吳超傳，鄭俊杰，賴漢江，崔明娟，宋楊

(華中科技大學 巖土與地下工程研究所，武漢 430074)

微生物誘導碳酸鈣沉淀(microbial induced calcite precipitation，簡稱MICP)作為自然界中廣泛存在的生物礦化過程之一，其機理是通過向特定微生物提供諸如尿素和鈣鹽溶液等膠結物質，利用微生物產生水解酶的催化作用，分解膠結物質產生碳酸根離子，并與周圍環(huán)境中的鈣離子結合生成碳酸鈣晶體[1]。目前，該技術已應用于修復石質材料、混凝土裂縫自愈以及防風治沙和建筑揚塵防治[2-4]。微生物固化技術在其他領域的成功應用[5]及其高效、綠色、經濟的優(yōu)勢為該技術在巖土工程中的應用奠定了堅實基礎。

學者們對微生物固化開展大量的試驗研究。趙茜[6]對巴氏芽孢桿菌的培養(yǎng)以及脲酶活性進行了研究，發(fā)現(xiàn)該菌種最適宜的培養(yǎng)溫度為30 ℃，pH值為8～9。Paassen等[7]、Harkes等[8]、Chu等[9]以及程曉輝等[10]將MICP技術應用于砂土固化，發(fā)現(xiàn)微生物固化可顯著改善砂土的強度、剛度、滲透性以及抗液化性等一系列力學特性。鄭俊杰等[11]和Xiao等[12]將纖維加筋技術應用于微生物固化中，顯著降低了固化土體的脆性，提高了拉伸強度。以上研究均為微生物固化技術應用于砂土地基處理的可行性提供了依據。此外，微生物固化過程較為復雜，涉及生物、物理、化學等方面，故易受諸多因素影響，如菌液注射方式[13]、砂土顆粒粒徑[14]、鈣源的種類[15-16]、環(huán)境因素[17](雨水沖刷、凍融循環(huán))等。故深入分析多因素對微生物固化土體工程力學特性的影響及其強度增長的內在機理是目前微生物固化技術應用于實際巖土工程的關鍵。

筆者基于微生物固化砂土試樣開展固結排水(CD)三軸試驗，研究不同因素(包括：膠結液濃度、砂土密實度以及膠結液濃度配比)對微生物固化砂土剪切強度的影響；分析不同膠結水平固化砂土試樣的抗剪強度參數(shù)等指標，并結合掃描電鏡圖所示的微觀結構特征，探究固化砂土試樣強度增長的內在機理。

1 微生物固化及測試

1.1 試驗材料

試驗用砂為廈門ISO標準砂。試驗用菌為巴氏芽孢桿菌(Sporosarcinapasteurii，編號ATCC 11859)，細菌的培養(yǎng)基成分為：酵母提取物20 g/L，(NH4)2SO410 g/L，Tris緩沖液(用以調節(jié)液體培養(yǎng)基的pH值，pH=9.0)0.13 mol/L。對培養(yǎng)基各單一成分高溫滅菌以及紫外滅菌后，于無菌操作臺上均勻混合，并將活化后的細菌接種至培養(yǎng)基中，最后移至轉速為150 r/min的搖床中，在30 ℃條件下培養(yǎng)至出現(xiàn)渾濁。利用分光光度計測定細菌光密度(OD600)值為1.0。試驗用膠結液為尿素氯化鈣混合溶液，濃度和配比按表1中的試驗方案選用。

1.2 試驗方案及試樣制備

表1給出了不同工況的試驗方案。試驗采用聚氯乙烯預制對開模(如圖1)制備直徑×高度為39.1 mm×80.0 mm的標準三軸試樣。

圖 1 預制對開模具

表1 試驗方案Table 1 Test plan

MICP試樣制備過程：1)模具內放入1張油膜紙貼壁，并用一透水石置底；為保證試樣的初始狀態(tài)，采用落雨法在模具內裝入高度為80.0 mm的標準砂(根據試樣密實度裝填相應質量的砂土)，并以另一透水石封頂。2)從試樣頂端注入超過1倍試樣初始孔隙體積的蒸餾水以排除試樣中的多余氣泡。3)為提高試樣固化的均勻性，采用純/混注射方式[13]進行注菌，即將細菌懸浮液與濃度為0.05 mol/L的CaCl2溶液混合(以下簡稱混合菌液)，采用蠕動泵以5 mL/min的速率從試樣頂端先注入0.4倍孔隙體積的純菌液，隨后立即注射0.6倍孔隙體積的混合菌液，靜置4～6 h。4)用蠕動泵以10 mL/min的速率從試樣頂端注入1倍孔隙體積的膠結液，間隔12 h灌漿一次，達到預定灌漿次數(shù)后(見表1)停止注漿，并向試樣中多次注入自來水以終止MICP過程。

