微生物拌和固化海相粉土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

付 佳 佳，姜 朋 明，縱 崗，丁 金 畫(huà)

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005； 2.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 210009； 3.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

隨著我國(guó)城市的發(fā)展需求，大量的基礎(chǔ)設(shè)施急需建設(shè)，建筑用地需求不斷擴(kuò)大。因此，我國(guó)沿海地區(qū)開(kāi)展了大量的圍海造田工程。而江蘇省作為全國(guó)規(guī)劃填海的重要省份，每年都有大量的海相粉土吹填成為地基，但未經(jīng)處理的粉土地基在地震作用下易發(fā)生液化，這將對(duì)上部結(jié)構(gòu)設(shè)施造成重大損失，并會(huì)威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，有必要對(duì)海相粉土地基進(jìn)行加固處理。

國(guó)內(nèi)常用的粉土處理方法有強(qiáng)夯法、振沖置換法以及化學(xué)改良法等[1]。這幾類(lèi)地基處理方法除存在施工技術(shù)復(fù)雜，質(zhì)量難以控制等缺點(diǎn)外，還會(huì)在施工過(guò)程中產(chǎn)生大量的建筑垃圾以及環(huán)境污染，對(duì)我國(guó)的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的影響，不符合目前國(guó)家環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，采用環(huán)境友好的地基加固技術(shù)已成為新的研究熱點(diǎn)。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(MICP)技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的一種新型土體加固方法，通過(guò)向土中灌注菌液以及營(yíng)養(yǎng)鹽，利用微生物礦化作用在砂顆粒間快速析出方解石凝膠，以此改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)[2]。目前MICP 技術(shù)的加固對(duì)象主要集中于砂土地基，對(duì)于粒徑更小、性質(zhì)更為復(fù)雜的吹填粉土地基，相關(guān)的研究鮮有報(bào)道[3-4]。

現(xiàn)階段針對(duì)于MICP 加固方法的研究主要集中在灌漿法，其應(yīng)用背景是原位注漿地基處理[5]。但對(duì)于粉土，由于其孔隙很小且透水性較差，采用傳統(tǒng)的灌漿法對(duì)粉土進(jìn)行固化的效果并不理想。本文的固化方法為拌和法，即將菌液以及膠結(jié)液與土樣直接拌和在一起，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的養(yǎng)護(hù)即完成試樣的固化過(guò)程。該方法具有加固均勻性較好、加固液用量少等優(yōu)點(diǎn)，適用于加固滲透性較低的土體。但目前采用拌和法對(duì)海相粉土進(jìn)行固化的相關(guān)試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。

目前，許多研究人員對(duì)MICP 固化過(guò)程的相關(guān)影響因素進(jìn)行了分析，其研究結(jié)果表明：菌液活性、加固液濃度、菌液和加固液的配比以及不同的鈣源等因素均會(huì)對(duì)微生物固化過(guò)程產(chǎn)生很大影響[6-8]。故本文以江蘇省沿海吹填粉土作為研究對(duì)象，通過(guò)拌和法完成粉土的固化過(guò)程。采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)加固前后試樣的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，研究拌和過(guò)程中菌液和加固液的配比、加固液濃度的變化以及不同鈣源對(duì)粉土固化效果的影響，并對(duì)加固后試樣內(nèi)碳酸鈣的產(chǎn)生量進(jìn)行了測(cè)試，明確了微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(MICP)技術(shù)注漿固化吹填粉土的強(qiáng)度效果，為微生物固土技術(shù)應(yīng)用于處理吹填海相粉土提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自江蘇省鹽城灘涂圍墾區(qū)人工吹填粉土。通過(guò)土工試驗(yàn)測(cè)試出粉土的各項(xiàng)基本物理性質(zhì)指標(biāo)及顆粒組成分別如表1～2 所列。

表1 粉土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties of silt

表2 粉土的顆粒組成Tab.2 Particle composition of silt %

1.2 菌液以及加固液的制備

試驗(yàn)所用菌種購(gòu)自美國(guó)菌種保藏中心的巴氏芽孢桿菌(S.pasteurii，編號(hào)ATCC 11859)，細(xì)菌的培養(yǎng)方法參考趙茜[9]的培養(yǎng)方法，培養(yǎng)液成分如表3所列。培養(yǎng)液配制完成后放入高溫滅菌鍋內(nèi)蒸汽滅菌30 min，待其冷卻后，按照1∶100 的體積比將菌種和培養(yǎng)液混合，并放置于恒溫震蕩箱(30 ℃，120 r/min)中培養(yǎng)24 h，即得試驗(yàn)所用菌液。分別采用CaCl2以及Ca(CH3COOH)2兩種鈣源與尿素溶液混合制備加固液(在配制過(guò)程中確保尿素與各鈣鹽的濃度比為1∶1)。

