劉 淵，張友良，胡晉寧，張亞軍

（海南大學土木建筑工程學院，海南 ?？?570228）

濱海地區(qū)地表往往覆蓋有厚層狀粉細砂，不同濱海區(qū)域所形成的粉細砂地層在空間分布、物質成分、結構構造特征等方面往往存在著顯著差異.在修建路基、地基等相關海岸工程的基礎建設中，粉細砂得到廣泛的應用.國內學者對粉細砂及其力學特性展開了大量的研究：黃茂松等［1］對粉細砂進行了真三軸試驗，并系統(tǒng)地分析了粉細砂強度特性的影響因素.楊舉明［2］對粉細砂的液化進行了研究并得到粉細砂抗液化強度隨干密度增大而增大；隨排水條件的不同而不同.王兆祥等［3］利用高壓低溫三軸儀對粉細砂進行剪切試驗，分析了粉細砂與水合物膠結對剪切行為的影響.沈素平等［4］考慮粉細砂的干密度和飽和度，通過正交試驗研究了粉細砂的可壓縮性.綜上，粉細砂在原位狀態(tài)下密實度高、壓縮性好等特點，但當受到荷載后，應力狀態(tài)發(fā)生改變而發(fā)生較大變形，從而引起砂土層的坍塌和變形.

近些年來，中國加快對濱海地區(qū)的建設尤其加快對海南自貿港的基礎建設，然而在濱海地區(qū)進行基礎建設最棘手的問題即為不良粉細砂地層覆蓋范圍廣，有必要對粉細砂進行加固以提高結構的承載力及耐久性.傳統(tǒng)的加固措施有物理加固和化學加固，采用強夯法或者灌注水泥漿和化學膠結液對粉細砂進行加固，此類方法往往存在加固深度有限、造價高、能耗大、污染嚴重等缺陷，這與我國提倡的綠色發(fā)展理念相違背.因此，尋找符合濱海地區(qū)綠色可持續(xù)發(fā)展的粉細砂加固方法越來越受到相關單位的重視.

CO(NH2)2+H2O→H2COOH+2NH3微生物誘導碳酸鈣沉積（microbial induced calcium carbonate precipitation，簡稱MICP）作為一種新興的環(huán)境友好型的土體加固技術受到了眾多學者的關注［5-6］.MICP固化原理是尿素為微生物提供氮源，微生物在生命活動中產(chǎn)生一種可以加速水解尿素的脲酶，脲酶催化尿素水解為碳酸根和銨根，當環(huán)境中存在游離的鈣離子時，便會生成碳酸鈣結晶將砂顆粒膠結在一起［7］.MICP固化原理如下［8］：

DeJong等［9-11］對微生物固化土的三軸強度進行了一系列的研究，發(fā)現(xiàn)砂柱的強度與微生物誘導生成碳酸鈣的含量有關.劉漢龍等［12］通過三軸試驗和SEM電鏡試驗，研究了MICP膠結鈣質砂的動力特性和微觀膠結機理.結果表明，MICP膠結作用改變了土壤的性質，增加了土壤的粘聚力和內摩擦角.彭劼［13］模擬海水環(huán)境中對珊瑚砂砂柱進行微生物加固浸泡試驗，表明隨著浸泡時間的增長，珊瑚砂具有更大的無側限抗壓強度.王鋮［14］通過二次注菌的方式膠結標準砂，開展了不同鈣源和培養(yǎng)液濃度對MICP膠結效果的影響，找出了其中的最優(yōu)鈣源和其對應的最佳培養(yǎng)液濃度.李洋洋［15］通過固化過程中珊瑚砂試樣的滲透性變化和單軸壓縮試驗，表明了微生物固化珊瑚砂實驗中膠結液濃度對膠結效果有影響并確定了膠結液濃度的最佳配比.歐益希［16］設置了不同濃度的NaCl溶液，經(jīng)過測試膠結后的珊瑚砂砂柱無側限抗壓強度，對MICP固化珊瑚砂的力學性能進行分析，但是并沒有研究在鹽性環(huán)境膠結液中尿素濃度對固化效果的影響.

