彭 成,李佳寶,劉宵凌,莫 彪,陳 果,李 超,歐陽以

(南華大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

我國湖南地區(qū)分布著大量的紅砂巖與粉質(zhì)黏土,因此在路堤與土石壩施工中,考慮成本、工期等問題,通常會就近采用紅砂巖堆石料進(jìn)行填筑[1-3]。紅砂巖主要呈現(xiàn)粒狀碎屑結(jié)構(gòu)體和泥狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)體,其強(qiáng)度差異大,開挖出來后,與外界環(huán)境相互作用下,具有遇水軟化、崩解和擴(kuò)容膨脹等不良工程性質(zhì)[4]。湖南處于亞熱帶,常年雨熱同期,這就使得紅砂巖堆石料在工程填筑中力學(xué)性質(zhì)更加不穩(wěn)定,公路施工后的路基變形問題與土石壩開裂問題屢見不鮮[5-6]。紅砂巖堆石料在工程中常見的改良方法有預(yù)崩解、化學(xué)改良、物理改良等[7-11],在一定程度上改善了紅砂巖堆石料的力學(xué)性能,取得了一定的成果。

近年來,不同學(xué)科間的合作與融合在科學(xué)研究中起到了巨大的作用,隨著微生物學(xué)、巖土工程、地球化學(xué)等學(xué)科的不斷融合發(fā)展,微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)(microbial induced calcite precipitation,MICP)開始逐步應(yīng)用于巖土改良領(lǐng)域[12],因其技術(shù)機(jī)理簡單、效率高、易掌控且對環(huán)境友好等特點(diǎn),深受眾多學(xué)者青睞[13],利用微生物技術(shù)進(jìn)行砂土表面固化處理,在砂土表面形成一層很薄的硬殼,可以有效控制環(huán)境塵土的飛揚(yáng)和風(fēng)沙土流動,起到防風(fēng)固沙、土壤降塵的作用[14-15];P.Xiao等[16-17]利用MICP技術(shù)處理沙土,發(fā)現(xiàn)MICP技術(shù)可以改變松砂的液化機(jī)理,有效提高砂土抗液化性能;也有學(xué)者利用MICP技術(shù)加固巖土材料改良特殊土,發(fā)現(xiàn)MICP技術(shù)可以有效提高土體的工程性質(zhì),降低土體的滲透性與分散度,增加土體的強(qiáng)度[18-21]。

本文擬將MICP應(yīng)用于紅砂巖堆石料填筑工程的性能改良,開展MICP改良后不同碎石含量堆石料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),測定碳酸鈣結(jié)晶含量,電鏡掃描試驗(yàn)(SEM)分析試樣微觀結(jié)構(gòu)變化及微生物作用機(jī)理,對紅砂巖堆石料填筑工程具有重要意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 菌液與培養(yǎng)基

試驗(yàn)選用的細(xì)菌為巴氏芽孢八疊球菌(Sporosarcinapasteurii,ATCC11859),購自北京生物菌種保藏中心。該菌的產(chǎn)酶效率高,脲酶活性高,對環(huán)境要求不高,在MICP技術(shù)研究中廣泛應(yīng)用。主要通過自身的代謝活動產(chǎn)生脲酶,促進(jìn)尿素水解產(chǎn)生碳酸根離子,再加入無水氯化鈣作為鈣源,就可以產(chǎn)生碳酸鈣結(jié)晶。試驗(yàn)所用培養(yǎng)基為YE-NH4液體培養(yǎng)基,將培養(yǎng)基配制完成后,為防止雜菌混入影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,應(yīng)將其置于高壓滅菌鍋內(nèi),在121 ℃下高溫蒸汽滅菌30 min。按照巴氏芽孢八疊球菌最佳培養(yǎng)條件[22],以體積比1∶100的比例將細(xì)菌接種至液體培養(yǎng)基,利用恒溫震蕩培養(yǎng)箱在30 ℃和180 r/min的環(huán)境下培養(yǎng)48 h。圖1為恒溫培養(yǎng)48 h的巴氏芽孢桿菌,培養(yǎng)成功的細(xì)菌呈渾濁的黃色液體,靠近可以聞到刺鼻的氨氣氣味,在顯微鏡下可觀察到運(yùn)動的桿狀細(xì)菌。培養(yǎng)基成分:酵母提取物20.0 g,硫酸銨10.0 g,Tris-緩沖液15.7 g,蒸餾水1 000 mL。

圖1 恒溫培養(yǎng)48 h的巴氏芽孢桿菌

1.2 膠結(jié)液

(1)

(2)

