孔德成，孫治國，賈方方

(1.北京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋系，北京 102200；2.防災(zāi)科技學(xué)院中國地震局建筑物破壞機(jī)理與防御重點(diǎn)實驗室，廊坊 065201)

0 引 言

我國黃土具有覆蓋廣、厚度大、大面積連續(xù)等特點(diǎn)，其大孔隙、結(jié)構(gòu)性、濕陷性等嚴(yán)重制約了黃土地區(qū)工程建設(shè)的發(fā)展。其中，黃土濕陷性一直是黃土地區(qū)研究熱點(diǎn)[1]。黃土濕陷性是指在自重或外力作用下，受水浸潤后黃土顆粒骨架迅速崩潰，強(qiáng)度大幅度降低的特性。這種性質(zhì)易導(dǎo)致建筑物發(fā)生不均勻沉降，對建筑物的安全性及經(jīng)濟(jì)性帶來極大的損害。近年來，針對黃土濕陷性已展開了大量的研究，周建基等[2]用石灰對黃土進(jìn)行改良，試驗結(jié)果表明當(dāng)摻灰質(zhì)量達(dá)到7%時黃土濕陷性達(dá)到最小。于淮[3]、柳墩利[4]采用水泥固化黃土，力學(xué)性能與濕陷性得到大幅度的改善。沈小康等[5]從微觀角度分析高鈣細(xì)化粉煤灰改良黃土的機(jī)理，結(jié)果表明高鈣細(xì)化粉煤灰的摻入可降低黃土孔隙率，增強(qiáng)顆粒間的膠結(jié)，從而有效改良黃土濕陷性。目前針對黃土改良主要集中在化學(xué)、機(jī)械、外加劑等固化方法，但這些方法具有耗能高、污染大、施工周期長等特點(diǎn)，不利于我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，發(fā)展低耗能、低污染的固化方法是目前迫切解決的問題。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(microbial induced calcium carbonate precipitation, MICP)技術(shù)是土壤生物改良技術(shù)之一，通過分解尿素生成碳酸根離子和鈣離子進(jìn)而誘導(dǎo)碳酸鈣結(jié)晶體形成[6-7]，進(jìn)一步填充顆?？紫逗屯馏w骨架。MICP因低污染、低成本、低能耗被廣泛用于土壤固化領(lǐng)域中。劉世豪[8]采用MICP固化粗顆粒鹽漬土，經(jīng)處理后，鹽漬土的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性等能力顯著得到改善。李征[9]將MICP用于改良風(fēng)積沙，改良后的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高36.7%。依據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，MICP用于砂土及粗粒土的改良，針對黃土的研究較少。根據(jù)黃土特有的不良性質(zhì)，本文擬從黃土濕陷性角度出發(fā)，采用MICP改良黃土濕陷性。

基于此，本文采用配置不同濃度的膠結(jié)液，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和濕陷系數(shù)等指標(biāo)分析經(jīng)MICP改良后試樣的變化情況及改良機(jī)理。然后利用CT掃描技術(shù)，從微觀角度分析改良后試樣內(nèi)部變化情況，研究成果可為黃土地區(qū)濕陷性處理提供參考。

1 實 驗

1.1 黃土物理特性

本試驗所用黃土取自甘肅蘭州市境內(nèi)。依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[10]對其基本物理性能指標(biāo)進(jìn)行測定，結(jié)果如表1所示。

表1 黃土的基本物理性能指標(biāo)

1.2 微生物的培養(yǎng)

本試驗所使用的細(xì)菌為巴士芽孢桿菌(sporosarcinapasteurii)，該細(xì)菌具有高活性、好氧、能在復(fù)雜環(huán)境下存活的特性。其自身可以通過新陳代謝產(chǎn)生的產(chǎn)物與鈣離子誘導(dǎo)生成碳酸根沉淀，進(jìn)而填充試樣孔隙。試驗選用YE-NH4液體培養(yǎng)基(巴士芽孢桿菌通用培養(yǎng)基)，培養(yǎng)基配方為酵母20 g、硫酸銨10 g、三羥甲基氨基甲烷15.75 g和尿素30 g。將制作好的培養(yǎng)基置于120 ℃高壓滅菌鍋內(nèi)30 min。待培養(yǎng)基冷卻后，將細(xì)菌和培養(yǎng)基液以1 ∶100的質(zhì)量比接種至培養(yǎng)基，并將培養(yǎng)基置于恒溫震蕩箱(30 ℃)有氧培養(yǎng)24 h。

