基于新型单相MICP技术改性黏性土力学特性的试验研究*

张 宽 唐朝生 刘 博 张天生 程 青 施 斌

(南京大学地球科学与工程学院， 南京 210023， 中国)

0 引 言

近年来，微生物诱导碳酸钙沉积(Microbially Induced Carbonate Precipitation， MICP)技术作为一种新型的土体加固技术，由于其施工简单、生态效益良好等特点，受到业界的广泛关注(Dejong et al.，2013)。目前，MICP的方式主要有尿素水解型、三价铁还原型、硫酸盐还原型和反硝化作用型等。其中，尿素水解型效率较高，对环境影响较小，反应过程容易控制，故作为主流的碳酸钙生物矿化技术被广泛研究(程晓辉等， 2015； 钱春香等， 2015)。该技术的主要原理是利用一种自然土壤中富含的嗜碱性细菌——巴氏芽孢八叠球菌(SporosarcinaPasteurii)产生脲酶将尿素快速水解产生氨与二氧化碳(Benini et al.，1999)(式(1)， 式(2))，氨使得溶液pH上升(式(3))。在碱性环境下二氧化碳以碳酸根离子形态为主(式(4))。由于细菌表面有负电荷，会不断吸附溶液中的钙离子，使其聚集在表面(Jiang et al.，2017)。在碱性环境下钙离子与碳酸根离子结合生成碳酸钙晶体(Dejong et al.，2006)(式5)，从而达到对土颗粒进行胶结的目的。

当前MICP技术主要应用于渗透性较好的砂、砾石等粗粒土进行加固处理(Chu et al.，2013； 程晓辉等， 2013； 何稼等， 2016； 刘汉龙等， 2016； 刘璐等， 2016)。这主要是因为微生物的细胞直径在0.5～3.0iμm，不能在尺寸过小的孔隙内迁移(Mitchell et al.，2005)。在细粒土方面，也有不少国内外学者做过尝试。如邵光辉等(2019)利用MICP技术对于粉土进行了灌浆处理； Cardoso et al. (2018)利用该技术处理了砂与高岭土混合物。而对于自然界常见的黏性土，关于MICP的改性研究较为少见。

事实上，黏性土是许多工程问题的主体，也是研究的难题。如我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，很多水土流失问题都与黏性土退化有关(雷廷武等， 2010)。加之近年来，受人类频繁的工程活动影响，人为坡面数量激增，尤其是黏性土边坡的水土流失问题不容忽视(何静等， 2013)。防治黏性土边坡水土流失的关键在于提高坡面土体的抗侵蚀性，传统的坡面侵蚀调控方法有植物(植树种草)(田卫堂等， 2008)、材料(高分子化合物等)(于健等， 2011； 裴向军等， 2016)和工程(格构梁、护面墙等)措施等。然而这些传统措施在坡面面积较小、分布离散和土质差异较大的情况下表现出较大的局限性，难以同时满足时效、环保和低成本的要求，有必要寻求新型的侵蚀调控措施。考虑到MICP技术的生态、便利和即时性特点，本文提出采用该技术对黏性土进行表层改性处理，通过微生物固化提高表层土体的力学性质，从而改善坡面抗侵蚀能力，达到坡面防护的目的。

