胶结液参数对微生物加固粉土的影响

2021-06-09赵志峰彭邦阳邵光辉

东南大学学报（自然科学版） 2021年3期

赵志峰彭邦阳邵光辉

(1南京林业大学土木工程学院, 南京 210037)(2江苏省建筑设计研究院, 南京 210019)

利用特定微生物分解尿素的能力在土中诱导生成碳酸钙沉积(MICP)来对土体进行胶结加固,已经成为近十几年岩土领域乃至土木工程的研究热点.国内外很多学者对该技术的反应菌种、适用土类、加固方法、加固效果等开展了大量试验研究[1-3],目前在地基处理、裂缝修复等方面取得了良好的效果.

随着研究的深入,当前对微生物加固技术的研究已经从初期的探寻处理方法和加固效果,逐渐向探索加固机理、拓展应用领域发生转变.在探索加固机理方面,确定处理方法中各因素对加固效果的影响非常重要.在拓展应用领域方面,除了处理粒径较大的砂性土之外,部分学者尝试处理颗粒更细小的粉土和黏性土[4-5].

微生物诱导碳酸钙沉积的反应中要使用产脲酶菌和胶结液,菌液和胶结液对加固效果有着直接的影响.目前的方法中,菌种多选用巴氏芽孢杆菌,菌液浓度OD600值大多控制在1.0～2.5之间.胶结液一般包括尿素(CO(NH2)2)和氯化钙(CaCl2),但在浓度、轮数、配比等参数的选择上不尽相同.根据已有研究,胶结液的浓度对加固效果存在明显影响[6].文献[7]认为低浓度有助于获得较高的加固强度,生成的碳酸钙晶体尺寸也较大;文献[8]则认为胶结液浓度过低会导致生成的碳酸钙不足并影响加固效果.由此可见,目前对胶结液参数的研究还不够深入.此外,上述结论多是针对加固砂土,关于胶结液参数对加固细粒土影响方面的研究更加不足.

针对以上研究现状,本文以海相吹填粉土为研究对象,在前期寻找出有效加固方法的基础上,通过试验研究胶结液参数对加固粉土效果的影响,为拓展微生物处理土体的范围、揭示加固机理提供参考.

1 试验材料与加固方法

1.1 海相粉土

本次试验用土取自江苏省盐城市东台条子泥吹填工程.根据级配试验,粒径5～75 μm的粉粒占总质量的73.3%,黏粒质量分数低于3%.不均匀系数Cu=3.29,级配不良(见图1).

通过土工试验测得重塑土的基本物理指标:相对密度为2.7,含水率(质量分数)为27.1%,干密度为1.46 g/cm3,塑限为13.2%,液限为21.2%,渗透系数为6.6×10-5cm/s.

图1 粉土的级配曲线

1.2 菌液

选用的巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii)购买于德国菌种保藏中心(DSMZ).培养液采用DSMZ推荐的培养液.试验所用菌液为初代菌种扩大培养后所得,将菌种接种至营养液中;然后将盛有菌液的锥形瓶放入振荡培养箱中(温度30 ℃、频率130 r/min)培养.根据试验结果,菌液在20～28 h的时间范围内较为稳定,脲酶活性处于较高水平[9],故选用24～28 h阶段内的菌液.将OD600调整至1.6左右,酶活性控制在7.2 mmol/min左右.

1.3 胶结液

胶结液为氯化钙和尿素的混合溶液,胶结液的参数主要包括:浓度、轮数、配比、体积.

根据前期试验结果,胶结液浓度低于0.50 mol/L时试样难以整体加固,而胶结液浓度过高又会影响细菌活性.本次试验尝试了不同胶结液浓度:0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mol/L.

现有的试验大多采用胶结液多遍处理来进行加固,取得了良好的效果.本次试验采用了3种轮数:4、6、8轮.

