胡其志, 劉徹德， 莊心善

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

在巖土工程地基處理以及邊坡處理領(lǐng)域，土體加固一直都是較為關(guān)鍵和重要的課題。相比常規(guī)的預(yù)壓固結(jié)和化學(xué)灌漿等處理方法，利用微生物技術(shù)膠結(jié)松散土體來達(dá)到降低滲透系數(shù)、提高土體承載力的方法更加環(huán)保，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)與社會意義[1-2]。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)(Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation,簡稱MICP)是其中具有代表性的一種方法。

近年來MICP相關(guān)的研究日益增多，其中以脲酶菌為試驗(yàn)菌種的居多，其效果也最為顯著。但脲酶菌的培養(yǎng)要求和造價較高，目前依舊處于試驗(yàn)階段，其大規(guī)模的實(shí)際運(yùn)用并不常見。另一方面，MICP反應(yīng)過程中微生物對膠結(jié)沉積物產(chǎn)生所做出的貢獻(xiàn)為自身化能反應(yīng)所產(chǎn)生的二氧化碳和沉淀結(jié)晶的結(jié)晶核[3]，因此，寬泛來說進(jìn)行MICP技術(shù)中的菌種可以有很多，如周峰等[4]就對比了脲酶菌和鐵鹽還原菌的灌漿效果。KARATAS I.等[5]也證明了利用反硝化菌在堿性條件下進(jìn)行MICP的可行性。反硝化細(xì)菌作為土壤中常見的細(xì)菌，購買方便且成本較低，相較于脲酶菌的培養(yǎng)也更加容易。利用反硝化細(xì)菌的MICP加固裸露或臨時的土坡面很有應(yīng)用價值。

當(dāng)前對于MICP加固砂土已有一些研究成果。Paassen等[6]、Harkes等[7]、Chu等[8]將MICP技術(shù)運(yùn)用于砂土固化，發(fā)現(xiàn)微生物固化可顯著改善砂土的強(qiáng)度、剛度、滲透性等一系列力學(xué)特性。Soon等[9]、崔明娟等[10]、程曉輝等[11]探討了土樣含水率、顆粒粒徑、注漿方式對灌漿效果的影響。梁仕華等[12]驗(yàn)證了循環(huán)灌漿次數(shù)對于固化砂土效果有影響。程曉輝，麻強(qiáng)等[13]驗(yàn)證了固定液濃度對于灌漿效果有影響。

基于此，為有效加固砂質(zhì)土，考慮工程成本和操作的可行性等實(shí)際意義。首先進(jìn)行了灌漿試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，例如土樣的制備、菌液的培養(yǎng)，不同濃度膠結(jié)液的配置，然后在恒溫(25 ℃)有氧堿性環(huán)境下，采用灌漿裝置將膠結(jié)液分批次不連續(xù)灌入土體中，進(jìn)行了微生物灌漿試驗(yàn)。最后比較不同濃度的膠結(jié)液對試樣的加固效果，綜合評價合理的加固試樣的膠結(jié)液濃度。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 細(xì)菌的活化與培養(yǎng)

試驗(yàn)應(yīng)用的菌種為反硝化細(xì)菌。該菌為土壤無害菌，可通過市場低成本購買，其主要成分為反硝化桿菌。反硝化桿菌是一種異養(yǎng)、兼性厭氧細(xì)菌。影響反硝化細(xì)菌活性的因素有很多，如溫度、酸堿度、磁場、氧氣、膠結(jié)液的配比和濃度等。菌液在培養(yǎng)時，控制溫度為25 ℃，堿性環(huán)境(pH=8)。制備菌液的具體操作：1)通過往菌株干粉中加入30倍質(zhì)量的水得到原菌液，在10 g/L紅糖濃度環(huán)境靜置活化處理三小時；2)將原菌液稀釋三倍后過濾掉殘渣;3)加入稀釋的1 mol/L氫氧化鈉溶液攪拌調(diào)節(jié)pH值，利用溶液的酸堿度調(diào)節(jié)控制細(xì)菌的活性。弱堿性溶液環(huán)境更有利于MICP灌漿。調(diào)配得到試驗(yàn)所需的菌液，菌液見圖1。

