改良微生物誘導碳酸鈣沉淀技術加固粉性土力學性能

岳建偉, 張寶璽, 趙麗敏, 孔慶梅, 王思遠

(1.河南大學土木建筑學院, 開封 475004； 2.濮陽城市發展投資集團有限公司, 濮陽 457000)

微生物誘導碳酸鈣沉淀技術(microbially induced calcite precipitation,MICP)[1]是近代由國外學者提出的一項加固技術,MICP技術包括微生物的培養與膠結液的制備,微生物多采用巴氏芽孢桿菌[2],膠結液多采用尿素與氯化鈣混合溶液[3],比起直接用脲酶誘導碳酸鈣沉淀來MICP技術更為高效[4-5]。目前微生物主要應用到以下三個方向[6]：①微生物巖土加固技術,包括地基加固處理、抗液化處理、防塵固沙處理；②微生物巖土封堵技術,包括土體防滲處理、巖石裂隙修復；③微生物降解重金屬污染土。此外,微生物加固土體施工工藝主要包括灌漿[7]、循環入滲以及拌和[8]等方式。王緒民[9]利用微生物加固重塑泥巖,得出微生物膠結泥巖具有較好的應用價值。馬瑞男[10]用微生物與鈣質砂拌和的方法可以使松散鈣質砂的滲透系數降低；彭邦陽等[11]采用將菌液和海相粉土拌和制樣,然后采用循環入滲膠結液的方法進行土體加固試驗；陳敏潔等[12]用MICP技術去除重金屬鉛,以修復污染土；張彬等[13]研究了不同電壓梯度下,脲酶活性的變化規律,得出電壓對巴氏芽孢桿菌的生物活性起促進作用,提高了其脲酶活性,最終提高了碳酸鈣的產量；張國城等[14]將鎂離子引入到微生物中,研究了不同鎂、鈣離子濃度下對砂土力學性能的影響作用。前人利用MICP技術使得土體力學性能得到強化、抗滲性能得到提高以及重金屬含量得到降低。

追究MICP技術的原理,中國古人很早就將該技術應用到工程中來,主要是向土中添加石灰等無機膠凝材料以及糯米漿、動物血液、植物汁液、秸草等有機材料[15],形成無機有機結合體對土體起到加固作用；由于土壤中含有大量的微生物,其中糯米漿為微生物提供營養源,動物血液提供鈣源,形成了最早的微生物礦化作用。糯米灰漿是中國古代建筑史上的重大發明之一[16],即在無機材料中添加有機材料,使糯米漿和碳酸鈣之間存在相互填充和膠結作用,進而對建筑物、構筑物起到加固作用。趙佩[17]采用糯米灰漿對土體進行加固,摻加3%濃度的糯米漿對土體抗壓強度提高最多；易識遠等[18 ]采用3%糯米漿濃度對三合土進行改良,使三合土的抗壓強度、表面硬度、耐水浸泡性及耐凍融性得到改良；魏國峰等[19-20]研究了糯米漿、血糯米漿、糯黃米漿、大米漿和高粱米漿對灰漿的影響,在這些漿液中糯黃米漿加固性能最優；又研究了純氫氧化鈣、純氧化鈣、灰鈣粉以及工業氧化鈣四種材料制備而成的糯米灰漿的性能,其中采用純氧化鈣配制的糯米灰漿性能最優；王凱等[21]研究添加糯米漿的人工制備遺址土的基本特性,以期為土遺址修復的工作提供可靠試驗依據。前人多從糯米灰漿改良試件的表面硬度、抗壓強度、黏結性能、抗滲能力、耐凍融性和耐水性等方面研究其改良效果,很少有人研究糯米灰漿或糯米漿改良試件的抗剪強度。