胶结液中尿素和氯化钙的摩尔浓度比通常为1∶1,这也是生成碳酸钙所需的配比.有学者认为提高胶结液中尿素的配比会使溶液呈碱性,有利于微生物分解脲酶,因此建议尿素的比例高于氯化钙[10].本次试验中尝试了等比例和变比例的方案.

为了在试样中均匀生成碳酸钙,每轮胶结液的体积应不小于1.0Vv(Vv为孔隙体积).为分析胶结液体积的影响,本次试验除1.0Vv外尝试了更小的体积.

1.4 加固方法

目前常用的微生物加固土体方法有3种:注浆法、表面入渗法、搅拌法.其中,注浆法使用较多.无论采用何种方法,在土中生成碳酸钙的均匀性是决定加固效果的主要因素[11].采用注浆法处理粉土时,注浆口容易发生堵塞，并且需要使用蠕动泵,设备和管路连接相对比较复杂.表面入渗法是利用液体的重力使菌液和胶结液渗入试样,方法简单;但粉土粒径小,菌液中的细菌很难入渗至土体内部.

基于上述考虑,本文采用搅拌法结合表面入渗法来处理粉土.具体过程为:先将1.0Vv菌液和干土一起拌和制样,以使细菌在土中均匀分布;静置12 h后,从试样顶部入渗多轮胶结液,入渗间隔时间取12 h[12].

试验模具为直径50 mm、高150 mm的PVC管,管内土样高度控制在约100 mm.PVC模具下部装有底座,底座上开有小孔并铺设4层纱布,可通过密封小孔来控制液体的排出.将烘干后的粉土用四分法取样备用.将粉土分层填入模具压实,干密度控制在1.46 g/cm3.本次试验共制样66个.

1.5 加固效果测定

本次试验处理的粉土水稳定性差,易液化、遇水溶解,因此用水稳定性来评价试样的整体加固效果.

通过无侧限抗压强度试验评价处理后试样的强度.处理结束后,用过量去离子水入渗清洗试样,以去除试样中未反应的化学物质;然后将试样取出后两端切削平整并满足长径比2∶1的要求.烘干后进行无侧限抗压强度测试.

无侧限抗压强度试验后,将剪破的试样尽量均分成上中下3部分.由于海相粉土中含有可溶性盐,在测定CaCO3前需要对试样进行洗盐操作.洗盐完毕后,采用盐酸浸泡法确定反应生成的CaCO3质量,然后除以干土质量,得到生成的CaCO3质量分数[12].

2 胶结液浓度和轮数的影响

2.1 水稳定性

当胶结液浓度不低于0.50 mol/L时,试样整体得到胶结(0.25 mol/L时,试样大部分泡散).图2为不同浓度胶结液处理4轮和6轮后,试样在水中浸泡超过7 d后的照片(因篇幅未列出1.50 mol/L浓度结果).除部分试样上部由于拆样时造成的部分脱落外,试样均保持了良好的水稳定性.

2.2 碳酸钙分布与无侧限抗压强度

不同浓度胶结液入渗不同轮数后,试样中不同部位的CaCO3含量和无侧限抗压强度见图3.入渗4轮时,试样中CaCO3含量随着胶结液浓度增加而提高,CaCO3分布也逐渐变得均匀.但当浓度升高至1.50 mol/L时,CaCO3分布的均匀性明显下降.当胶结液浓度处于0.50～1.25 mol/L,加固后的无侧限抗压强度随浓度显著增加;1.25 mol/L时强度最高,超过2.8 MPa.当胶结液浓度为1.50 mol/L时强度明显下降,这表明CaCO3分布的均匀性对强度有着重要影响.