1.3 固結排水試驗

取真空飽和后微生物固化砂土試樣，采用GDS三軸儀，根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)[18]進行三軸壓縮固結排水(CD)試驗。試驗過程為：1)利用儀器的反壓系統(tǒng)，對試樣進行水頭飽和；2)待步驟1)完成后，利用儀器的圍壓與反壓系統(tǒng)，對試樣進行反壓飽和(B≥0.9)；3)根據試驗方案將圍壓加至預定值對試樣進行固結，并確?？紫端畨毫ο?5%以上；4)以0.033 mm/min的加載速率[19]進行加載，至軸向應變達到20%(即16 mm)停止試驗，并取峰值偏應力作為該試樣的剪切強度。

1.4 碳酸鈣含量測定

取CD試驗破壞后試樣，放入烘箱中烘干至恒重(記為M1)，并通過酸洗法測定碳酸鈣含量。使用過量的、濃度為1 mol/L的鹽酸進行溶解，而后采用過量的蒸餾水進行多次沖洗，并再次放入烘箱中烘干至恒重(記為M2)。通過溶酸前后試樣的質量，可計算出試樣中碳酸鈣含量CCaCO3。

(1)

2 強度增長機理分析

2.1 破壞模式及應力-應變特性

微生物固化技術在土顆粒間孔隙引入了具有膠結與填充作用的碳酸鈣晶體[1,14]，從而改善了土體的強度等工程特性；由于孔隙間堆積的碳酸鈣含量不同，不同膠結水平試樣的破壞模式及應力-應變特性必然存在差異。

圖2為微生物固化砂土試樣CD試驗典型破壞模式圖。

圖2 圍壓100 kPa微生物固化砂土試樣破壞模式

從圖2可知，隨著膠結水平的提高，試樣的破壞模式從鼓脹型破壞(灌漿0次試樣)逐漸轉變?yōu)榧羟衅茐?灌漿10次試樣)；且膠結水平越高，發(fā)生剪切破壞的范圍越小。

各圍壓條件下，不同膠結水平試樣的應力-應變曲線(q-εa)變化規(guī)律基本一致，故以圍壓100 kPa條件下的q-εa曲線為例進行分析(圖3)。

圖3 不同膠結水平試樣偏應力q與軸向應變εa關系曲線

從圖3可見，純砂試樣(灌漿0次)的q-εa曲線呈現(xiàn)出弱應變軟化特性；而對于微生物固化試樣，隨著膠結水平的提高，q-εa曲線的應變軟化現(xiàn)象呈逐漸顯著趨勢。此外，還可發(fā)現(xiàn)：隨著灌漿次數(shù)的提高，峰值偏應力(即峰值強度)越高；而峰值強度所對應的軸向應變越小。這也說明了隨著膠結水平的提高，微生物固化砂土試樣強度提高，試樣的脆性也越顯著。

2.2 碳酸鈣含量與峰值強度

現(xiàn)有研究表明，當砂土中的碳酸鈣含量達到一定水平時，砂土試樣的強度可以得到顯著提高[20]。圖4給出了不同膠結水平試樣的碳酸鈣含量。

圖4 不同膠結水平試樣碳酸鈣含量

從圖4中看出，微生物固化試樣的碳酸鈣含量隨灌漿次數(shù)增加呈線性規(guī)律增長；從各組試樣中的碳酸鈣含量來看，每組3個試樣碳酸鈣含量離散性較小，最大、最小碳酸鈣含量之間僅相差0.58%。由此可見，研究中的微生物固化試樣的均勻性較好。

現(xiàn)有研究表明，碳酸鈣含量是影響微生物固化砂土強度的重要因素，固化土體的強度隨碳酸鈣含量的增加而增加[21]。圖5給出不同圍壓條件下試樣的峰值強度與碳酸鈣含量的關系。從圖5可以看出，試樣的峰值強度隨碳酸鈣含量的增加呈指數(shù)關系曲線增長?？梢姡S著膠結水平的提高，強度發(fā)展的效率越高，強度增長也越顯著。強度增長非線性的現(xiàn)象將結合抗剪強度指標和微觀結構進行進一步分析。

圖5 不同膠結水平試樣峰值強度隨碳酸鈣含量的變化

2.3 抗剪強度指標與微觀結構分析

圖6為不同膠結水平試樣的p-q曲線。從圖6可看出，各試樣在不同圍壓條件下的p-q值基本上呈線性關系。因此，可采用摩爾-庫倫強度準則計算各組試樣的抗剪強度指標c、φ。

