MICP技术改性膨胀土试验研究

2021-05-18张家铭孙狂飙

长江科学院院报 2021年5期

余梦，张家铭，周杨，孙狂飙

(1.中国地质大学(武汉) 地质探测与评估教育部重点实验室，武汉 430074； 2.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074； 3.安徽省交通控股集团有限公司，合肥 230088)

1 研究背景

膨胀土是一种主要由蒙脱石和伊利石等亲水性矿物组成的黏性土，在世界范围内分布广泛，其具有的强胀缩性、易崩解性、多裂隙性往往会对工程建设产生较大危害。在预防和处治膨胀土病害方面，目前主要通过物理法或化学改良法对土体进行处理。物理法包括机械施工和混合填料等方式，耗费大量人力物力，施工成本较高；化学改良法是最常见的土体改良方法，通常以外掺石灰、水泥或其他材料与土体进行化学胶结，但也存在外加剂拌和质量不易控制、污染土壤生态环境等问题。传统的膨胀土改良技术在实际工程中应用广泛，但很难有一种方法同时满足时效、经济、环保等要求，因此，寻找新型膨胀土改良技术是工程界的现实需求。

表1 土体基本物理力学性质

微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation，简称MICP)技术通过反应生成具有优异胶结性能的碳酸钙来填充土体孔隙、胶结土颗粒，以达到改善土体性能的效果，因其能耗少、污染小、反应可控等优点而广泛用于材料、环境、岩土工程等领域。早期MICP技术主要用于粗粒土加固试验研究，Whiffin等[1]首先提出采用微生物沉淀碳酸钙技术胶结松散砂颗粒，以提高砂土的强度和刚度等宏观力学性质。Harkes等[2]提出分步注射细菌液和高盐含量固定液的方法以增加细菌的吸附数量，从而提高碳酸钙的沉积效率，对工程应用有着极为重要的意义。Van Paassen等[3]进行现场原位砂基加固试验研究，发现经灌浆加固后砂基内碳酸钙的生成量达到110 kg/m3，且砂样单轴抗压强度、平均剪切波速均有提高，证明微生物灌浆有效改善了砂基的力学性能。近年来微生物加固细粒土研究也有所进展，Soon等[4]利用MICP技术进行残积粉土和砂土的固化试验，对比研究认为粉土比砂土具有更多颗粒间点与点的接触，更有利于固化土体强度的提高。邵光辉等[5]分析了一维注浆固化粉土试验中注浆菌液配比、胶结液浓度对细菌和反应产物沿程分布特性的影响，认为细菌分布均匀性是土体固化均匀性的关键。彭劼等[6]通过对有机质黏土进行MICP压力灌浆试验，分析灌浆前后试样有机质含量、无侧限抗压强度、渗透系数的变化，证实MICP技术加固有机质黏土是有效的。沈泰宇等[7]利用MICP技术对重庆砂质黏性紫色土进行试验研究，分析了土体灌浆过程中干密度、无侧限抗压强度、割线弹性模量、渗透性的变化规律，认为该技术能有效改善紫色土的力学性能和渗透性。

上述研究已经证实微生物诱导碳酸钙沉淀能有效提高土体强度和降低导水率。但目前针对MICP技术用于膨胀土改性方面的研究应用还较少，其可行性、改性效果及机理等仍欠深入研究。

本文通过外加巴氏芽孢八叠球菌并选取不同浓度的胶结液对膨胀土进行微生物灌浆试验，验证MICP技术用于膨胀土改性的可行性，研究胶结液浓度对灌浆后试样的钙离子固定率、力学性能、微观结构、膨胀性以及渗透性等方面的影响，揭示MICP技术改性膨胀土的作用机理。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验用土取自安徽省沿江高速公路某路段边坡，土样基本物理力学性质见表1，颗粒级配曲线如图1所示。试验结果表明该土具有中等膨胀性，属于中高液限黏土。

图1 试验土样颗粒级配曲线

2.2 微生物培育繁殖

试验选用的脲酶菌种为巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcina pasteurii)，购于美国菌种保藏中心，编号为ATCC11859，该细菌无毒无害，可在生长代谢过程中产生大量的脲酶，催化促进尿素的水解。购置的菌种为冻干粉状，保存在真空干燥的安甑瓶内，使用时需要进行打管活化培养。试验培养液成分如表2所示，调节pH值至7.3。通过对巴氏芽孢八叠球菌的活化与培养，得到大量高活性的细菌菌液，用于后续灌浆反应中。