鑒于目前在濱海地區(qū)海水環(huán)境下用微生物固結法處理濱海粉細砂的研究較少，本文采用尿素水解巴氏芽孢桿菌（CGMCC 1.3687），依據(jù)現(xiàn)實海水的鹽度及pH值，模擬了海水環(huán)境下對濱海地區(qū)粉細砂進行了MICP固化處理，研究了海水環(huán)境微生物固化濱海粉細砂的影響.進行一系列無側限抗壓強度的試驗、碳酸鈣含量試驗和微觀結構分析，研究了淡水、海水環(huán)境及尿素濃度對MICP固化效果的影響，分析了微生物誘導碳酸鈣與粉細砂相互之間的作用機制，驗證在海水環(huán)境下MICP技術固結濱海粉細砂的可行性.研究成果對濱海地區(qū)路基修筑，海岸開發(fā)、邊坡防護等工程設計及研究提供參考.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1.1.1 濱海粉細砂試驗粉細砂取自海南省海口市海岸邊，密度為2.72 g·cm-3，滲透系數(shù)為3.617×10-4k·m-1·s-1，混有貝殼等雜質.將粉細砂清洗干凈，放入105℃烘箱中烘至衡量并冷卻到常溫，進行篩分試驗，得到濱海粉細砂試樣顆粒級配曲線如圖1所示，通過內插法計算可以得到此粉細砂的不均勻系數(shù)Cu為1.73，曲率系數(shù)Cc為1.12，不能滿足Cu＞5和Cc=1-3的要求，屬于級配不良砂.

圖1 濱海粉細砂試樣顆粒級配曲線圖

1.1.2 細菌的活化和培養(yǎng)實驗使用的細菌為巴氏芽孢桿菌，它可以利用尿素為原料通過本身的代謝活動形成大批高活性脲酶，該酶可以快速水解尿素.實驗所用培養(yǎng)基成分為（每100 mL）：2 g葡萄糖，2 g細菌學蛋白胨，1 g氯化鈉，將上述培養(yǎng)基放入高壓蒸汽滅菌鍋升溫至125℃，冷卻至室溫拿出培養(yǎng)基，調節(jié)pH至9.0，注入菌株，放入30℃，160 r·min-1恒溫搖箱震蕩培育，27 h后取出并用分光計測OD600用來表征細菌的濃度，測得OD600值為0.689.用電導率儀來測試菌液脲酶活性，測得其脲酶活性約為1.32 mmol·L-1·min-1.

1.1.3 營養(yǎng)鹽溶液營養(yǎng)鹽溶液分為鹽度為3.5%的海水環(huán)境和無鹽的淡水環(huán)境，加入1 mol·L-1的CaCl2和不同濃度的尿素溶液組成，其中模擬海水環(huán)境的營養(yǎng)液含有35 g·L-1的NaCl.營養(yǎng)液主要為菌株提供營養(yǎng)物質，鈣離子和CO32-，在脲酶催化作用下尿素快速水解，更快地生成碳酸鈣結晶.

1.2 實驗方法

1.2.1 壓力注漿法加固粉細砂實驗試樣共分為6組，按照A-F編號，其中對照組A號組為淡水環(huán)境，膠結液中尿素濃度和CaCl2濃度均為1 mol·L-1.B-F組為海水環(huán)境下加固粉細砂.具體分組參數(shù)如表1所示.

表1 試樣編號及其膠結液濃度

為了研究海水環(huán)境對MICP技術加固濱海粉細砂的影響，通過MICP壓力注漿法加固粉細砂砂柱.實驗所用模具為三塊塑料軟管組成的厚度2 mm、高80 mm、內徑35 mm的圓筒，圓筒上部為厚度4 mm，直徑42 mm的圓片，中央留有的注漿孔，與蠕動泵膠管連接，底部留有出液口，試驗模具如圖2，實驗裝置如圖3所示.

圖2 試件模具主視圖和俯視圖

圖3 試驗裝置示意圖

具體固化步驟：①將95.5 g干密度為2.72 g·cm-3的濱海粉細砂裝入磨具，并用分層壓實法壓實，在砂土上方鋪上一層濾紙，防止注漿時造成上部砂土不均勻.②蠕動泵以10 mL·min-1的速率注入濃度為1 mol·L-1的CaCl2固定液，放置3 h后以5 mL·min-1的速率注入100 mL菌液，使細菌與砂土混合在一起.③注入菌液靜止8小時后，以10 mL·min-1的速率注入膠結液，膠結液為1 mol·L-1的CaCl2溶液和不同濃度梯度的尿素溶液各1 L.④注漿完成后，放置24小時，待細菌反應充分后，然后放入65℃鼓風烘箱中烘干拆模.

1.2.2 無側限抗壓強度試驗為研究MICP技術加固濱海粉細砂的力學特性，試驗采用儀器為南京土壤儀器廠的型號為YYW-2的無側限壓力儀.微生物誘導生成的碳酸鈣填充粉細砂顆粒并彼此膠結一塊，經(jīng)過烘干拆模后形成具有一定強度的試件，試件直徑35 mm，高80 mm，對粉細砂砂柱試件進行無側限抗壓強度試驗，加載速率為1 mm·min-1至試件破壞.