表3 培養(yǎng)液成分Tab.3 Composition of medium

1.3 粉土試樣的制備

本次試驗(yàn)采用拌和法，利用小型攪拌機(jī)將粉土與菌液以及加固液直接均勻拌和在一起，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的養(yǎng)護(hù)即完成粉土試樣的固化過(guò)程。具體的制備過(guò)程如下：首先根據(jù)試驗(yàn)方案確定菌液和加固液的用量以及加固液的濃度，利用攪拌機(jī)將260 g土樣先與菌液充分拌和；然后加入加固液均勻拌和，拌和完畢后將土樣裝入直徑5 cm，高10 cm的PVC 模具中，在溫度為30 °C的條件下養(yǎng)護(hù)16 h；最后將模具拆除并將試樣表面削平，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方案

為了研究MICP 加固機(jī)理，研究人員對(duì)加固過(guò)程中的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)加固效果影響最大的是碳酸鈣沉淀量，而其又取決于膠結(jié)液的濃度[10-12]。采用灌漿法對(duì)試樣進(jìn)行加固的相關(guān)研究結(jié)果表明：在較低濃度條件(0.5～1.0 mol/L)下碳酸鈣的沉積效率較高，但此方法所需的菌液及膠結(jié)液的用量通常很大。對(duì)于拌和法，由于其拌和的量有限，為了保證MICP 固化效果，通常需采用較高濃度的膠結(jié)液[13]。

為獲得使固化效果達(dá)到最佳的菌液和加固液的配比以及加固液的濃度，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種菌液及加固液配比，4種加固液濃度，2種常用鈣源(CaCl2以及Ca(CH3COOH)2)，具體工況如表4 所列。固化完成后，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，最后將試樣烘干，采用稱重法得出碳酸鈣產(chǎn)生量。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中，加載速率均為1 mm/min。

表4 拌和法試驗(yàn)工況Tab.4 Mixing test conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 細(xì)菌濃度與脲酶活性的變化

由圖1 可知，隨著細(xì)菌培養(yǎng)時(shí)間的增加，細(xì)菌的濃度在不斷增大。前15 h細(xì)菌濃度的增長(zhǎng)速率較快，15～28 h內(nèi)細(xì)菌濃度的增長(zhǎng)速率趨緩。當(dāng)細(xì)菌的培養(yǎng)時(shí)間達(dá)到30 h以后，細(xì)菌的濃度基本保持穩(wěn)定。細(xì)菌濃度的變化與巴氏芽孢桿菌在此時(shí)間段內(nèi)的生長(zhǎng)規(guī)律相符。0～15 h內(nèi)，培養(yǎng)液中的細(xì)菌迅速分裂，細(xì)菌數(shù)量逐漸增多并在15 h左右達(dá)到最大值，所以此階段細(xì)菌的濃度快速增加；15～28 h內(nèi)由于培養(yǎng)液內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗以及部分細(xì)菌的死亡，細(xì)菌分裂的速率逐漸降低，故細(xì)菌濃度的增長(zhǎng)速率減慢；當(dāng)細(xì)菌的培養(yǎng)時(shí)間達(dá)到30 h以后，培養(yǎng)液中新增細(xì)菌與死亡細(xì)菌的數(shù)量趨于相等，此時(shí)細(xì)菌的濃度保持穩(wěn)定。細(xì)菌的單體脲酶活性隨著培養(yǎng)時(shí)間以及細(xì)菌濃度(細(xì)菌數(shù)量)的增加而不斷增大，并在培養(yǎng)時(shí)間為15 h左右達(dá)到峰值。此后，隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)一步增加，培養(yǎng)液中的細(xì)菌逐漸衰老，此時(shí)細(xì)菌的單體脲酶活性不斷降低。

圖1 培養(yǎng)過(guò)程中細(xì)菌濃度與脲酶活性的變化Fig.1 Changes of bacterial concentration and urease activity during culture