圖6 不同膠結水平試樣p-q曲線

圖7、圖8分別給出不同膠結水平試樣的內摩擦角φ和黏聚力c隨碳酸鈣含量變化情況。從圖中可看出，隨著碳酸鈣含量的增加，微生物固化砂土試樣的內摩擦角基本上呈線性規(guī)律增長，且增長幅度較?。欢ぞ哿t呈指數(shù)形式增長?？梢姡⑸锕袒巴琉ぞ蹚姸鹊奶岣呤瞧浼羟袕姸忍岣叩闹饕?。

基于掃描電鏡測試，觀察微生物固化砂土試樣的微觀結構，如圖9所示。

從圖9可看出，分布在砂顆粒表面的碳酸鈣晶體出現(xiàn)多顆粒簇狀集中和單顆粒分散的現(xiàn)象；此外，還可發(fā)現(xiàn)碳酸鈣晶體多分布在顆粒間接觸部位，這與Dejong等[1]的發(fā)現(xiàn)相一致。現(xiàn)有研究表明，細菌的電負性是影響細菌吸附的重要因素[13]，吸附于顆粒表面與顆粒間接觸的細菌以自身為成核位點[1]生成碳酸鈣晶體，并在其基礎上不斷累積產生新晶體，

圖7 內摩擦角φ隨碳酸鈣含量變化

圖8 黏聚力c隨碳酸鈣含量變化

圖9 灌漿8次試樣SEM圖

相鄰晶體由于體積擴大而合并，從而產生多顆粒簇狀集中形態(tài)的晶體。

下面結合膠結過程示意圖(見圖10)探討微生物固化砂土試樣剪切強度提高的原因。

圖10 膠結過程示意圖

從宏觀上，起膠結與填充作用的碳酸鈣提高了砂土試樣的密實度，并將松散的砂顆粒黏結成一個整體[1,14]，從而提高了試樣的剪切強度。從抗剪強度指標分析，起膠結與填充作用的碳酸鈣提高了砂土顆粒表面的粗糙程度，碳酸鈣晶體的嵌入與砂土顆粒間的聯(lián)鎖作用提高了咬合力，從而提高了試樣的內摩擦角(見圖7)；此外，顆粒間起膠結作用的碳酸鈣晶體提供的膠結力顯著提高了試樣的黏聚力(見圖8)。從微觀結構分析，空間上相互接觸的砂土顆粒(見圖10(a))，在二維平面上存在著不接觸的地方，此處產生的碳酸鈣晶體僅起到填充的作用(見圖10(b))。當碳酸鈣不斷累積，不接觸處的晶體不斷擴大，從而相互接觸，轉而起到了膠結的作用(見圖10(c))。由于這一轉變過程極短，故黏聚力和峰值強度隨碳酸鈣含量的變化呈現(xiàn)出非線性特征(見圖5、圖8)。

綜上可知，碳酸鈣晶體的膠結作用對試樣剪切強度提高的貢獻較大[14]。隨著碳酸鈣含量的提高，顆粒間起膠結作用的碳酸鈣不斷增加，試樣的膠結強度越大。

3 影響因素分析

3.1 密實度的影響

圖11給出不同初始密實度固化砂土試樣的碳酸鈣含量與峰值強度。從碳酸鈣含量來看，初始密實度30%試樣的碳酸鈣含量最高，50%的次之，80%的最低；而從峰值強度來看，各初始密實度試樣的峰值強度相差不大。

圖11 不同密實度試樣的碳酸鈣含量與峰值強度

可從兩方面解釋上述現(xiàn)象：1)碳酸鈣含量與注入的膠結液體積有關，砂土初始密實度越小、試樣孔隙體積越大，因此，在相同灌漿次數(shù)條件下的碳酸鈣沉積量越多；2)微生物固化砂土的強度主要由砂土顆粒構成的骨架結構強度和碳酸鈣晶體的膠結強度組成；砂土初始密實度小、骨架結構強度低，盡管碳酸鈣含量高(即膠結強度較高)，但其整體強度仍可能較低，如試驗中初始密實度30%的試樣；同理，砂土密實度大、骨架結構強度高，但因碳酸鈣含量較低(即膠結強度較低)，其整體強度仍可能較低，如試驗中初始密實度為80%的試樣。

