不同颗粒尺寸条件下MICP固化砂土的试验研究

许鹏旭 ，温智力 ，杨司盟 ，刘志明 ，冷 勐 ，彭 劼1，*

1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2.江苏省岩土工程技术工程研究中心(河海大学)，南京 210098

近年来，微生物诱导碳酸钙沉积（Microbially Induced Carbonate Precipitation，后简称MICP）作为一种新型的地基加固技术，相较于真空预压、化学灌浆等传统固化方法，有着节能环保、加固效率高等优势（Whiffin，2004；Ivanov and Chu，2008），受到了广泛的关注（赵茜， 2014；Chu et al., 2013；尹黎阳等， 2019；钱春香等，2015）。MICP技术能有效改善土体的工程性质，如承载力、抗液化能力、工程抗渗等（何稼等，2016；程晓辉等，2013；谈叶飞等，2018），该技术主要依靠产脲酶菌的新陈代谢活动来完成土体固化，因此温度（彭劼等，2018）、注浆方式(Cheng and Cord-Ruwisch，2012)、土壤类型（DeJong et al.， 2010，许朝阳和张莉，2009；邵光辉等，2017）等因素均会对最终加固效果产生一定影响。而碳酸钙分布的均匀性也是影响最终固化效果的一个重要因素，Mujah等（2016）指出碳酸钙分布均匀性关乎到土体的固化效果，若碳酸钙分布不均匀，存在脆弱层，则会大大影响样品的整体强度，故需要对其进行深入探究。

已有的大部分研究都着力于外界条件对固化效果均匀性的影响，而土样自身颗粒尺寸并未得到重视。MICP作为一个复杂的生物、物理、化学过程，碳酸钙晶体的沉积、微生物迁移吸附过程与颗粒尺寸有着紧密的联系（James and Santamarina, 2005；Mahawish et al., 2017）。Mahawish等（2017）将细骨料添加到粗骨料，研究了粒度分布对微生物固化的影响。Mortensen等（2011）通过将粗细骨料按不同比例混合得到了5种不同粒径分布的试样，采用剪切波速作为监测手段，发现颗粒间的接触点数量对固化效果有较大影响，同时结合数据说明了颗粒更细和更粗的土体，其加固完成所需要花费时间的更长。为了对微生物固化机制进行探究，崔明娟（崔明娟等，2016）将三种不同粒径范围的砂土进行微生物固化处理，结果表明细粒砂土因孔隙更易被填满，固化效果更好。Cheng 等（2013）分析了细砂与粗砂的固化差异，在生成的碳酸钙含量相同的情况下，细砂试件的胶结效果更强，但是其摩擦角要小一些。Dhami等（2016）采用了7种不同颗粒尺寸的砂样进行了MICP砂柱试验，并通过测定碳酸钙与剩余反应物的含量差异，建立了两者的近似关系式。不论是外部环境还是土样自身颗粒尺寸，都将影响MICP的最终固化效果，除对影响因素进行研究外，解决因土体类型、颗粒尺寸造成的固化效果不佳等问题，并了解其背后的原理，也是应当深入研究的方向。

本文通过选取3种不同颗粒尺寸的砂样进行微生物诱导碳酸钙（MICP）注浆试验，对同一尺寸试验组分别灌浆8、10、12次，结合细菌吸附率、流出液Ca2+浓度、渗透系数、孔隙结构和最终加固效果等数据，研究了颗粒尺寸对MICP技术加固效果，特别是均匀性的影响，探讨了MICP在不同颗粒尺寸土体中的固化机理，为工程中处理固化效果不均的问题，提供了一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 主要材料

1.1.1 试验砂样

选用粒径范围在0.25~2 mm之间的标准砂作为试验对象，砂样均采用福建标准砂，将砂样通过标准筛筛分为三组，按颗粒尺寸大小得到粒径分别在0.25~0.5 mm、0.5~1 mm、1~2 mm范围内的三种砂样，砂样土粒比重在2.635~2.641之间。试验前砂样已冲洗并晾干。

1.1.2 试验装置

试验装置及模具构造如图1所示。模型槽呈圆筒状，内径50 mm，高140 mm，带有用于固定的底座，底座下方设有圆孔，用于排水，土样高100 mm。为了避免砂颗粒从底座孔洞流出，且不影响试样的整体透水能力，在试样下方放置有250目铁丝网。

