改良微生物诱导碳酸钙沉淀技术加固粉性土力学性能

岳建伟, 张宝玺, 赵丽敏, 孔庆梅, 王思远

(1.河南大学土木建筑学院, 开封 475004； 2.濮阳城市发展投资集团有限公司, 濮阳 457000)

微生物诱导碳酸钙沉淀技术(microbially induced calcite precipitation,MICP)[1]是近代由国外学者提出的一项加固技术,MICP技术包括微生物的培养与胶结液的制备,微生物多采用巴氏芽孢杆菌[2],胶结液多采用尿素与氯化钙混合溶液[3],比起直接用脲酶诱导碳酸钙沉淀来MICP技术更为高效[4-5]。目前微生物主要应用到以下三个方向[6]：①微生物岩土加固技术,包括地基加固处理、抗液化处理、防尘固沙处理；②微生物岩土封堵技术,包括土体防渗处理、岩石裂隙修复；③微生物降解重金属污染土。此外,微生物加固土体施工工艺主要包括灌浆[7]、循环入渗以及拌和[8]等方式。王绪民[9]利用微生物加固重塑泥岩,得出微生物胶结泥岩具有较好的应用价值。马瑞男[10]用微生物与钙质砂拌和的方法可以使松散钙质砂的渗透系数降低；彭邦阳等[11]采用将菌液和海相粉土拌和制样,然后采用循环入渗胶结液的方法进行土体加固试验；陈敏洁等[12]用MICP技术去除重金属铅,以修复污染土；张彬等[13]研究了不同电压梯度下,脲酶活性的变化规律,得出电压对巴氏芽孢杆菌的生物活性起促进作用,提高了其脲酶活性,最终提高了碳酸钙的产量；张国城等[14]将镁离子引入到微生物中,研究了不同镁、钙离子浓度下对砂土力学性能的影响作用。前人利用MICP技术使得土体力学性能得到强化、抗渗性能得到提高以及重金属含量得到降低。

追究MICP技术的原理,中国古人很早就将该技术应用到工程中来,主要是向土中添加石灰等无机胶凝材料以及糯米浆、动物血液、植物汁液、秸草等有机材料[15],形成无机有机结合体对土体起到加固作用；由于土壤中含有大量的微生物,其中糯米浆为微生物提供营养源,动物血液提供钙源,形成了最早的微生物矿化作用。糯米灰浆是中国古代建筑史上的重大发明之一[16],即在无机材料中添加有机材料,使糯米浆和碳酸钙之间存在相互填充和胶结作用,进而对建筑物、构筑物起到加固作用。赵佩[17]采用糯米灰浆对土体进行加固,掺加3%浓度的糯米浆对土体抗压强度提高最多；易识远等[18 ]采用3%糯米浆浓度对三合土进行改良,使三合土的抗压强度、表面硬度、耐水浸泡性及耐冻融性得到改良；魏国峰等[19-20]研究了糯米浆、血糯米浆、糯黄米浆、大米浆和高粱米浆对灰浆的影响,在这些浆液中糯黄米浆加固性能最优；又研究了纯氢氧化钙、纯氧化钙、灰钙粉以及工业氧化钙四种材料制备而成的糯米灰浆的性能,其中采用纯氧化钙配制的糯米灰浆性能最优；王凯等[21]研究添加糯米浆的人工制备遗址土的基本特性,以期为土遗址修复的工作提供可靠试验依据。前人多从糯米灰浆改良试件的表面硬度、抗压强度、黏结性能、抗渗能力、耐冻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浆或糯米浆改良试件的抗剪强度。

