颗粒级配对珊瑚砂微生物固化影响研究

李 捷，方祥位，申春妮，欧益希，张 楠(.后勤工程学院 土木工程系， 重庆 40； .重庆科技学院 建筑工程学院， 重庆 40；.后勤工程院 建筑规划与环境工程系， 重庆 40)

颗粒级配对珊瑚砂微生物固化影响研究

李 捷1，方祥位1，申春妮2，欧益希1，张 楠3
(1.后勤工程学院 土木工程系， 重庆 401331； 2.重庆科技学院 建筑工程学院， 重庆 401331；3.后勤工程院 建筑规划与环境工程系， 重庆 401331)

对不同颗粒级配的珊瑚砂试样在相同条件下进行了微生物固化试验，研究颗粒对细菌的吸附性、固化体无侧限抗压强度与渗透系数、干密度增量的关系及内部碳酸钙的微观分布，分析颗粒级配及初始孔隙比对固化效果的影响。试验结果表明：低孔隙比试样对细菌的吸附性更好，适中的孔隙比能保证砂颗粒对细菌的吸附性与渗透性达到最优平衡；固化体无侧限抗压强度在1 MPa～3 MPa范围内，应力-应变曲线均为软化型，颗粒错动与薄弱结构面导致阶段性应力峰值的出现；抗压强度随干密度增量的增加而增大，随渗透性增大而减小，孔隙比约为1的级配不良试样固化效果最好；固化后孔隙比高的级配良好试样颗粒间碳酸钙黏结较少，孔隙比低的级配不良试样颗粒表面碳酸钙包裹覆盖更好，颗粒间碳酸钙分布更连续均匀。

珊瑚砂；微生物固化；颗粒级配；孔隙比；抗压强度

砂土具有优良的透水性，其松散颗粒间的孔隙有利于微生物活动及底物溶液的渗透，是目前微生物固化技术(MICP)的主要处理对象。国内外学者对MICP技术固化效果的各类影响因素做了一系列研究，探讨了微生物灌浆速率与工艺、胶结溶液浓度等对固化体强度与均匀性的影响[1-4]。Alvarado D[5]指出砂颗粒表面对微生物具有电吸附作用，DeJong J T等[6]通过电镜扫描等手段揭示了碳酸钙沉淀在砂颗粒间的分布状况，Chu J等[7]的试验表明，MICP技术固化后的砂体孔隙间被大量碳酸钙填充黏结，渗透系数降低了2～3个数量级。这些研究大部分针对单一类别砂土，未进行砂土本身结构性质对固化效果的对比影响研究。砂土的颗粒级配决定了粒径大小与分布、孔隙比、渗透性等重要性质[8]，不同颗粒级配的砂土在相同固化条件下的MICP处理效果具有显著差异。

珊瑚砂作为一种发育于热带海洋中的特殊砂土类型，研究者对其物理结构、化学成分和岩土工程特性进行了一系列分析[9-14]，结果表明珊瑚砂主要成分为碳酸钙(含量大于90%)，颗粒质地脆、易压缩破碎，相较于普通硅砂具有更大的颗粒密度与更高的孔隙比。方祥位等[15]在国内外对MICP技术固化珊瑚砂做了一系列工作，初步研究了珊瑚砂微生物固化的注浆工艺、固化体渗透性变化、强度与干密度关系及固化体微观结构等。欧益希、方祥位等[16-17]研究了溶液盐度对珊瑚砂微生物固化效果的影响，论证了MICP技术固化珊瑚砂在海水平均盐度(35‰)条件下应用的可行性，并对单一粒径的珊瑚砂进行了微生物固化，得出了适用于MICP技术固化的珊瑚砂最佳粒径范围(0.25 mm～0.5 mm)，但未对不同颗粒级配与孔隙比的珊瑚砂的微生物固化进行系统研究。本文对不同颗粒级配的珊瑚砂试样在相同条件下进行了微生物固化试验，研究了颗粒对细菌的吸附性、固化体强度与干密度、渗透系数的关系及内部碳酸钙的微观分布，探讨颗粒级配与初始孔隙比等因素对固化效果的影响，为珊瑚砂微生物固化提供更好的应用指导。

1 试验材料与装置

1.1 试验材料

试验用珊瑚砂采集于我国南海某岛礁，颗粒密度约为2.70 g/cm3～2.85 g/cm3。将其中的大块碎石与杂质挑出，蒸馏水冲洗后烘干，为下一步筛分备用。

试验用微生物为巴斯德芽孢杆菌，将少量纯菌株加入100 ml液体培养基(配方：20 g/L蛋白胨，5 g/L氯化钠，20 g/L尿素)中，置于恒温振荡培养箱中进行活化培养，菌液浑浊后进一步扩大培养为试验用菌液。