图1 试验装置及模具示意图Fig. 1 Schematic diagram showing the test device and mold

1.1.3 微生物的培养

试验选用巴氏生孢八叠球菌株(Sporosarcina pasteurii)，细菌培养液成分如下：20 g/L酵母提取物、10 g /LNH4Cl、0.024 g/L Ni(Cl)2·6H2O和0.01 g/L MnSO4·H2O，并用2 M（即mol/L）的NaOH溶液调节培养液pH至8.5左右。培养液经过121℃高压蒸汽灭菌20 min，待冷却后将初代菌种接种至培养液，置于恒温震荡培养箱（35℃，121 r/min）培养12 h。

1.1.4 胶结液的配置

试验选用胶结液主要是CaCl2和尿素的混合液，其中尿素为生物的生长提供氮源，CaCl2为MICP过程提供钙源（彭劼等，2019）。基于MICP中主要的生化反应，脲酶水解、细菌吸附和CaCO3沉积（式1—式3），本试验所用胶结液中CaCl2与urea 的比例为1∶1，均为0.5 M。

1.2 试验方法

1.2.1 砂柱实验

本文选取三种不同颗粒尺寸的砂样进行MICP砂柱试验，对同一尺寸试验组分别灌浆8、10、12次。在模具内制备高100 mm的试样，试验前对每组试样进行去离子水冲刷处理。在菌液中加入少量CaCl2配置菌液固定液混合液（控制CaCl2浓度在0.05 M，通过增加离子强度，可增加细菌吸附量（王伟荔，2014），将菌液通过蠕动泵泵入试样，静置6 h后开始灌注胶结液，之后每隔12 h灌注一次。注浆速度对细菌以及胶结液的留存有影响，注浆速度过慢，反应集中在上层，导致试样表面淤堵，而注浆速度过快，菌液和胶结液留存时间过短，为避免上述两种情况，通过试验确定适合本试验的灌注速度为3 mL/min，三组试验的孔隙体积相近，每次注入的菌液和胶结液体积均取80 mL，即一倍孔隙体积。各组试样参数见表1。

表1 试样参数Table 1 Parameters of samples

1.2.2 菌液活性及浓度测定

细菌培养完成后采用可见光分光计测定细菌吸光度（波长600 nm）。细菌活性采用电导率法测定：在常温条件下，将待测菌液与1.1 Murea以1: 9比例混合，使用电导率仪测定混合液五分钟的电导率变化值，本文采用此数值来表征菌液活性（Whiffin et al.，2007）。

1.2.3 流出液Ca2+浓度监测

依据式1—式3，溶液中Ca2+浓度的变化一定程度上可以反映MICP的反应过程。因此本文通过监测流出液Ca2+浓度的变化来监测试样内部的胶结过程。测定参照EDTA Ca2+浓度滴定法（胡艳丽等，2015）。

1.2.4 渗透系数测定

采用常水头试验测定各组试样的初始渗透系数与固化后的渗透系数，试样制备过程中，为避免传统试样中滤纸的渗透系数过低，影响试样整体的透水能力，本试验采用渗透性较高的250目铁丝网代替滤纸。

1.2.5 强度测定

试样加固完成后需要进行强度测试，本文采用艾德堡数显式推拉力计（型号HP-1K，精度±0.5%，量程0~1000 N）测定试样不同部位的贯入阻力，依此探究砂柱试验加固固化完成后的强度变化规律。

1.2.6 碳酸钙含量测定

将强度测试完成后的试样放入烘箱中，烘干后将试样放入烧杯中，称取烧杯质量m1与总质量m2，加入过量盐酸并不断搅拌，待试样中的碳酸钙反应完全后，使用去离子水反复冲洗，放入烘箱再次烘干，称取烧杯和烘干后试样的总质量m3，碳酸钙含量通过式（4）得到。

1.2.7 压汞试验

为更好地探究MICP固化过程中试样的孔隙结构发展（Zhang et al.，2014），从而研究MICP的固化机理，对不同固化次数的成型试样进行取样，采用全自动压汞仪（型号AUTOPORE9510）测定其孔隙分布。

2 试验结果与分析

2.1 细菌吸附率

每次注入的菌液和胶结液体积约80 mL，菌液及第一次胶结液灌注结束后，收集流出液，加入到足量0.5 M胶结液中进行水溶液试验，完全反应后记生成碳酸钙质量为M1，并设置一组对照组，对照组中将10 mL纯菌液加入足量胶结液，完全反应后记碳酸钙生成量M2，水溶液试验均使用磁力搅拌器进行搅拌，结合砂柱试样加入的纯菌液体积V1，根据式（5）计算求得细菌吸附率。