由糯米灰浆这一合成材料得到启发,将糯米浆引入到MICP[22]技术中形成改良MICP技术；这样糯米浆、菌液、胶结液以及碳酸钙沉淀共同形成现代意义上的糯米灰浆。一方面糯米浆可以为微生物提供营养源,进而提高微生物的活性；另一方面糯米浆同碳酸钙结合形成糯米灰浆对土体力学性质进一步强化。选取豫东北濮阳地区土颗粒作为研究对象,该地区土质多为黄河泛滥冲击而成的粉性土,干燥时强度高,潮湿时强度显著下降；根据《土工试验方法标准》[23]测得其基本物理性质；土体通过直接剪切试验与无侧限抗压强度试验研究改良前后土体的黏聚力、内摩擦角与无侧限抗压强度的变化量,通过库伦强度理论对试验结果进行对比分析,评价两种试验的可靠性。

1 MICP技术及其改良材料研究

1.1 改良材料试验研究

1.1.1 不同糯米浆浓度制备

糯米的主要成分为支链淀粉,其含量约为总质量的75%～77%[24],古人将糯米磨成粉加水蒸煮后制备成糯米浆；用糯米浆与三合土拌和后夯实而成了流传至今的土遗址,历经千年依然能保持较好的原貌,其加固黏结机理主要是仿生物矿化过程,糯米浆在该过程中起模板作用[25]。将不同质量的糯米粉加水配成浓度为1%、3%、5%、7%、9%的糯米浆,1%糯米浆浓度的制作方法为：锥形瓶洗净、烘干,称1 g糯米粉加入瓶中,再向瓶中加入自来水至100 g,锥形瓶瓶口用报纸等透气性材料封好,放入高压蒸汽锅,经121 ℃、30 min高压蒸汽蒸煮后储存备用(其余浓度糯米浆参照此做),如图1所示。

图1 糯米浆制备过程

1.1.2 不同浓度糯米浆下直剪试验与无侧限抗压强度试验

根据土颗粒基本物理性质指标(表1),设计含水率17%,干密度1.6 g/cm3,添加0%、1%、3%、5%、7%、9%的糯米浆到土体中,共六组试样养护7 d后分别进行直剪试验与无侧限抗压强度试验；剪应力与剪切位移曲线如图2所示,以0.8 mm/min的剪切速率使试样在3～5 min内损坏；根据剪应力与剪切位移图,记录曲线的峰值,若无峰值,取剪切位移为4 mm时的读数,结果如表2所示。根据不同垂直压力下对应的抗剪强度拟合出抗剪强度与垂直压力关系曲线,如图3所示；不同糯米浆浓度相同养护天数下试样黏聚力与内摩擦角如图4所示。

表1 豫东北濮阳地区土颗粒基本物理性质指标

图2 不同糯米浆浓度试样的剪应力与剪切位移曲线

表2 不同糯米浆浓度试样的直接剪切试验结果

图3 不同糯米浆浓度抗剪强度与垂直压力关系曲线

图4 不同糯米浆浓度黏聚力与内摩擦角变化图

随着糯米浆浓度的增加抗剪强度与垂直压力关系曲线呈一定规律变化,6条直线与y轴的截距随糯米浆浓度的增加而增加,糯米浆浓度为9%时截距最大即黏聚力最大；6条直线的斜率先增加后减小,糯米浆浓度为3%时斜率最大即内摩擦角最大；随着糯米浆浓度的增加黏聚力呈线性增长趋势,内摩擦角先增加后减小,0%糯米浆浓度下试样黏聚力为25.1 kPa,内摩擦角为30.05°；相比于0%糯米浆浓度,1%、3%、5%、7%、9%糯米浆浓度黏聚力分别增加了3、7.4、13.65、19.05、24.2 kPa,内摩擦角分别增加了1.82°、4.88°、2.03°、0.91°、-0.14°；随着糯米浆浓度的增加,更多质量的糯米将土颗粒间的孔隙填充,浓度越高土中糯米含量就越多,一个环刀试样质量不变,土颗粒质量相对会减少；糯米浆一方面增加了土颗粒与颗粒间的黏聚力,但是随着糯米浆浓度的增加,土试样中糯米质量增加,土颗粒表面的摩擦力会降低,导致土样内摩擦角减小。