膠結(jié)液培養(yǎng)基包括尿素(30 g/L)、CaCl2·H2O(73.5 g/L)、NH4Cl(10 g/L)、NaHCO3(2.12 g/L)和營養(yǎng)肉湯(3 g/L),所有樣品均在有氧環(huán)境下用間歇式反應(yīng)器浸入膠結(jié)介質(zhì)中。

1.3 試樣制備

將烘干后的黃土碾碎過2 mm篩，加入不同濃度的菌液。采用拌和法將菌液與黃土充分?jǐn)嚢琛橛^察膠結(jié)液濃度對試驗的影響，按照0.50 mol/L、0.75 mol/L、1.00 mol/L、1.25 mol/L和1.50 mol/L進(jìn)行配制，其中尿素和鈣離子最佳摩爾比為1 ∶1[11]。使用土工布縫制成標(biāo)準(zhǔn)三軸件(38.1 mm×76.2 mm)，如圖1所示。將配制好的土樣裝入縫制好的模具和61.8 mm×20 mm的環(huán)刀中，在溫度為25 ℃，濕度為95%的環(huán)境下進(jìn)行為期7 d的養(yǎng)護(hù)，用于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和濕陷性試驗。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)三軸件模具

1.4 試驗方法

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗所采用儀器為SLB-1型三軸剪切試驗儀，升降速率為2 mm/min，數(shù)據(jù)由計算機(jī)自動記錄。

濕陷性試驗采用南京寧溪土壤儀器公司生產(chǎn)的WG(GDG)高壓固結(jié)儀，按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[10]將土樣上面覆以濾紙和透水石，然后放下加壓導(dǎo)環(huán)和傳壓活塞，使各部密切接觸，保持平衡。預(yù)加1.0 kPa的壓力，使固結(jié)儀各部密切接觸，裝好百分表，并調(diào)整讀數(shù)至零。去掉預(yù)加荷載，接著對試樣分級加壓，荷載順序為12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa,在加上砝碼的同時啟動秒表，按照規(guī)范要求進(jìn)行讀數(shù)，直至達(dá)到穩(wěn)定沉降為止。沉降穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是每小時變形量不超過0.01 mm，而后從試樣頂面加水，水面不應(yīng)超過土樣高度，待再度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，并記錄讀數(shù)。

CT掃描試驗儀器由德國YXLON公司生產(chǎn)，配備了300 kV/500 W的X射線管，最高分辨率為5 μm，有效探測面積為249 mm×302 mm，掃描時平臺自動旋轉(zhuǎn)360°，并由電腦自動采集照片。

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為研究MICP處理后不同膠結(jié)液濃度對黃土強(qiáng)度的影響規(guī)律，將養(yǎng)護(hù)7 d后的土樣拆模后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，經(jīng)MICP處理后的黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，其峰值達(dá)到150 kPa，較未加固黃土無側(cè)限強(qiáng)度提高將近150%。隨著膠結(jié)液濃度不斷增加，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之提高，當(dāng)膠結(jié)液濃度大于1.25 mol/L時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之下降。膠結(jié)液濃度為1.25 mol/L時，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值150 kPa，膠結(jié)液給予微生物良好的生長環(huán)境，誘導(dǎo)碳酸鈣生成量達(dá)到最大，碳酸鈣充分填充黃土內(nèi)部孔隙，增加黃土骨架強(qiáng)度，此濃度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。但當(dāng)膠結(jié)液濃度為1.5 mol/L時，生長環(huán)境不利于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀。主要原因為膠結(jié)液中CaCl2含量過多，會進(jìn)一步抑制脲酶的生成，進(jìn)而阻止碳酸鈣沉淀生成[12]。

圖2 不同膠結(jié)液濃度下黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.2 碳酸鈣生成量

碳酸鈣生成量是評價微生物固化試樣效果的指標(biāo)之一。將無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗破壞后的試樣分別從頂部、中部和底部取樣進(jìn)行測試，取平均值作為碳酸鈣沉淀水平。試樣烘干后稱重，放置在燒杯中，使完全溶解在1 mol/L鹽酸中。用蒸餾水沖洗經(jīng)鹽酸分解后的土樣，并在烘箱烘干后稱重。碳酸鈣生成量取鹽酸溶前后的質(zhì)量差，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同膠結(jié)液濃度碳酸鈣生成量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