1.3 試樣制備

1.3.1 土樣獲取與縮尺處理

為探究不同含石量下堆石料的變形特性與力學(xué)性能,將不同粒徑紅砂巖與粉質(zhì)黏土混合制成不同含石量的堆石料。試驗(yàn)所用原始紅砂巖堆石料取自衡陽一處道路施工場地,該路段地處山區(qū),地表高差明顯,地質(zhì)構(gòu)造形式為單斜構(gòu)造巖層,經(jīng)初步檢驗(yàn),土石方的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 原始土樣基本物理性質(zhì)

圖2 原始土樣與縮尺土樣的顆粒級配曲線

1.3.2 礦化前的土樣處理

考慮到紅砂巖顆粒本身含有一定量的雜質(zhì),影響后續(xù)MICP礦化試驗(yàn),試驗(yàn)前將紅砂巖顆粒先用0.1 mol/L的NaOH溶液浸泡12 h,清洗后再用0.1 mol/L的HCI溶液浸泡12 h,最后用去離子水清洗干凈至pH值為7;為防止雜菌混入影響試驗(yàn)結(jié)果,將紅砂巖顆粒121 ℃高溫烘干12 h至質(zhì)量恒定后待用。

試驗(yàn)所用粉質(zhì)黏土2.5 mm過篩,121 ℃高溫烘殺12 h后備用。紅黏土主要性能指標(biāo)見表2。

表2 粉質(zhì)黏土主要的性能指標(biāo)

1.3.3 紅砂巖堆石料試樣制備

對烘干土樣進(jìn)行重塑處理,配置不同含石量(50%、60%、70%)的試樣,在重塑過程中采用噴灑拌合的方式,以1∶1的體積比例摻入巴氏芽孢桿菌菌液和膠結(jié)液,按照18%含水率將混合反應(yīng)液噴灑到土樣中,拌合均勻后制成標(biāo)準(zhǔn)試樣(Φ=39.1 mm,H=80 mm)作為微生物礦化試樣B組。依照上述方法,同時(shí)制備只摻入蒸餾水18%的A組試樣作為對照。

2 試驗(yàn)方案與步驟

考慮巴氏芽孢八疊球菌生長存活周期與加入鈣源的量,將重塑B組MICP處理的土樣密封包裹好放置在恒溫箱中,在28 ℃的恒溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)1、3、6、10和15 d;A組只加蒸餾水的土樣在相同條件下養(yǎng)護(hù)6 d。對2組土樣分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),具體的試驗(yàn)方案見表3。

表3 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)分組

通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對比不同土樣的力學(xué)性能,分析微生物對土樣力學(xué)性能的影響以及養(yǎng)護(hù)時(shí)間與土樣力學(xué)性能的關(guān)系;測定不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下試樣產(chǎn)生的碳酸鈣含量,分析土樣抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣含量的關(guān)系;觀察試樣養(yǎng)護(hù)前后的外觀變化并結(jié)合掃描電鏡分析其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

抗壓強(qiáng)度指標(biāo)是工程應(yīng)用當(dāng)中重要的指標(biāo)之一,研究中使用TSZ全自動三軸儀對試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)過程中的剪切速率為0.8 mm/min,對不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下的試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn),并與養(yǎng)護(hù)6 d的對照組A組(圖3中第0天)對比分析,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 B組試樣在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下抗壓強(qiáng)度

取應(yīng)力應(yīng)變曲線中峰值應(yīng)力為峰值強(qiáng)度,峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)槠茐膽?yīng)變進(jìn)行分析。試驗(yàn)可知,不同含石量的試樣在微生物的影響下抗壓強(qiáng)度變化趨勢基本一致,在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下,微生物改良堆石料的抗壓強(qiáng)度峰值變化基本一致。含石量相同時(shí),微生物處理后養(yǎng)護(hù)1 d的試樣與對照土樣相比,試樣強(qiáng)度略低,原因可能是A組土在經(jīng)過6 d的自然固結(jié),土體內(nèi)部性質(zhì)相對穩(wěn)定,抗壓強(qiáng)度略高。對于不同含石量的試樣,含石量越大,改良效果越明顯,恒溫養(yǎng)護(hù)15 d后,含石量50%的試樣強(qiáng)度增大79%,含石量60%的試樣強(qiáng)度增大118%,含石量70%的試樣強(qiáng)度增172%,說明在含石量50%～70%范圍內(nèi),MICP對于含石量越高的試樣改良效果越好。原因可能是土樣含石量越大,顆粒不均勻系數(shù)增加,裂隙增多,更有利于細(xì)菌遷移,產(chǎn)生的碳酸鈣不輕易造成堵塞,為細(xì)菌的繁殖提供了更好的條件,更有利于在顆粒間中生成更多更均勻的碳酸鈣沉淀,提高了土樣的抗壓性能。