为了提升细菌胶结土体的效果，国内外学者对MICP的具体工艺进行了许多研究。Whiffin et al. (2007)提出了两相胶结的工艺，即先往土体中加注菌液，再加注胶结液(尿素和氯化钙混合溶液)。这种工艺的优势在于能够有效防止注浆端口菌液与胶结液接触后快速絮凝。在此工艺之上，有学者做了改进，即在加注菌液和加注胶结液之间间隔一段时间(6ih左右)，使得菌液能够充分入渗，均匀分布于土体中，防止在注浆口形成过多的CaCO3晶体，堵塞注浆口(Shahrokhi-Shahraki et al.，2015)。这些两相胶结的方法在很长一段时间内被广泛应用，并被认为能够保证胶结的均匀性。另外，Harkes et al. (2010)还提出过三相胶结的工艺，在加注菌液和胶结液之间加注固定液，用于进一步提升细菌在土体中的分布的均匀性。事实上，这些多相胶结的工艺实际操作较为繁琐，而且菌液与胶结液之间相互作用的机制相对复杂。更关键的是，将菌液与胶结液分批加入，不能够保证两者在土体中均匀混合及提升土体胶结的均匀性。尤其是对于孔隙较小的黏性土，多相胶结的工艺将使菌液与胶结液在接触面上快速反应生成CaCO3，堵塞孔隙，阻碍下一轮菌液入渗。因此，有必要对以往工艺进行优化，比如将多相胶结合理地转化为单相胶结，即利用单次加注混合液的方式对土体进行改性，这样不仅可以简化试验步骤，更可以提升MICP对黏性土胶结的均匀性。

为此，本文以南京地区常见的下蜀黏土为研究对象，对前述新型单相MICP改性技术的可行性开展针对性研究。王媛等(2010)通过试验表明，下蜀黏土在20i℃，干密度为1.5ig·cm-3时，饱和渗透系数为0.9×10-5cm·s-1。下蜀黏土在表层(0～5imm)大于0.4iμm的孔隙体积占比高于70%，即便是300imm深处，大于0.4iμm 的孔隙体积占比也达66.7%，理论上不影响菌液在土体浅表层的入渗。此外，本文尝试利用贯入阻力来评价MICP的改性效果，对比分析不同胶结工艺和胶结液浓度对MICP改性效果的影响，以期为加固地表黏性土寻求一种新的微生物方法。

1 试验材料

1.1 试验用土

本试验采用南京地区的下蜀黏土作为改性对象，该土广泛分布于长江中下游地区，其主要物理性质参数如表 1所示。下蜀黏土的原生矿物成分主要是长石和石英，黏土矿物主要成分为伊利石和蒙脱石。

表 1 下蜀土的基本物理性质指标Table 1 Physical properties of Xiashu soil

1.2 细菌及培养基

本试验选用巴氏芽孢八叠球菌，购自美国菌种保藏中心，编号为ATCC11859。该细菌为化能异养型革兰氏阳性菌。由于其分泌的脲酶活性强，目前在岩土工程领域应用广泛。菌种利用平板涂布保存在4i℃冰箱内，定期活化保持其活性(赵茜， 2014)。本试验所用培养基(250imL)配方为Tris Base 3.9ig， Yeast Extract 5.0ig，(NH4)2SO4,2.5ig。

取多轮活化后的菌液(OD600约为1.2)，用移液枪接种到250imL培养基中，接种量为10imL。利用恒温摇床培养箱在30i℃和150irpm条件下对细菌培养24ih，然后利用分光光度计测得菌液的OD600(单位OD600值对应每毫升约8.6×107个细菌)值约为1.￣2。细菌浓度对土体的胶结效果起决定性作用。脲酶活性是细菌水解尿素能力的体现，影响着细菌胶结土体的效果。本试验中，将1.5imL菌液与13.￣5imLi1.￣6iM的尿素溶液混合，利用电导率仪在室温条件下监测5imin内溶液的电导率变化，得到平均每分钟电导率变化值(mS·min-1)。然后根据Whiffin et al. (2004)得到的经验数值， 1imS·min-1电导率变化换算为11imM urea·min-1的尿素水解量，最后乘以菌液稀释倍数10，得到原菌液每分钟水解尿素量，以此表征脲酶活性。测得本试验中所用菌液的脲酶活性约为3.1imM urea·min-1。

