微生物诱导碳酸钙加固砂土的尺寸效应

温智力, 杨建贵, 马昌龙, 彭 劼*

(1. 河海大学 a. 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室; b. 江苏省岩土工程技术工程研究中心, 南京 210098;2. 南京市水务工程建设管理中心, 南京 210017; 3. 南京市公共工程建设中心, 南京 210002)

土体加固一直是岩土工程的重要研究方向, 传统的加固方法有真空预压、化学灌浆等, 但这些方法普遍存在工期长、环境污染等问题, 而MICP(microbial induced calcite precipitation)技术因其节能环保、加固时间短等优点[1-2], 在土壤加固、结构修复、重金属治理等方面得到了广泛的研究[3], 如温度对MICP的影响[4]、注浆方式[5]和配方的设计[6]、三轴试验下的应力应变行为[7]以及MICP的数值模拟[8]等．尽管MICP技术有了很大进展,但将该技术运用于实际工程中仍存在较多问题．目前已有学者对MICP加固原理和大规模土体加固效果进行了研究, 何稼等[9]从微生物岩土的原理角度出发,详细介绍了微生物的矿化作用、产气过程以及环境影响,并对微生物岩土技术的实际应用提出建议; Li[10]提出运用引流灌浆的方法加固河砂,发现采用分阶段多次加入菌液及胶结液时,加固的效果比单点灌浆明显提高, 为MICP的大规模应用提供了依据．依据引流灌浆的思想, van Paassen等[11]对100 m3砂基进行加固试验,循环灌注12 d后,砂样呈现为沿着流线方向的胶结体,其中碳酸钙的质量分数达0.8 %～2.4 %,剪切波速平均为300 m·s-1,无侧限抗压强度为0.7～12.4 MPa, 但由于灌浆方式是一维的, 使加固效果不均匀; Nassar等[12]通过试验和数值模拟,测试了MICP在受控条件下的行为预测能力, 并且准确地模拟了碳酸钙不均匀沉淀的整个过程．总之, 目前对MICP加固的尺寸效应的研究尚不充分是制约该技术在实际工程中应用的因素之一．本文拟通过不同尺寸条件下MICP加固砂土的模型槽试验, 研究试验的加固效果和碳酸钙的生成量, 探讨MICP在不同尺寸条件下的加固机理,为该技术的实际应用提供一定的依据．

1 试验

1.1 主要仪器

本文共有2套试验装置(下文简称为A组和B组), 除模型槽大小及注浆点数量不同外,其他均一致．具体装置及试样分块编号如图1所示,其中A组模型槽尺寸为170 mm×50 mm×50 mm,B组为170 mm×150 mm×50 mm．

1.2 砂样制备

试验用砂为福建标准砂, 其主要成分为二氧化硅．砂样的级配曲线如图2所示, 2组试验的基本物理性质指标如表1所示．

表1 标准砂基本物理性质指标

将砂样倒入模型槽之前,先在模型槽内部贴上PET膜, 砂样高度均为120 mm,砂样上下两端分别垫入10 mm厚的砂垫层(所选颗粒大小比砂样颗粒略大即可)．实验前须将2个模型槽内的砂样在同等条件下浸水润湿, 并静置12 h后进行注浆试验．

1.3 MICP微生物及试验前准备

本试验采用的菌种为好氧的巴氏芽孢杆菌,它能通过自身的新陈代谢产生大量的高活性脲酶．试验中将1 mL待测菌液加入到9 mL 尿素中, 并通过测定5 min内溶液电导率的变化值来表示细菌的活性(即细菌水解尿素的能力)．试验中所用的胶结液主要是氯化钙和尿素,为细菌生成碳酸钙提供钙源、碳源和营养物质．胶结液配方如表2所示．

