微生物誘導碳酸鈣沉淀技術改良黃土濕陷性研究

孔德成，孫治國，賈方方

(1.北京交通職業技術學院路橋系，北京 102200；2.防災科技學院中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室，廊坊 065201)

0 引 言

我國黃土具有覆蓋廣、厚度大、大面積連續等特點，其大孔隙、結構性、濕陷性等嚴重制約了黃土地區工程建設的發展。其中，黃土濕陷性一直是黃土地區研究熱點[1]。黃土濕陷性是指在自重或外力作用下，受水浸潤后黃土顆粒骨架迅速崩潰，強度大幅度降低的特性。這種性質易導致建筑物發生不均勻沉降，對建筑物的安全性及經濟性帶來極大的損害。近年來，針對黃土濕陷性已展開了大量的研究，周建基等[2]用石灰對黃土進行改良，試驗結果表明當摻灰質量達到7%時黃土濕陷性達到最小。于淮[3]、柳墩利[4]采用水泥固化黃土，力學性能與濕陷性得到大幅度的改善。沈小康等[5]從微觀角度分析高鈣細化粉煤灰改良黃土的機理，結果表明高鈣細化粉煤灰的摻入可降低黃土孔隙率，增強顆粒間的膠結，從而有效改良黃土濕陷性。目前針對黃土改良主要集中在化學、機械、外加劑等固化方法，但這些方法具有耗能高、污染大、施工周期長等特點，不利于我國可持續發展戰略。因此，發展低耗能、低污染的固化方法是目前迫切解決的問題。

微生物誘導碳酸鈣沉淀(microbial induced calcium carbonate precipitation, MICP)技術是土壤生物改良技術之一，通過分解尿素生成碳酸根離子和鈣離子進而誘導碳酸鈣結晶體形成[6-7]，進一步填充顆?？紫逗屯馏w骨架。MICP因低污染、低成本、低能耗被廣泛用于土壤固化領域中。劉世豪[8]采用MICP固化粗顆粒鹽漬土，經處理后，鹽漬土的抗壓強度、抗滲性等能力顯著得到改善。李征[9]將MICP用于改良風積沙，改良后的試樣無側限抗壓強度提高36.7%。依據研究發現，MICP用于砂土及粗粒土的改良，針對黃土的研究較少。根據黃土特有的不良性質，本文擬從黃土濕陷性角度出發，采用MICP改良黃土濕陷性。

基于此，本文采用配置不同濃度的膠結液，通過無側限抗壓強度和濕陷系數等指標分析經MICP改良后試樣的變化情況及改良機理。然后利用CT掃描技術，從微觀角度分析改良后試樣內部變化情況，研究成果可為黃土地區濕陷性處理提供參考。

1 實 驗

1.1 黃土物理特性

本試驗所用黃土取自甘肅蘭州市境內。依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[10]對其基本物理性能指標進行測定，結果如表1所示。

表1 黃土的基本物理性能指標

1.2 微生物的培養

本試驗所使用的細菌為巴士芽孢桿菌(sporosarcinapasteurii)，該細菌具有高活性、好氧、能在復雜環境下存活的特性。其自身可以通過新陳代謝產生的產物與鈣離子誘導生成碳酸根沉淀，進而填充試樣孔隙。試驗選用YE-NH4液體培養基(巴士芽孢桿菌通用培養基)，培養基配方為酵母20 g、硫酸銨10 g、三羥甲基氨基甲烷15.75 g和尿素30 g。將制作好的培養基置于120 ℃高壓滅菌鍋內30 min。待培養基冷卻后，將細菌和培養基液以1 ∶100的質量比接種至培養基，并將培養基置于恒溫震蕩箱(30 ℃)有氧培養24 h。

膠結液培養基包括尿素(30 g/L)、CaCl2·H2O(73.5 g/L)、NH4Cl(10 g/L)、NaHCO3(2.12 g/L)和營養肉湯(3 g/L),所有樣品均在有氧環境下用間歇式反應器浸入膠結介質中。

1.3 試樣制備

將烘干后的黃土碾碎過2 mm篩，加入不同濃度的菌液。采用拌和法將菌液與黃土充分攪拌。為觀察膠結液濃度對試驗的影響，按照0.50 mol/L、0.75 mol/L、1.00 mol/L、1.25 mol/L和1.50 mol/L進行配制，其中尿素和鈣離子最佳摩爾比為1 ∶1[11]。使用土工布縫制成標準三軸件(38.1 mm×76.2 mm)，如圖1所示。將配制好的土樣裝入縫制好的模具和61.8 mm×20 mm的環刀中，在溫度為25 ℃，濕度為95%的環境下進行為期7 d的養護，用于無側限抗壓強度試驗和濕陷性試驗。

