海水環境下MICP加固珊瑚砂試驗

彭 劼,田艷梅,楊建貴

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.江蘇省巖土工程技術工程研究中心,江蘇 南京 210098; 3.南京市水務工程建設管理中心,江蘇 南京 210017)

珊瑚砂作為一種典型的鈣質砂,其碳酸鈣含量十分豐富,質量分數高達90%以上,是一種在海洋環境下由珊瑚碎屑和其他海洋生物碎屑沉積形成的特殊砂土,在我國南海海域分布十分廣泛。珊瑚砂孔隙比高且單個顆粒內部多含有空隙,顆粒受壓易破碎[1-3],工程力學性能不佳。珊瑚砂作為天然地基多見于南海民用和民防工程,若其直接作為地基,則承載力較低,故一般需要處理。相較于污染大、能耗高的傳統土體加固方法(如換填法、夯實法、壓樁擠密、噴射注漿法、真空預壓法等)中使用的化學建材易對環境產生不同程度的影響[4-8],微生物誘導碳酸鈣沉積(microbially induced calcite precipitation,MICP)技術無毒無污染,通過析出具有膠結作用的碳酸鈣沉淀,填充土顆粒空隙并膠結相鄰土顆粒,使松散土體黏結成具有一定強度的固化體[9-11],從而提高土體強度、抗滲、防凍和抗液化等性能;MICP固化技術機理簡單,高效快速,能有效避免施工過程中對砂土的擾動;MICP的固化產物為性質穩定的難溶性碳酸鹽,對特殊地區土壤的固化和具有特殊加固要求的土體改性具有良好的發展前景[12-13]。

歐益希等[16]首次利用珊瑚砂作為原材料進行微生物固化研究。張楠[14]將菌種在不同溫度、pH值、NaCl濃度下培養,通過測定脲酶活性來探討ATCC11859(巴斯德芽孢桿菌)的最適生長條件,并將該條件下培養的菌液用于珊瑚砂固化試驗。隨后,更多學者開始從膠結液成分、珊瑚砂性質、環境因素等方面對珊瑚砂微生物固化體工程性質的影響進行研究。李捷[15]研究了不同含水率條件下珊瑚砂固化體力學特性的差異,發現固化體受壓后均呈脆性破壞,應力-應變曲線形態類似,主要為應變軟化型。歐益希等[16]對不同粒徑的珊瑚砂進行了微生物固化對比試驗,得到了適用于MICP技術的珊瑚砂最佳粒徑范圍為0.25～0.5 mm,但其只針對單一粒徑的珊瑚砂,不同級配對珊瑚砂固化效果的影響未涉及。李捷等[17]研究了菌液脲酶活性對珊瑚砂微生物固化效果的影響,發現脲酶活性會影響碳酸鈣的生成量,且固化的最佳菌液脲酶活性約為1.5 mmol/(L·min)。劉漢龍等[18]通過動三軸和SEM微觀結構試驗,研究了MICP 膠結鈣質砂的動力特性,結果表明MICP膠結作用能顯著改善鈣質砂的抗液化能力。

鑒于目前在海水環境條件下利用微生物處理珊瑚砂島礁地基土的研究較少,本文采用尿素水解菌ATCC11859,模擬了海水環境下的MICP水溶液試驗,研究了海水環境對微生物誘導生成碳酸鈣的影響,然后分別在淡水環境和海水環境下采用浸泡法對珊瑚砂進行加固處理,測定在兩種環境下碳酸鈣的生成量,最后結合無側限抗壓強度試驗,對比分析淡水浸泡和海水浸泡對珊瑚砂加固效果的差異,以期為相關工程設計及研究提供參考。

1 試驗材料

1.1 珊瑚砂

試驗使用的珊瑚砂采集于南海某島礁,密度為2.75～2.85 g/cm3,混雜有碎石、貝殼、生物碎屑等雜質。將珊瑚砂洗凈,放入80℃的烘箱中烘至完全干燥,取出后進行顆粒分析,顆粒分布曲線見圖1。

