王恒星 繆林昌 孫瀟昊 吳林玉 范廣才

(東南大學交通學院, 南京 210096)

當前,針對生物礦化的研究和試驗多在常溫下開展.然而,實際應用中存在較高的溫度環(huán)境.例如夏季沙漠地區(qū)的地表溫度往往能達到50～60 ℃[17],中國新疆吐魯番地區(qū)的地表溫度甚至超過70 ℃,一些采油、采區(qū)、溫泉等地區(qū)的溫度也較高.利用生物礦化技術在不同溫度尤其是高溫環(huán)境下實現(xiàn)對土體的改良,對生物礦化技術來說是一個巨大的突破.此外,較高溫度容易影響大多數(shù)細菌的活動,導致其難以存活.與細菌相比,EICP中的脲酶對溫度變化具有更好的適應能力[18].

鑒于此,本文采用 EICP 技術,從大豆粉中粗提取脲酶并配置出不同質量分數(shù)的脲酶溶液,研究溫度環(huán)境對脲酶耐受性以及碳酸鈣轉換率的影響,分析EICP技術在高溫環(huán)境中加固砂土的效果.此外,還研究了低pH-單相灌注法對EICP固砂效果的影響,為EICP技術在不同溫度環(huán)境中的應用和推廣提供了指導.

1 試驗

1.1 植物脲酶的提取

本文選取干大豆粉過100目的篩網(wǎng),并將50 g大豆粉溶于500 mL水中.將大豆溶液放入溫度為4 ℃冰箱中靜置24 h.靜置后放入離心機中,以3 000 r/min的速度離心15 min,取上清液即為植物脲酶粗提取液(脲酶溶液)[13].通過加水將脲酶粗提取液稀釋,配置出質量分數(shù)為25%、50%、75%、100%的脲酶溶液.

1.2 脲酶的熱穩(wěn)定性測試

脲酶活性一般可以由單位時間內的尿素水解量來表示.參考文獻[16],尿素水解量與電導率的關系為1 mS/min = 11.11 mmol/(L·min),因此可以利用測量溶液電導率的變化來表征脲酶活性.測量脲酶活性時,取3 mL脲酶溶液和27 mL的尿素溶液混合,測試10 min內電導率的變化速率[13],得到單位時間電導率的變化量,將其換算成單位時間尿素水解量,并乘以脲酶溶液稀釋倍數(shù)10,即為脲酶溶液的活性.

研究植物脲酶的熱穩(wěn)定性時,將脲酶溶液置于不同溫度的水浴中加熱.取不同加熱時間的脲酶溶液進行脲酶活性測試試驗,觀察24 h內不同溫度下脲酶活性的變化情況.

1.3 鈣化試驗

膠凝液是含有尿素和醋酸鈣的溶液.根據(jù)文獻[19],當膠凝液濃度大于0.5 mol/L且小于1 mol/L,尿素和鈣離子的摩爾質量比為1.5∶1時,鈣離子利用率達到較高水平.為保證碳酸鈣的生成量以及轉化效率,膠凝液中尿素濃度為1 mol/L,鈣離子濃度為0.67 mol/L.取35 mL脲酶溶液和35 mL膠凝液于離心管中混合,置于不同溫度的水浴中進行反應.控制不同的反應時間,將離心管中物質過濾,并用去離子水沖洗后放入烘箱烘干,利用酸洗法[13]測試試樣中碳酸鈣的生成量.

1.4 砂柱試樣

1.4.1 砂柱制作

將試驗用砂在烘箱中烘干,砂土粒徑如圖1所示.通過測量,PVC管外徑為5 cm,內徑為4.6 cm,砂土在PVC管中的密度為1.58 g/cm3,砂柱高度為10 cm.采用分層壓實的方法將砂土裝入PVC管中,為防止灌注時砂土進入,在橡膠管砂土兩端覆一層紗布,并塞上橡膠塞.橡膠塞中部帶孔,以保證可隨意控制砂柱內部膠結液的保留和排出.每個試驗條件下制作3個平行試樣.

圖1 砂顆粒級配

為提高效率,采用脲酶溶液和膠凝液混合的一相灌注法對砂柱進行加固.灌注前將試樣置于相應溫度的水浴中進行預熱.為保證砂柱中的孔隙充滿溶液,灌注時取35 mL脲酶溶液和35 mL膠凝液混合,以4 mL/min的速度由砂柱底部灌入.灌注結束后反應24 h,將試樣內部廢液排出再進行下一次灌注.如此循環(huán)往復,每個砂柱灌注6次.固砂完成后,向試樣內部灌注去離子水進行清洗,并將試樣放入烘箱內烘干并拆模,測量砂柱試樣的波速、無側限抗壓強度以及碳酸鈣質量分數(shù),探究固砂效果.