由糯米灰漿這一合成材料得到啟發,將糯米漿引入到MICP[22]技術中形成改良MICP技術；這樣糯米漿、菌液、膠結液以及碳酸鈣沉淀共同形成現代意義上的糯米灰漿。一方面糯米漿可以為微生物提供營養源,進而提高微生物的活性；另一方面糯米漿同碳酸鈣結合形成糯米灰漿對土體力學性質進一步強化。選取豫東北濮陽地區土顆粒作為研究對象,該地區土質多為黃河泛濫沖擊而成的粉性土,干燥時強度高,潮濕時強度顯著下降；根據《土工試驗方法標準》[23]測得其基本物理性質；土體通過直接剪切試驗與無側限抗壓強度試驗研究改良前后土體的黏聚力、內摩擦角與無側限抗壓強度的變化量,通過庫倫強度理論對試驗結果進行對比分析,評價兩種試驗的可靠性。

1 MICP技術及其改良材料研究

1.1 改良材料試驗研究

1.1.1 不同糯米漿濃度制備

糯米的主要成分為支鏈淀粉,其含量約為總質量的75%～77%[24],古人將糯米磨成粉加水蒸煮后制備成糯米漿；用糯米漿與三合土拌和后夯實而成了流傳至今的土遺址,歷經千年依然能保持較好的原貌,其加固黏結機理主要是仿生物礦化過程,糯米漿在該過程中起模板作用[25]。將不同質量的糯米粉加水配成濃度為1%、3%、5%、7%、9%的糯米漿,1%糯米漿濃度的制作方法為：錐形瓶洗凈、烘干,稱1 g糯米粉加入瓶中,再向瓶中加入自來水至100 g,錐形瓶瓶口用報紙等透氣性材料封好,放入高壓蒸汽鍋,經121 ℃、30 min高壓蒸汽蒸煮后儲存備用(其余濃度糯米漿參照此做),如圖1所示。

圖1 糯米漿制備過程

1.1.2 不同濃度糯米漿下直剪試驗與無側限抗壓強度試驗

根據土顆粒基本物理性質指標(表1),設計含水率17%,干密度1.6 g/cm3,添加0%、1%、3%、5%、7%、9%的糯米漿到土體中,共六組試樣養護7 d后分別進行直剪試驗與無側限抗壓強度試驗；剪應力與剪切位移曲線如圖2所示,以0.8 mm/min的剪切速率使試樣在3～5 min內損壞；根據剪應力與剪切位移圖,記錄曲線的峰值,若無峰值,取剪切位移為4 mm時的讀數,結果如表2所示。根據不同垂直壓力下對應的抗剪強度擬合出抗剪強度與垂直壓力關系曲線,如圖3所示；不同糯米漿濃度相同養護天數下試樣黏聚力與內摩擦角如圖4所示。

表1 豫東北濮陽地區土顆粒基本物理性質指標

圖2 不同糯米漿濃度試樣的剪應力與剪切位移曲線

表2 不同糯米漿濃度試樣的直接剪切試驗結果

圖3 不同糯米漿濃度抗剪強度與垂直壓力關系曲線

圖4 不同糯米漿濃度黏聚力與內摩擦角變化圖

隨著糯米漿濃度的增加抗剪強度與垂直壓力關系曲線呈一定規律變化,6條直線與y軸的截距隨糯米漿濃度的增加而增加,糯米漿濃度為9%時截距最大即黏聚力最大；6條直線的斜率先增加后減小,糯米漿濃度為3%時斜率最大即內摩擦角最大；隨著糯米漿濃度的增加黏聚力呈線性增長趨勢,內摩擦角先增加后減小,0%糯米漿濃度下試樣黏聚力為25.1 kPa,內摩擦角為30.05°；相比于0%糯米漿濃度,1%、3%、5%、7%、9%糯米漿濃度黏聚力分別增加了3、7.4、13.65、19.05、24.2 kPa,內摩擦角分別增加了1.82°、4.88°、2.03°、0.91°、-0.14°；隨著糯米漿濃度的增加,更多質量的糯米將土顆粒間的孔隙填充,濃度越高土中糯米含量就越多,一個環刀試樣質量不變,土顆粒質量相對會減少；糯米漿一方面增加了土顆粒與顆粒間的黏聚力,但是隨著糯米漿濃度的增加,土試樣中糯米質量增加,土顆粒表面的摩擦力會降低,導致土樣內摩擦角減小。