图 1 试验流程Fig. 1 Schematic drawing of test procedure

1.3 胶结液

胶结液主要是为细菌生成CaCO3晶体提供尿素和钙源(CaCl2)，同时加入营养物(Nutrient Broth)帮助细菌生长繁殖。CaCl2和尿素的摩尔浓度比为1︰1，Nutrient Broth浓度始终保持不变。本试验中所用胶结液浓度分别为0.￣2iM、0.￣5iM和1.￣0iM，分别对应不同溶质浓度。以1.￣0iM为例，具体配方(1.￣0 L胶结液)为CaCl2111.￣0ig， CO(NH2)260.￣0 g， Nutrient Broth 3.￣0ig。

2 试验方法

2.1 试样制备

本试验全过程如图 1所示。首先将原状下蜀土风干碾碎，过2imm筛，称取750.0ig的风干土(初始含水率为3.7%)，分层填入圆柱形模具(内径10.0icm，高8.0icm)中，土样最终高度为6icm，干密度为1.5ig·cm-3。模具底部打孔用于排水，同时垫双层纱布以防土颗粒流出。按照设定的不同胶结液浓度与胶结工艺给试样编号。加水饱和试样，然后使其自然风干，重复5轮，模拟自然界干湿循环，目的是使土样的初始结构状态接近于自然表土。许多研究表明，室内制备的重塑土样一般经历3～5 次干湿循环后其变形及力学特性基本能够达到相对稳定的状态(徐丹等， 2018； 巩学鹏等， 2019)。根据上述操作，本次试验一共制备了7个试样。

2.2 化学转化率

为了探究不同pH条件对细菌产生CaCO3晶体效率的影响，本文利用胶结液与菌液混合，在液体环境中研究pH对MICP反应过程化学转化率的影响。此处的化学转化率是指转化为CaCO3沉淀的Ca2+的量与反应前溶液中原有Ca2+的量之比。试验中分别利用不同浓度(0.￣5iM、 1.￣0iM和2.￣0iM)的胶结液与不同pH(pH=8.￣5、 pH=5.￣0、 pH=4.￣0和pH=3.￣0)的菌液混合，静置24ih后离心、过滤，将沉淀物洗涤、烘干。通过生成CaCO3晶体的质量换算化学转化率。

2.3 胶结土样

在试验之前，分别配置菌液与不同浓度的胶结液(0.￣2iM、0.￣5iM和1.￣0iM)。7个试样被分为4组(A、B、C和D)，均采用单相胶结工艺(D组除外)，具体试验方案见表 2。

表 2 胶结方案Table 2 Scheme for cementation

其中A1、B1和C1采用传统单相胶结工艺，即将未调节pH的菌液(pH=8.￣5)与胶结液直接混合。A2、B2和C2采用新型单相胶结工艺，即利用1.￣0iM的HCl溶液将菌液的pH降低至5.￣0后再与胶结液混合。D组直接用等量的纯水进行处理，主要用于参照对比。溶液混合后迅速喷洒至试样表面，任其自然下渗。每个试样喷洒处理时间为10～15imin，试样处理前均为非饱和状态，喷洒处理过程中试样表面始终不形成积液。

试验中发现，pH=8.5的菌液与胶结液混合后在容器中迅速产生白色絮凝(图 2a)，而将pH调整到5.0的菌液与胶结液混合后即使放置30imin也没有明显变化(图 2b)，说明新型单相胶结工艺能够延迟MICP的生化反应时间。Cheng et al. (2018)在研究中指出，这种絮凝现象通常随着pH升高而趋于显著，以至堵塞砂土孔隙。为了防止表层黏性土孔隙过快被堵塞，提高胶结深度，本次研究采用的胶结方案中单次试剂用量较少(混合液共60imL)，而处理轮数较多，共进行12轮MICP改性处理(图 1)。每一轮喷洒相应液体后任其自然下渗，并静置一周，在室温条件下自然风干。