圖1 珊瑚砂試樣顆粒分布曲線

1.2 微生物

試驗采用尿素水解菌ATCC11859。細菌活化后接種至液體培養基,培養基營養成分為(每500 mL):10 g酵母提取物、5 g NH4Cl、5 mg MnSO4·H2O及12 mg NiCl·6H2O,并用1 mol/L的NaOH 將培養液pH值調節至9.0。培養基在121℃高壓蒸汽下消毒30 min,冷卻至室溫后,將微生物接種到培養基,置于振蕩培養箱中培養(振蕩頻率為180 r/min,溫度為30℃),24 h后取出進行吸光度測量和菌液脲酶活性測試。

2 試驗方法

2.1 細菌濃度和活性的測定

吸光度采用可見光分光計測量,測量波長為600 nm(OD600),主要用來表征細菌的濃度。菌液脲酶活性測試方法為:室溫條件下,將3 mL培養好的待測菌液加入到27 mL尿素溶液中,細菌和尿素的混合液中尿素濃度為1 mol/L,使用電導率儀監測5 min內的電導率變化,從而獲得平均每分鐘電導率變化值,試驗中采用每分鐘的電導率變化值來表征菌液的活性。

2.2 MICP水溶液試驗

為了研究海水環境對微生物誘導碳酸鈣沉積效果的影響,模擬平均鹽度為3.5%的海水環境和無鹽的淡水環境。室溫條件下,將720 mL膠結液(0.5 mol/L氯化鈣和1.5 mol/L尿素的混合溶液)和80 ml菌液充分混合,其中模擬海水環境的膠結液中含有35 g/L的氯化鈉,將混合液置于磁力攪拌器上使其充分混合并發生反應。在試驗過程中定期測定混合液中的游離鈣離子濃度以保證鈣源充足,若鈣離子濃度較低則相應補充氯化鈣。待反應完全結束后,測得生成的碳酸鈣總質量。

2.3 浸泡法加固珊瑚砂砂柱試驗

為了研究海水環境和淡水環境對MICP技術加固珊瑚砂效果的影響,采用MICP浸泡法加固砂柱。將砂樣浸泡在兩組膠結液中,各取浸泡7 d、8 d和9 d的試樣為研究對象。浸泡法的試驗模具采用土工布縫制。模具為圓柱形,底面內徑4.8 cm,高10 cm。土工布厚度為1.5 mm,單位面積質量為200 g/m2。反應容器為33 cm×28 cm×23 cm的塑料箱,箱內配有0.5 mol/L氯化鈣和1.5 mol/L尿素的混合溶液,溶液體積以沒過試樣并高出1～2 cm為準。浸泡法試驗裝置如圖2(a)所示。固化方法為:①將266.3 g干密度為1.46 g/cm3左右的珊瑚砂采用分層壓實法裝入模具,試驗前砂樣在室溫條件下自由濾水,靜置24 h。②調節蠕動泵以12.15 mL/min的恒定速率給試樣緩慢灌入80 mL 濃度為0.05 mol/L的CaCl2固定液,靜置5 h,再以同樣速率灌入80 mL菌液,讓細菌充分吸附在珊瑚砂顆粒上。試驗前測定OD600為0.714,5 min電導率變化為0.24 mS/cm。③灌入菌液后靜置5 h,將試樣放入模擬海水環境和模擬淡水環境的膠結液反應容器中,用氣泵連接發泡石,為反應過程中細菌生長繁殖提供氧氣。④反應到達7 d、8 d和9 d時,取出試樣,用去離子水將珊瑚砂砂柱孔隙間殘留的鈣離子沖洗干凈,靜置24 h,隨后放入80℃恒溫鼓風烘箱中烘干脫模,烘干后試樣如圖2(b)所示。

圖2 浸泡法試驗裝置示意圖及加固后試樣

2.4 碳酸鈣生成量的測定

微生物誘導碳酸鈣的生成量是鑒定固化效果的重要指標,Victoria等[19]認為微生物固化土體后試樣內生成的碳酸鈣超過60 kg/m3即可顯著改善土體的強度。由于珊瑚砂為典型的鈣質砂,碳酸鈣質量分數超過90%,常規酸洗法會使整個砂柱都溶于稀鹽酸,因此將固化后的砂柱質量與固化前的砂柱質量差作為碳酸鈣生成量的值。

