微生物-活性氧化镁固化红黏土试验研究

吴 尚 彬，贾 苍 琴，王 贵 和

(1.中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083； 2.中国地质大学(北京) 自然资源部深部地质钻探技术重点实验室，北京 100083)

0 引 言

红黏土是一种由石灰岩、白云岩等碳酸盐类岩石在湿热气候条件下风化而成的高塑性黏性土，通常呈褐色或棕红色。红黏土具有高含水量、高液塑限、高孔隙比等不良物理性质与胀缩性，导致其通常不能直接满足工程建设的需要，因此许多学者致力于研究红黏土的改良方法。为提高红黏土强度，控制红黏土的胀缩性，研究人员使用了水泥[1]、石灰[2]、粉煤灰[3]等传统材料固化土体。大量试验证明，这些添加剂可以提高红黏土的无侧限抗压强度以及抗剪强度。但这类传统添加剂大多生产能耗高，CO2排放量大，有些还具有生物毒性，环境污染大，因此探索新型土体加固方法势在必行。

微生物固化技术作为一种新型土体加固技术，近年来其研究成果颇丰。该技术的原理是：微生物通过新陈代谢作用，诱导生成新物质，新物质胶连土体颗粒，封堵土体孔隙，土体力学性能因此而改变。微生物固化技术在土体加固[4-7]、防渗封堵[8-10]、控制砂土液化[11-12]等方面都已得到成功应用。可以看出，微生物固化技术在砂土中应用较多，在黏性土中也有少量应用。例如，谈叶飞等[13]将微生物固化技术应用于黏性土堤坝的防渗工程中，成功将渗透系数降低两个数量级，下降幅度为99.3%。

活性氧化镁固化技术是一种新型土体加固技术。赵涵洋等[14]证明了活性氧化镁可以有效提高红黏土抗剪强度；刘松玉等[15]使用活性氧化镁成功实现了粉土以及粉质黏土的固化，但他们发现，固化过程中需要通入一定浓度和压力的CO2，这在实际工程中难以控制，对固化效果会产生影响。

微生物通过分解尿素所产生的碳酸根离子，可以代替活性氧化镁固化过程中所需的CO2，并且反应过程容易控制。但是，当前尚未有研究将微生物固化技术与活性氧化镁固化技术相结合来处理红黏土，鉴于此，本文结合微生物固化技术与活性氧化镁固化技术，重点探究氧化镁含量、菌液浓度、初始含水率对红黏土无侧限抗压强度的影响，以及该技术对红黏土收缩性的控制作用。并通过扫描电镜试验(SEM)和X射线衍射分析(XRD)，对试验结果进行了分析。

1 试验方法

1.1 试样材料

试验所用红黏土取自福建省南平市，呈砖红色。将足量红黏土碾碎后过2 mm筛，并置于105 ℃烘干箱中烘干至恒重，取出后冷却至室温备用。土样基本物理性质指标如表1所列。试验采用日本协和150活性氧化镁，其碘吸附值为120 mg/g，置于干燥环境中密封保存，其主要化学成分及主要参数如表2所列。试验所用尿素购于国药集团化学试剂有限公司。

表1 红黏土基本物理性质指标Tab.1 Basic physical properties of red clay

表2 活性MgO主要化学成分及堆积密度Tab.2 The main chemical components and packing density of active MgO

1.2 试验方案

本次试验采用控制变量法，设置素红黏土为对照组，探究氧化镁含量、菌液浓度、初始含水率对微生物-活性氧化镁固化红黏土试样无侧限抗压强度的影响，以及微生物-活性氧化镁固化技术对红黏土收缩性的控制作用。

红黏土无侧限抗压试验的试验方案如表3所列，红黏土收缩性试验试样制备时，取氧化镁含量20 %，菌液浓度OD600=2.0，含水量40 %，尿素含量6 mol/L。

1.3 试样制备

根据试验方案称取所需材料，将氧化镁、红黏土及尿素倒入搅拌器充分搅拌后，再将菌液倒入搅拌器，充分搅拌120 s。

表3 试验方案Tab.3 Test schemes

制备无侧限抗压试验试样时，需采用振动密实法制备3个平行试样。振动密实法制样采用边长为5 cm的正方体模具，将搅拌均匀后的土样分3层倒入模具中。装下一层土前，将模具置于振动台中振动30 s，顶层使用刮土刀刮平。试样制备完成后置于温度为(25±2)℃、湿度为30 %的环境里养护1 d。脱模后，再置于相同环境中养护至特定龄期。