图 2 不同条件的混合液对比Fig. 2 Comparison of mixed liquids in different situations

2.4 贯入试验

为了定量反映MICP的改性效果，本文采用南京大学施斌等(2005)自主研发的超微型贯入仪SMP-1[专利号：ZL200410041127.4]对土样进行贯入试验(图 3)，由探针在贯入土体过程的端头阻力反映土体结构强度。超微型贯入仪由控制箱、水平定位台、托盘、探针、位移传感器、荷载传感器和数据采集仪等部件组成。试验中土样置于托盘上方，控制箱中装有无级变速马达，它通过竖直螺杆推动上方水平定位机构匀速上升或下降。荷载传感器与探针相连，可以测量探针在贯入土体时所受阻力。位移传感器与竖直立杆相连，传感器针头垂直接触于托盘，可以测量土样上升或下降的位移。

图 3 超微型贯入仪的组成Fig. 3 Buildup of SMP-1isuper mini-penetrometer

图 4 贯入过程示意图Fig. 4 Schematic drawing of penetration process

从第4轮胶结试验开始，每两轮胶结试验结束后，对试样进行贯入试验。在贯入之前，利用模具底部开孔使水由下而上渗透，将试样饱和。然后，分组进行贯入试验，每个试样选取不同的点(间隔2icm以上)进行3轮贯入试验，每次贯入深度为20imm，然后对结果取平均值，以降低误差，最终绘制贯入曲线(平均贯入端应力-贯入深度)。

2.5 碳酸钙含量测定

利用不锈钢对开管(内径8.0imm)对土体进行取样，将取得圆柱形土样按照深度每隔1icm分为一段。本实验中对于A、B和C土样分别取表层以下0～1icm、1～2icm和2～3icm段的土样进行碳酸钙含量测定，分析不同胶结液浓度和胶结工艺对土体剖面碳酸钙含量的影响。采用的方法为差重法：首先用去离子水洗涤土样(3遍)，烘干称重(m1)； 然后用过量1.￣0iM的盐酸溶解土中的碳酸钙，过滤； 最后，再用去离子水洗涤土样(3遍)，烘干称重(m2)。所求碳酸钙含量(CaCO3%)可按式(6)计算。实际由微生物参与化学反应生成的碳酸钙含量应为改性土与素土(含有少量碳酸盐，按碳酸钙计算)的碳酸钙含量之差。

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3 结果与讨论

3.1 pH对化学转化率的影响

表 3 pH和胶结液浓度对化学转化率的影响Table 3 Effect of pH and cementation solution concentration on chemical conversion rate

Cheng et al. (2018)通过试验说明了降低pH为MICP过程制造“窗口期”的可行性，并分析了其中的机理。主要原因是酸性环境抑制了脲酶活性，而随着尿素水解反应的进行，溶液中的pH逐渐回升，导致CaCO3沉淀逐渐生成，因此适当调节溶液的pH值能够在保证充足的化学转化率前提下延缓MICP反应的进行。此外，适当降低pH的方法还有助于抑制生物膜的形成，使细菌在土体中均匀扩散。另一方面，Ca2+浓度不宜过高。随着Ca2+浓度升高，溶液化学转化率会明显下降，这是由于过高浓度的胶结液会抑制微生物的活性(Whiffin et al.，2004)。

综上所述，利用降低pH的方法进行菌液与胶结液直接混合的单相胶结工艺理论是可行的。基于以上试验研究，在应用单相胶结工艺进行土体改性试验之前，宜将菌液的初始pH调节至5.0左右，胶结液浓度上限定为1.0iM为宜，能够保证化学反应效率(表 3)，且避免试剂的浪费。观察发现，pH=5.0的菌液与1.0iM的胶结液混合后1.5ih左右，液体中开始出现明显的白色絮凝物(图 5)。这说明该配方能够为细菌提供足够时间的“窗口期”，满足菌液充分进入土体的需要。在此过程中，由于微生物参与的化学反应产生氨，孔隙液pH逐渐回升，逐步恢复了脲酶的活性，同时满足形成CaCO3晶体的需要。

图 5 不同初始pH混合液随时间变化图Fig. 5 Photos of mixed liquids of different initial pH varying with time