表2 细菌培养液成分

2.3 土样的制备

用于微生物灌浆的试样为重塑样，选用直径为63 mm、高140 mm的透明PVC管进行制备。试样分为7组，制备流程：①将膨胀土风干碾碎后过2 mm的筛网以去除粗颗粒；②PVC管底部用带导管的橡胶塞封堵，并垫上一层土工布；③称取一定量筛分后的土样倒入PVC管中，使土样高度距离管口20 mm左右，再次垫上土工布，顶部也用带导管的橡胶塞封紧。

2.4 胶结液的配制

试验采用的灌浆胶结液为氯化钙(CaCl2)-尿素(urea)的混合溶液，试样编号及对应胶结液浓度如表3所示。其中尿素为微生物的生长提供氮源和能量来源，氯化钙为反应提供钙源。

表3 试样编号及胶结液浓度

3 试验内容

3.1 试验装置及灌浆工艺

MICP技术改性膨胀土的压力灌浆试验装置结构见图2，实际灌浆情况见图3。

图2 试验装置结构示意图

图3 试验灌浆实物

采用从上至下、从下至上交替灌浆的方式，利用透明硅胶管将PVC管两端进出液口与蠕动泵等部分依次连接，然后取等浓度等体积100 mL菌液分别以5 mL/min的速率泵入试样，菌液加注完成后将PVC管于30 ℃恒温箱中静置养护10 h，以保证菌液的充分固定，接着同方向灌入等体积100 mL不同浓度的胶结液，同样进行恒温养护10 h。第2次灌浆交换进出液口连接顺序，菌液和胶结液反方向流经土样，目的是使生成的碳酸钙在整段试样中分布较均匀。

按上述步骤进行连续灌浆，直至灌浆过程中菌液和胶结液无法灌入即停止试验，试验共计灌浆12次。

3.2 钙离子含量测定及微观结构测试

试验采用盐酸滴定法测定灌浆处理后各试样生成碳酸钙的含量。取各组灌浆后的试样进行烘干，压碎并研磨成粉末，用去离子水反复冲洗若干次，烘干并称重。然后加入过量盐酸进行滴定反应至完全无气泡产生。再次用去离子水冲洗，目的是洗去新生成的氯化钙。最后再次进行烘干、称重，2次称重的差值即为生成的碳酸钙质量。

采用Phenom Pro台式扫描电子显微镜对灌浆处理后的试样进行SEM电镜扫描，分析各试样的微观结构特性。

3.3 主要土工试验

主要土工试验包括无侧限抗压强度试验、膨胀力试验、渗透性试验，均按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[8]进行测定。

通过无侧限抗压强度试验得出灌浆处理后各土样的应力-应变曲线，并分析其力学性能的变化情况。膨胀力是反映黏性土膨胀特性的量化指标之一，对灌浆处理后的各试样进行膨胀力测试。对灌浆处理后的各试样进行变水头渗透试验，通过测量并计算得到各土样的渗透系数。

4 试验结果

4.1 钙离子固定率

巴氏芽孢八叠球菌主要通过诱导碳酸钙沉淀来加固土体，因此碳酸钙生成量是评价微生物固化效果的重要指标之一。

图4 灌浆后试样钙离子固定率

试验以各试样碳酸钙的生成量与灌浆后各试样质量的比值为钙离子固定率，不同浓度胶结液灌浆处理后试样钙离子固定率如图4所示。

图4中试样1未发现碳酸钙的存在，试样2—试样7均生成碳酸钙，且钙离子固定率依次为2.44%、4.03%、6.48%、7.62%、8.52%、8.92%，由此可见随着胶结液浓度增加，钙离子固定率增大；当浓度增加到一定程度时，钙离子固定率变化趋于平缓，说明微生物灌浆反应固定碳酸钙的能力有限。

4.2 力学性能

图5为灌浆后试样进行无侧限抗压强度试验得到的应力-应变曲线，其中未胶结的膨胀土试样1无侧限抗压强度峰值为42.2 kPa，经胶结反应后的膨胀土试样2—试样7的无侧限抗压强度峰值分别为100.3、152.1、162.2、181.5、196.4、202.3 kPa，相较未胶结的膨胀土样分别提高了137.6%、260.4%、284.4%、330.0%、365.4%、379.4%。

图5 灌浆后各试样的应力-应变曲线

由图5可知，当胶结液浓度较低时，试样的无侧限抗压强度增幅相对较大，随着胶结液浓度的增加，试样无侧限抗压强度增幅逐渐变小。另一方面，随着胶结液浓度的增加，试样的峰值强度对应应变大致呈减小的趋势，试样的割线弹性模量增大，土体的刚度提高。