圖 1 試驗(yàn)所用菌液

在堿性的溶液環(huán)境中，取150 mL菌液進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。往裝菌液的燒杯容器中里倒入100 mL含1 mol/L的氯化鈣的培養(yǎng)溶液，攪拌均勻后，可在剛開始的3 h內(nèi)觀察到有大量的氣泡產(chǎn)生。在溶液的上半部分產(chǎn)生絮狀的白色漂浮物，輕輕震蕩試驗(yàn)容器會發(fā)現(xiàn)有絮狀物沉淀下去。用玻璃棒將該絮狀物提取，緩慢放入裝有稀鹽酸溶液的燒杯中，觀測到玻璃棒上的絮狀物完全溶解并產(chǎn)生氣泡。經(jīng)分析，證實(shí)該絮狀物沉淀的化學(xué)成分為碳酸鈣。

1.2 膠結(jié)液的配置

膠結(jié)液為氯化鈣(CaCl2)與亞硝酸鈉(NaNO2)以及硝酸鉀(KNO3)的混合溶液。其中亞硝酸鈉和硝酸鉀為反硝化細(xì)菌進(jìn)行反硝化作用中的氮源，為MICP過程的供能物質(zhì)；氯化鈣為MICP過程中的鈣源，其主要作用就是與反硝化反應(yīng)作用過程中產(chǎn)生的二氧化碳在細(xì)菌細(xì)胞壁周圍生成碳酸鈣，同時，氯化鈣也是菌液的固定液，鈣離子和細(xì)菌的細(xì)胞壁有吸附作用，利于細(xì)菌依附在帶負(fù)電核的土粒顆粒表面，起到固定細(xì)菌的作用。

表1 膠結(jié)液配比 mol/L

在膠結(jié)液中加入溶液酸堿調(diào)節(jié)劑用以將膠結(jié)液調(diào)節(jié)為弱堿性(pH=8)。調(diào)節(jié)劑為1 mol/L的氫氧化鈉溶液，其并不參與到MICP膠結(jié)反應(yīng)過程中。

1.3 土樣性質(zhì)

試驗(yàn)砂土為花崗巖殘積砂質(zhì)細(xì)粒土(圖2)。樣本色暗灰，少粘性土，顆粒形狀復(fù)雜。烘干并篩除2 mm以上的粗顆粒得到試樣土。土的最大干密度為2.02 g/cm3，最優(yōu)含水率為8.0%。顆分曲線如圖3所示，由內(nèi)插值得到：d10=0.12 mm，d30=0.25 mm，d60=0.51 mm，曲率系數(shù)Cc=1.02，不均勻系數(shù)Cu=4.25，級配不良。

圖 2 試驗(yàn)用砂質(zhì)細(xì)粒土 圖 3 土樣顆分曲線

土樣在制作試驗(yàn)樣品時，采用相同的方法將土樣放置在容器內(nèi)，壓實(shí)至相同狀態(tài)。后續(xù)性能測試試驗(yàn)制樣所需的Φ61.8的兩種鋼環(huán)刀和Φ50×100 mm的模具均在制樣前預(yù)先和土樣一起埋設(shè)在容器中，預(yù)先埋設(shè)環(huán)刀和模具的目的是為了最大程度上減少后期拆模制樣時對灌漿固化效果的破壞。制樣完成后各容器內(nèi)的土樣的均質(zhì)性相同。

2 MICP灌漿試驗(yàn)

試驗(yàn)在恒溫堿性環(huán)境下進(jìn)行，試驗(yàn)所需的裝置構(gòu)造見圖4。利用裝置的勢能將膠結(jié)液有效地灌注到試驗(yàn)試樣中,膠結(jié)液隨灌漿方向依次通過試樣容器的下部、中部和上部，最終隨導(dǎo)管流入收集裝置中。

圖 4 試驗(yàn)裝置示意圖

2.1 微生物加固原理

微生物代謝產(chǎn)物胞外聚合物(EPS)中含有羥基、胺基、酰胺基、羧酸等負(fù)離子基團(tuán)，由于細(xì)菌細(xì)胞壁的特殊結(jié)構(gòu)對EPS的吸附,使得細(xì)菌表面通常帶有負(fù)電荷，并不斷吸附周圍膠結(jié)溶液中的Ca2+，使其聚集在細(xì)菌細(xì)胞外表面[14]。同時擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)部的硝化鹽在細(xì)菌產(chǎn)生的反硝化作用下不斷分解出 CO32-并輸送到細(xì)胞表面，從而以細(xì)胞為核，在細(xì)菌周圍析出碳酸鈣沉積物，吸附在巖樣表面上的微生物為成核點(diǎn)礦化沉積出大量的CaCO3，隨著灌漿次數(shù)的增加，礦化沉積逐漸覆蓋堆積填充和膠結(jié)。微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的CaCO3沉積具有膠凝性質(zhì)，與一般的化學(xué)作用生成的CaCO3不同，將試樣膠結(jié)為一個整體從而達(dá)到灌漿加固的目的。整個過程發(fā)生的反應(yīng)如下：