不同糯米漿濃度養護7 d軸向應力與應變關系曲線如圖5所示。隨著糯米漿濃度的增加,一方面試樣抵抗破壞的能力先增加后減少,糯米漿濃度為3%時軸向應力達到最大即無側限抗壓強度達到最大；相比于0%糯米漿濃度,1%、3%、5%、7%、9%糯米漿濃度下試樣無側限抗壓強度分別提高了19.3%、60.5%、43.7%、35.8%、32.1%,添加糯米漿可以提高試樣的無側限抗壓強度,其中3%糯米漿濃度對試樣的無側限抗壓強度提高最大。

圖5 不同糯米漿濃度軸向應力與應變關系曲線

1.2 改良材料試驗研究

1.2.1 細菌的培養、改良及其活性研究

MICP技術中采用的微生物為巴氏芽孢桿菌,其培養基配方如表3所示；將3 g糯米粉加入到100 mL液體培養基中制成改良培養基。

表3 巴氏芽孢桿菌培養基配方

1.2.2 細菌的活性研究

細菌OD(optical density)值反映了細菌的濃度,細菌的濃度越高,透光值就越小,OD值越大。配制兩組菌液,Ⅰ組為普通菌液,Ⅱ組為改良菌液；48 h后進行OD值的檢測,檢測結果是Ⅰ組OD值=1.403,Ⅱ組OD值=1.754。細菌的電導率反映了細菌的活性,先將1.8 g尿素溶于27 mL去離子水中,然后加入3 mL菌液,每隔一定時間測兩組(Ⅰ、Ⅱ組)菌液的電導率,結果如圖6所示。

圖6 菌液及改良菌液電導率變化曲線

兩組菌液0～15 min內電導率變化率約為0.01 ms/(cm·min),20 min以后Ⅱ組電導率增速明顯大于Ⅰ組,48 h后Ⅰ組菌液電導率達到8.73 ms/cm、Ⅱ組菌液電導率達到10.2 ms/cm,結果表明細菌不斷產生脲酶[26]分解尿素使得離子濃度不斷增加,且改良后的菌液產脲酶量要高于普通菌液。

1.3 MICP技術最佳膠結液濃度及其改良

1.3.1 MICP技術最佳膠結液濃度

MICP技術反應方程見式(1)、式(2),膠結液選用尿素與氯化鈣混合溶液；其作用機理是CaCO3沉淀、未完全反應的CaCl2溶液以及菌液將土顆粒黏結起來,從而提高土顆粒之間的黏聚力。

(1)

(2)

研究MICP技術最佳膠結液濃度是控制膠菌質量比為2∶1,設計A/a、B/b、C/c、D/d、E/e、F/f組膠結液濃度為0.25、0.5、0.75、1、1.5、2 mol/L下,測定CaCO3的生成量；根據土體基本物理性質指標,模擬土體直接快剪試驗中10%含水率、干密度ρd=1.6 g/cm3下的土體水分含量,試驗中一個環刀體積V=60 cm3,根據干密度以及含水率可求得土體水分含量為9.6 g,其中膠結液質量為6.4 g,菌液質量為3.2 g。

試驗分兩組進行,A～F組過濾、烘干后進行EDTA(ethylene diamine tetraacetic acid)[27]標準溶液滴定試驗,測得實際產CaCO3沉淀量；a～f組烘干后先稱重,再進行SEM(scanning electron microscope)微觀電鏡掃描,其中烘干后剩余固體主要是CaCO3沉淀、未反應的CaCl2及菌體；實際產CaCO3沉淀量、Ca2+轉化率如圖7所示,烘干后剩余固體量如圖8所示,A、B組Ca2+轉化率較高,分別為83.94%、82.19%,產CaCO3沉淀量為0.1343 g、0.263 g,C～F組Ca2+轉化率從73.44%降低到34.79%,主要原因是高濃度的膠結液會抑制脲酶的活性使得Ca2+轉化率降低。