4.3 微观形貌分析

图6为灌浆处理前后各试样的电镜扫描(Scanning Electron Microscope，SEM)图像。

图6 灌浆前后试验土样的微观结构

由图6(a)可见，未经处理的土样呈单粒结构，黏土矿物颗粒表面呈卷曲状，为蒙脱石、伊利石的典型特征。此外，黏土矿物颗粒间孔隙发育，未见碳酸钙晶体的存在。观察灌浆反应后的土样发现有碳酸钙生成(见图6(b))，进一步验证了MICP用于膨胀土的可行性。试验过程中发现生成的碳酸钙在土体中分布并不均匀，其中一部分碳酸钙存在于土体孔隙内，起到充填孔隙的作用，另一部分以碳酸钙晶体的形式附着在黏土矿物颗粒表面，起到胶结土颗粒的作用。由图6(c)和图6(d)可以看出碳酸钙晶体呈规则的球状和棱柱状，并具有片状的斜六方晶格结构(图6(e))。同时，在图6(f)新生成的方解石晶体中可以看到明显的孔洞，这些孔洞可能是由于微生物占位残留而形成的。

4.4 膨胀性

图7为灌浆后各试样的膨胀力时程变化曲线。

图7 各试样的膨胀力随时间变化曲线

由图7可知，随着时间增加，各试样的膨胀力均呈先陡增后缓增最后逐渐稳于定值的趋势。其中试样1膨胀力最大，随着胶结液浓度的增加，试样的膨胀力逐渐减小，膨胀力最高可减少25.3 kPa。当胶结液浓度达到0.8 mol/L(试样5)后膨胀力变化甚小，说明胶结液达到一定浓度时，胶结反应对改善土体膨胀性的效果不明显。此外，丁振洲等[9]曾将膨胀土膨胀过程分为2部分：晶格扩张与颗粒(集聚体)间扩大。只有当晶格扩张完成后，才进行颗粒间扩大，且前者往往在膨胀力中占比较大。因此，可以认为膨胀力曲线陡增部分为晶格扩张膨胀力，缓增部分为颗粒间扩张膨胀力。将试验在0～400 min内土体膨胀力变化作为其晶格膨胀力，400 min后至土体膨胀力基本稳定这一阶段土体膨胀力变化作为其颗粒间膨胀力。

图8 膨胀力随胶结液浓度变化曲线

图8上方和下方2条虚线分别代表晶格膨胀力pj与颗粒间膨胀力pk随胶结液浓度变化关系，实线代表试验测得的自然膨胀力ps，其大小为晶格膨胀力pj与颗粒间膨胀力pk之和。由图8可知胶结液浓度一定时，试样的膨胀力以晶格膨胀力为主，随着浓度的增加，晶格膨胀力的主导地位明显减弱，但始终存在晶格膨胀力大于颗粒间膨胀力的现象。

4.5 渗透性

对灌浆胶结后的试样进行变水头渗透试验，利用达西公式计算得到各试样渗透系数，结果如表4所示。

表4 不同胶结液浓度下试样渗透系数及变化

由表4可知较高浓度胶结液灌浆的试样相比低浓度灌浆试样渗透系数变化更小，试样1—试样7最终渗透系数依次为10.32×10-7、4.21×10-7、2.78×10-7、0.95×10-7、0.12×10-7、0.03×10-7、0.01×10-7m/s，试样渗透系数最大降低了3个数量级。该膨胀土室内土工试验得到的渗透系数为1.96×10-7m/s，当胶结液浓度达到0.6 mol/L，试样渗透系数开始小于膨胀土室内土工试验测得的渗透系数，说明微生物胶结试验降低了膨胀土的渗透性。

5 机理分析

试验表明，微生物灌浆后膨胀土的力学性能和水理特性等方面有明显改善，其改性机理分析如下。

5.1 反应原理

试验利用产脲酶菌分泌脲酶使尿素发生水解，在碱性环境里产生NH4+和CO32-，微生物表面带负电荷，吸引环境中的Ca2+，反应生成具有胶结性能的碳酸钙晶体。较高的脲酶活性有利于尿素的迅速水解，进而有利于胶结产物的迅速生成。脲酶分解尿素的基本反应方程式为：

(1)

式中Cell为细胞，在整个反应过程中，产脲酶菌一方面产生脲酶促进尿素水解，另一方面为碳酸钙晶体提供成核位点。反应产生的碳酸钙晶体能够填充土体内部孔隙和胶结土颗粒，进而达到改善土体性能的效果。