反硝化作用:

10CO2+4N2+12H2O+能量

沉降膠結(jié)原理：

2.2 灌漿試驗(yàn)

在進(jìn)行灌漿試驗(yàn)前，采用吸附法將適量的菌液固定在試樣的顆粒縫隙中。吸附法的原理是通過物理吸附、化學(xué)或者離子鍵的結(jié)合，將微生物固定于顆?？障犊臻g內(nèi)。這種方法操作簡單，對微生物活力影響小。參考彭劼等人[15]的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),具體操作步驟：1)先往試樣中灌入氯化鈣溶液(0.5 mol/L)，灌入體積按試樣質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整。類比3.4 mL/min的速率設(shè)計灌漿速率為2 mL/min，固定液灌注結(jié)束后靜置12 h ；2)以同樣的方式將適量的菌液注入到試樣容器中，其速率為2 mL/min，菌液灌注結(jié)束后靜置12 h。

試驗(yàn)共進(jìn)行五組不同濃度的膠結(jié)液灌漿試驗(yàn)，每組膠結(jié)液濃度灌漿試驗(yàn)又分出強(qiáng)度組和滲透組兩組試驗(yàn)，總計進(jìn)行十組試驗(yàn)。其中無側(cè)限組在試驗(yàn)裝置容器中部放置無側(cè)限抗壓試驗(yàn)所需的模具；滲透組在試驗(yàn)裝置容器中部段放置滲透試驗(yàn)所需的環(huán)刀，在試樣下部段和上部段分別放置直剪試驗(yàn)所用的環(huán)刀。分組的目的是為了從強(qiáng)度和滲透兩方面來綜合分析反硝化細(xì)菌的MICP效果。灌漿試驗(yàn)時，膠結(jié)液沿著灌漿裝置依次從試樣下部段滲入中部段，再滲入上部段最終滲出試樣。

為使灌漿時單位質(zhì)量的土樣能灌注等體積的膠結(jié)液，每組試驗(yàn)一次灌漿膠結(jié)液的體積按容器中土樣的重量決定。以 960 mL/kg的體積/質(zhì)量比來確定每組具體灌漿體積，具體灌漿體積見表2，灌漿速率為2 mL/min。采用分批次灌漿，共灌漿4次[16]。在一次注漿結(jié)束后，為便于生成的膠結(jié)物穩(wěn)定，每次灌漿結(jié)束后，靜置試樣24 h，再補(bǔ)充適量的菌液,靜置固定菌液6 h后再進(jìn)行下一批次的灌漿。每次注漿時的膠結(jié)液成分與體積均與第一次灌漿要求相同,每一次灌漿的速率也與第一次時的相同。

表2 每次灌漿的膠結(jié)液體積

結(jié)束灌漿試驗(yàn)后，將試樣靜置養(yǎng)護(hù)48 h后，在60℃烘箱中對試樣進(jìn)行烘干養(yǎng)護(hù)48 h,拆模處理進(jìn)行相關(guān)的性能指標(biāo)測試試驗(yàn)。拆模后部分試樣見圖5。

圖 5 部分拆模后的試樣

在灌漿過程中灌漿速率是越來越慢，理論上的勻速灌漿是達(dá)不到的，有的試驗(yàn)組不得不在灌漿過程中反復(fù)調(diào)節(jié)灌漿儀器已保證灌漿試驗(yàn)的進(jìn)行，因此試驗(yàn)中的操作誤差是不可避免的。

3 性能測試

對MICP試驗(yàn)處理得到的砂土試樣，在實(shí)驗(yàn)室里分別進(jìn)行強(qiáng)度、滲透指標(biāo)及碳酸鈣含量測試。

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將處理后的試樣按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123—2019[17]測試土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，加載速率1.0 mm/min。

3.2 直剪試驗(yàn)

