海水环境下MICP加固珊瑚砂试验

彭 劼,田艳梅,杨建贵

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2.江苏省岩土工程技术工程研究中心,江苏 南京 210098; 3.南京市水务工程建设管理中心,江苏 南京 210017)

珊瑚砂作为一种典型的钙质砂,其碳酸钙含量十分丰富,质量分数高达90%以上,是一种在海洋环境下由珊瑚碎屑和其他海洋生物碎屑沉积形成的特殊砂土,在我国南海海域分布十分广泛。珊瑚砂孔隙比高且单个颗粒内部多含有空隙,颗粒受压易破碎[1-3],工程力学性能不佳。珊瑚砂作为天然地基多见于南海民用和民防工程,若其直接作为地基,则承载力较低,故一般需要处理。相较于污染大、能耗高的传统土体加固方法(如换填法、夯实法、压桩挤密、喷射注浆法、真空预压法等)中使用的化学建材易对环境产生不同程度的影响[4-8],微生物诱导碳酸钙沉积(microbially induced calcite precipitation,MICP)技术无毒无污染,通过析出具有胶结作用的碳酸钙沉淀,填充土颗粒空隙并胶结相邻土颗粒,使松散土体黏结成具有一定强度的固化体[9-11],从而提高土体强度、抗渗、防冻和抗液化等性能;MICP固化技术机理简单,高效快速,能有效避免施工过程中对砂土的扰动;MICP的固化产物为性质稳定的难溶性碳酸盐,对特殊地区土壤的固化和具有特殊加固要求的土体改性具有良好的发展前景[12-13]。

欧益希等[16]首次利用珊瑚砂作为原材料进行微生物固化研究。张楠[14]将菌种在不同温度、pH值、NaCl浓度下培养,通过测定脲酶活性来探讨ATCC11859(巴斯德芽孢杆菌)的最适生长条件,并将该条件下培养的菌液用于珊瑚砂固化试验。随后,更多学者开始从胶结液成分、珊瑚砂性质、环境因素等方面对珊瑚砂微生物固化体工程性质的影响进行研究。李捷[15]研究了不同含水率条件下珊瑚砂固化体力学特性的差异,发现固化体受压后均呈脆性破坏,应力-应变曲线形态类似,主要为应变软化型。欧益希等[16]对不同粒径的珊瑚砂进行了微生物固化对比试验,得到了适用于MICP技术的珊瑚砂最佳粒径范围为0.25～0.5 mm,但其只针对单一粒径的珊瑚砂,不同级配对珊瑚砂固化效果的影响未涉及。李捷等[17]研究了菌液脲酶活性对珊瑚砂微生物固化效果的影响,发现脲酶活性会影响碳酸钙的生成量,且固化的最佳菌液脲酶活性约为1.5 mmol/(L·min)。刘汉龙等[18]通过动三轴和SEM微观结构试验,研究了MICP 胶结钙质砂的动力特性,结果表明MICP胶结作用能显著改善钙质砂的抗液化能力。

鉴于目前在海水环境条件下利用微生物处理珊瑚砂岛礁地基土的研究较少,本文采用尿素水解菌ATCC11859,模拟了海水环境下的MICP水溶液试验,研究了海水环境对微生物诱导生成碳酸钙的影响,然后分别在淡水环境和海水环境下采用浸泡法对珊瑚砂进行加固处理,测定在两种环境下碳酸钙的生成量,最后结合无侧限抗压强度试验,对比分析淡水浸泡和海水浸泡对珊瑚砂加固效果的差异,以期为相关工程设计及研究提供参考。

1 试验材料

1.1 珊瑚砂

试验使用的珊瑚砂采集于南海某岛礁,密度为2.75～2.85 g/cm3,混杂有碎石、贝壳、生物碎屑等杂质。将珊瑚砂洗净,放入80℃的烘箱中烘至完全干燥,取出后进行颗粒分析,颗粒分布曲线见图1。