细菌的直径一般在0.5~3 μm之间，且在砂土中的吸附过程十分复杂，会受到许多方面的影响（韩志捷 等，2016），数据显示在其他条件相同的情况下，随着试样颗粒尺寸的增加，细菌吸附率呈阶梯式下降，具体数据见图2。颗粒尺寸相同的试样细菌吸附率基本相同，其中A组平均值为99.88%，可认为在细菌灌注结束后，流出液内基本不含细菌，细菌完全吸附在试样内部。B组和C组的平均值分别为97.30%和93.49%，细菌吸附率与试样的颗粒尺寸确实存在着一定的联系，颗粒尺寸越大，细菌吸附得越少，这主要与试样的孔隙大小有关，内部孔隙越小，土样对细菌的截留作用越明显，更多的细菌被留在了试样内部（Cheng and Cord-Ruwisch, 2012）。

图2 试样细菌吸附率Fig. 2 Bacterial liquid retention rates of samples

2.2 流出液Ca2+浓度

注浆过程中，随着胶结液的不断注入，砂样孔隙内的毛细悬着水不断下渗，直至注浆结束，毛细悬着水下渗逐渐停止，砂样内部自由排水停止或降低忽略不计（任利东等，2013），此时砂样的持水能力可由砂样内的胶结液留存量表征，而留存量的多少则会影响MICP固化过程。试验每次注入胶结液体积为80 mL，选用的三种砂样首次胶结液留存量如图3所示。胶结液留存量分别为62 mL、34.5 mL、 18 mL，从数据中可以发现颗粒尺寸越小的试样，截留胶结液的量越多，流失的胶结液占比越少，即砂颗粒尺寸越小，持水能力越强。

图3 胶结液留存量Fig. 3 Cementation reagent retention stock

试验采用的胶结液中CaCl2与urea浓度均为0.5 M，在试验过程中，收集流出液，测定其钙离子浓度，具体数据如图4所示。数据表明试样颗粒尺寸越大，流出液钙离子浓度越高，A组中三组试样的平均值为0.12 M，B组和C组分别为0.21 M、0.30 M，考虑到菌液与胶结液体积比为1：1，且细菌吸附率均处于较高值，这一现象的出现，主要与试样的持水能力差异有关，持水能力越强，砂样内部含有的胶结液越多，细菌可利用的钙源和营养物质越多，更多的钙离子被细菌利用，从而导致流出液的钙离子浓度越低。在图4中绘制线性拟合曲线，具体数据见表2。9组试样的钙离子浓度均随固化次数的增加呈波动上升趋势，这表明菌液活性随时间逐渐下降，胶结液的利用率逐渐降低。A、B、C三组试验拟合曲线的斜率平均值分别约为0.00681、0.01112、0.01104，A组曲线较其他两组更为平缓，B、C两组的斜率基本相同。结合细菌吸附率数据，本文选用的三组试样，在细菌吸附率基本相同的情况下，颗粒尺寸较小的试验组由于持水能力较强，留存了更多的胶结液，为细菌提供了更多的营养物质，在一定程度上延缓了菌液活性的衰弱，使得MICP在固化过程中的保持着一个更高的效率；对于较粗颗粒的试样，持水能力较差，大部分胶结液在灌注结束时流失，细菌得不到足够的营养物质，加速了细菌的死亡，导致试样流出液的钙离子浓度上升较快。

表2 Ca2+浓度线性拟合数据Table 2 Linear fitting data of calcium ion concentration.

图4 Ca2+浓度的变化Fig. 4 Variations in calcium ion concentration

以上数据说明试样的颗粒尺寸确实会影响试样的加固过程，由于试样持水能力的差异，尺寸较小的试样能留住更多的胶结液和营养物质，并在试验后期使胶结液有着更高的利用率，达到更好地加固效果。

2.3 渗透系数

微生物固化砂土通过在试样内部诱导生成CaCO3晶体，沉积在砂颗粒表面及孔隙内部的碳酸钙能有效降低试样的渗透性（Whiffin et al.，2007）。图5为不同颗粒尺寸条件下试样渗透系数随固化次数变化的示意图。从图中可以看出，试验前颗粒尺寸相同的试样，渗透系数基本相同，且初始渗透系数与颗粒尺寸成正相关。经过固化后的试样渗透系数明显下降，其中小颗粒尺寸的A组试样分别经过8、10、12次固化后，其渗透系数下降了57.9%、81.1%、88.3%，B组和C组为32.8%、62.5%、70.6%和79.5%、64.3%、75.0%，小颗粒尺寸的A组渗透系数下降的比例明显高于B、C组，这表明MICP固化较小颗粒尺寸的试样时，能有效降低渗透系数。图4显示除C-1加固后渗透系数过低外，其他数据表明同一试样的渗透系数会随着固化次数的增加而减小，在本文中降低了约一个数量级。笔者认为C-1出现这一现象的原因主要是C组的颗粒尺寸较大，过少的固化次数使得游离在孔隙内部的碳酸钙含量相对较高，砂颗粒未能有效胶结，进行常水头试验时，游离的碳酸钙随水流迁移，在试样下方堆积，造成部分截面渗透性下降。