制备收缩变形试验试样时，准备一块搅拌均匀的土样，用环刀切取土样后，备用。

1.4 测试方法

无侧限抗压强度采用全数字化万能材料实验机测试，以1 mm/min的加荷速率给试样施加轴向压力，直至轴向压力达到峰值，记录无侧限抗压强度。根据无侧限抗压强度试验结果，选取代表性土样进行X 射线衍射分析(XRD)和扫描电镜试验(SEM)。收缩变形试验中，用环刀切取土样后，将试样放置于多孔板上，于试样上放置百分表，记录下百分表初读数，2 d内每4 h量测一次数据，2 d后每12 h量测一次数据，至两次百分表读数基本稳定为止。X射线衍射分析采用日本理学Rigaku Ultima IV型衍射仪对碾碎过筛后小于0.075 mm的固化土进行测试，扫描范围为10°～90°，步宽为0.02°。扫描电镜试验采用日本日立公司生产的Hitachi SU8010扫描电镜对土样的新鲜断面进行扫描测试。

2 试验原理与结果分析

2.1 试验原理

将活性氧化镁、尿素、菌液以及红黏土充分拌和后，红黏土中会发生如下反应：首先，活性氧化镁与水反应，生成水镁石(Mg(OH)2)；同时，细菌分泌高活性脲酶，将尿素分解为铵根离子和碳酸根离子；最后产生的碳酸根离子与活性氧化镁水化后产生的镁离子反应生成多种形式的水合碳酸镁，反应方程式如下[16]：

MgO+H2O→Mg2++OH-

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

第一步反应生成的Mg(OH)2胶结性能较差，对红黏土的固化效果不理想[17]。随着反应的进行，生成的水合碳酸镁具有良好的胶结性，可以将红黏土颗粒胶结，通过土颗粒-胶结物-土颗粒间的键合作用连接成固化整体[18]。水合碳酸镁还具有封堵红黏土孔隙的作用，土体的微观结构会因此变得更加致密，土的整体性和结构性也会得到增强[15]。水合碳酸镁对红黏土颗粒的胶结作用以及充填作用有效促进了红黏土试样无侧限抗压强度的提升。

2.2 氧化镁含量的影响

由图1可知：当氧化镁含量c在10%～25%之间变化时，红黏土试样无侧限抗压强度与氧化镁含量呈正相关；并且当氧化镁含量低于10%时，强度变化不明显，而当含量超过10%后，红黏土强度增强显著。

图1 氧化镁含量与无侧限抗压强度关系Fig.1 Relationship between magnesium oxide content and unconfined compressive strength

从图2中可以看到：与素土试样相比，微生物-活性氧化镁固化技术的运用使得土颗粒间产生了胶结物质，胶结物质将红黏土颗粒胶连，形成更大的土颗粒，同时可以观察到胶结物质充填在红黏土孔隙中，这是试样无侧限抗压强度提高的原因。从图2中也可以看出：氧化镁含量为10 %时，胶结物产量较低；当氧化镁含量为25 %时，胶结物产量较高，即随着氧化镁含量的升高，胶结物产量明显提升。氧化镁含量也影响着胶结物质的结构形貌；当氧化镁含量为10 %时，胶结物呈絮流状，而当氧化镁含量为25 %时，胶结物呈花瓣状。

图2 不同氧化镁含量固化试样SEM图像Fig.2 SEM images of cured samples with different magnesia content

拌入不同氧化镁含量的红黏土试样养护120 h后，取少量样品进行XRD分析，结果如图3所示。从图3中可以看出：不同含量氧化镁固化的红黏土试样中均有水合碳酸镁生成，同时在固化试样中还检测到未水化的氧化镁以及水化后未进一步反应的水镁石。这说明初始含水率为40%时，氧化镁并没有全部水化，水化的氧化镁与微生物分解尿素产生的碳酸根离子发生化学反应，生成多种水合碳酸镁。不同氧化镁含量的固化红黏土试样中，固化产物的种类大体相同，包括三水菱镁石、水纤菱镁石、球碳镁石等。

注：Q为石英 SiO2；B为水镁石 Mg(OH)2；M为氧化镁MgO；A为水纤菱镁石Mg2(CO3)(OH)2·3H2O；N为三水菱镁石MgCO3·3H2O；H为球碳镁石Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O。图3 不同氧化镁含量固化试样XRD结果Fig.3 XRD results of cured samples with different magnesia content

2.3 菌液浓度的影响

由图4可知：当OD600在0～2.5的范围内变化时，菌液浓度越高，红黏土试样无侧限抗压强度越大。试块养护7 d后，OD600=2.5的固化试样其无侧限抗压强度为1.916 MPa，分别为OD600=2.0，1.5，1.0，0菌液固化试样的1.12，1.45，1.68，3.76倍。试验结果表明，可以通过提升菌液浓度显著提高红黏土试样无侧限抗压强度。