圖1 標準三軸件模具

1.4 試驗方法

無側限抗壓強度試驗所采用儀器為SLB-1型三軸剪切試驗儀，升降速率為2 mm/min，數據由計算機自動記錄。

濕陷性試驗采用南京寧溪土壤儀器公司生產的WG(GDG)高壓固結儀，按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[10]將土樣上面覆以濾紙和透水石，然后放下加壓導環和傳壓活塞，使各部密切接觸，保持平衡。預加1.0 kPa的壓力，使固結儀各部密切接觸，裝好百分表，并調整讀數至零。去掉預加荷載，接著對試樣分級加壓，荷載順序為12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa,在加上砝碼的同時啟動秒表，按照規范要求進行讀數，直至達到穩定沉降為止。沉降穩定的標準是每小時變形量不超過0.01 mm，而后從試樣頂面加水，水面不應超過土樣高度，待再度達到穩定狀態后，并記錄讀數。

CT掃描試驗儀器由德國YXLON公司生產，配備了300 kV/500 W的X射線管，最高分辨率為5 μm，有效探測面積為249 mm×302 mm，掃描時平臺自動旋轉360°，并由電腦自動采集照片。

2 結果與討論

2.1 無側限抗壓強度

為研究MICP處理后不同膠結液濃度對黃土強度的影響規律，將養護7 d后的土樣拆模后進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，經MICP處理后的黃土無側限抗壓強度明顯提高，其峰值達到150 kPa，較未加固黃土無側限強度提高將近150%。隨著膠結液濃度不斷增加，試樣無側限抗壓強度也隨之提高，當膠結液濃度大于1.25 mol/L時，無側限抗壓強度隨之下降。膠結液濃度為1.25 mol/L時，試樣無側限抗壓強度達到峰值150 kPa，膠結液給予微生物良好的生長環境，誘導碳酸鈣生成量達到最大，碳酸鈣充分填充黃土內部孔隙，增加黃土骨架強度，此濃度下的無側限抗壓強度達到最大。但當膠結液濃度為1.5 mol/L時，生長環境不利于微生物誘導碳酸鈣沉淀。主要原因為膠結液中CaCl2含量過多，會進一步抑制脲酶的生成，進而阻止碳酸鈣沉淀生成[12]。

圖2 不同膠結液濃度下黃土無側限抗壓強度

2.2 碳酸鈣生成量

碳酸鈣生成量是評價微生物固化試樣效果的指標之一。將無側限抗壓強度試驗破壞后的試樣分別從頂部、中部和底部取樣進行測試，取平均值作為碳酸鈣沉淀水平。試樣烘干后稱重，放置在燒杯中，使完全溶解在1 mol/L鹽酸中。用蒸餾水沖洗經鹽酸分解后的土樣，并在烘箱烘干后稱重。碳酸鈣生成量取鹽酸溶前后的質量差，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同膠結液濃度碳酸鈣生成量和無側限抗壓強度值

通過對碳酸鈣生成量試驗結果分析可以發現，隨著膠結液濃度不斷增加，碳酸鈣生成量持續增加，但在膠結液濃度大于1.25 mol/L時，碳酸鈣生成量呈下降趨勢。同時結合不同膠結液濃度下的無側限抗壓強度值，發現碳酸鈣生成量與無側限抗壓強度值呈正相關。當膠結濃度為1.25 mol/L時，可以推測碳酸鈣在黃土試樣孔隙內部充分填充，部分碳酸鈣與黃土骨架緊密結合，提高土骨架強度，從而使改良后試樣無側限抗壓強度提高大于150%。

隨著碳酸鈣不斷生成，顆粒之間的空隙逐漸被碳酸鈣填充，如圖4所示。碳酸鈣包裹細小顆粒，重新形成較大團聚體，同時碳酸鈣也起到橋梁作用，使相鄰顆粒重新膠結在一起，進一步減少黃土試樣內部孔隙，改善孔隙結構。隨著越來越多的碳酸鈣不斷依附在顆粒上，土骨架強度提高。當黃土遇水時，由于碳酸鈣與顆粒之間的膠結作用，使土骨架不易破壞，這也是黃土濕陷性降低的原因。

圖4 MICP處理前后微觀示意圖

2.3 濕陷系數

濕陷性是黃土地區工程建設面臨的主要病害之一[13-14]，通常黃土的濕陷性可分為內因和外因，內因是指黃土自身內部結構為主要因素，外因是指在水和外力作用下。通過對MICP處理后的黃土試樣進行濕陷性試驗，可評價微生物固化效果，同時也可以探究膠結液濃度對黃土濕陷系數的影響。試驗結果如圖5所示。

圖5 不同膠結液濃度下黃土濕陷系數

MICP可有效降低黃土濕陷性。膠結液濃度在0.50～1.25 mol/L時，濕陷系數隨膠結液濃度增加而降低。天然狀態下的黃土含水率多數較低[15]，土體呈架空結構和垂直節理發育，當黃土試樣遇水時，水分進入土骨架擾動土體結構，因適宜的膠結液濃度提供微生物良好的生長環境促使生成更多的碳酸鈣沉淀吸附在黃土顆粒孔隙中，增強黃土顆粒物質內部力鏈強度，使試樣內部骨架得到進一步加強，進而極大降低水對黃土骨架破壞程度，有效降低黃土濕陷性。當膠結液濃度為1.50 mol/L時，濕陷系數驟增，其主要原因為較高濃度下的膠結液不利于微生物誘導碳酸鈣沉淀，碳酸鈣無法進一步增強黃土顆粒骨架。