(a) 胶结液入渗4轮

(b) 胶结液入渗6轮

(a) 胶结液入渗4轮

入渗6轮时(见图3(b)),试样中CaCO3含量有所增加,不同胶结液浓度下CaCO3分布的特点与入渗4轮时接近.试样的无侧限抗压强度仍然在1.25 mol/L时最高;1.50 mol/L时强度明显下降,仅为1.25 mol/L时的一半左右.入渗轮数增至8轮后(见图3(c)),试样中CaCO3的含量继续增加,各浓度下的无侧限抗压强度相比6轮时有较明显提高.最高强度仍出现在1.25 mol/L时,超过4.0 MPa.

图3表明,随着胶结液入渗轮数的增加,试样中沉积的CaCO3逐渐增多,加固后的强度不仅取决于CaCO3数量,还与分布的均匀性密切相关.采用低浓度胶结液(0.50 mol/L)处理的强度较低;但浓度过高(1.50 mol/L)时加固效果也不理想.胶结液浓度在0.75～1.25 mol/L时加固强度较高.

为进一步了解轮数对加固效果的影响,对0.75和1.25 mol/L两种浓度进行了入渗5轮、7轮胶结液的试验.图4为2种胶结液浓度处理4～8轮的CaCO3分布和无侧限抗压强度.由图可见,浓度为0.75 mol/L时,随着胶结液入渗轮数的增加,强度线性上升.浓度为1.25 mol/L时,胶结液入渗4轮的强度已达到2.846 MPa,明显高于0.75 mol/L时的强度;随着轮数的增加,强度继续提高,但增幅低于0.75 mol/L时.

胶结液的浓度和轮数会影响CaCO3的分布.如图4所示,浓度为0.75 mol/L时,试样下部的CaCO3相对较少;而浓度为1.25 mol/L时,试样上部的CaCO3相对较少，中下部较多.胶结液入渗轮数对CaCO3分布有一定影响,但规律不明显,今后可对该方面进行深入研究.

2.3 胶结液用量与加固效果的关系

上述试验结果表明,胶结液的浓度和轮数对加固效果有重要影响.浓度和轮数会影响胶结液中化学物质的总量,为了将不同试验组的结果进行比较,参考已有学者的研究[13],引入无量纲系数Rc:

(1)

式中,C为胶结液浓度,mol/L;n为胶结液处理轮数;k=1.0 mol/L.

Rc可定量描述不同试验中的胶结液用量,胶结液的用量与加固效果间存在直接关系.图5为Rc与不同试样中CaCO3质量分数和无侧限抗压强度的关系.如图所示,CaCO3含量随着Rc线性增加,相关系数达到0.919 7,表明参与反应的胶结液越多,生成的CaCO3越多.但无侧限抗压强度的数据点比较离散,相关系数仅为0.539 6.这其中的部分原因是,胶溶液浓度为1.50 mol/L时强度较低,影响了拟合结果.

(a) 胶结液浓度0.75 mol/L

(b) 胶结液浓度1.25 mol/L

(a) Rc与平均CaCO3含量的关系

(b) Rc与无侧限抗压强度的关系

将胶结液浓度1.50 mol/L时的数据剔除,整理浓度为0.50～1.25 mol/L时的结果.如图6所示,CaCO3含量与Rc的相关系数从0.919 7增至0.959 3;而无侧限抗压强度与Rc的相关系数有显著提升,从0.539 6增至0.86.这表明,当胶结液浓度处于一定范围时,胶结液用量与CaCO3生成量和加固强度有较好的对应关系.但胶结液浓度过高,会影响加固效果和材料的使用效率.

(a) Rc与平均CaCO3含量的关系

(b) Rc与无侧限抗压强度的关系

3 胶结液配比的影响

有研究认为增加胶结液中尿素的比例会取得更好的加固效果,但也有研究表明胶结液采用等比例配比更合理[14].为了研究胶结液配比的影响,进行了3组对比试验:① 尿素与氯化钙浓度之比为0.50 mol/L∶0.50 mol/L和0.75 mol/L∶0.50 mol/L;② 尿素与氯化钙浓度之比为0.75 mol/L∶0.75 mol/L和1.00 mol/L∶0.75 mol/L;③ 尿素与氯化钙浓度之比为1.00 mol/L∶1.00 mol/L和1.25 mol/L∶1.00 mol/L.