圖7 不同膠結液濃度相同膠菌質量比下產CaCO3沉淀量、Ca2+轉化率

圖8 不同膠結液濃度相同膠菌質量比下烘干后剩余固體量

1.3.2 改良MICP技術研究

改良MICP技術是基于MICP技術控制膠菌質量比為2∶1、膠結液濃度為0.5 mol/L下配制糯米漿改良膠結液與糯米漿改良菌液,改良MICP技術膠結液質量為6.4 g,菌液質量為3.2 g；試驗分兩組進行,其中G組過濾、烘干后進行EDTA標準溶液滴定試驗,g組烘干后先稱重,再進行SEM微觀電鏡掃描,烘干后剩余固體主要是CaCO3沉淀、糯米漿、未反應的CaCl2及菌體；測得實際產CaCO3沉淀量為0.299 g,Ca2+轉化率高達93.44%,比H組提高了11.25%；進一步說明了糯米漿改良菌液提高了細菌的濃度進而使得菌液中的脲酶含量增加,故所測生成CaCO3沉淀量有所增加。

1.3.3 SEM電鏡掃描分析

MICP技術反應產物通過SEM掃描可以更清晰的觀察其微觀結構,這些觀察結果將有助于設計未來的處理方案,以改善MICP處理樣品的性質和可持續性[28]。取a組～g組烘干后剩余固體物質(菌體、CaCO3沉淀、CaCl2晶體、糯米漿)和CaCl2、Na2CO3反應完全烘干后產物CaCO3顆粒進行SEM電鏡掃描,觀察巴氏芽孢桿菌誘導CaCO3沉淀后剩余固體物質的形狀、結構等性質,如圖9所示。

圖9中上面為放大1 000倍下固體物質微觀圖,下面為放大5 000倍下固體物質微觀圖；通過掃描電鏡觀察,a組～f組中a組、b組Ca2+轉化率較高,可見較多的CaCO3沉淀；c組～f組Ca2+轉化率逐漸降低,可見少量CaCO3沉淀以及大量CaCl2晶體附著到CaCO3沉淀上；g組是在b組的基礎上添加糯米漿后的生成物,相比之下g組可見CaCO3顆粒更多、更密實,一方面g組相比于b組Ca2+轉化率提高了10%；另一方面糯米漿將CaCO3顆粒包裹住,在其表面形成一層隱約可見的薄膜；比較b、g組試樣,其相似度極高,證明為CaCO3顆粒,由于b組表面附著有CaCl2晶體、g組表面附著有糯米漿,三組試樣同CaCO3顆粒試樣的掃描電鏡圖略有差異。

圖9 SEM掃描電鏡圖

2 土體力學性能研究

2.1 直剪試驗與無側限抗壓強度試驗

根據土顆粒基本物理性質指標,設計含水率17%,干密度1.6 g/cm3,研究MICP技術及改良MICP技術強化土體力學性能,共三組試樣養護7 d后分別進行直剪試驗與無側限抗壓強度試驗；剪應力與剪切位移曲線如圖10所示,根據剪應力與剪切位移圖,記錄曲線的峰值,若無峰值,取剪切位移為4 mm時的讀數,結果如表4所示。