表2 胶结液配方

1.4 注浆过程

本试验采用分步注浆法, 注浆过程均采用蠕动泵注浆,注浆速度约为3 mL·min-1．第一次注浆时先将菌液加入到砂样中静置1 h, 目的是使菌液在砂样孔隙中扩散并附着于颗粒表面,然后再注入胶结液, 注入完成后静置5 h, 进行第二次注浆,注浆方式与第一次相同．之后每天注浆3次,持续4 d, 合计注入12次,其中每次注入的菌液和胶结液体积约为0.45倍砂土孔隙体积,且每次灌浆的菌液体积与胶结液体积均相同．A组每次注浆为50 mL, B组为143 mL, 保证砂样单位体积内的菌液及胶结液量基本相同．

1.5 测试项目

在试验结束后,需要对固化砂样的无侧限抗压强度、碳酸钙含量和渗透系数进行测定,并判断加固效果．同时, 通过扫描电镜(SEM)对试样进行观测,分析碳酸钙的生成及分布情况,从而判断尺寸效应的影响．在进行无侧限抗压试验之前,需要将2组固化后的试样分块,烘干．

2 试验结果

2.1 无侧限抗压强度

图3为各个试块的无侧限抗压强度．从图3可以看出, 经过微生物加固的试样,上部无侧限强度可达122.8～294.7 kPa, 平均强度为193.2 kPa;而下部试样的强度为61.2～137.4 kPa,下部试块的平均强度为88.4 kPa, 上部约为下部的2.35倍,试样上部的加固效果明显优于下部．对比2组试样,A组上部平均强度为161.5 kPa,下部平均值为82.1 kPa;B组上部平均强度为203.8 kPa, 较A组增加了26.2%,下部平均强度为90.5 kPa, 是A组的110.2%,其中8-1和8-2试块强度均较高．B组的无侧限抗压强度总体大于A组,且上部加固效果更好,其主要原因为:当胶结液灌入时,先在试样上部反应生成碳酸钙晶体,余下的胶结液在重力作用下流经下部,故试样下部生成的碳酸钙含量也随之减少;同时,随着灌浆的进行,在砂样上部产生的碳酸钙逐渐增多,会堵塞颗粒间的孔隙,使流入下部的有效渗透路径数量减少,不利于碳酸钙的产生,胶结不充分,所以试样上部强度高于下部．而3-1, 8-1和8-2试块的强度较大, 其原因可能与这3组试块与模型槽内壁接触,菌液胶结液易在边缘集结,并沿内部流动至下方, 因此生成的CaCO3较多,强度较大．

2.2 碳酸钙含量

将经过无侧限抗压试验的砂样分为4部分, 分别距离试样顶部1.5,4.5,7.5,10.5 cm(下文简称为1、2、3、4号区域), 测定其碳酸钙含量(w(CaCO3)=m(CaCO3)/m(砂样)), 图4为CaCO3含量的对比图．从图4可以看出,A组下部CaCO3含量基本相同, 平均为4.7%;上部CaCO3平均含量为6.2%, 但上部分布不均匀,特别是2号区域内CaCO3含量明显高于1号区域, 这可能与A组内部有效渗透路径被堵塞,液体缺乏渗流路径, 无法充分流入试样下方, 造成CaCO3在2号区域内堆积．与A组相似, B组上部CaCO3平均含量为7.3%,下部为5.8%,但下部并未出现A组2号区域CaCO3含量偏高的现象, 反而4号区域略高．出现这种情况, 可能是B组有效渗透路径较多, 菌液和胶结液能更好地到达试样下方, 且B组中位于模型槽两侧的3-1,3-2和8-1, 8-2试块CaCO3含量比其他组略高, 这主要是由于菌液在到达边界时被阻挡,并产生大量CaCO3,导致液体无法继续渗透,使得边缘处CaCO3含量偏高．对比2组试验, B组CaCO3含量明显偏高, 而在均匀性方面, A组数据的方差为2.655, B组为1.238．比较数据与方差的大小可知, B组的数据均匀性明显优于A组．这些数据说明试件的尺寸效应对最终加固效果有影响, 特别是在CaCO3含量和均匀性方面影响较大,尺寸较大的试件中CaCO3生成量更高,试样整体均匀性更好．对比CaCO3含量和试样的无侧限抗压强度,可以发现两者之间存在一定联系, CaCO3含量较多的试样,其抗压强度也较大．