1.2.3 碳酸鈣生成量測定試件中碳酸鈣的含量是MICP固化效果的重要指標［17］，取破壞后的砂柱試件，依據(jù)土工試驗規(guī)范［18］用酸洗法測定試件碳酸鈣的生成量.用蒸餾水浸泡破壞后的砂柱溶解試件中殘留的可溶性鹽，烘干并稱重.將試件放入過量鹽酸中溶解CaCO3，直至無氣泡產(chǎn)生且粉細砂顆粒分離.反應結束后，用蒸餾水清洗砂顆粒，將清洗干凈的砂顆粒烘干稱重，試件酸洗反應前后的質量損失即為碳酸鈣的生成量.

1.2.4 微觀結構分析試驗為觀測砂柱試樣中粉細砂顆粒空隙中碳酸鈣分布填充情況，采用日本Hitachi公司生產(chǎn)的S-3000N型掃描電子顯微鏡，取破壞后砂柱試樣截面上一小塊進行SEM掃描試驗.

2 試驗結果與討論

MICP加固的本質是微生物誘導碳酸鈣和粉細砂膠結在一起，填充并彌合砂顆粒之間的空隙，形成具有一定強度的整體.通過無側限抗壓強度試驗，研究了尿素濃度和模擬海水環(huán)境對MICP固化結果的影響.

2.1 尿素濃度對MICP固化效果的影響在MICP加固試驗中，尿素為微生物提供氮源，是微生物加固中最重要的營養(yǎng)鹽原料.通過大量的試驗研究發(fā)現(xiàn)，尿素的濃度對微生物加固有一定的影響，適量的尿素可以促進巴氏芽孢桿菌產(chǎn)生脲酶并促進尿素的水解，從而加快碳酸鈣結晶效率.

圖4為海水環(huán)境下不同濃度的尿素溶液的濱海粉細砂試件的無側限抗壓強度的應力應變曲線對比圖.從圖中可以清晰地看出，海水環(huán)境下試件的無側限抗壓強度在一定程度上隨著尿素濃度的增大而增大，在尿素濃度為1 mol·L-1時強度達到最大，尿素濃度超過1 mol·L-1時，試件的無側限抗壓強度有所下降.

圖4 海水環(huán)境下注漿后各試件的應力-應變曲線

試驗得出，尿素濃度為1.5 mol·L-1的試件固化效果不夠理想，內部膠結較好，但表面有松散的粉細砂顆粒.過量的尿素濃度大于細菌細胞液的濃度，會抑制細菌的新陳代謝，從而抑制產(chǎn)生脲酶的活性.隨著尿素濃度的降低，試件的完整度和固化效果逐漸變好，主要是因為脲酶活性逐漸變高，反應速率加快和反應產(chǎn)物增多，因此提升了固化效果.尿素濃度為1 mol/L時，試件完整度且固化效果是最佳的，可以在試件表面看到一層5～8 mm的白色碳酸鈣結晶.尿素濃度降至0.5 mol·L-1的試件，雖然可以看到外表有白色的固化層，但是內部固結不夠理想.這主要是因為尿素濃度過低時，微生物固化過程尿素供應不足，產(chǎn)生脲酶的速率大大降低，不利于試件的固化，導致強度下降.

2.2 海水環(huán)境對MICP固化效果的影響取上述最佳尿素濃度的試件，做淡水環(huán)境的對比組.圖5為相同的尿素濃度下淡水環(huán)境和海水環(huán)境的無側限抗壓強度對比圖，強度有顯著的差異.

圖5 相同尿素濃度海水組與淡水組應力-應變曲線對比

海水環(huán)境下的MICP技術加固濱海粉細砂，其無側限抗壓強度為502.1 kPa，淡水環(huán)境下其無側限抗壓強度為234.3 kPa，顯然，海水環(huán)境下砂柱的強度是淡水環(huán)境下的2.14倍，從海水環(huán)境下砂柱應力-應變曲線能夠看出砂柱受壓經(jīng)過三個階段：一為壓實階段，無側限抗壓強度隨應變緩慢增加，應變區(qū)間為0～0.9%；二為塑性變形階段，試件出現(xiàn)裂縫，無側限抗壓強度達到最大，應變區(qū)間為0.9%～2.3%；三為破壞階段，繼續(xù)加壓，裂縫進一步擴大，試件發(fā)生破壞.試件破壞前后對比如圖6.