图5 渗透系数的变化Fig. 5 Variations in permeability coefficients

2.4 加固效果

微生物在土体中生成碳酸钙晶体，起到连接土颗粒填充孔隙和增加试样整体强度的作用，所以碳酸钙含量和土体强度是评价MICP加固效果的重要指标。将各个试样分为上、中、下三个部位，测定不同部位的碳酸钙含量和贯入阻力，具体数据见图6、7。A、B、C三组试样各部位的碳酸钙含量基本遵循随灌浆次数增加而上升的规律。其中A-1、A-2、A-3三组数据的标准差分别为2.06、1.77、3.47，其平均值为2.43，碳酸钙含量整体分布不均匀，呈现出上部＞中部≈下部的规律。B组三组数据的标准差分别为0.74、0.88、1.63，平均值为1.08，结合图可以看出试样的上中下三部分碳酸钙含量更为均匀，但下方略微偏高。C组的标准差平均值为2.72，试样整体碳酸钙含量偏低，呈现出与A组相反的规律，上部＜中部＜下部。

图6 试样碳酸钙含量Fig. 6 Calcium carbonate content of samples

贯入阻力的数据如图7所示，颗粒尺寸越小的试样，贯入阻力增长明显。三种砂样强度均随着固化次数的增加而增长，试样各区域的强度规律基本与碳酸钙含量相同。A组强度上部＞中部≈下部，整体强度较高； B组整体强度更为均匀，上中下三部分强度相差不大，但强度小于A组；C组强度上、中部分明显小于下部。 C组砂样贯入阻力明显偏低，仅局部有效成型，如图11所示，这主要与粗颗粒砂样本身颗粒接触点较少，孔隙较大有关，整体成型需要更多的碳酸钙。

图7 试样贯入阻力图Fig. 7 Penetration resistance of samples

图11 C组孔径分析试验曲线Fig. 11 Test curves of Group C aperture analysis

结合以上分析，细颗粒和粗颗粒的砂样其最终固化效果均呈现不均匀的现象，但引起不均匀的原因并不相同。

微生物在土体内部诱导生成碳酸钙，碳酸钙的沉积量与土体强度直接相关，一般而言，含量越高，土体强度越高。这一对应关系在不同颗粒尺寸的试样中有所差异，图8为不同颗粒尺寸试样碳酸钙含量与贯入阻力的对应关系。贯入阻力随碳酸钙含量的增加呈上升趋势，在一定粒径范围内，碳酸钙含量相同的情况下，颗粒尺寸越小，土体强度越高，加固效果越好。

图8 碳酸钙含量与贯入阻力的关系Fig. 8 Relationship between calcium carbonate content and penetration resistance

2.5 孔隙结构变化

为更好地分析造成砂样固化不均匀性的原因，探究颗粒尺寸对MICP固化机理的影响，在固化试验结束后，从试样底部取样进行压汞试验，图9~11为各组试样在8、12次灌注次数下孔隙结构的变化规律。孔径分析试验曲线显示随着固化次数的增加，试样部分孔径的孔隙含量确实发生了变化。对于颗粒尺寸较小的A组，大部分孔隙分布在33~122 μm之间，含量较高的孔隙出现在73 μm附近，孔隙整体较小；B组在91~439 μm之间，以122 μm附近的孔隙为主，C组则为122~442 μm和300 μm。比较各组试样孔隙变化的规律，A组试样中含量最高的73 μm附近的孔隙明显减少，结合孔径分布曲线和频率曲线，微孔含量增加，小孔隙的含量增加，侧面验证了细颗粒组随着固化次数的增加，淤堵效应越来越明显。0.5~1 mm的B组，含量最高的孔隙增加，225 μm附近的孔隙含量反而减少，说明在此颗粒尺寸条件下，碳酸钙晶体更容易在更大孔隙的内部沉积，使得122 μm左右的孔隙含量增加。反观1~2 mm的C组，其内部大孔径孔隙含量较高，随着固化次数的增加，较大孔径的孔隙含量明显减小，但占比仍较高，不利于整体加固的有效进行。