分析MICP處理后的土樣在養(yǎng)護(hù)各階段抗壓強(qiáng)度增幅(見圖4),可以發(fā)現(xiàn)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間推移,峰值強(qiáng)度逐漸增高。在第1天后試樣進(jìn)入強(qiáng)度增長期,第3天到6天強(qiáng)度增幅最大,第6天后強(qiáng)度增速漸緩,第10天試樣進(jìn)入強(qiáng)度穩(wěn)定期,之后抗壓強(qiáng)度只有略微增長。養(yǎng)護(hù)15 d后的試樣抗壓強(qiáng)度提升最大,但是養(yǎng)護(hù)10 d之后土樣強(qiáng)度提升有限,考慮固化效率,養(yǎng)護(hù)最佳時(shí)間為10 d。

圖4 B組試樣在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下抗壓強(qiáng)度增長率

在養(yǎng)護(hù)初期,由于含石量少的試樣黏性土含量多,黏土含量高的試樣中土顆粒間的黏結(jié)作用較大,使得試樣在初期能夠承受更大的壓力,導(dǎo)致含石量小的試樣抗壓強(qiáng)度略高。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的推移,含石量大的試樣由于可以更好地為細(xì)菌繁殖提供條件,產(chǎn)生更多的碳酸鈣,填充了顆粒間孔隙,使得顆粒間的由黏結(jié)作用轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕}膠結(jié)作用,土樣內(nèi)部力學(xué)性能更加穩(wěn)定,抗壓強(qiáng)度變化更加明顯。

圖5為MICP處理后的60%含石量試樣在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的應(yīng)力應(yīng)變圖。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間推移,堆石料抗壓強(qiáng)度逐漸增大,試樣峰值強(qiáng)度對應(yīng)的軸向應(yīng)變也隨之增大,土樣在經(jīng)過MICP處理后的試樣顯示出了更大的脆性。說明堆石料經(jīng)過礦化作用,析出碳酸鈣結(jié)晶,強(qiáng)度得到增長的同時(shí)也增大了土樣的脆性。

圖5 B組60%含石量不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的應(yīng)力應(yīng)變圖

3.2 碳酸鈣含量分析

通過微生物礦化作用產(chǎn)生碳酸鈣,加強(qiáng)土體顆粒間的黏結(jié),從而增強(qiáng)土的力學(xué)性能,因此土體中碳酸鈣含量是反映微生物礦化效果的重要指標(biāo)。測定不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的碳酸鈣含量,確定試樣的產(chǎn)鈣數(shù)量、速率以及微生物的反應(yīng)周期;分析碳酸鈣含量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,利用碳酸鈣含量表征MICP礦化效果。

圖6為不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下試樣中碳酸鈣含量變化曲線。試樣第1天產(chǎn)生碳酸鈣的量較少,第1天之后試樣進(jìn)入產(chǎn)鈣高速期,第3天到第6天產(chǎn)生碳酸鈣的量最多,第6天后產(chǎn)鈣速度逐漸放緩,第10天以后曲線趨于平緩,說明10 d以后微生物礦化反應(yīng)基本結(jié)束,試樣中不再產(chǎn)生碳酸鈣。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下試樣中碳酸鈣含量變化

結(jié)合試樣的抗壓強(qiáng)度曲線,可知土樣抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣的生成量與成正比關(guān)系,養(yǎng)護(hù)第3天到第6天產(chǎn)生的碳酸鈣最多,同樣試樣在第3天到第6天的抗壓強(qiáng)度提升最大;養(yǎng)護(hù)10 d過后試樣礦化反應(yīng)基本完成,不在產(chǎn)生碳酸鈣,抗壓強(qiáng)度也趨于穩(wěn)定,因此土體中碳酸鈣含量直接影響試樣的抗壓強(qiáng)度。碳酸鈣含量越多,土體顆粒間膠結(jié)效果越好,土的抗壓強(qiáng)度自然就越大。

含石量越高的試樣中產(chǎn)生的碳酸鈣含量越多,試樣抗壓強(qiáng)度越高,原因是含石量高的試樣能夠?yàn)榧?xì)菌繁殖提供更好的條件,進(jìn)一步印證了碳酸鈣是試樣強(qiáng)度增大的主要因素。結(jié)合試樣中碳酸鈣含量與抗壓強(qiáng)度變化,可知微生物改良紅砂巖堆石料效果顯著,值得進(jìn)一步深入研究。

3.3 試樣的表觀與微觀分析

觀察試樣經(jīng)微生物處理前后的表觀變化,分析試樣表面的產(chǎn)鈣情況。通過電鏡掃描試驗(yàn)(SEM)對不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試樣微觀變化進(jìn)行分析,包括生成物的數(shù)量、分布、形狀、顆粒間的膠結(jié)狀況以及微生物作用機(jī)理。表觀與微觀分析相結(jié)合,對MICP改良紅砂巖堆石料的礦化效果做出評價(jià)。