3.2 固化粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為研究不同加固液濃度對(duì)固化粉土試樣強(qiáng)度的影響規(guī)律，在加固液配制的過(guò)程中選用CaCl2作為鈣源。在菌液與加固液的用量比例為3/7 的條件下，采用拌和法加固粉土試樣并進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)相同級(jí)配條件下的未加固粉土試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。以上試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，未加固粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為50 kPa。對(duì)于固化粉土試樣，當(dāng)加固液的濃度為1.0～1.5 mol/L時(shí)，隨著加固液濃度的增加，固化試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增加；加固液濃度為1.5 mol/L時(shí)，固化粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到未加固試樣的1.5 倍；當(dāng)加固液的濃度超過(guò)1.5 mol/L時(shí)(1.7 mol/L及2.0 mol/L)，隨著加固液濃度的增加，固化試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但其值仍高于未加固的試樣。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有許多研究人員對(duì)不同加固液濃度對(duì)MICP 固化效果的影響進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果均表明在較低濃度條件下固化試樣的均勻性更佳且試樣的強(qiáng)度也更高[14-15]，而過(guò)高的加固液濃度反而會(huì)抑制微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀的過(guò)程。對(duì)于產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因，研究人員做出了如下解釋?zhuān)杭庸桃簼舛容^高時(shí)，溶液中高濃度的Ca2+會(huì)抑制脲酶的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致碳酸鈣的生成量減小，因此在較高加固液濃度條件下固化完成的試樣強(qiáng)度較低。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際工程中不宜采用過(guò)高濃度的加固液來(lái)固化粉土地基。

圖2 不同加固液濃度條件下加固前后試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(CaCl2作為鈣源)Fig.2 Unconfined compressive strength of samples before and after reinforcement under different strengthening fluid concentrations(CaCl2 as calcium source)

為研究拌和過(guò)程中菌液與加固液用量的比例，以及不同鈣源對(duì)固化粉土試樣強(qiáng)度的影響規(guī)律，在加固液的配制過(guò)程中分別選用CaCl2以及Ca(CH3COOH)2作為鈣源。在加固液濃度均為1 mol/L的條件下采用拌和法加固粉土試樣并進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3～4 所示。由圖3以及圖4可知：隨著菌液與加固液體積比的增加，固化粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。菌液與加固液的體積比為3/7 時(shí)，兩種鈣源條件下固化粉土試樣的抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到未加固試樣的1.4倍左右，此時(shí)試樣的固化效果達(dá)到最佳。此后，隨著體積比的增加，固化試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而減小。當(dāng)菌液與加固液的體積比為3/7 時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變最小，這表明隨著固化效果的增加，試樣逐漸表現(xiàn)出明顯的脆性。對(duì)比圖3與圖4可知，采用CaCl2以及Ca(CH3COOH)2作為鈣源，固化粉土試樣的強(qiáng)度雖然有差異，但整體變化規(guī)律大致相同。

注：B表示菌液體積，C表示加固液體積，下同。圖3 不同配比條件下加固前后試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(CaCl2作為鈣源)Fig.3 Unconfined compressive strength of samples before and after reinforcement under different ratios(CaCl2 as calcium source)

圖4 不同配比條件下加固前后試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(Ca(CH3COOH)2作為鈣源)Fig.4 Unconfined compressive strength of samples before and after reinforcement under different ratios(Ca(CH3COOH)2 as calcium source)

圖5所示為不同鈣源條件下固化粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓峰值強(qiáng)度對(duì)比圖。采用Ca(CH3COOH)2作為鈣源的固化粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均低于鈣源為CaCl2的固化粉土試樣。在本文考慮的3種菌液及加固液比例下，兩種鈣源固化土樣的抗壓強(qiáng)度相差約6.3%。不同鈣源條件下固化粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生差距的原因主要與兩種鈣源條件下微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣的晶體形態(tài)有關(guān)。李沛豪等[16]對(duì)不同鈣源條件下微生物誘導(dǎo)生成的CaCO3晶型進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果表明：以CaCl2為鈣源主要生成方解石形CaCO3，其晶體形態(tài)為穩(wěn)定的菱面體形；而以Ca(CH3COOH)2作為鈣源生成的是球文石形CaCO3，與方解石形CaCO3相比，其晶體形態(tài)并不穩(wěn)定。故以CaCl2為鈣源固化形成的粉土試樣內(nèi)部的晶體可以緊密地膠結(jié)成為一個(gè)整體，而以Ca(CH3COOH)2作為鈣源固化形成的粉土試樣內(nèi)部的晶體之間仍存在一定的空隙。因此，在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，以CaCl2為鈣源固化形成的粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高于以Ca(CH3COOH)2作為鈣源的試樣。

圖5 不同鈣源條件下固化粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓峰值強(qiáng)度Fig.5 Unconfined peak compressive strength of solidified silt samples under different calcium sources