3.2 胶结液浓度与胶结工艺对胶结效果的影响

图 6 土样贯入应力曲线(12轮胶结后)Fig. 6 The relationship between penetration stress and penetration depth for soil

A1和B1试样的结构强度几乎没有提高，原因是菌液与胶结液直接混合后，快速反应生成絮凝状的CaCO3晶体，未能在土颗粒间形成有效胶结，甚至会堵塞土体孔隙，降低MICP处理效果。而C1试样由于胶结液浓度较高，反应试剂充足，虽然在混合后就立刻开始反应，但仍有相当剂量的混合液进入土体后在颗粒间生成CaCO3晶体，形成有效胶结，对提高土体结构强度起促进作用。

试样A2和B2在结构强度上虽有显著提升，但相比于试样C2，提升比例较小。在酸性条件下，CO2的存在形式主要是H2CO3(部分CO2逸出)，不能满足生成CaCO3的要求。此时，大量的尿素水解反应(产氨)用于中和pH。“窗口期”结束后，由于A2和B2钙离子浓度相对较低，尿素浓度又相对不足，无法充分进行MICP反应而生成一定规模的碳酸钙晶体胶结土颗粒。而对于试样C2，“窗口期”结束后，细菌充分进入土层中，尿素水解使pH上升，较高的钙离子浓度和剩余的尿素浓度仍然支持充分进行MICP反应，在土颗粒间形成CaCO3晶体，形成有效胶结。

许多研究表明，胶结液中离子浓度对CaCO3晶体的形态和胶结方式有显著影响。具体表现为，低浓度Ca2+环境下，CaCO3晶体较小，产量较低，空间分布较为均匀，无团聚现象； 高浓度Ca2+环境下，CaCO3晶体较大，产量较高，空间分布不均匀(随机分布)，而且存在团聚体(Cui et al.，2017)。Qabany et al. (2013)研究发现，过高浓度Ca2+的本身也会抑制脲酶的活性。但Ca2+浓度在合理范围之内(不大于0.5M)应该尽量提高，以增加CaCO3的产量(Okwadha et al.，2010)，同时增加颗粒连接点处CaCO3晶体的大小和数量，形成有效胶结(Ng et al.，2013)。赵茜(2014)通过试验表明，一定范围内(小于1.6imol·L-1)增大尿素浓度可以提高脲酶活性。本试验中， 1.0iM浓度的胶结液(与等量菌液混合后实际浓度为0.5iM)胶结效果最好，符合理论预期。

图 7 土样表面照片Fig. 7 Surface of Xiashu soil samples

3.3 胶结轮数对胶结效果的影响

选取20imm深度范围内的平均贯入端应力作为评价某一轮土体胶结效果的参数，可以发现土体的结构强度均随着胶结轮数的增加而提升。如图 8所示，对比第6轮和第12轮胶结后土体的平均贯入端应力可知，新型单相胶结工艺处理的试样A2、B2和C2，在后期的胶结过程中(第6轮之后)的平均贯入端应力表现出较高的提升，幅度分别为99%、172%和135%。而直接混合菌液与胶结液的传统单相胶结工艺处理的试样A1、B1和C1在后期胶结过程中结构强度提升不明显。其中，试样A1和B1的结构强度始终没有与素土D表现出较大差别，C1的第12轮平均贯入端应力也只比第6轮提升了17%。

图 8 胶结轮数与平均贯入端应力的关系Fig. 8 The relationship between cementation times and average penetration stress