试验用微生物氮源为尿素，钙源为氯化钙，试剂溶质均为分析纯级别，加入蒸馏水配制成浓度均为2 mol/L的溶液，等体积混合后得底物溶液。

1.2 试验装置

试验整套装置固定于可升降钢架上，装载珊瑚砂的模具为经密水胶拼接而成(利于脱模)的可拆分有机玻璃管，尺寸为：内径×壁厚×高=50 mm×10 mm×300 mm，管身用喉箍加固。砂体顶部与底部均放置纤维棉，防止注入溶液时对砂体的扰动及细砂被溶液流动带出。模具底部用带孔橡胶塞密封，塞孔插入与蠕动泵连接的带断流夹的硅胶管，蠕动泵与断流夹可配合控制底物溶液的流速。

2 试验设计

2.1 珊瑚砂颗粒级配

为了研究颗粒级配对珊瑚砂微生物固化效果的影响，本试验采用符合《试验筛技术要求和检验第1部分：金属丝编织网试验筛》[18](GB/T6003.1-2012)要求的标准检验筛对珊瑚砂原材料进行颗粒筛分实验，将砂颗粒分成不同粒组。

将不同粒径砂颗粒进行人工组合，设计了5种颗粒级配的试样，如表1所示，颗粒级配曲线如图1所示。为了保持珊瑚砂天然状态下的松散结构性与颗粒摩擦、破碎特性，设计好级配的珊瑚砂装样后未进行压实处理，每个试样重量均为380 g，其初始孔隙比与干密度具有差异，如表2所示。

表1 设计颗粒级配

表2 初始孔隙比与干密度

图1 试样颗粒级配曲线

由表1可以求得每种颗粒级配的一系列粒径参数，进而求得两个重要指标：不均匀系数Cu与曲率系数Cc，如表3所示。Cu与Cc值能够直观反映颗粒级配曲线的整体形状，是工程上鉴定土的颗粒级配状况的重要指标，一般把Cu≥5且Cc=1～3的土定义为级配良好，本试验中3#、4#、5#试样为级配良好，1#、2#试样为级配不良；总体上1#、2#试样颗粒偏细，3#试样颗粒大小适中，4#、5#试样颗粒偏粗。

2.2 试验过程

通过测试菌液注入砂体前后的A值变化，研究不同级配珊瑚砂试样对细菌的吸附性。菌液的浑浊度(即吸光度)与细菌浓度成正比，一般可用菌液的吸光度来表征细菌的数量。本试验使用分光光度计在600 nm波长时的吸光度(A)来测定细菌数量。

(1)

安装好试样及固化装置后，测试菌液的初始A值，然后向各试样顶部注入100 mL菌液，调节止水夹使其快速流出，反复通入2～3次菌液使砂颗粒充分吸附细菌后，测试菌液的A值并记录两次测试的A差值；向各试样顶部注入200 mL底物溶液，调节止水夹及蠕动泵使其以一定速度流出，反复通入底物溶液2～4次使反应充分进行，至此为一次完整的固化，然后测试试样的渗透系数。重复上述操作5次后停止试验，烘干试样并脱模进行下一步强度测试。

3 试验结果与分析

3.1 珊瑚砂试样对细菌的吸附性

本次试验固化次数为5次，每次固化使用的菌液初始活性基本保持一致。菌液注入各试样前后的A差值随固化次数的变化如图2所示，A差值越大表明吸附在固化体中的细菌量越大。从图2中可以看出，固化前试样对细菌的初始吸附性总体上呈现随砂颗粒粒径增大而降低的趋势，初始孔隙比低的试样对细菌的吸附性较强。Alvarado D[5]的研究认为矿化菌在砂体内部具有吸附在较小表面处的趋向，本试验中级配不良的试样孔隙比较低，颗粒体积小、颗粒间接触点多，微生物吸附良好，验证了该结论；然而随着固化次数的增加，砂颗粒逐渐被碳酸钙覆盖包裹，颗粒体积增大且颗粒间孔隙逐渐被堵塞，试样对细菌的吸附性均基本维持稳定，并未表现出明显的增大或减小趋势，这一现象的机理解释仍依赖于生物化学方面的深入研究。

图2A差值随固化次数变化关系

3.2 珊瑚砂试样渗透特性

孔隙比大的试样具有良好的渗透性，固化后各试样渗透系数与其初始孔隙比成正相关，如图3所示。固化过程中各试样的渗透系数变化情况具有差异，如图4所示，随着固化次数的增加，各试样中的砂颗粒不同程度地被生成的碳酸钙覆盖黏结，然而只有1#、2#、3#试样的渗透系数降低幅度较大，其中3#试样渗透系数降低了2个数量级，1#、2#试样渗透系数降低了1个数量级，4#、5#试样渗透系数基本维持不变，总体上初始孔隙比低的试样渗透系数降低幅度更大。对比前述不同级配试样对细菌吸附性的试验结果可知，初始孔隙比高的试样渗透性良好，却无法有效吸附大量细菌；初始孔隙比低的试样虽然对细菌的吸附性更好，其内部孔隙却更容易被微生物固化生成的碳酸钙堵塞，阻断反应的进行，固化效果不佳。因此只有在一定的颗粒级配范围内，大小适中的初始孔隙比既能使颗粒对细菌的吸附性足够大，又能保证底物溶液在试样中的顺畅流通。