1.4.2 超聲波測試

利用超聲波檢測儀(上海恩迪公司,I-RPT型)測量烘干后試樣上、中、下3個部分的聲時值.超聲波在各測點位置沿試樣直徑傳播.

1.4.3 無側限抗壓強度測試

對試樣進行軸向加載,測試設備為應變控制UCS儀(南京土壤儀器廠有限公司,YSH-2型),加載速率控制為1 mm/min.記錄試樣破壞時的最大軸向應力,得到無側限抗壓強度.

1.4.4 碳酸鈣質量分數(shù)測試

利用酸洗法[13]測量砂柱試樣中碳酸鈣質量分數(shù).取砂柱樣本質量m1,將取出的樣本塊溶于濃度為2 mol/L的稀鹽酸溶液中,充分浸泡至無氣泡產生,再用去離子水沖洗后置于烘箱烘干,稱量試樣質量為m2,損失質量m1-m2即為碳酸鈣的質量.碳酸鈣質量分數(shù)的計算公式為

(1)

2 溫度對EICP技術的影響

2.1 脲酶活性試驗

為研究不同溫度對植物脲酶活性的影響,將不同質量分數(shù)的植物脲酶溶液置于25～85 ℃的水浴環(huán)境中進行加熱,測試不同加熱時間下的脲酶活性.測試結果見圖2.

(a) w(脲酶)=25%

由圖2可知,隨著脲酶質量分數(shù)的增大,脲酶活性逐漸增加.究其原因在于,脲酶質量分數(shù)增大時,溶液中尿素與脲酶接觸的幾率增大,水解反應速率增加.由此說明,通過調節(jié)脲酶的質量分數(shù),可以控制尿素的水解速率.

當脲酶在溫度為25～45 ℃的環(huán)境中加熱24 h時,脲酶活性沒有明顯變化,均趨于一個穩(wěn)定值.隨著溫度的升高,脲酶活性逐漸提高,說明脲酶保持著較好的熱穩(wěn)定性.當溫度為55～85 ℃時,脲酶活性隨加熱時間的延長而逐漸下降；加熱時間越長,下降幅度越大；加熱溫度越高,下降趨勢越明顯,下降速度越快.由此說明,較高的溫度會導致脲酶活性逐漸喪失.究其原因在于,植物脲酶的本質是蛋白質,其空間結構會在高溫環(huán)境中發(fā)生改變,進而對其活性造成不可逆破壞.溫度越高,植物脲酶越容易被破壞,脲酶活性失效時間越短.

雖然高溫環(huán)境對脲酶活性具有影響,但當環(huán)境溫度高于55 ℃時,脲酶活性的喪失需要經歷一定的時間,這期間脲酶依然能夠催化尿素水解,為高溫環(huán)境下的EICP技術奠定了基礎.75和85 ℃下脲酶活性失活較快,且絕大多數(shù)工程環(huán)境溫度不高于65 ℃,因此,本文選擇如下3個典型的溫度環(huán)境進行研究：常溫環(huán)境25 ℃、未失活高溫環(huán)境45 ℃和失活高溫環(huán)境65 ℃.

2.2 鈣化試驗

EICP技術的核心是生成具有膠結性的碳酸鈣,碳酸鈣的生成量決定著最終的固砂效果.理論上,充分反應后生成的碳酸鈣質量為2.345 g.利用實測碳酸鈣質量除以2.345 g,便可得到溶液中碳酸鈣的轉換率.

2.2.1 不同溫度、脲酶質量分數(shù)下的碳酸鈣生成速率

不同溫度T下,脲酶質量分數(shù)對碳酸鈣轉換率的影響曲線見圖3.由圖可知,T=25,45,65 ℃時碳酸鈣轉化速率均隨脲酶質量分數(shù)的增加而增大.這是因為脲酶質量分數(shù)的增大會提升溶液脲酶活性,導致碳酸鈣的轉化速率加快.結合圖2可知,當溫度低于55 ℃時,脲酶的熱穩(wěn)定性較好,可保持穩(wěn)定的活性.w(脲酶)=25%的試樣在42 h時的碳酸鈣轉換率為86%,并沒有達到最高水平；這是因為T=25 ℃且脲酶質量分數(shù)較低時,脲酶活性較低,EICP反應速率較慢,碳酸鈣轉換率較低.當脲酶質量分數(shù)增加或溫度升高至45 ℃時,脲酶活性升高,反應速率加快,測試期間尿素完全水解,導致碳酸鈣轉換率較大,接近100%.對于T=65 ℃,w(脲酶)=25%的試樣,10～24 h碳酸鈣轉化速率緩慢,且24 h時的碳酸鈣轉換率為77%,未達到最高水平.當溫度高于55 ℃時,脲酶活性不斷下降,65 ℃的脲酶活性在10 h已降至較低水平,此時尿素水解反應逐漸停止,不再生成碳酸鈣,因此碳酸鈣的最終產量降低.而對于w(脲酶)=50%,75%,100%的試樣,碳酸鈣轉換率均能達到較高水平；這是因為增大脲酶質量分數(shù)后EICP的反應速率加快,在脲酶活性還未降至較低水平前已完成反應.