图1 珊瑚砂试样颗粒分布曲线

1.2 微生物

试验采用尿素水解菌ATCC11859。细菌活化后接种至液体培养基,培养基营养成分为(每500 mL):10 g酵母提取物、5 g NH4Cl、5 mg MnSO4·H2O及12 mg NiCl·6H2O,并用1 mol/L的NaOH 将培养液pH值调节至9.0。培养基在121℃高压蒸汽下消毒30 min,冷却至室温后,将微生物接种到培养基,置于振荡培养箱中培养(振荡频率为180 r/min,温度为30℃),24 h后取出进行吸光度测量和菌液脲酶活性测试。

2 试验方法

2.1 细菌浓度和活性的测定

吸光度采用可见光分光计测量,测量波长为600 nm(OD600),主要用来表征细菌的浓度。菌液脲酶活性测试方法为:室温条件下,将3 mL培养好的待测菌液加入到27 mL尿素溶液中,细菌和尿素的混合液中尿素浓度为1 mol/L,使用电导率仪监测5 min内的电导率变化,从而获得平均每分钟电导率变化值,试验中采用每分钟的电导率变化值来表征菌液的活性。

2.2 MICP水溶液试验

为了研究海水环境对微生物诱导碳酸钙沉积效果的影响,模拟平均盐度为3.5%的海水环境和无盐的淡水环境。室温条件下,将720 mL胶结液(0.5 mol/L氯化钙和1.5 mol/L尿素的混合溶液)和80 ml菌液充分混合,其中模拟海水环境的胶结液中含有35 g/L的氯化钠,将混合液置于磁力搅拌器上使其充分混合并发生反应。在试验过程中定期测定混合液中的游离钙离子浓度以保证钙源充足,若钙离子浓度较低则相应补充氯化钙。待反应完全结束后,测得生成的碳酸钙总质量。

2.3 浸泡法加固珊瑚砂砂柱试验

为了研究海水环境和淡水环境对MICP技术加固珊瑚砂效果的影响,采用MICP浸泡法加固砂柱。将砂样浸泡在两组胶结液中,各取浸泡7 d、8 d和9 d的试样为研究对象。浸泡法的试验模具采用土工布缝制。模具为圆柱形,底面内径4.8 cm,高10 cm。土工布厚度为1.5 mm,单位面积质量为200 g/m2。反应容器为33 cm×28 cm×23 cm的塑料箱,箱内配有0.5 mol/L氯化钙和1.5 mol/L尿素的混合溶液,溶液体积以没过试样并高出1～2 cm为准。浸泡法试验装置如图2(a)所示。固化方法为:①将266.3 g干密度为1.46 g/cm3左右的珊瑚砂采用分层压实法装入模具,试验前砂样在室温条件下自由滤水,静置24 h。②调节蠕动泵以12.15 mL/min的恒定速率给试样缓慢灌入80 mL 浓度为0.05 mol/L的CaCl2固定液,静置5 h,再以同样速率灌入80 mL菌液,让细菌充分吸附在珊瑚砂颗粒上。试验前测定OD600为0.714,5 min电导率变化为0.24 mS/cm。③灌入菌液后静置5 h,将试样放入模拟海水环境和模拟淡水环境的胶结液反应容器中,用气泵连接发泡石,为反应过程中细菌生长繁殖提供氧气。④反应到达7 d、8 d和9 d时,取出试样,用去离子水将珊瑚砂砂柱孔隙间残留的钙离子冲洗干净,静置24 h,随后放入80℃恒温鼓风烘箱中烘干脱模,烘干后试样如图2(b)所示。

图2 浸泡法试验装置示意图及加固后试样

2.4 碳酸钙生成量的测定

微生物诱导碳酸钙的生成量是鉴定固化效果的重要指标,Victoria等[19]认为微生物固化土体后试样内生成的碳酸钙超过60 kg/m3即可显著改善土体的强度。由于珊瑚砂为典型的钙质砂,碳酸钙质量分数超过90%,常规酸洗法会使整个砂柱都溶于稀盐酸,因此将固化后的砂柱质量与固化前的砂柱质量差作为碳酸钙生成量的值。