通過對碳酸鈣生成量試驗結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著膠結(jié)液濃度不斷增加，碳酸鈣生成量持續(xù)增加，但在膠結(jié)液濃度大于1.25 mol/L時，碳酸鈣生成量呈下降趨勢。同時結(jié)合不同膠結(jié)液濃度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣生成量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值呈正相關(guān)。當(dāng)膠結(jié)濃度為1.25 mol/L時，可以推測碳酸鈣在黃土試樣孔隙內(nèi)部充分填充，部分碳酸鈣與黃土骨架緊密結(jié)合，提高土骨架強(qiáng)度，從而使改良后試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高大于150%。

隨著碳酸鈣不斷生成，顆粒之間的空隙逐漸被碳酸鈣填充，如圖4所示。碳酸鈣包裹細(xì)小顆粒，重新形成較大團(tuán)聚體，同時碳酸鈣也起到橋梁作用，使相鄰顆粒重新膠結(jié)在一起，進(jìn)一步減少黃土試樣內(nèi)部孔隙，改善孔隙結(jié)構(gòu)。隨著越來越多的碳酸鈣不斷依附在顆粒上，土骨架強(qiáng)度提高。當(dāng)黃土遇水時，由于碳酸鈣與顆粒之間的膠結(jié)作用，使土骨架不易破壞，這也是黃土濕陷性降低的原因。

圖4 MICP處理前后微觀示意圖

2.3 濕陷系數(shù)

濕陷性是黃土地區(qū)工程建設(shè)面臨的主要病害之一[13-14]，通常黃土的濕陷性可分為內(nèi)因和外因，內(nèi)因是指黃土自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)為主要因素，外因是指在水和外力作用下。通過對MICP處理后的黃土試樣進(jìn)行濕陷性試驗，可評價微生物固化效果，同時也可以探究膠結(jié)液濃度對黃土濕陷系數(shù)的影響。試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同膠結(jié)液濃度下黃土濕陷系數(shù)

MICP可有效降低黃土濕陷性。膠結(jié)液濃度在0.50～1.25 mol/L時，濕陷系數(shù)隨膠結(jié)液濃度增加而降低。天然狀態(tài)下的黃土含水率多數(shù)較低[15]，土體呈架空結(jié)構(gòu)和垂直節(jié)理發(fā)育，當(dāng)黃土試樣遇水時，水分進(jìn)入土骨架擾動土體結(jié)構(gòu)，因適宜的膠結(jié)液濃度提供微生物良好的生長環(huán)境促使生成更多的碳酸鈣沉淀吸附在黃土顆?？紫吨?，增強(qiáng)黃土顆粒物質(zhì)內(nèi)部力鏈強(qiáng)度，使試樣內(nèi)部骨架得到進(jìn)一步加強(qiáng)，進(jìn)而極大降低水對黃土骨架破壞程度，有效降低黃土濕陷性。當(dāng)膠結(jié)液濃度為1.50 mol/L時，濕陷系數(shù)驟增，其主要原因為較高濃度下的膠結(jié)液不利于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀，碳酸鈣無法進(jìn)一步增強(qiáng)黃土顆粒骨架。

2.4 CT掃描分析

CT掃描作為一種無損檢測技術(shù)，目前被廣泛用于觀察物體內(nèi)部微觀特征，其主要原理是利用X射線對物體進(jìn)行掃描。為了進(jìn)一步探究微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)處理后黃土的微觀特征，利用工業(yè)CT掃描儀對比膠結(jié)液濃度為0 mol/L和1.25 mol/L時的內(nèi)部孔隙特征，并借助AVIZO軟件對掃描后的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化處理。通過AVIZO軟件中interactive thresholding(閥值分割)功能對掃描試樣的孔隙進(jìn)行分離，如圖6所示。閥制分割功能處理后，可直觀黃土試樣孔隙分布位置，其中圖6(a)的深色陰影為試樣內(nèi)部孔隙，圖6(b)深色區(qū)域為閥值分割處理后的圖像。