(a) T=25 ℃

由此可知,溫度和脲酶質量分數(shù)對碳酸鈣轉化速率均有較大影響,提高脲酶活性對EICP技術的推廣應用具有積極作用.溫度較低時,提高EICP的反應速率可以提高工作效率；溫度較高時,提高脲酶質量分數(shù)可以彌補脲酶高溫失活導致的碳酸鈣產量較低的問題,進而實現(xiàn)高溫環(huán)境下的固砂.

2.2.2 低pH環(huán)境下的碳酸鈣生成速率

雖然提升脲酶質量分數(shù)有利于高溫下EICP技術的應用,但脲酶活性較高時,快速生成的沉淀容易造成灌注端和蠕動泵的阻塞[20],導致固砂效果不均勻,影響EICP技術的固砂效果.為優(yōu)化EICP的固砂效果,還應解決灌注期易阻塞的問題.Cheng等[21]發(fā)現(xiàn)降低溶液初始pH值可以延緩碳酸鈣沉淀產生的時間,這對解決灌注期間的易阻塞問題具有重要意義.鈣化試驗中,T=65 ℃,w(脲酶)=100%,溶液未調整pH值為7.83,通過添加稀鹽酸調整溶液pH=2,3,4,5,6.試驗結果見表1和圖4.

表1 不同pH值對碳酸鈣轉換率的影響

圖4 不同pH值對碳酸鈣轉換率的影響

3 砂柱試驗

3.1 溫度、脲酶質量分數(shù)對固砂效果的影響

為研究不同脲酶質量分數(shù)、溫度對固砂效果的影響,進行固砂試驗.試驗中,T=25,45,65 ℃,w(脲酶)=25%,50%,75%,100%.

3.1.1 聲時值

超聲波的傳播速度會受到介質的影響.當介質越密實、孔隙越小時,傳播速度越快,聲時值也越小.采用EICP技術可以生成具有填充性的碳酸鈣,沉積在砂顆粒的孔隙中,進而增加砂柱的密實性.因此,可以利用聲時值來反應砂柱不同位置的密實性,評價砂柱的均勻性.砂柱的聲時值結果見表2.

表2 pH=7.83時砂柱聲時值

由表2可知,T=25 ℃時,w(脲酶)=25%的試樣聲時值較高；w(脲酶)=50%時聲時值明顯下降,此時砂柱上、中、下部的聲時值差異較小,砂柱均勻性較好；w(脲酶)=75%,100%時砂柱上、中、下部的聲時值差異較為明顯.究其原因在于,T=25 ℃時,w(脲酶)=25%的試樣脲酶活性較低,碳酸鈣的生成速率較慢,24 h時產生的碳酸鈣較少,砂柱內的孔隙較多,故聲時值較大；當脲酶質量分數(shù)增大至50%時,碳酸鈣的生成速率加快,增大了砂柱的密實度,導致聲時值減小；隨著脲酶質量分數(shù)進一步增大,碳酸鈣的生成速率進一步加快,在灌注階段容易生成較多的碳酸鈣,堆積在灌注口(砂柱下部),影響后續(xù)溶液的灌入,最終導致砂柱的密實性不均勻.T=45 ℃,w(脲酶)=25%的試樣脲酶活性與T=25 ℃時w(脲酶)=50%的試樣相近,試樣加固較為均勻.當脲酶質量分數(shù)進一步增大后反應速率加快,砂柱出現(xiàn)了固砂不均勻的現(xiàn)象.

T=65 ℃時,w(脲酶)=25%的砂柱聲時值較大.究其原因在于,高溫環(huán)境下脲酶活性不斷減小,會影響最終的碳酸鈣生成量,導致砂柱整體的密實性較差.此外,T=65 ℃的試驗組試樣加固均勻性較差,這可能是因為此時脲酶的初始活性較高,在反應初期會產生較多的碳酸鈣,易造成灌注端阻塞,從而導致固砂效果均勻性較差.結合圖2和表2可知,當脲酶活性高于10 mmol/(L·min)時,砂柱易發(fā)生不均勻的現(xiàn)象.