2.3 渗透系数

本文采用变水头渗透试验测定砂样的渗透系数, 其中B组试样切割成与A组试样相同尺寸的试块后进行试验,并取平均值进行比较．试验结果显示,A组的初始渗透系数为2.17×10-2cm·s-1, 试验结束后变为1.65×10-4cm·s-1, 减小了两个数量级; 而B组试样也由2.26×10-2cm·s-1减小至9.60×10-5cm·s-1, 渗透系数降低更为明显．从渗透系数的变化可以得到, 这2组试样的初始渗透系数基本相同,但在加固之后试样的渗透系数均有显著下降,且在试验过程后期, 浆液的流出速度明显减小,这表明砂样孔隙中确实生成了CaCO3, 并造成渗透路径的部分堵塞．

综上所述,并结合无侧限抗压强度和CaCO3含量的数据, 说明模型槽尺寸的增加有助于提高MICP的加固效果,使其产生更多的CaCO3, 从而造成了渗透系数上的显著差异．

2.4 SEM图

从B组砂样的3-1、3-2、4-1和4-2试块内取出部分试样进行分析, 其SEM图像如图5所示．从图5可以发现, 砂粒表面分布着不同大小的碳酸钙晶体,说明位于孔隙中的细菌反应生成了碳酸钙结晶,且随着结晶的积累, 碳酸钙晶体逐渐变为团状,并覆盖于砂颗粒的表面．对比4张SEM图,并结合无侧限抗压强度可以发现,强度高的砂样,颗粒表面的碳酸钙生成量也较多(如图5(a)(c)); 而强度较低的砂样,颗粒表面晶体偏少(如图5(b)(d)), 表明CaCO3生成量越多,使得颗粒间胶结得越牢固,砂粒结合得越紧密,则砂样整体的强度越高．

3 机理分析

MICP试验须使微生物到达砂样内部尽可能多的区域,从而提高砂样胶结的整体性和均匀性．但在实际操作过程中, 加固后砂样内部不同区域的CaCO3含量及强度会有一定差异, 表现出不均匀性, 这可能与砂样内部有效渗透路径的数量有关．

结合数据及以上分析, 本试验中A组试样加固效果较差, 可能原因是其尺寸较小,有效渗透路径较少．当菌液和胶结液在到达模型槽的边界后,随即被阻挡,并在边界处产生大量CaCO3, 无法继续渗透;同时,菌液和胶结液在流动过程中,会造成部分路径堵塞,减少了有效渗透路径的数量,导致缺少渗透路径抵达或者只有少量渗透路径通过的区域反应不完全,而菌液和胶结液能充分流经的区域则反应完全,强度较高, 由此造成A组砂样加固效果较差,内部存在不均匀性, 如图6(a)所示．而对于宽度方向较大且具有多个注浆点的B组而言,相同区块内的有效渗透路径数量相似,且同样存在渗透路径被堵塞的情况,但由于其宽度方向上连接为整体,相邻区块的有效路径叠加,一些原本菌液和胶结液无法流经的路径(即无效渗透路径)也将有菌液、胶结液流经,成为有效路径,由此增加了砂样内部的有效渗透路径数量,使得原本被模型槽壁所阻挡的液体,能达到以前无法到达的区域,在更广的范围内作用如图6(b)所示, 这也解释了为何B组砂样内部的CaCO3含量相对均匀,整体加固效果更优的现象．

综上所述, 尺寸效应确实能影响CaCO3的生成和分布情况, 原因在于相邻区块之间渗透路径的叠加,增加了有效渗透路径的数量,使得细菌和胶结液能流经原本无法到达或只有少量CaCO3生成的地区,从而达到提高CaCO3含量,增强砂样胶结整体性和均匀性的目的．