图3 初始孔隙比与固化体渗透系数关系

图4 渗透系数随固化次数变化关系

3.3 固化体强度特性

固化完成后拆模烘干，未打磨前各试样按从左至右1#—5#的顺序排列如图5所示。可以从表面上看出原本松散的颗粒间已有明显的碳酸钙生成，形成了具有一定强度的整体。1#—3#试样的砂体表面更致密完好，4#、5#试样表面存在不同程度的颗粒孔洞与破损，固化效果不够理想。底物溶液由上至下渗流，堵塞了砂体内部孔隙，总体上各试样的上部固化效果优于下部，说明由于渗透性降低导致的固化不均匀问题较为明显。

将各试样切割打磨成标准的50 mm×100 mm圆柱形试样，进行无侧限抗压强度试验。试验采用应变控制式加载，加载速率为0.05 mm/min。各试样均呈现出一定的脆性破坏特征，破坏部位为圆柱体下部，出现裂纹及不同程度的碎块脱落，如图6所示。试验所测得的应力-应变曲线如图7所示。可以看出各试样的应力-应变曲线存在较大差异，大致可分为3个阶段，第1阶段(应变0%～0.1%)应力随应变缓慢增加，试样被逐渐压密；第2阶段(应变0.1%～2%)应力随应变快速增加，试样发生塑性变形，内部裂缝产生并急剧发展；第3阶段试样发生破坏，应力突降。

图5 固化后的珊瑚砂试样

图6 无侧限抗压强度试验

图7 应力-应变曲线

1#试样内部最致密，压缩变形空间小，应变发展到1.4%左右即发生了破坏，其他试样在应变发展到2%～2.5%左右产生破坏，说明初始孔隙比较高的级配良好试样表现出更多的塑性特征。破坏后应力陡降并不明显(相较于岩石材料的破坏)，表明珊瑚砂微生物固化体的材料特性介于土与岩石之间，存在一定的破坏后残余强度。各试样的应力-应变曲线均为应变软化型。1#、2#试样孔隙比低，内部致密，初始阶段表现出更多的线弹性特征；3#、4#、5#试样内部粗颗粒较多，受力过程中颗粒间的黏结逐渐被破坏，进而发生颗粒错动，受压的粗颗粒破碎成细颗粒后填密孔隙，内部结构重新排列后形成强度，在应力-应变曲线上表现为阶段性的应力峰值。另外需要说明的是，由于微生物固化的不均匀性导致试样内部存在薄弱结构面，薄弱面被压坏后应力突降，压实后强度继续发展，这也是形成阶段性应力峰值的重要原因。

3.4 固化体强度影响因素分析

表4为各试样固化后的无侧限抗压强度与干密度、渗透系数值。固化效果最好的2#试样抗压强度达到2.92 MPa，效果最差的5#试样抗压强度仅为0.97 MPa。各试样级配不同导致初始干密度不同，而微生物固化反应生成的碳酸钙的量(即干密度增量)与固化体强度具有正相关性，选取干密度增量作为研究对象更有意义。各试样抗压强度总体上随干密度增量的增加而增大，如图8所示，在本试验设计条件下，级配不良的试样干密度增量更大，抗压强度高于级配良好的试样，说明内部碳酸钙在颗粒表面与颗粒间充分生成黏结，使得固化体整体结构性更好。各试样的抗压强度总体上随固化后渗透系数的增大而降低，如图9所示，说明孔隙过大的试样内部难以形成碳酸钙的有效黏结。

表4 固化体抗压强度与干密度、渗透系数值

在不同的颗粒级配条件下，各试样不同的孔隙比决定了渗透性具有差异，进而影响固化体的强度。如图10所示，过高或过低的初始孔隙比均会降低固化效果，当初始孔隙比小于1时，孔隙比越高固化体强度越高，是因为孔隙比大的试样渗透性更好，利于溶液流通，固化效果更好；当初始孔隙比大于1时，碳酸钙无法有效填充黏结颗粒间过大的孔隙，因而固化体强度随孔隙比增大而降低。在本试验设计条件下，初始孔隙比为0.982的试样固化效果最佳，抗压强度达2.92 MPa。