不同糯米浆浓度养护7 d轴向应力与应变关系曲线如图5所示。随着糯米浆浓度的增加,一方面试样抵抗破坏的能力先增加后减少,糯米浆浓度为3%时轴向应力达到最大即无侧限抗压强度达到最大；相比于0%糯米浆浓度,1%、3%、5%、7%、9%糯米浆浓度下试样无侧限抗压强度分别提高了19.3%、60.5%、43.7%、35.8%、32.1%,添加糯米浆可以提高试样的无侧限抗压强度,其中3%糯米浆浓度对试样的无侧限抗压强度提高最大。

图5 不同糯米浆浓度轴向应力与应变关系曲线

1.2 改良材料试验研究

1.2.1 细菌的培养、改良及其活性研究

MICP技术中采用的微生物为巴氏芽孢杆菌,其培养基配方如表3所示；将3 g糯米粉加入到100 mL液体培养基中制成改良培养基。

表3 巴氏芽孢杆菌培养基配方

1.2.2 细菌的活性研究

细菌OD(optical density)值反映了细菌的浓度,细菌的浓度越高,透光值就越小,OD值越大。配制两组菌液,Ⅰ组为普通菌液,Ⅱ组为改良菌液；48 h后进行OD值的检测,检测结果是Ⅰ组OD值=1.403,Ⅱ组OD值=1.754。细菌的电导率反映了细菌的活性,先将1.8 g尿素溶于27 mL去离子水中,然后加入3 mL菌液,每隔一定时间测两组(Ⅰ、Ⅱ组)菌液的电导率,结果如图6所示。

图6 菌液及改良菌液电导率变化曲线

两组菌液0～15 min内电导率变化率约为0.01 ms/(cm·min),20 min以后Ⅱ组电导率增速明显大于Ⅰ组,48 h后Ⅰ组菌液电导率达到8.73 ms/cm、Ⅱ组菌液电导率达到10.2 ms/cm,结果表明细菌不断产生脲酶[26]分解尿素使得离子浓度不断增加,且改良后的菌液产脲酶量要高于普通菌液。

1.3 MICP技术最佳胶结液浓度及其改良

1.3.1 MICP技术最佳胶结液浓度

MICP技术反应方程见式(1)、式(2),胶结液选用尿素与氯化钙混合溶液；其作用机理是CaCO3沉淀、未完全反应的CaCl2溶液以及菌液将土颗粒黏结起来,从而提高土颗粒之间的黏聚力。

(1)

(2)

研究MICP技术最佳胶结液浓度是控制胶菌质量比为2∶1,设计A/a、B/b、C/c、D/d、E/e、F/f组胶结液浓度为0.25、0.5、0.75、1、1.5、2 mol/L下,测定CaCO3的生成量；根据土体基本物理性质指标,模拟土体直接快剪试验中10%含水率、干密度ρd=1.6 g/cm3下的土体水分含量,试验中一个环刀体积V=60 cm3,根据干密度以及含水率可求得土体水分含量为9.6 g,其中胶结液质量为6.4 g,菌液质量为3.2 g。

试验分两组进行,A～F组过滤、烘干后进行EDTA(ethylene diamine tetraacetic acid)[27]标准溶液滴定试验,测得实际产CaCO3沉淀量；a～f组烘干后先称重,再进行SEM(scanning electron microscope)微观电镜扫描,其中烘干后剩余固体主要是CaCO3沉淀、未反应的CaCl2及菌体；实际产CaCO3沉淀量、Ca2+转化率如图7所示,烘干后剩余固体量如图8所示,A、B组Ca2+转化率较高,分别为83.94%、82.19%,产CaCO3沉淀量为0.1343 g、0.263 g,C～F组Ca2+转化率从73.44%降低到34.79%,主要原因是高浓度的胶结液会抑制脲酶的活性使得Ca2+转化率降低。