圖7為微生物處理前后的試樣表觀變化,未經(jīng)微生物處理的試樣表面并無改變,觀察經(jīng)微生物處理的試樣,可明顯看到試樣表面不均勻地分布著白色霜狀的粉末,是由于微生物通過礦化作用在試樣表面析出了碳酸鈣結(jié)晶,可見微生物對試樣的產(chǎn)鈣效果顯著。

圖7 MICP處理前后的試樣

將60%含石量的A組養(yǎng)護(hù)6 d和B組恒溫養(yǎng)護(hù)3 d、6 d、10 d的試樣在掃描電鏡下觀察,分析微生物礦化作用對試樣微觀結(jié)構(gòu)的影響(見圖8)。

從圖8(a)來看,未經(jīng)過礦化作用的A組試樣土體顆?？紫堕g無明顯充填物質(zhì),存在大量開放性孔隙,結(jié)構(gòu)較為松散,顆粒彼此間連接并不緊密。而圖8(b)經(jīng)微生物礦化處理的土樣養(yǎng)護(hù)3 d后土顆粒分布相比于圖8(a)略為緊密,孔隙中間膠結(jié)了少量的白色晶體;隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間推移,圖8(c)、圖8(d)中可以更加清楚的看到土體表面及顆粒間形成大量白色晶體,大小、形態(tài)多不規(guī)則,觀察孔隙填充部分,土體顆粒間明顯存在顆粒狀充填物,這些充填物分布在土體的大、小孔隙中,細(xì)菌通過礦化作用生成的碳酸鈣填充了顆粒間的孔隙。這些碳酸鈣在土體中產(chǎn)生較好的膠結(jié),增強(qiáng)了土體內(nèi)部的穩(wěn)定性,使土體具備更為良好的力學(xué)性質(zhì)。

圖8 60%含石量試樣電鏡掃描

圖8(e)與圖8(f)分別是為微生物處理養(yǎng)護(hù)10 d的土樣放大4 000倍與8 000倍的電鏡照片,可以更加清楚地看到生成物的形狀以及孔隙填充情況?？捎^察到生成的晶體形狀不規(guī)則,多為鱗片狀,少部分團(tuán)聚零星分布,可判斷為碳酸鈣晶體。顆粒表面生成的晶體較少,且多為團(tuán)聚零星分布,顆?？紫堕g產(chǎn)生的晶體較多,多為片狀,大量的結(jié)晶充分填充了顆粒間的孔隙,使試樣變得更密實(shí),在顆粒間形成較好的膠結(jié),增強(qiáng)了土體的力學(xué)性質(zhì)。

圖8(g)與圖8(h)分別是微生物礦化處理前后的紅砂巖粗顆粒照片,圖8(h)由土樣掃描電鏡圖看出石頭表面有大量是白色的片狀聚集物,而圖8(g)未經(jīng)細(xì)菌處理的石頭表面較為光滑。表明細(xì)菌處理后粗顆粒表面產(chǎn)生了大量的碳酸鈣結(jié)晶,在石頭與土顆粒、石頭與石頭顆粒形成更好的膠結(jié)作用,增強(qiáng)土體的力學(xué)性能。

4 結(jié) 論

以紅砂巖堆石料為研究對象,將MICP應(yīng)用于紅砂巖堆石料填筑工程,通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、測定碳酸鈣結(jié)晶含量試驗(yàn)及電鏡掃描試驗(yàn)(SEM),對MICP改良紅砂巖堆石料的礦化效果做出評價(jià),得到以下主要結(jié)論:

1)將MICP應(yīng)用到紅砂巖堆石料性能改良中,利用無側(cè)限抗壓試驗(yàn)評價(jià)其改良效果,分析表明微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀改良紅砂巖堆石料力學(xué)性能效果顯著,且養(yǎng)護(hù)最佳時(shí)間為10 d,生成碳酸鈣結(jié)晶較好填充了試樣孔隙,提高土體的抗壓性能。

2)用碳酸鈣含量來表征改良效果,含石量越高的試樣生成的碳酸鈣含量越多,試樣的抗壓強(qiáng)度越大,改良效果越好。結(jié)果表明,在碎石含量一定范圍內(nèi),粗顆粒含量越高,微生物活動產(chǎn)生的碳酸鈣越多,改良效果越好。

3)對試樣表觀與微觀分析,表明MICP作用于紅砂巖堆石料產(chǎn)鈣效果可觀,碳酸鈣主要產(chǎn)生在顆?？紫堕g與粗顆粒上,增強(qiáng)了土顆粒間膠結(jié),從而增強(qiáng)土體的力學(xué)性能。