2.4 CT掃描分析

CT掃描作為一種無損檢測技術，目前被廣泛用于觀察物體內部微觀特征，其主要原理是利用X射線對物體進行掃描。為了進一步探究微生物誘導碳酸鈣沉淀技術處理后黃土的微觀特征，利用工業CT掃描儀對比膠結液濃度為0 mol/L和1.25 mol/L時的內部孔隙特征，并借助AVIZO軟件對掃描后的數據進行三維可視化處理。通過AVIZO軟件中interactive thresholding(閥值分割)功能對掃描試樣的孔隙進行分離，如圖6所示。閥制分割功能處理后，可直觀黃土試樣孔隙分布位置，其中圖6(a)的深色陰影為試樣內部孔隙，圖6(b)深色區域為閥值分割處理后的圖像。

圖6 黃土原始CT掃描圖像及閥值分割圖像

為更加直接觀察CT掃描后的圖像，將二維圖像轉化成三維立體圖像。首先將掃描后的1 007張圖片導入到AVIZO軟件中，然后利用軟件中自帶的volume rendering功能對掃描后膠結液濃度為0 mol/L和1.25 mol/L的圖像進行三維重建并展示孔隙分布圖。由圖7所示，可直接觀察到經MICP處理后的黃土孔隙明顯減少，證明碳酸鈣可以有效填充黃土孔隙，且孔隙直徑也得到改善。

圖7 三維黃土孔隙結構模型

2.4.1 孔隙率計算

孔隙率是指黃土中孔隙體積與總體積的百分比，研究孔隙率可進一步探究MICP對黃土試樣的改良效果。為方便對比改良前后黃土試樣孔隙的變化，利用AVIZO軟件中foam.thresholded功能計算膠結液濃度為0 mol/L和1.25 mol/L時試樣Z方向的孔隙率變化。Z方向指與黃土試樣高度平行的方向，計算Z方向的孔隙率可進一步探究碳酸鈣填充黃土內部程度,計算結果如圖8所示。

圖8 Z方向試樣孔隙率趨勢圖

由圖8可知，膠結液濃度為0 mol/L時，天然黃土孔隙率主要分布在30%～50%，最大孔隙率為51.1%，最小孔隙率為32.4%。在180～700張Z方向剖切面圖像中，孔隙率呈增長趨勢，孔隙率在第700張剖切面達到最大，在700～1 000張圖像中孔隙率呈降低趨勢，天然黃土孔隙率在Z方向整體波動變化較大。當膠結液濃度為1.25 mol/L時，黃土孔隙率主要分布在27.2%～33.6%，平均孔隙率為30.4%，孔隙率變化較為平滑，無較大波動。由孔隙率變化趨勢圖可表明，經MICP處理后的黃土孔隙率明顯減少，孔隙分布較為均勻，土體相對密實，改良后的黃土在Z方向平均孔隙率降低27.1%，最大孔隙率由51.1%降為33.6%，側面說明微生物生成的碳酸鈣已達到孔隙填充效果，同時孔隙率分布的均勻性會影響黃土的力學性能和濕陷性。

2.4.2 孔隙等效直徑計算

大孔隙等效直徑的存在也是誘發黃土濕陷性原因之一，根據黃土孔隙等效直徑大小，將黃土孔隙等效直徑定義為微孔隙(0～10 μm)、小孔隙(10～20 μm)、中孔隙(20～70 μm)和大孔隙(>70 μm)。借助AVIZO軟件對孔隙等效直徑進行統計，處理結果如圖9所示。

圖9 孔隙等效直徑占比圖

由圖9可知，膠結液濃度為0 mol/L時，天然黃土孔隙等效直徑主要分布在20～70 μm，大孔隙次之，這也是黃土固有的特性之一。微孔隙和小孔隙占比較少，主要原因是天然黃土架空孔隙較多，土體呈欠密實狀態。膠結液濃度為1.25 mol/L時，微孔隙提高3%，小孔隙提高19%，中孔隙降低11%，大孔隙降低11%。雖然孔隙等效直徑仍主要分布在中孔隙之間，但小孔隙占比提高和大孔隙占比降低，證明MICP可有效降低黃土孔隙等效直徑，碳酸鈣進一步填充架空孔隙，與其他粒徑顆粒形成團聚體，改變原有孔隙等效直徑，進而降低黃土濕陷性。

3 結 論

(1)微生物適宜在膠結液濃度為1.25 mol/L時生存，此濃度下的碳酸鈣生成量達到最大值，且無側限抗壓強度值也達到最大，表明MICP用于黃土改良切實可行。

(2)經MICP處理后的黃土試樣由強濕陷性改良到弱濕陷性，表明MICP可有效改良黃土濕陷性。

(3)CT掃描結果表明，改良后的黃土在Z方向平均孔隙率與最大孔隙率均降低，同時使孔隙均勻分布在黃土內部，由MICP生成的碳酸鈣晶體可以有效填充黃土體內部孔隙。