图7 不同胶结液浓度相同胶菌质量比下产CaCO3沉淀量、Ca2+转化率

图8 不同胶结液浓度相同胶菌质量比下烘干后剩余固体量

1.3.2 改良MICP技术研究

改良MICP技术是基于MICP技术控制胶菌质量比为2∶1、胶结液浓度为0.5 mol/L下配制糯米浆改良胶结液与糯米浆改良菌液,改良MICP技术胶结液质量为6.4 g,菌液质量为3.2 g；试验分两组进行,其中G组过滤、烘干后进行EDTA标准溶液滴定试验,g组烘干后先称重,再进行SEM微观电镜扫描,烘干后剩余固体主要是CaCO3沉淀、糯米浆、未反应的CaCl2及菌体；测得实际产CaCO3沉淀量为0.299 g,Ca2+转化率高达93.44%,比H组提高了11.25%；进一步说明了糯米浆改良菌液提高了细菌的浓度进而使得菌液中的脲酶含量增加,故所测生成CaCO3沉淀量有所增加。

1.3.3 SEM电镜扫描分析

MICP技术反应产物通过SEM扫描可以更清晰的观察其微观结构,这些观察结果将有助于设计未来的处理方案,以改善MICP处理样品的性质和可持续性[28]。取a组～g组烘干后剩余固体物质(菌体、CaCO3沉淀、CaCl2晶体、糯米浆)和CaCl2、Na2CO3反应完全烘干后产物CaCO3颗粒进行SEM电镜扫描,观察巴氏芽孢杆菌诱导CaCO3沉淀后剩余固体物质的形状、结构等性质,如图9所示。

图9中上面为放大1 000倍下固体物质微观图,下面为放大5 000倍下固体物质微观图；通过扫描电镜观察,a组～f组中a组、b组Ca2+转化率较高,可见较多的CaCO3沉淀；c组～f组Ca2+转化率逐渐降低,可见少量CaCO3沉淀以及大量CaCl2晶体附着到CaCO3沉淀上；g组是在b组的基础上添加糯米浆后的生成物,相比之下g组可见CaCO3颗粒更多、更密实,一方面g组相比于b组Ca2+转化率提高了10%；另一方面糯米浆将CaCO3颗粒包裹住,在其表面形成一层隐约可见的薄膜；比较b、g组试样,其相似度极高,证明为CaCO3颗粒,由于b组表面附着有CaCl2晶体、g组表面附着有糯米浆,三组试样同CaCO3颗粒试样的扫描电镜图略有差异。

图9 SEM扫描电镜图

2 土体力学性能研究

2.1 直剪试验与无侧限抗压强度试验

根据土颗粒基本物理性质指标,设计含水率17%,干密度1.6 g/cm3,研究MICP技术及改良MICP技术强化土体力学性能,共三组试样养护7 d后分别进行直剪试验与无侧限抗压强度试验；剪应力与剪切位移曲线如图10所示,根据剪应力与剪切位移图,记录曲线的峰值,若无峰值,取剪切位移为4 mm时的读数,结果如表4所示。

