利于土体抗压强度提高的作用,需要通过试验来证明.1有效钙的含量派酶:美国爱酶生·乔特新科技有限公司生产的Permazyme11X,上海泓法工贸有限公司提供.石灰:北京市门头沟区妙峰山镇上苇甸石金工货有限公司生产的生石灰粉.用HCl滴定法测定出其中的有效钙含量大于70%(本文所涉及的含量、筛余量等除特别说明外均为质量分数);用干筛法以筛孔尺寸为0.125mm的方孔筛测定出生石灰粉的筛余量为17.74%.土料:取自天津大沽口炮台遗址所在地区.采用密度计法测定土样的粒径分布.按照文献测得土样的液限、塑限,算得其塑性指数(见表1).土样处于塑限时的锥入深度是2mm.据文献可判断该土样为低液限黏土.X射线衍射分析表明土样所含主要矿物为石英和白云母(见图1).砂:取自天津大沽口炮台遗址所在地区.按照文献进行筛分试验(见表2),计算得到砂的细度模数为2.2,属细砂.2试件的制备和养护试验所用配合比是在石灰与土料体积配合比为3︰7和2︰8的基础上,保持石灰掺量不变,砂则以“内掺法”替换部分土料,相应确定2组配合比(组1,2).组1中石灰、土、砂的体积配合比(以下简称“配比”)为3︰5︰2;组2中石灰、土、砂的配比为2︰6︰2.派酶掺量采用实际工程中的常用量(1L派酶拌和33m3的土料,即派酶与由石灰、土、砂组成的混合土料之体积比为1︰33000),按派酶替代水量法掺入计算好的水量中.根据比例计算试验用各种材料的用量.采用通过击实试验获得的较优含水率制备试件.试件尺寸为ϕ39.1×80mm,每组配比安排3个试件测其28d龄期无侧限抗压强度,并配有不加派酶的对照组3个试件.将制成的试件放入(20±2)℃,相对湿度为(53±2)%的养护室内进行养护,按文献进行无侧限抗压强度试验.SEM电镜扫描、X射线衍射分析所用试件的制作和养护方法与无侧限抗压强度相同,但养护龄期为1a.X射线衍射分析工作在中国文化遗产研究院完成.所采用的试验设备为RigakuD/max2200型X射线衍射仪.SEM电镜扫描所采用的仪器有EIKO-IB·3离子溅射仪、HITACHIS-3400N扫描电子显微镜等.3试验结果与分析3.1两组试件2.2压强度对比试件养护至预定龄期,按文献进行无侧限抗压强度试验.计算每组3个重复试件检测值的平均值和标准误差限,结果见图2.图2显示,无论掺不掺派酶,组1(3︰5︰2)试件的28d无侧限抗压强度均高于组2(2︰6︰2)试件;掺派酶试件的28d无侧限抗压强度均比相应的未掺派酶试件高,组1(3︰5︰2)中掺派酶试件的28d无侧限抗压强度比未掺派酶试件提高52%,组2(2︰6︰2)中掺派酶试件的28d无侧限抗压强度比未掺派酶试件提高23%,说明即使在石灰掺量相对较高的情况下(组1),掺派酶试件的28d无侧限抗压强度仍比未掺派酶试件有较大幅度的提高.因为土体中石灰掺量的增加会形成更强的碱性环境,抑制细菌活动或杀灭细菌,所以,可推断派酶对土体结构有增强作用,不会是因为它单纯地促进土壤中各种菌类活动而造成上述结果.3.2消石灰粉土体特性三合土及掺派酶三合土试件的XRD分析结果见图3.图3显示,三合土中的物相以石英(SiO2)、方解石(CaCO3)与白云母(KAl2(Si3AlO10)(OH)2)为主.石英(SiO2)是晶体,主要来自三合土的组成材料砂和土,其化学活性小,在土体中主要起骨架作用;白云母(KAl2(Si3AlO10)(OH)2)主要来自三合土中的土料,其理化性质较不活跃.