试验中胶结液的入渗轮数为6、7、8,每轮胶结液的体积均为1.0Vv.本文重点考查3组不同配比对CaCO3生成量和无侧限抗压强度的影响.

图7为不同配比下胶结液入渗6轮和8轮时的CaCO3分布.改变胶结液配比或增加尿素比例对试样中CaCO3分布有一定影响,但影响不大.增加尿素比例后试样中CaCO3分布更均匀.

(a) 胶结液入渗6轮

(b) 胶结液入渗8轮

改变胶结液配比后,无侧限抗压强度略有增加,如图8所示.当胶结液中钙离子浓度增至1.00 mol/L时,改变配比后的无侧限抗压强度略低于等比例配比.因此,不能简单认为改变配比可改善加固效果.当浓度较高时,改变配比不能提高加固强度,这也与国外类似研究的结论一致[14].

图8 不同胶结液配比下的无侧限抗压强度

根据图7和图8的结果,增加胶结液中的尿素比例对该粉土碳酸钙和强度的影响不大.相比胶结液配比,胶结液浓度和入渗轮数对加固效果的影响更显著.

4 胶结液体积的影响

采用多轮入渗胶结液处理粉土时,每轮胶结液的体积都为1.0Vv,结果表明可使试样整体得到有效胶结.若减少每轮胶结液用量,是否能取得相同的效果还不能确定.选择浓度1.00 mol/L的胶结液,入渗6轮,每轮体积分别取0.25Vv、0.5Vv、1.0Vv.

当入渗体积减少后,试样的水稳定性明显下降(见图9).胶结液体积为0.25Vv时,试样仅上部约2.5 cm保持完整;胶结液体积为0.5Vv时,试样上部基本完整,下部有部分脱落,但强度很低,无法进行无侧限抗压试验.

(a) 胶结液体积为0.25Vv

将各试样拆样后切分成3部分进行CaCO3含量测定.从图10可看出,胶结液体积的减少对生成CaCO3的数量和分布存在明显影响.胶结液体积为0.25Vv时,试样中部和下部的CaCO3很少;胶结液体积为0.5Vv时,试样下部的CaCO3明显低于上部和中部.这也解释了试样水稳定性差和强度低的原因.当胶结液体积低于1.0Vv时,试样难以得到整体加固.在使用胶结液进行多轮加固时,每轮胶结液的体积应不低于1.0Vv.

图10 不同胶结液体积下的CaCO3分布

5 讨论

从以上结果可看出,采用菌液与粉土拌合制样然后入渗多轮胶结液的方法加固效果较好.胶结液用量对生成碳酸钙的数量和加固强度有重要影响.当每轮胶结液入渗体积为1.0Vv时,胶结液的浓度和轮数的组合会影响加固效果.以图11为例,3个试样的胶结液浓度和轮数分别为:0.75 mol/L、8轮,1.00 mol/L、6轮和1.50 mol/L、4轮.3个试样使用的胶结液总量相同,但CaCO3的分布和无侧限抗压强度相差较大.胶结液浓度为1.00 mol/L时强度最高,1.50 mol/L时强度最低.

图11 胶结液参数对CaCO3生成量和强度的影响

采用扫描电镜(SEM)对以上试样强度测试后的碎块进行了观察.如图12所示,土中都生成大量CaCO3晶体,将相邻颗粒胶结在一起,因此处理后的强度有显著提高.不同胶结液浓度下产生的晶体形态和尺寸有所不同.胶结液浓度为1.00 mol/L时晶体呈现出明显的六面体,且尺寸较大;0.75 mol/L时六面型晶体也较明显;1.50 mol/L时晶体形态不十分规则,尺寸也较小.