图10 养护7 d下剪应力与剪切位移曲线图

表4 养护7 d下直接剪切试验结果

根据不同垂直压力下对应的抗剪强度拟合出抗剪强度与垂直压力关系曲线,如图11所示；三种试样养护7 d轴向应力与应变关系曲线如图12所示。

图11 三种土样养护7 d抗剪强度与垂直压力关系曲线

图12 养护7 d三种试样轴向应力与应变关系曲线

养护7 d三种试样抗剪强度与垂直压力关系曲线与y轴的截距不断增大,即改良MICP土试样黏聚力最大,MICP土试样次之,素土试样最小；观察三条线的斜率发现,素土与MICP土两条直线近似平行,改良MICP土斜率大于前两者。素土试样黏聚力、内摩擦角分别为25.05 kPa、30.28°；MICP土试样黏聚力、内摩擦角分别为32.7 kPa、31.42°,相比于素土试样黏聚力提高了约30%,内摩擦角变化不大；改良MICP土试样黏聚力、内摩擦角分别为37.65 kPa、35.44°,相比于素土试样黏聚力提高了约50%,内摩擦角提高了约17%,相比于MICP土试样黏聚力提高了约15%,内摩擦角提高了约12%。MICP技术可以提高土体的黏聚力,但对内摩擦角的影响较小,将糯米浆引入MICP技术形成改良MICP技术,进一步提高了土体的黏聚力,同时糯米浆对土体内摩擦角的提高起到了决定性的作用。养护7 d改良MICP土试样轴向应力最大且其所对应的轴向应变最大,即该试样抵抗破坏和抵抗变形的能力最优,MICP土试样次之,素土试样轴向应力最小且其所对应的轴向应变最小,即该试样抵抗破坏和抵抗变形的能力最差；无侧限抗压强度试验数据结果汇总如表5所示。

表5 养护7 d三种试样的无侧限抗压强度

相比于素土试样,改良MICP土试样无侧限抗压强度提高了73.81%,MICP土试样无侧限抗压强度提高了22.99%；相比于MICP试样,改良MICP土试样无侧限抗压强度提高了41.32%。

2.2 库伦强度理论分析

库伦强度理论,其表达式为

τ=c+σtanφ

(3)

式(3)中：τ为切应力；σ为正应力；c为黏聚力；φ为内摩擦角；σtanφ为内摩擦。通过直剪试验证明MICP土比素土黏聚力有所提高,但内摩擦角变化不大；改良MICP土比MICP土、素土黏聚力与内摩擦角均有所提高。

黏聚力是在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力,这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现。对MICP土来说黏聚力是土颗粒间公共结合水膜的结合力、分子吸引力、CaCO3与CaCl2的胶结力以及菌液与土颗粒间的结合力,对素土来说黏聚力主要是土颗粒间公共结合水膜的结合力、分子吸引力；正是CaCO3与CaCl2的胶结力以及菌液与土颗粒间的结合力使得MICP土的黏聚力要大于素土的黏聚力。对改良MICP土来说多了一项糯米浆的作用,使得改良MICP土的黏聚力与内摩擦角都大于素土与MICP土的黏聚力。

土的内摩擦角反映了土的摩擦特性,一般认为包含两个部分：土颗粒的表面摩擦力,颗粒间的嵌入作用产生的咬合力。内摩擦实际是土颗粒表面结合水的黏滞阻力,改良MICP土中的糯米浆增大了土颗粒间的黏滞阻力,故改良MICP土的内摩擦角要大于MICP土与素土。

3 结论

微生物岩土工程在固化砂砾土方面取得了较大的成果,前人多采用循环滴渗的方式对土样进行加固处理,但粉性土的渗透系数太低,不适宜采用滴渗的方式,黄河中下游平原地区多为黄河泛滥冲击而成的粉性土,运用拌和改良微生物的方式对黄泛区粉性土样进行加固,弥补了微生物加固粉性土的空白；现将糯米灰浆这一传统工艺引入到MICP技术中形成改良MICP技术,两种技术均能提高土样抗压强度,但改良MICP技术更进一步提高了土样的抗压强度,主要原因是MICP技术仅能提高土体的黏聚力,对内摩擦角的影响较小,改良MICP技术中添加了糯米浆,不仅进一步提高了土体的黏聚力,而且糯米浆对土体内摩擦角的提高起到了决定性的作用,从而使得土体抗压强度得到提高。

改良MICP技术针对黄泛区土体耐候性、耐酸碱性以及地震力作用下土体抗液化能力是今后研究的方向,努力实现土体强度、刚度、稳定性统一改良；另外,改良MICP技术在室内试验中取了一定的成果,未来改良MICP加固土要应用到实际工程中,主要考虑随养护天数的增加土样含水率会因外界环境而改变这一因素,能否达到预期效果还需进一步研究；此外,还需考虑到大剂量用微生物与胶结液,如何实现量产至关重要。