5.2 影响因素机理分析

通过对膨胀土试样进行微生物灌浆试验，反应生成碳酸钙使土体结构发生变化，进而对灌浆后试样的强度、微观结构、膨胀性及渗透性等方面产生影响。

改性膨胀土力学性能方面，一般认为MICP固化过程中碳酸钙含量与土体强度呈正相关[10]，提高土体碳酸钙含量认为是改善土体力学性能的有效方法。土体刚度方面，在压力作用下土体原有的孔隙逐渐减小甚至闭合，结构变得密实，进而使土体的次生结构开始发挥作用[11]，由于碳酸钙的刚度比土骨架的刚度更大，随着碳酸钙含量的增加，土体的刚度增大。

土体膨胀性方面，由于细菌固定钙离子的能力有限，胶结液中存在的一部分Ca2+作为高价阳离子可置换膨胀土颗粒所吸附的低价阳离子K+、Na+等，减小土颗粒扩散层厚度，使土颗粒之间的黏结力增大(阻碍了颗粒间扩张)，以此来降低膨胀土的亲水性、分散性和胀缩性。另一方面,生成的碳酸钙使得土体蒙脱石、伊利石等强亲水性矿物的相对含量降低，同时由于碳酸钙对土颗粒的包裹作用，影响了土颗粒与水的接触(阻碍了晶格扩张)，而碳酸钙本身对水的作用不敏感，由此抑制了土体的膨胀性。

土体渗透性方面，已有研究认为膨胀土浸水过程可以分为3个阶段：①土体浸水使水分子填充土颗粒之间的孔隙，体积减小;②水的进一步渗入引起土粒膨胀，体积增大;③当膨胀达到峰值点后试样发生压缩变形。Hill等[11]发现MICP固化过程中生成的方解石晶体，能有选择性地聚集或胶结周围环境的颗粒物，填塞具有渗透性的有孔介质，提高其防渗性能。一方面反应生成碳酸钙的包裹作用可以减少土-水之间的接触，从而使膨胀土浸水入渗过程的第①、②阶段减缓；另一方面，碳酸钙的充填可以降低土样孔隙的尺寸，使得膨胀土的孔喉半径减小，渗透性降低，且碳酸钙的生成使膨胀土中的黏粒含量降低，土粒膨胀引起的土体渗透系数变化减小。随着胶结液浓度的增大，试样碳酸钙的含量增加，前述效应越发明显。在碳酸钙含量较低的情况下，土体吸水膨胀充分，水分子进入引起土体内部结构调整的影响相对较大，土体的渗透系数及其变化更大。而对碳酸钙含量较高的试样来说，其黏粒含量相对较低，水分子的进入引起土体结构变化较小，更多的是碳酸钙的包裹和胶结作用引起渗流通道堵塞，土体渗流通道减少，试样渗透系数及其变化相应更小。

土体微观结构方面，菌液中存在大量细菌体及其新陈代谢产生的有机质，有机质表面的两性基团以及细菌表面可作为晶体生长位点。巴氏芽孢八叠球菌在新陈代谢过程中产生的脲酶能将尿素分解，生成NH4+和CO32-，由于细菌表面带负电荷，会吸引溶液中的Ca2+在其表面进行吸附，细菌作为反应的成核位点，在其周围形成具有胶结作用的碳酸钙结晶。碳酸钙晶体形态的差异主要是由于方解石晶体在生长过程中的环境不同而形成的，已有研究表明碳酸钙晶体的形貌受多方面因素调控，菌液浓度和胶结液浓度对碳酸钙晶体的形貌起主要作用。本试验控制菌液浓度适宜且相同，对碳酸钙晶型变化无明显影响，胶结液浓度对碳酸钙晶型的影响为：当尿素浓度较高时，形成的主要是球霰石和无定型碳酸钙；当尿素浓度较低时，生成的多为方解石。晶体表面产生的孔洞主要是由于反应过程中碳酸钙围绕菌体包裹生长的微生物占位残留导致的。

由上述反应原理可知，随着胶结液浓度的增大，反应分解的尿素越多，试样生成和固定的碳酸钙量越大，对膨胀土试样的力学性能、膨胀性和渗透性改善效果越好。而后续胶结液浓度继续增大，改善效果不明显，可能是由于土体固定细菌数量有限，导致参与反应的脲酶数量有限；另一方面可能是由于较高浓度胶结液引起微生物矿化反应迅速发生，土颗粒间接触处形成碳酸钙薄层，导致后续生成的碳酸钙无法进入颗粒间孔隙，影响其在土粒间的进一步固定，引起灌浆效果改善不明显。