將處理后的試樣烘干后靜置24 h。試樣按壓入剪切盒內(nèi)，施加垂直壓力荷載50 kPa，調(diào)整好儀器，對剪切盒的下盒施加水平力，直至試樣被剪壞。

3.3 碳酸鈣的含量

測量比較試樣固定的鈣離子含量可以反應(yīng)出MICP生成的碳酸鈣的量和細(xì)菌的活性。

具體試驗(yàn)方法[18]：1)將單軸抗壓加載破壞后的試樣破碎后，置于燒杯中，以去離子水充分?jǐn)嚢?、清洗?)另取干燥的濾紙，重量計為W1，折成圓錐型，用以過濾清洗后的試樣，并用去離子水沖洗濾紙、及其上試樣，以保證濾紙及試樣中的可溶鹽充分溶解；3)將濾紙和試樣一并烘干后，稱量濾紙和試樣的總重量為W2；4)改用稀鹽酸重復(fù)步驟，經(jīng)稀鹽酸處理并干燥后，濾紙和試樣總重量為W3。

單位重量試樣中碳酸鈣的含量(RCaCO3)可以用下面公式計算：

(1)

結(jié)合試驗(yàn)和公式(1)計算出各試驗(yàn)組的碳酸鈣含量，各試驗(yàn)組(TX，X=1,2,3,4)測得的碳酸鈣含量與對照組(T0)測得的含量相減即得各實(shí)驗(yàn)組所生成的碳酸鈣含量。

3.4 滲透試驗(yàn)

采用變水頭滲透試驗(yàn)，在試樣中預(yù)先埋設(shè)環(huán)刀，拆除清理出試樣用于滲透試驗(yàn)中。按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123—2019 測試土樣的滲透系數(shù)。采用公式(2)來進(jìn)行計算。

(2)

式中：k為滲透系數(shù)，a為變水頭水管橫截面積，L為試樣高度，A為試樣的橫斷面面積，Δt為滲透的時間，h1初始水頭，h2終止水頭。

4 結(jié)果分析

4.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將灌漿處理后的砂土試樣拆模靜置3 h后使試樣冷卻至室溫后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖 6 無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變圖

由圖6可知：1)試驗(yàn)組相對于對照組發(fā)生更明顯的塑性破壞。對照組在達(dá)到峰值后迅速從峰值降低零，其破壞時的應(yīng)變也較小，發(fā)生了脆性破壞，各灌漿組從峰值降低到零是一個較緩慢的過程，其破壞過程有較大的應(yīng)變，發(fā)生了塑性破壞。灌漿作用改善了試樣的塑性，使得試樣發(fā)生塑性破壞；2)抗剪效果最好的T2組，其峰值為117.1 kPa,較對照組T0組 84.1 kPa提高了39.2%,T3和T1兩組與T2組的峰值差距不大，可認(rèn)為灌漿效果達(dá)到預(yù)期效果。

微生物的MICP改善土體力學(xué)性能取決于微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣的水平，額外生成的碳酸鈣沉淀也會進(jìn)一步加強(qiáng)土體的致密性以及土顆粒接觸間的膠結(jié)性。大量的試驗(yàn)研究表明微生物的MICP處理主要是通過提高試樣粘聚力來提高試樣的剪切強(qiáng)度。

4.2 鈣離子含量及抗剪強(qiáng)度

測試處理后土樣中碳酸鈣的含量結(jié)果以及直剪試驗(yàn)測試土樣上下兩部分的強(qiáng)度結(jié)果見圖7。

圖 7 試驗(yàn)組碳酸鈣生成量及抗剪強(qiáng)度

試樣在制作時，理論試樣的壓實(shí)度相同，但實(shí)際操作中下部土要比上部密實(shí)，因此在對照組中，下部土的抗剪強(qiáng)度要比上部土高；而灌漿試驗(yàn)結(jié)果卻恰好相反，試驗(yàn)組的上部土樣的抗剪強(qiáng)度要比下部土的高，上部土的空隙率比下部土的要高，更有利于灌漿試驗(yàn)的進(jìn)行，灌漿膠結(jié)效果更突出；生成碳酸鈣的含量與膠結(jié)液濃度成正比趨勢，生成的碳酸鈣含量越高，抗剪強(qiáng)度也越高。在膠結(jié)液中鈣離子濃度較低時的情況下，膠結(jié)液中的氮源濃度與生成的碳酸鈣含量成正比趨勢；當(dāng)鈣離子濃度為0.5 mol/L時，碳酸鈣的生成量(TX-T0,X=1,2,3,4)與氮源的濃度關(guān)系不大，此時提升氮源的濃度對生成的碳酸鈣含量增幅不大。