2.5 無側限抗壓強度試驗

松散的珊瑚砂顆粒經MICP技術加固成具有一定強度的固化體,其強度來源主要是微生物誘導生成的碳酸鈣與珊瑚砂顆粒膠結而成的結合體。理論上講,相同試驗條件下碳酸鈣的生成量與固化體強度正相關。由于砂柱試樣是將松散的珊瑚砂顆粒裝在全柔性土工布模具中,且試樣完全浸泡在膠結液中進行加固,故而取樣時,直接將土工布拆除,再用去離子水沖洗干凈,靜置2 h后放入80℃的烘箱中烘干,對烘干脫模的砂柱進行無側限抗壓強度試驗,試件直徑4.5 cm,高9.7 cm,加載為應變控制式,以1.5 mm/min的加載速率加載至試樣破壞,取峰值應力作為該試樣的無側限抗壓強度qu。

3 試驗結果分析與討論

3.1 MICP水溶液試驗

圖3 反應過程中兩組水溶液中碳酸鈣生成量

由上述分析可得,海水環境下仍能生成碳酸鈣,但是在其他條件相同時,海水環境中生成的碳酸鈣質量為24.8 g,明顯小于淡水環境中的61.6 g,碳酸鈣生成量低了59.74%,即海水環境明顯會抑制MICP過程中碳酸鈣的最終生成量。

3.2 浸泡法加固珊瑚砂砂柱試驗

在前述的浸泡法MICP加固砂柱試驗中生成固化砂柱后,分別進行碳酸鈣含量測定以及無側限抗壓強度試驗。兩種環境下生成的碳酸鈣如圖4所示。

圖4 珊瑚砂固化體中生成的碳酸鈣

由圖4中可以看出,各組試樣內生成的碳酸鈣均遠超60 kg/m3,,隨著膠結時間的增加,珊瑚砂試樣內生成的碳酸鈣也隨著增加。7 d時,淡水環境中微生物誘導生成的碳酸鈣多于海水環境;8 d和9 d時,淡水環境與海水環境中生成的碳酸鈣含量差距進一步增大。分析原因是:海水中的高鹽分使微生物細胞膜皺縮,抑制了微生物的生長,且隨時間的增加,微生物的活性進一步降低。

各試樣無側限抗壓強度值如表1所示,由表1可知:相同浸泡時間下,淡水環境下加固的珊瑚砂試樣的無側限抗壓強度高于海水環境下加固的珊瑚砂試樣;相同環境下,海水和淡水環境中試樣固化后的無側限抗壓強度均隨浸泡時間的增長而增大。

表1 各試樣無側限抗壓強度 kPa

3.3 討論

MICP加固本質是通過微生物作用析出具有膠結作用的碳酸鈣沉淀,填充土顆粒空隙并膠結相鄰土顆粒,使松散土體黏結成具有一定強度的固化體。表2為各試樣碳酸鈣生成量與無側限抗壓強度的對比,可明顯看出:在同一環境下,試樣的無側限抗壓強度隨碳酸鈣生成量的增加而提高,但兩者并非呈簡單的線性關系,具體原因可能與浸泡法處理后試樣中碳酸鈣的分布及無側限抗壓強度試驗的破壞機理有關。

表2 各試樣碳酸鈣生成量與抗壓強度對比

由表2可知,MICP水溶液試驗中,碳酸鈣在海水環境下的生成量比淡水環境低;砂柱試驗中,碳酸鈣在海水環境下的生成量也低于淡水環境,與MICP水溶液試驗結論一致。

4 結 論

a. 通過MICP水溶液試驗可得,相比淡水環境,海水環境對微生物誘導生成碳酸鈣的量有明顯的抑制作用。前210 h觀測到海水環境中碳酸鈣的生成量較少且生成碳酸鈣的速度較慢,補充鈣源后,淡水環境中的微生物迅速生成碳酸鈣而海水環境中的碳酸鈣生成量趨于穩定,海水環境中微生物的活性幾乎已喪失而淡水環境中的微生物活性較高,試驗接近300 h時,淡水環境中鈣離子濃度也趨于穩定。

b. 通過砂柱試驗可知,相同條件下,海水和淡水環境中試樣固化后的無側限抗壓強度和碳酸鈣生成量均隨膠結時間的增長而增加。試樣加固完成后,海水環境中試樣的碳酸鈣生成量少于淡水環境;海水環境中試樣的無側限抗壓強度低于淡水環境,故海水環境會抑制MICP的加固效果,砂柱試驗結果與MICP水溶液試驗一致。