2.5 无侧限抗压强度试验

松散的珊瑚砂颗粒经MICP技术加固成具有一定强度的固化体,其强度来源主要是微生物诱导生成的碳酸钙与珊瑚砂颗粒胶结而成的结合体。理论上讲,相同试验条件下碳酸钙的生成量与固化体强度正相关。由于砂柱试样是将松散的珊瑚砂颗粒装在全柔性土工布模具中,且试样完全浸泡在胶结液中进行加固,故而取样时,直接将土工布拆除,再用去离子水冲洗干净,静置2 h后放入80℃的烘箱中烘干,对烘干脱模的砂柱进行无侧限抗压强度试验,试件直径4.5 cm,高9.7 cm,加载为应变控制式,以1.5 mm/min的加载速率加载至试样破坏,取峰值应力作为该试样的无侧限抗压强度qu。

3 试验结果分析与讨论

3.1 MICP水溶液试验

图3 反应过程中两组水溶液中碳酸钙生成量

由上述分析可得,海水环境下仍能生成碳酸钙,但是在其他条件相同时,海水环境中生成的碳酸钙质量为24.8 g,明显小于淡水环境中的61.6 g,碳酸钙生成量低了59.74%,即海水环境明显会抑制MICP过程中碳酸钙的最终生成量。

3.2 浸泡法加固珊瑚砂砂柱试验

在前述的浸泡法MICP加固砂柱试验中生成固化砂柱后,分别进行碳酸钙含量测定以及无侧限抗压强度试验。两种环境下生成的碳酸钙如图4所示。

图4 珊瑚砂固化体中生成的碳酸钙

由图4中可以看出,各组试样内生成的碳酸钙均远超60 kg/m3,,随着胶结时间的增加,珊瑚砂试样内生成的碳酸钙也随着增加。7 d时,淡水环境中微生物诱导生成的碳酸钙多于海水环境;8 d和9 d时,淡水环境与海水环境中生成的碳酸钙含量差距进一步增大。分析原因是:海水中的高盐分使微生物细胞膜皱缩,抑制了微生物的生长,且随时间的增加,微生物的活性进一步降低。

各试样无侧限抗压强度值如表1所示,由表1可知:相同浸泡时间下,淡水环境下加固的珊瑚砂试样的无侧限抗压强度高于海水环境下加固的珊瑚砂试样;相同环境下,海水和淡水环境中试样固化后的无侧限抗压强度均随浸泡时间的增长而增大。

表1 各试样无侧限抗压强度 kPa

3.3 讨论

MICP加固本质是通过微生物作用析出具有胶结作用的碳酸钙沉淀,填充土颗粒空隙并胶结相邻土颗粒,使松散土体黏结成具有一定强度的固化体。表2为各试样碳酸钙生成量与无侧限抗压强度的对比,可明显看出:在同一环境下,试样的无侧限抗压强度随碳酸钙生成量的增加而提高,但两者并非呈简单的线性关系,具体原因可能与浸泡法处理后试样中碳酸钙的分布及无侧限抗压强度试验的破坏机理有关。

表2 各试样碳酸钙生成量与抗压强度对比

由表2可知,MICP水溶液试验中,碳酸钙在海水环境下的生成量比淡水环境低;砂柱试验中,碳酸钙在海水环境下的生成量也低于淡水环境,与MICP水溶液试验结论一致。

4 结 论

a. 通过MICP水溶液试验可得,相比淡水环境,海水环境对微生物诱导生成碳酸钙的量有明显的抑制作用。前210 h观测到海水环境中碳酸钙的生成量较少且生成碳酸钙的速度较慢,补充钙源后,淡水环境中的微生物迅速生成碳酸钙而海水环境中的碳酸钙生成量趋于稳定,海水环境中微生物的活性几乎已丧失而淡水环境中的微生物活性较高,试验接近300 h时,淡水环境中钙离子浓度也趋于稳定。

b. 通过砂柱试验可知,相同条件下,海水和淡水环境中试样固化后的无侧限抗压强度和碳酸钙生成量均随胶结时间的增长而增加。试样加固完成后,海水环境中试样的碳酸钙生成量少于淡水环境;海水环境中试样的无侧限抗压强度低于淡水环境,故海水环境会抑制MICP的加固效果,砂柱试验结果与MICP水溶液试验一致。