生石灰粉属气硬性胶凝材料,在具有一定含水率的三合土制作过程中,发生了如下化学变化:CaO+H2O→Ca(OH)2(1)CaΟ+Η2Ο→Ca(ΟΗ)2(1)Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O(2)(ΟΗ)2+CΟ2→CaCΟ3+Η2Ο(2)生石灰粉遇水发生消化反应(1),生成消石灰Ca(OH)2.Ca(OH)2和空气中的CO2经反应(2)生成方解石晶体(CaCO3),随着生成的方解石越来越多,土体强度也越来越大.图3显示,三合土试件的主要物相与掺派酶三合土试件略有差异;掺派酶三合土试件在图谱横坐标28°附近位置出现明显超过三合土试件的强峰.由于暂不能确定该强峰是何种矿物的特征,考虑到掺入三合土试件中的派酶量很少,因此推断派酶直接参与反应并形成明显新的物相特征可能性较小,但不能排除因为派酶的掺入,会促进土体固化过程中某种晶型变化产生的可能性.这为解释掺与未掺派酶三合土土体抗压强度的差异提供了某种参考依据.3.3固化土体显微结构形貌为了便于观测掺派酶后土体的显微结构形貌,选用掺派酶后28d无侧限抗压强度提高幅度较大的组1(3︰5︰2)配比,制成试件,养护1a龄期后进行SEM电镜扫描,结果如图4所示.图4(a)显示,未掺派酶试件的显微结构形貌中有明显的块状体出现,层状结构不明显,有一些颗粒存在,块体间、颗粒间、块体与颗粒间有一定空隙;图4(b)显示,掺派酶试件的显微结构形貌中有明显的块状体出现且联系成片,有明显的层状结构发育,各块体边缘界限有些模糊,颗粒边缘不清晰,块体间、颗粒间、块体与颗粒间的空隙比图4(a)明显减少,块体与颗粒相互延伸、交接,比图4(a)更具严密的整体性.一般来说,材料越致密,其强度会越高.这种解释与试件的28d无侧限抗压强度检测结果是一致的.采用分形维数来表征固化土体显微结构形貌,可以促进固化土体显微结构形貌研究由直观定性分析逐渐向量化分析转变.盒维数法为一种较好的计算图像分形维数的方法.盒维数描述了由离散像素点构成的数字图像中关心区域在整个图像范围内的分布特征,其越接近于2,表明关心区域越趋向于整个图像范围的分布.将扫描电镜照片经过专门的图像处理系统软件处理,经灰度变换和去噪声处理(见图5),计算得到的盒维数如表3所示.图5显示,未掺派酶三合土试件的孔隙粗大,而掺派酶三合土试件的孔隙细小.表3表明,掺派酶三合土试件的盒维数比未掺派酶三合土试件大.这是因为派酶的掺入可使三合土的细小孔隙数量增多,大孔隙减少;细小的孔隙意味着土体颗粒间的凝聚程度增加,有利于土体颗粒间相互作用力的增强.4派酶对三合土试件的x射线衍射分析(1)在选用的两种配合比的三合土试件中掺入派酶后,所测得的28d无侧限抗压强度均有提高,其中石灰︰土︰砂的配合比(体积比)为3︰5︰2的掺派酶试件,其28d无侧限抗压强度比未掺派酶试件提高了52%.(2)石灰掺量较高,会使三合土土体中形成更强的碱性环境,抑制细菌活动或杀灭细菌.但掺派酶后三合土土体的28d无侧限抗压强度仍比未掺派酶试件有较大幅度的提高.因此推断:派酶作为生物酶类土壤固化剂,其对土体结构增强的作用不是因为单纯地促进土壤中存在的各种菌类活动所引起的.(3)掺派酶三合土的XRD分析图谱横坐标28°附近位置出现明显超过未掺派酶三合土的强峰,但暂不能确定该强峰是何种矿物的特征.考虑到掺入的派酶量很少,即其直接参与反应形成明显新的物相特征的可能性小,所以不能排除派酶的掺入会促进土体固化过程中某种晶型变化产生的可能性,其机理有待深入研究.(4)掺派酶三合土试件的SEM图像中有明显的块状体出现且联系成片,有明显的层状结构发育,各块