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出：1)過高的壓實(shí)度下并不利于灌漿試驗(yàn)；2)在灌漿試驗(yàn)中，膠結(jié)液濃度越高，上下部土樣的強(qiáng)度離散性有縮小的趨勢；3)相同孔隙率以及相同灌漿次數(shù)時，試樣的直剪強(qiáng)度與膠結(jié)液濃度成正比趨勢；4)碳酸鈣的生成量與膠結(jié)液濃度成正比趨勢，但當(dāng)濃度過高時，碳酸鈣生成量增幅不大。

4.3 滲透系數(shù)

測量試樣的滲透系數(shù)，其結(jié)果見表3。由表3可分析：各試驗(yàn)組的滲透系數(shù)較對照組(T0)的滲透系數(shù)均下降了一個數(shù)量級。因?yàn)橥寥阑|(zhì)中微生物誘導(dǎo)原位生成的碳酸鈣晶體占據(jù)了土體孔隙空間，從而降低孔隙比，增加土體的致密性，降低土體的滲透性。在鈣離子濃度含量相同時(T1與T2、T3與T4)，在氮源濃度升高時，試樣的滲透性不降反升；在氮源濃度相同時(T1與T3、T2與T4)，鈣離子濃度越高，試樣的滲透性卻相差不大。這與試驗(yàn)的預(yù)期效果相矛盾。在鈣離子濃度相同時，提升氮源的濃度將有利于降低試樣的滲透性，但這個趨勢并不是一直是正向趨勢的，而應(yīng)該是有個峰值。當(dāng)?shù)礉舛冗^高時，使得膠結(jié)液整體的濃度變高，抑制了微生物的活性，繼續(xù)提升氮源濃度，對細(xì)菌的MICP灌漿效果有抑制作用，試樣的滲透性上的表現(xiàn)將不再是繼續(xù)下降，甚至比較低濃度的試驗(yàn)組還要高。

表3 試驗(yàn)組的滲透系數(shù)

由此可得出以下結(jié)論：1)對照組的滲透系數(shù)為2.5×10-4cm/s,經(jīng)過處理后，各試樣滲透系數(shù)均下降約1個數(shù)量級，各試驗(yàn)組試樣間的差異不大；2)在鈣離子濃度相同的情況下，隨著膠結(jié)液中的氮源濃度的上升，細(xì)菌的灌漿效果在滲透方面的表現(xiàn)并不一定是增長的。當(dāng)?shù)礉舛冗_(dá)到一定時，濃度的增加會抑制了細(xì)菌的MICP灌漿效果。

綜上所述，采用灌漿的方法，利用反硝化細(xì)菌進(jìn)行MICP加固砂土試驗(yàn)，并通過強(qiáng)度和滲透試驗(yàn)綜合評論并驗(yàn)證了反硝化微生物MICP加固砂土的效果。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上對比，采用反硝化細(xì)菌進(jìn)行MICP比采用脲酶菌進(jìn)行MICP的效果稍差，但可以通過增加灌漿次數(shù)、改善灌漿條件、改變固菌方法等改進(jìn)，使其達(dá)到相同的加固效果。

5 結(jié)論

采用反硝化細(xì)菌進(jìn)行MICP灌漿加固砂質(zhì)細(xì)粒土的試驗(yàn)，比較了不同濃度下膠結(jié)液加固效果的差異，分析試驗(yàn)結(jié)果可得出結(jié)論如下。

1)利用反硝化微生物進(jìn)行MICP加固砂土具有較好的加固效果，經(jīng)過MICP處理后的試樣強(qiáng)度提高了39.2%，滲透系數(shù)均下降了1個數(shù)量級，強(qiáng)度值達(dá)到峰值前后表現(xiàn)出較為明顯的塑性。

3)在Ca2+濃度相同的膠結(jié)溶液中，提升氮源濃度可有效提升強(qiáng)度參數(shù)；氮源濃度相同時，增加Ca2+濃度，對試樣的強(qiáng)度參數(shù)有提升效果，對試樣的滲透性無明顯影響。