圖6 試件加載破壞前后對比

造成這種區(qū)別的主要原因與MICP固化環(huán)境中的pH值有關.試驗所用的巴氏芽孢桿菌的最佳生長環(huán)境的pH為9.0左右［19］.Stocks-Fischer等［20］對適宜MICP加固常用的高脲酶菌的最適生長pH值進行了測定，發(fā)現(xiàn)pH值會對微生物新陳代謝產(chǎn)生的脲酶活性產(chǎn)生影響.海水的pH通常為8.1，淡水pH一般為7，海水呈弱堿性環(huán)境，更適宜巴氏芽孢桿菌的新陳代謝，反應初期細菌體內脲酶水解尿素產(chǎn)生了一定濃度的CO32-和NH+，然而CO32-的水解能力強于NH4+，菌體內部pH值進一步提升，反應中后期CO32-由于生成碳酸鈣而被消耗，NH4+的水解會產(chǎn)生氫離子導致溶液pH略有下降，淡水溶液呈弱酸性環(huán)境，但海水溶液仍為弱堿性環(huán)境.海水溶液中脲酶表現(xiàn)出更高的水解效率和更強的對尿素的親和力，從而進一步促進了由脲酶催化的尿素反應生成的碳酸鈣晶體覆蓋在砂柱的表面，并填補粉砂柱內部粉細砂顆粒的縫隙，提高了砂柱的強度，由此可見海水環(huán)境下微生物固化技術對濱海粉細砂的加固強度優(yōu)于淡水環(huán)境.

2.3 碳酸鈣含量表2為MICP固化不同試件的碳酸鈣含量，由表2可以看出對照組淡水環(huán)境A組試件的碳酸鈣含量遠低于海水環(huán)境D組碳酸鈣含量.海水環(huán)境下，碳酸鈣含量隨著尿素濃度的增大先增加后減小，尿素濃度為0.5 mol·L-1時碳酸鈣含量僅為9.36%，尿素濃度為1 mol·L-1時碳酸鈣含量達到最大為24.39%.尿素濃度大于1 mol·L-1時碳酸鈣含量有所下降.尿素濃度過高導致細菌活性受到影響，新陳代謝速率下降，因此微生物誘導碳酸鈣的含量也有所降低.

表2 MICP固化不同試件的碳酸鈣含量

通過MICP加固粉細砂試件生成的碳酸鈣填充并膠結砂顆粒之間孔隙，直接影響加固粉細砂試件的力學特性.圖7為不同碳酸鈣含量的試件對應的無側限抗壓強度圖，由圖7得到試件的碳酸鈣含量越高，試件加固效果就越好，無側限抗壓強度隨之變大.可以看出，微生物加固的固化效果與加固環(huán)境、尿素濃度和碳酸鈣含量密切相關［21］.

圖7 不同碳酸鈣含量對應的無側限抗壓強度圖

2.4 微觀結構分析取破壞后各試件的一小塊進行SEM掃描試驗，圖8所示為A-F各組試樣放大1 500倍后的微觀照片.可以看到白色的碳酸鈣結晶包裹在粉細砂顆粒表面，海水環(huán)境D組砂顆粒表面被碳酸鈣晶體包裹并膠結在一起，形成具備一定力學強度的整體，其對照的淡水環(huán)境A組有碳酸鈣晶體包裹砂顆粒，但砂顆粒之間仍存在較大的孔隙.由B-F組可以看出海水環(huán)境下砂顆?？紫峨S著尿素濃度的增加先減小后變大，在尿素濃度為1 mol·L-1時加固效果最好，得到固化環(huán)境和尿素濃度對MICP固化濱海粉細砂有著重要的影響，這與無側限抗壓強度試驗和碳酸鈣含量試驗得到的結論一致.

圖8 不同試件固化后的微觀結構圖

3 結論

本文在模擬海水環(huán)境下利用巴氏芽孢桿菌對MICP技術固化濱海粉細砂的可行性試驗研究，通過無側限抗壓強度試驗、碳酸鈣含量試驗和微觀結構分析，研究了不同濃度的尿素在海水環(huán)境下對MICP加固粉細砂的固化效果，同時對比分析了海水和淡水環(huán)境下對固化效果的差異，得到結論如下：

（1）在海水環(huán)境下MICP技術固化濱海粉細砂是有效的，通過微觀結構分析得到反應生成了碳酸鈣結晶填充了粉細砂顆粒的空隙，并將松散的粉細砂粒膠結成為具備一定力學強度的整體，為濱海地區(qū)的路基和地基處理、邊坡防護等提供了一種綠色解決方案.

（2）MICP技術使用的尿素濃度對固化濱海粉細砂顆粒有著至關重要的影響，本文對尿素濃度的影響做了一個試驗對比，CaCl2濃度一定時，發(fā)現(xiàn)砂柱試件的無側限抗壓強度和碳酸鈣含量隨著尿素濃度的增加先上升后下降，得到海水環(huán)境下1mol·L-1尿素處理試件的加固效果最好.

（3）經(jīng)過無側限抗壓強度試驗和碳酸鈣含量試驗可以得到，海水環(huán)境粉細砂砂柱的無側限抗壓強度是淡水環(huán)境下的2.14倍且生成的碳酸鈣含量更高.海水環(huán)境的弱堿性促進了巴氏芽孢桿菌的生長和繁衍，進而形成大量高活性脲酶，大大提高了微生物誘導碳酸鈣沉積的效率.