图9 A组孔径分析试验曲线Fig. 9 Test curves of Group A aperture analysis

3 机理分析

在MICP固化过程中，碳酸钙晶体会以细菌为成核点不断沉积（Dejong et al.，2006），沉积的区域与细菌的吸附位置有关，一般在土颗粒表面、小孔隙附近和孔隙内部。沉积的碳酸钙其作用又可分为胶结作用和填充作用，胶结作用主要指碳酸钙晶体（有效碳酸钙）沉积过程中，将颗粒连接成整体，对土体强度有显著影响。填充作用主要指的是碳酸钙晶体能减小土体内部孔隙的大小，所有类型的碳酸钙晶体均有填充作用，具体情形如图12所示。但对于不同颗粒尺寸的砂样，由于砂样内部参数的不同，会造成最终加固效果有所差异，特别是对加固的均匀性有所影响。

图10 B组孔径分析试验曲线Fig. 10 Test curves of Group B aperture analysis

图12 孔隙内碳酸钙分布图Fig. 12 Distribution of calcium carbonate in pores

本文中不同砂样加固效果的差异主要是有以下几个原因：（1）颗粒尺寸较小的试样，试样整体持水能力更强，能留存更多的胶结液，为细菌提供更多的营养物质，在一定程度上延缓了菌液活性的衰弱，使得MICP在固化过程中的保持一个更高的效率。0.25~0.5 mm颗粒大小的试样大部分孔径分布在33~122 μm之间，随着灌注次数的增加，碳酸钙体积增大，孔隙被填充，原本在颗粒表面或孔隙内部未起到胶结作用的碳酸钙将砂颗粒连接在一起，有效碳酸钙相对含量较高，胶结作用较为明显。与此同时，碳酸钙在小孔隙附近沉积，最终造成上部碳酸钙含量偏高，若孔隙尺寸过小，易造成砂样上部淤堵，影响最终加固效果的均匀性；（2）颗粒大小较为合适的B组，不论是碳酸钙的分布还是最终的固化效果，较其他两组都更为均匀，说明合适颗粒尺寸能有效改善MICP的固化均匀性；（3）对于颗粒尺寸较大的C组，其持水能力较差，存在砂样内胶结液留存量低、胶结液流速快、钙离子利用率低等问题，大部分胶结液在砂颗粒表面“穿流”而过，只有少部分胶结液与吸附在砂颗粒表面的细菌反应生成碳酸钙，造成碳酸钙含量整体偏低。大颗粒尺寸试样的孔隙较大，本身颗粒间的接触点较少，除接触点外，砂样内部较低的碳酸钙含量又难以使砂颗粒产生有效胶结，故整体强度不高。除此之外游离碳酸钙含量偏高，大量碳酸钙在试样下方堆积，上部加固效果较差，粗颗粒砂样整体的固化均匀性难以保证。

4 结论

本文选取3种不同颗粒尺寸的砂样进行了MICP注浆试验，对同一尺寸试验组分别灌浆8、10、12次，测试了细菌吸附率、流出液Ca2+浓度、渗透系数、孔隙结构及加固强度等，研究了颗粒尺寸对MICP加固砂土的影响。得到如下结论。

（1）细菌吸附率与颗粒尺寸存在一定联系，颗粒尺寸越大，细菌吸附越少。在菌液中添加电解质（CaCl2）并降低灌注速度，能使细菌吸附率保持在较高水平。

（2）颗粒尺寸会影响试样的加固过程和孔隙结构的发展，试样持水能力的差异，使得尺寸较小的试样能留住更多的胶结液和营养物质，维持胶结液的高利用率。进行MICP固化过程中，大孔径孔隙含量明显减少，说明碳酸钙晶体的填充作用更易发生在大孔径孔隙内。

（3）颗粒尺寸会影响最终加固效果，特别是碳酸钙分布的均匀性。0.25~0.5 mm颗粒尺寸的试样由于渗透系数小等原因，试样上部易发生淤堵，导致加固效果不均；粗颗粒尺寸的试样因孔隙较大、接触点较少等原因，造成游离碳酸钙含量较高，碳酸钙在试样下部堆积，最终导致强度较低且加固效果不均匀。在实际应用中，对颗粒尺寸过大或过小的土体进行微生物固化不易获得良好的加固效果，宜采用或调整为合适的颗粒尺寸及合理的级配以提高加固的均匀性。

（4）碳酸钙含量与土体强度直接相关，这一对应关系在不同颗粒尺寸的试样中有所差异。本文所选的三种试样，在碳酸钙含量相同时，颗粒尺寸越小，土体强度越高。