综合分析以上结果，新型单相胶结工艺处理的试样A2、B2和C2随着胶结轮数的增加表现出较为均匀、稳定的结构强度提升。这是由于酸化处理的菌液与胶结液混合后存在“窗口期”，能够满足菌液充分入渗土体的要求。每一轮的菌液在土体中固定后，MICP胶结反应才逐渐开始。随着胶结轮数的增加，生成于黏性土颗粒之间的CaCO3晶体的大小和数量稳定提升，使得土颗粒连接强度提高，进而表现为平均贯入端应力的提高。而对于试样A1和B1，它们利用的传统单相胶结工艺会使MICP反应直接在溶液混合过程中进行，对提高土体结构强度贡献有限(如3.2中所述)。对于试样C1，MICP反应在溶液混合过程中和土体中均有发生，但溶液中生成的CaCO3晶体会在喷洒过程中积聚于土体表层形成硬化壳，堵塞黏性土表面孔隙，阻碍后期胶结并制约胶结深度(图 6和图7)。

3.4 碳酸钙含量与力学性质的关系

一般情况下，碳酸钙含量越高土体的力学性质越好。但两者之间并不是简单的线性关系，因为土体的力学性质还与CaCO3晶体在孔隙中的空间分布及其在土颗粒间的胶结模式有关(Dejong et al.，2010； 方祥位等， 2015； 崔明娟等， 2017； 孙潇昊等， 2017)。尽管如此，碳酸钙含量依然被学界广泛用于反映MICP改性效果和影响深度重要参考指标。从图 9中可以看出，A、B和C 3组试样中碳酸钙含量总体上随着深度增加而减小，这与黏性土的低渗透性有关。结合图 8和图9，在多轮处理后，虽然A、B和C 3组试样在0～2icm内总体碳酸钙产量上相差不大，但是平均贯入端应力差别巨大，尤其是C组试样的力学性质改善非常明显，这说明一定范围内较高浓度的胶结液能够促进有效胶结。试样A2较之A1以及试样B2较之B1在0～2icm内碳酸钙含量均只是略有提升(不超过4%)，但0～2icm内平均贯入端应力均提升显著(两倍以上)，这说明预先降低pH的方法也能够促进有效胶结。此外，酸化处理的单相胶结工艺能够总体上增加土体深表层(1～2icm和2～3icm段)的碳酸钙产量，这间接反映了该工艺对于提升土体胶结深度和均匀性有重要作用。

图 9 不同深度处碳酸钙含量对比(12轮胶结后)Fig. 9 Calcite content for different depths

4 结 论

针对多相MICP技术在处理黏性土方面的局限性，本文采用了一种通过降低菌液初始pH的新型单相胶结工艺，围绕该工艺处理黏性土的效果及关键影响因素开展一系列试验研究，并同传统单相工艺进行了对比分析，得到以下主要结论：

(1)单相MICP技术能够用于表层黏性土的改性处理，对提高黏性土的力学性质有较好的效果。同传统单相胶结工艺相比，本文采用的通过调节菌液初始pH的新型单相胶结工艺在提高黏性土结构强度和固化深度方面有明显优势。

(2)通过事先降低菌液的pH，能够抑制菌液与胶结液混合时发生即时生化反应而生产絮凝作用，为MICP的有效胶结提供可控的窗口期。基于本文研究结果，pH不宜小于4，否则强酸环境会对CaCO3的化学转化率产生严重负面影响，而pH过高则会缩短窗口期，实际操作过程中可根据需要进行优化调节。

(3)胶结液的浓度对单相MICP技术的处理效果有重要影响。在不高于1.0iM的胶结液浓度范围内，MICP对黏性土的处理效果随胶结液浓度的增加而提升，但过高的浓度会抑制细菌的活性，降低CaCO3的化学转化率。

(4)超微型贯入仪为定量评价MICP处理黏性土的力学特性提供了良好的手段，它操作简便，能在较小扰动条件下客观反映MICP处理过程中黏性土结构强度的时空演化规律。

本文将新型单相MICP技术应用于黏性土改性，通过室内试验，初步表明该方法能显著提高黏性土的力学特性，工艺简单，为我国水土流失防治及西部地区防风固沙提供了新思路。然而，目前相关研究仍处于探索阶段，今后有必要在处理工艺和效果评价等方面继续深入研究，同时强化改性机制和影响因素的分析，为该技术的实际应用奠定基础。