3.3 不同鈣源條件下的碳酸鈣生成量

為分析采用拌和法加固后粉土試樣內(nèi)部碳酸鈣的生成量，需對(duì)加固前后試樣的重量進(jìn)行測(cè)試。粉土試樣固化前的重量均為260 g，記為W。在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)完成后，將固化試樣放入烘箱(85 ℃、12 h)烘干，然后稱重，此時(shí)試樣的重量記為WS。這兩個(gè)重量的差值就是微生物固化過(guò)程產(chǎn)生碳酸鈣的量，將其值除以加固前粉土的重量，即為碳酸鈣的產(chǎn)生量，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W為固化前粉土試樣的重量，g；WS為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)完成并烘干后試樣的重量，g。

圖7為以CaCl2作為鈣源，在拌和過(guò)程中考慮菌液與加固液在不同配比條件下固化粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣產(chǎn)生量。對(duì)圖7試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知：在菌液與加固液的體積比分別為1/4 以及3/7的條件下，固化試樣內(nèi)碳酸鈣的產(chǎn)生量相近，但試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在一定的差異。De Jong等[17-18]通過(guò)SEM 和CT 圖像發(fā)現(xiàn)加固效果與析出的碳酸鈣沉淀位置有關(guān)，即土樣強(qiáng)度的大小不僅僅與碳酸鈣的產(chǎn)生量有關(guān)，還與這些碳酸鈣是否能形成有效的顆粒間鏈結(jié)相關(guān)。

圖6 不同加固液濃度條件下加固試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣產(chǎn)生量(CaCl2作為鈣源)Fig.6 Unconfined compressive strength and calcium carbonate yield of the reinforced samples under different cementation concentrations(CaCl2 as calcium source)

圖7 不同配比條件下加固試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣產(chǎn)生量(CaCl2作為鈣源)Fig.7 Unconfined compressive strength and calcium carbonate yield of the reinforced samples under different ratios(CaCl2 as calcium source)

以上試驗(yàn)結(jié)果表明：固化試樣中碳酸鈣的生成量雖然在一定程度上可以代表試樣的固化效果，但有效的碳酸鈣沉淀也是在進(jìn)行固化試驗(yàn)過(guò)程中必須要考慮的一大影響因素。

圖8為以Ca(CH3COOH)2作為鈣源，在拌和過(guò)程中考慮菌液與加固液的不同配比條件下固化粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣產(chǎn)生量。由圖8 可知：在以Ca(CH3COOH)2作為鈣源條件下進(jìn)行加固的試樣的碳酸鈣生成量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，即固化試樣內(nèi)碳酸鈣的產(chǎn)生量越多，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度就越大。

圖8 不同配比條件下加固試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣產(chǎn)生量(Ca(CH3COOH)2作為鈣源)Fig.8 Unconfined compressive strength and calcium carbonate yield of the reinforced samples under different ratios(Ca(CH3COOH)2 as calcium source)

圖9為不同工況條件下粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓峰值強(qiáng)度。由圖9可知：采用CaCl2作為鈣源，拌和過(guò)程中菌液與加固液的體積比為3/7，加固液濃度為1.5 mol/L,即M-4工況條件下粉土試樣的固化效果達(dá)到最佳。

圖9 不同工況條件下粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓峰值強(qiáng)度Fig.9 Unconfined peak strength under different working conditions

4 結(jié) 論

通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了拌和法固化粉土試樣過(guò)程中菌液與加固液的配比、加固液濃度的變化，以及不同鈣源條件對(duì)固化試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律；并與相同級(jí)配條件下未加固試樣的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)固化粉土試樣內(nèi)碳酸鈣的生成量進(jìn)行了測(cè)試。得出了以下結(jié)論：

(1) 采用拌和法可以較簡(jiǎn)便、較均勻地加固粉土試樣，隨著拌和法固化效果的提升，試樣逐漸表現(xiàn)出較為明顯的脆性現(xiàn)象。

(2) 加固液濃度的變化對(duì)固化粉土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升效果最為顯著，加固液濃度為1.5 mol/L時(shí)固化粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度能達(dá)到未加固試樣的1.5倍。但當(dāng)加固液濃度進(jìn)一步提升時(shí)溶液中高濃度的Ca2+反而會(huì)對(duì)粉土的固化過(guò)程產(chǎn)生抑制作用。

(3) 兩種鈣源條件下固化粉土試樣的無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相近，但以Ca(CH3COOH)2作為鈣源進(jìn)行固化的試樣的無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度均低于以CaCl2作為鈣源的試樣，二者強(qiáng)度差異產(chǎn)生的原因與不同鈣源條件下生成碳酸鈣的晶體形態(tài)有關(guān)。

(4) 采用CaCl2作為鈣源，拌和過(guò)程中菌液與加固液的體積比為3/7，加固液濃度為1.5 mol/L工況條件下粉土試樣的固化效果達(dá)到最佳。