3.1.2 無側限抗壓強度和碳酸鈣質量分數(shù)

砂柱中碳酸鈣的質量分數(shù)與砂柱的無側限抗壓強度具有較大的相關性[19].根據(jù)圖5可知,T=25 ℃,w(脲酶)=25%試樣和T=65 ℃,w(脲酶)=25%試樣中的碳酸鈣質量分數(shù)較少,故砂柱無側限抗壓強度較低.其中,前者是由于溫度和脲酶質量分數(shù)均較低,EICP的反應速率較慢,導致24 h內生成的碳酸鈣較少；而后者則是由于較高的溫度影響了脲酶的活性,在尿素還未完全水解時脲酶已失活,導致碳酸鈣質量分數(shù)較少.除上述2組試樣外,其余試樣的碳酸鈣質量分數(shù)均較高.結合表1發(fā)現(xiàn),砂柱均勻性越差,砂柱的碳酸鈣質量分數(shù)越低,無側限抗壓強度也越小.這是因為當脲酶活性高于10 mmol/(L·min)時,灌注階段產生較多的

(a) 無側限抗壓強度

碳酸鈣,易在灌注口堆積,影響砂柱上部的加固效果.進行無側限抗壓強度測試時,加固效果較差的上部更容易發(fā)生破壞(見圖6(a)).

圖6 T=65 ℃,w(脲酶)=50%時砂柱試樣破壞照片

綜上所述,在不同溫度下利用EICP技術進行固砂時,需要考慮脲酶活性.T=25 ℃,w(脲酶)=50%試樣和T=45 ℃,w(脲酶)=25%試樣的固砂效果均較好；而T=65 ℃時脲酶質量分數(shù)應高于25%.雖然在高溫環(huán)境下增大脲酶質量分數(shù)有利于產生充足的碳酸鈣,但同時也會使EICP初期的碳酸鈣生成速率過快,導致固砂效果不均勻,從而影響砂柱的整體強度.因此,需要進一步研究溶液pH值對固砂效果的影響.

3.2 低pH值環(huán)境的固砂效果

調整EICP溶液的初始pH值為4,按照3.1節(jié)中固砂條件進行固砂試驗,并對比pH調整前后試樣的固砂效果.

表3 pH=4時砂柱聲時值

(a) 無側限抗壓強度

除上述4組試樣外,pH=4時其他試樣的無側限抗壓強度均明顯增大.砂柱破壞時均存在豎向貫穿砂柱的裂縫,砂柱多呈整體破壞(見圖6(b)).結合表1和表2可知,pH=4時試樣內部的碳酸鈣分布更加均勻,砂柱的整體性較好,進行無側限抗壓強度試驗時不易發(fā)生局部破壞.由此說明,EICP加固后試樣的均勻性對無側限抗壓強度具有較大的影響,相同情況下試樣固化越均勻,無側限抗壓強度越高.因此,當脲酶活性高于10 mmol/(L·min)時,調整溶液pH為4可以明顯改善砂柱的均勻性,優(yōu)化EICP的固砂效果.

綜上所述,利用EICP技術進行固砂的過程中,當溫度低于55 ℃時,可控制脲酶的質量分數(shù),以獲得最佳的固砂效果；當溫度高于55 ℃時,可采用增大脲酶質量分數(shù)并降低pH值的方法實現(xiàn)最佳的固化效果.

4 結論

1) 研究了不同溫度下植物脲酶的活性,發(fā)現(xiàn)脲酶活性會受到溫度的影響.當溫度高于55 ℃時,脲酶逐漸失活,且失活時間隨著溫度的升高而不斷減小.不同溫度下提高脲酶活性可以加快EICP的反應速率,提高工作效率,彌補脲酶在高溫環(huán)境下失活導致的碳酸鈣產量較低的問題.

2) 砂柱的無側限抗壓強度與其內部碳酸鈣質量分數(shù)及分布有關.當脲酶溶液活性低于10 mmol/(L·min)時,砂柱中碳酸鈣分布均勻,砂柱的固化效果越好.當脲酶活性高于10 mmol/(L·min)時,砂柱固化效果不均勻,從而影響砂柱的無側限抗壓強度.

3) 低pH環(huán)境有利于減少EICP反應初期的碳酸鈣生成量,緩解砂土固化時灌注端易封堵的問題,改善砂柱固化的均勻性,提高砂柱的固化效果.pH=4時固砂效果最佳.

4) 不同溫度下優(yōu)化EICP固砂效果時,對于T=25,45 ℃的試驗,應適當降低EICP脲酶質量分數(shù).對于T=65 ℃的試驗,應提高脲酶質量分數(shù)并調整溶液pH值為4.