图8 抗压强度与干密度增量关系

图9 抗压强度与渗透系数关系

图10 抗压强度与初始孔隙比关系

3.5 固化体微观结构特征

图11(a)～图11(e)为1#～5#试样放大800倍的扫描电镜照片。各试样内部生成的碳酸钙形貌基本一致，均为带棱角的不规则块状结晶，大部分碳酸钙覆盖包裹在砂颗粒表面，其余在颗粒间产生黏结。1#、2#试样颗粒表面与颗粒间碳酸钙连续密集分布，孔隙比大幅降低，整体结构性好，强度高；3#试样颗粒间碳酸钙分布不够均匀，且混杂有小颗粒的碳酸钙结晶；4#、5#试样颗粒表面存在小部分未被碳酸钙覆盖的裸露区域，颗粒间有明显孔隙，整体结构性较差，强度不高。结合前述关于渗透系数的试验结果可以发现，1#、2#试样结构性好，渗透系数低、强度高；3#试样由于初始孔隙比偏低，在固化的初始阶段其内部孔隙即被碳酸钙堵塞，导致渗透系数偏低；4#、5#试样渗透系数偏高是由于碳酸钙更多的是覆盖包裹在砂颗粒表面，颗粒间碳酸钙黏结较少。各试样固化后内部均生成了大量碳酸钙，级配不同则影响了碳酸钙在颗粒间的分布。在本试验设计条件下，级配良好的三个试样由于孔隙比偏高及粗颗粒含量偏多，内部碳酸钙大部分只能包裹在颗粒表面，无法黏结颗粒形成结构性的骨架；级配不良的两个试样由于颗粒间的接触点更多、接触面更广，利于以微生物作为晶核的碳酸钙结晶的产生，颗粒间黏结较好。因此如何增加颗粒间碳酸钙黏结是提升固化体强度的关键。

图11 固化后试样微观结构图

4 结 论

(1) 初始孔隙比低的珊瑚砂试样对巴斯德芽孢杆菌的吸附性更好，适中的孔隙比能保证砂颗粒对细菌的吸附性与渗透性达到最优平衡，固化效果最佳。

(2) 固化体无侧限抗压强度在1 MPa～3 MPa范围内，强度随干密度增量的增加而增大，随渗透性增大而减小。应力-应变曲线属于软化型，不同颗粒级配试样的颗粒错动与薄弱结构面导致了阶段性应力峰值的出现。

(3) 颗粒级配与孔隙比综合影响了固化体干密度增量与渗透性，孔隙比约为1的级配不良试样固化效果最好，初始孔隙比是影响固化体强度的关键。

(4) 不同颗粒级配的珊瑚砂微生物固化体微观结构存在差异，孔隙比高的级配良好试样颗粒间碳酸钙黏结较少，孔隙比低的级配不良试样颗粒表面碳酸钙覆盖包裹较好，颗粒间碳酸钙分布更连续均匀，渗透系数较低、抗压强度较高。

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Influence of Grain Composition on Coral Sand Bio-cementation

LI Jie1, FANG Xiangwei1, SHEN Chunni2, OU Yixi1, ZHANG Nan3

(1.DepartmentofCivilEngineering，LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401331,China；2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，ChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing401331,China；3.DepartmentofArchitecturePlanning&EnvironmentalEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401331,China)

Test of coral sand bio-cementation with different grain composition were performed in the same condition, by measuring the absorbability of bacteria to the sand particle, testing the permeability coefficient, dry density and unconfined compressive strength of solidified coral sand columns, scanning microscopic structure of coral sand, systemic analysis on the influence of grain composition and initial void ratio on bio-cementation effect were conducted in this paper. The test show that specimens with low void ratio can absorb more bacteria, and the absorbability of bacteria and permeability of specimens can be balanced properly in medium void ratio. The value of unconfined compressive strength of specimens is within the range of 1 MPa～3 MPa, all the specimens are strain-softening material, and the weak structural plane and partical dislocation of specimens with different grain composition cause to periodical peak value in stress-strain curves. The compressive strength increases with the increase of dry density increment and the decrease of permeability, the bio-cementation effect of poorly graded specimens with initial void ratio of 1 are the best. After bio-cementation, less calcium carbonate cemented between particles of specimens with high void ratio, and particles of specimens with low void ratio are almost wholly surrounded by calcium carbonate, the cementation between particles is more continuous and even.

coral sand; bio-cementation; grain composition; void ratio; compressive strength

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.002

2016-07-07

国家自然科学基金资助项目(51479208，11272354)；总后勤部基建营房部资助项目(CY114C022)

李 捷(1992—)，男，湖南宜章人，硕士研究生，研究方向为岩土微生物技术。 E-mail：672273445@qq.com

方祥位(1975—)，男，重庆铜梁人，教授，博士生导师，主要从事非饱和土与特殊土理论及岩土微生物技术研究。 E-mail：fangxiangwei1975@163.com

TU411

A

1672—1144(2016)06—0007—06