3.2 膠結液濃度的影響

圖12為不同膠結液濃度條件下，各微生物固化試樣的碳酸鈣含量與峰值強度。

圖12 不同膠結液濃度處理試樣碳酸鈣含量與峰值強度

為進一步量化膠結液濃度對碳酸鈣含量及試樣峰值強度的影響，如圖13所示，分別采用膠結液濃度及碳酸鈣含量，對碳酸鈣含量及峰值強度進行歸一化處理。

圖13 不同膠結液濃度處理試樣的qpeak/CCaCO3、CCaCO3/n膠結液

從圖12可以看出，膠結液濃度越高，試樣的碳酸鈣含量及峰值強度均越高。從圖13可以看出，膠結液濃度越高，微生物固化試樣的單位碳酸鈣含量對峰值強度的貢獻(qpeak/CCaCO3)越高；而消耗單位膠結液濃度產生的碳酸鈣含量(CCaCO3/n膠結液)越低。這是因為，提高膠結液濃度，細菌可以產生更多的碳酸鈣，原先僅起填充作用的碳酸鈣晶體，由于新產生晶體的不斷累積，而逐漸承擔起膠結的作用，故試樣的單位碳酸鈣含量對強度的貢獻變高；而當濃度較高時，由于高濃度的膠結液對酶的活性起抑制作用[6]，試樣的碳酸鈣轉化效率(CCaCO3/n膠結液)則不高。

3.3 膠結液濃度配比的影響

圖14給出不同CaCl2和尿素濃度配比的膠結液處理試樣的碳酸鈣含量與峰值強度。

圖14 不同濃度配比處理試樣碳酸鈣含量與峰值強度

從圖14可見，CaCl2和尿素濃度配比為1∶2試樣的碳酸鈣含量及峰值強度最高；濃度配比為1∶1的次之，濃度配比為2∶1的最低。可見，膠結液中尿素濃度占比越高，試樣的碳酸鈣含量及峰值強度越高。

為進一步量化CaCl2和尿素濃度配比對碳酸鈣含量及試樣峰值強度的影響，分別采用CaCl2和尿素濃度總和以及碳酸鈣含量對碳酸鈣含量及峰值強度進行歸一化處理，如圖15所示。

圖15 不同濃度配比試樣qpeak/CCaCO3、CCaCO3/(nCaCl2+n尿素)

從圖15可見，膠結液中尿素濃度占比越高，微生物固化試樣的單位碳酸鈣含量對強度的貢獻(qpeak/CCaCO3)越高。

現(xiàn)有研究表明，適量提高尿素濃度可以增強細菌脲酶活性[6,22]，而CaCl2濃度越高對脲酶的抑制作用越明顯[6,20]。因此，膠結液中較高的尿素濃度，促進了細菌分泌脲酶的活性，可以水解產生較多的碳酸根離子，用以結合鈣離子產生碳酸鈣晶體，具有膠結作用的碳酸鈣含量也越高，單位碳酸鈣含量對強度的貢獻越大。相反，當溶液中尿素濃度較低，而CaCl2濃度較高，抑制了脲酶的活性，脲酶水解產生的碳酸根離子濃度低，因而結合產生的碳酸鈣晶體量較少，單位碳酸鈣含量對強度的貢獻越低。

此外，從圖15可見，在濃度配比為1∶1時，CCaCO3/(nCaCl2+n尿素)(即碳酸鈣轉化效率)最高。其結果是在(nCaCl2+n尿素)一定的條件下，根據MICP固化方程式(2)得出。

(2)

作為生成碳酸鈣原料的尿素和Ca2+在方程中的系數(shù)均為1，故濃度配比為1∶1時，碳酸鈣轉化效率最高。

4 結論

針對微生物固化過程中涉及的極為復雜的生、理、化等過程，基于固結排水三軸剪切試驗和電鏡掃描測試，探究多因素對微生物固化砂土工程力學特性的影響及其強度增長內在機理。得出以下主要結論：

1)MICP處理可以提高砂土試樣的剪切強度。隨著碳酸鈣含量的增加，試樣的峰值強度qpeak呈指數(shù)關系曲線增長，試樣的脆性也越顯著。

2)MICP處理主要通過提高試樣的黏聚力來提高試樣的剪切強度。隨著膠結水平的提高，僅起填充作用的碳酸鈣晶體轉而起到膠結的作用，碳酸鈣的膠結強度越大。

3)微生物固化砂土試樣的峰值強度qpeak主要由砂土顆粒構成的骨架結構強度和碳酸鈣晶體的膠結強度組成。采用30%砂土初始密實度，適當提高膠結液濃度或膠結液中的尿素濃度占比，均可提高試樣的膠結強度。