圖6 黃土原始CT掃描圖像及閥值分割圖像

為更加直接觀察CT掃描后的圖像，將二維圖像轉(zhuǎn)化成三維立體圖像。首先將掃描后的1 007張圖片導(dǎo)入到AVIZO軟件中，然后利用軟件中自帶的volume rendering功能對掃描后膠結(jié)液濃度為0 mol/L和1.25 mol/L的圖像進(jìn)行三維重建并展示孔隙分布圖。由圖7所示，可直接觀察到經(jīng)MICP處理后的黃土孔隙明顯減少，證明碳酸鈣可以有效填充黃土孔隙，且孔隙直徑也得到改善。

圖7 三維黃土孔隙結(jié)構(gòu)模型

2.4.1 孔隙率計算

孔隙率是指黃土中孔隙體積與總體積的百分比，研究孔隙率可進(jìn)一步探究MICP對黃土試樣的改良效果。為方便對比改良前后黃土試樣孔隙的變化，利用AVIZO軟件中foam.thresholded功能計算膠結(jié)液濃度為0 mol/L和1.25 mol/L時試樣Z方向的孔隙率變化。Z方向指與黃土試樣高度平行的方向，計算Z方向的孔隙率可進(jìn)一步探究碳酸鈣填充黃土內(nèi)部程度,計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 Z方向試樣孔隙率趨勢圖

由圖8可知，膠結(jié)液濃度為0 mol/L時，天然黃土孔隙率主要分布在30%～50%，最大孔隙率為51.1%，最小孔隙率為32.4%。在180～700張Z方向剖切面圖像中，孔隙率呈增長趨勢，孔隙率在第700張剖切面達(dá)到最大，在700～1 000張圖像中孔隙率呈降低趨勢，天然黃土孔隙率在Z方向整體波動變化較大。當(dāng)膠結(jié)液濃度為1.25 mol/L時，黃土孔隙率主要分布在27.2%～33.6%，平均孔隙率為30.4%，孔隙率變化較為平滑，無較大波動。由孔隙率變化趨勢圖可表明，經(jīng)MICP處理后的黃土孔隙率明顯減少，孔隙分布較為均勻，土體相對密實，改良后的黃土在Z方向平均孔隙率降低27.1%，最大孔隙率由51.1%降為33.6%，側(cè)面說明微生物生成的碳酸鈣已達(dá)到孔隙填充效果，同時孔隙率分布的均勻性會影響黃土的力學(xué)性能和濕陷性。

2.4.2 孔隙等效直徑計算

大孔隙等效直徑的存在也是誘發(fā)黃土濕陷性原因之一，根據(jù)黃土孔隙等效直徑大小，將黃土孔隙等效直徑定義為微孔隙(0～10 μm)、小孔隙(10～20 μm)、中孔隙(20～70 μm)和大孔隙(>70 μm)。借助AVIZO軟件對孔隙等效直徑進(jìn)行統(tǒng)計，處理結(jié)果如圖9所示。

圖9 孔隙等效直徑占比圖

由圖9可知，膠結(jié)液濃度為0 mol/L時，天然黃土孔隙等效直徑主要分布在20～70 μm，大孔隙次之，這也是黃土固有的特性之一。微孔隙和小孔隙占比較少，主要原因是天然黃土架空孔隙較多，土體呈欠密實狀態(tài)。膠結(jié)液濃度為1.25 mol/L時，微孔隙提高3%，小孔隙提高19%，中孔隙降低11%，大孔隙降低11%。雖然孔隙等效直徑仍主要分布在中孔隙之間，但小孔隙占比提高和大孔隙占比降低，證明MICP可有效降低黃土孔隙等效直徑，碳酸鈣進(jìn)一步填充架空孔隙，與其他粒徑顆粒形成團(tuán)聚體，改變原有孔隙等效直徑，進(jìn)而降低黃土濕陷性。

3 結(jié) 論

(1)微生物適宜在膠結(jié)液濃度為1.25 mol/L時生存，此濃度下的碳酸鈣生成量達(dá)到最大值，且無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也達(dá)到最大，表明MICP用于黃土改良切實可行。

(2)經(jīng)MICP處理后的黃土試樣由強(qiáng)濕陷性改良到弱濕陷性，表明MICP可有效改良黃土濕陷性。

(3)CT掃描結(jié)果表明，改良后的黃土在Z方向平均孔隙率與最大孔隙率均降低，同時使孔隙均勻分布在黃土內(nèi)部，由MICP生成的碳酸鈣晶體可以有效填充黃土體內(nèi)部孔隙。