图4 菌液浓度与无侧限抗压强度关系Fig.4 Relationship between the concentration of bacterial solution and unconfined compressive strength

图5(b)中水合碳酸镁含量高于图5(a)，说明菌液浓度还影响着水合碳酸镁的结构形貌，当OD600=1.0时，水合碳酸镁呈针柱状，而当OD600=2.5时，水合碳酸镁为针柱状与花簇状并存。在菌液含量相同的情况下，菌液浓度越高，脲酶产量越高。脲酶具有催化水解尿素的功能，因此脲酶产量越高，分解产生的碳酸根离子含量随之增加，进而能够提高水合碳酸镁产量。水合碳酸镁具有胶连土体颗粒和填充土体孔隙的功能，因此菌液浓度越高的红黏土固化试样具有更高的无侧限抗压强度。此外，细菌还具有充当成核位点的功能，水合碳酸镁会围绕细菌生成。菌液浓度越高，成核位点数越多，水合碳酸镁分布密度越大，试样无侧限抗压强度越高。

图5 不同菌液浓度固化试样SEM图像Fig.5 SEM images of solidified samples with different bacterial concentration

2.4 初始含水率的影响

从图6中可以看出：微生物-活性氧化镁固化红黏土试样的无侧限抗压强度随初始含水率(37%～46%)的上升而降低。

图6 初始含水率与无侧限抗压强度关系Fig.6 Relationship between initial water content and unconfined compressive strength

黏土颗粒相互联结的原因是颗粒之间存在分子引力及静电力，静电力的存在使得颗粒之间常常通过结合水膜相联结，这导致了黏土具有可塑性[19]。初始含水率的增加会导致红黏土颗粒周围的水膜加厚，从而导致土体可塑性增强，进而导致土样无侧限抗压强度降低。

当初始含水率低于塑限，则难以通过振动密实法制样。因此，在本次试验中，固化红黏土试样的初始含水率均高于塑限。若初始含水率低于塑限，将导致活性氧化镁无法完全水化，Mg2+的减少将影响后续水合碳酸镁的生成，进而引起红黏土试块无侧限抗压强度的降低。

2.5 对收缩性的影响

在工程中，由红黏土的胀缩性导致的土体开裂问题层出不穷。红黏土以收缩变形为主[20]，因此本节重点讨论微生物-活性氧化镁固化技术对红黏土收缩性的影响。

本文以线缩率为指标反映红黏土收缩性，线缩率的定义为

(8)

式中：zt为某时刻百分表读数，z0为初始时刻百分表读数，h0为试样原始高度，δSi为某时刻线缩率。

土样线缩率随时间变化曲线如图7所示，在144 h的测试时间内，微生物-活性氧化镁固化试样的线缩率仅为素土样品的1/7左右。此外，微生物-活性氧化镁固化试样固化速度快，20 h即停止收缩变形，而素土的收缩变形停止时间为120 h。

图7 土样线缩率与时间关系Fig.7 Relationship between line shrinkage rate of soil sample and time

3 结 论

本文采用微生物-活性氧化镁固化技术处理红黏土试样，探究氧化镁含量、菌液浓度、初始含水率对红黏土无侧限抗压强度的影响，并通过扫描电镜试验及X射线衍射分析对试验结果做出合理的解释，同时也探究了该技术对红黏土收缩性的影响，得出以下结论。

(1) 当氧化镁含量在10%～25%之间变化时，红黏土试样无侧限抗压强度与氧化镁含量正相关。水合碳酸镁的形成是无侧限抗压强度提高的原因，水合碳酸镁可以胶连红黏土颗粒，提升其整体性，同时也可以充填红黏土孔隙，增加红黏土试样的密实度。氧化镁含量的变化影响着水合碳酸镁的结构形貌，当氧化镁含量为10 %时，水合碳酸镁呈絮流状；当氧化镁含量为25 %时，水合碳酸镁呈花瓣状。

(2) 红黏土试样的无侧限抗压强度随菌液浓度的升高而升高，菌液浓度影响着水合碳酸镁的结构形貌，当OD600=1.0时，水合碳酸镁呈针柱状，而当OD600=2.5时，水合碳酸镁为针柱状与花簇状并存。

(3) 当初始含水率在37%～46%之间变化时，初始含水率越高，红黏土试样的无侧限抗压强度越低。

(4) 微生物-活性氧化镁固化技术可以有效控制红黏土收缩性，在144 h的测试时间内，微生物-活性氧化镁固化土的线缩率仅为素土样品的1/7左右，并且微生物-活性氧化镁固化技术具有很快的固化速度。