圖10 養護7 d下剪應力與剪切位移曲線圖

表4 養護7 d下直接剪切試驗結果

根據不同垂直壓力下對應的抗剪強度擬合出抗剪強度與垂直壓力關系曲線,如圖11所示；三種試樣養護7 d軸向應力與應變關系曲線如圖12所示。

圖11 三種土樣養護7 d抗剪強度與垂直壓力關系曲線

圖12 養護7 d三種試樣軸向應力與應變關系曲線

養護7 d三種試樣抗剪強度與垂直壓力關系曲線與y軸的截距不斷增大,即改良MICP土試樣黏聚力最大,MICP土試樣次之,素土試樣最小；觀察三條線的斜率發現,素土與MICP土兩條直線近似平行,改良MICP土斜率大于前兩者。素土試樣黏聚力、內摩擦角分別為25.05 kPa、30.28°；MICP土試樣黏聚力、內摩擦角分別為32.7 kPa、31.42°,相比于素土試樣黏聚力提高了約30%,內摩擦角變化不大；改良MICP土試樣黏聚力、內摩擦角分別為37.65 kPa、35.44°,相比于素土試樣黏聚力提高了約50%,內摩擦角提高了約17%,相比于MICP土試樣黏聚力提高了約15%,內摩擦角提高了約12%。MICP技術可以提高土體的黏聚力,但對內摩擦角的影響較小,將糯米漿引入MICP技術形成改良MICP技術,進一步提高了土體的黏聚力,同時糯米漿對土體內摩擦角的提高起到了決定性的作用。養護7 d改良MICP土試樣軸向應力最大且其所對應的軸向應變最大,即該試樣抵抗破壞和抵抗變形的能力最優,MICP土試樣次之,素土試樣軸向應力最小且其所對應的軸向應變最小,即該試樣抵抗破壞和抵抗變形的能力最差；無側限抗壓強度試驗數據結果匯總如表5所示。

表5 養護7 d三種試樣的無側限抗壓強度

相比于素土試樣,改良MICP土試樣無側限抗壓強度提高了73.81%,MICP土試樣無側限抗壓強度提高了22.99%；相比于MICP試樣,改良MICP土試樣無側限抗壓強度提高了41.32%。

2.2 庫倫強度理論分析

庫倫強度理論,其表達式為

τ=c+σtanφ

(3)

式(3)中：τ為切應力；σ為正應力；c為黏聚力；φ為內摩擦角；σtanφ為內摩擦。通過直剪試驗證明MICP土比素土黏聚力有所提高,但內摩擦角變化不大；改良MICP土比MICP土、素土黏聚力與內摩擦角均有所提高。

黏聚力是在同種物質內部相鄰各部分之間的相互吸引力,這種相互吸引力是同種物質分子之間存在分子力的表現。對MICP土來說黏聚力是土顆粒間公共結合水膜的結合力、分子吸引力、CaCO3與CaCl2的膠結力以及菌液與土顆粒間的結合力,對素土來說黏聚力主要是土顆粒間公共結合水膜的結合力、分子吸引力；正是CaCO3與CaCl2的膠結力以及菌液與土顆粒間的結合力使得MICP土的黏聚力要大于素土的黏聚力。對改良MICP土來說多了一項糯米漿的作用,使得改良MICP土的黏聚力與內摩擦角都大于素土與MICP土的黏聚力。

土的內摩擦角反映了土的摩擦特性,一般認為包含兩個部分：土顆粒的表面摩擦力,顆粒間的嵌入作用產生的咬合力。內摩擦實際是土顆粒表面結合水的黏滯阻力,改良MICP土中的糯米漿增大了土顆粒間的黏滯阻力,故改良MICP土的內摩擦角要大于MICP土與素土。

3 結論

微生物巖土工程在固化砂礫土方面取得了較大的成果,前人多采用循環滴滲的方式對土樣進行加固處理,但粉性土的滲透系數太低,不適宜采用滴滲的方式,黃河中下游平原地區多為黃河泛濫沖擊而成的粉性土,運用拌和改良微生物的方式對黃泛區粉性土樣進行加固,彌補了微生物加固粉性土的空白；現將糯米灰漿這一傳統工藝引入到MICP技術中形成改良MICP技術,兩種技術均能提高土樣抗壓強度,但改良MICP技術更進一步提高了土樣的抗壓強度,主要原因是MICP技術僅能提高土體的黏聚力,對內摩擦角的影響較小,改良MICP技術中添加了糯米漿,不僅進一步提高了土體的黏聚力,而且糯米漿對土體內摩擦角的提高起到了決定性的作用,從而使得土體抗壓強度得到提高。

改良MICP技術針對黃泛區土體耐候性、耐酸堿性以及地震力作用下土體抗液化能力是今后研究的方向,努力實現土體強度、剛度、穩定性統一改良；另外,改良MICP技術在室內試驗中取了一定的成果,未來改良MICP加固土要應用到實際工程中,主要考慮隨養護天數的增加土樣含水率會因外界環境而改變這一因素,能否達到預期效果還需進一步研究；此外,還需考慮到大劑量用微生物與膠結液,如何實現量產至關重要。