微生物改性水泥土的制备与力学特性研究

2022-03-02曾庆杰黎金杭林民杰王延宁

长江科学院院报 2022年2期

曾庆杰，李悦，黎金杭，林民杰，刘冬，2，3，王延宁，2，3

(1. 汕头大学土木与环境工程系，广东汕头 515063； 2.广东省结构安全与监测工程技术研究中心，广东汕头 515063； 3.汕头大学智能制造技术教育部重点实验室，广东汕头 515063)

1 研究背景

我国南方地区包括香港澳门等地花岗岩残积土分布十分广泛，主要分布在低山丘陵地带[1]。花岗岩残积土是一种特殊类型的土，在不同区域其矿物成分有微小差距。广东地区，花岗岩残积土高岭石含量在70%～94%之间[2]。花岗岩残积土具有遇水易崩解、易软化，亲水性强等工程性质，Lin等[3]对花岗岩残积土在不同含水率下强度变化的性质表现，做了系列研究[4-5]，发现这种性质使得在极端气候下，特别是暴雨季节，花岗岩残积土地基、山坡在地基沉降、边坡失稳等工程问题有很大的安全隐患。目前对花岗岩残积土的研究主要是通过添加水泥等外掺剂[6-8]来改良其抗剪强度，提高抗崩解能力。赵磊军[9]采用3种方法对花岗岩残积土进行改良研究，得出用石灰改良花岗岩残积土的效果最好也最经济。刘胜等[10]采用粉煤灰改良花岗岩残积土，试验结果表明，在花岗岩残积土中加入一定量的粉煤灰可以明显提高其水稳性。然而水泥的大规模应用不仅会增加工程造价而且会造成大气污染，加剧温室效应等[11-12]。

微生物诱导碳酸钙沉积技术(microbially induced carbonate precipitation，MICP)是近年来伴随着生物学科、化学学科和土木工程学科交叉研究的不断发展而形成一项新技术，它是利用微生物在新陈代谢活动中发生的一系列生化反应，与周围环境共同作用产生具有胶结作用的碳酸钙的过程，该过程不产生有毒物质，绿色环保高效。MICP技术所使用的溶液和传统化学浆体相比稠度低，更容易渗入岩土体内部[13]，对处理较深的裂缝或者深部岩土体有明显效果[14]。Adolphe等[15]首次将MICP技术用于修复石材的裂隙，从而推动了该技术在世界范围内的研究。Whiffin[16]率先提出利用微生物诱导产生的碳酸钙胶结砂土，并通过试验证明该方法切实有效。Van Paassen等[17]利用MICP技术进行100m3的大规模原位砂土试验，成功将将近1/2的砂土胶结在一起，并通过无侧限抗压强度(unconfined compressive strength，UCS)试验证明经MICP技术处理过的砂土其力学强度有大幅度提高。除了在强度[18-20]方面的研究外，在刚度[21-22]、渗透性[23-24]、耐久性[25-26]方面也得到了大量的科研成果。

基于上述成果，本文开展微生物诱导碳酸钙沉积技术改性水泥加固花岗岩残积土工程特性的研究，期望能在较短的养护龄期和较低的水泥用量下使水泥土强度等满足工程特性需要。

2 材料与方法

2.1 试验土样

试验采用的泥土为广东省汕头市桑浦山表层以下30 cm处的花岗岩残积土，土样实地取样后在105 ℃进行24 h的烘干，粉碎后用孔径为2 mm的圆孔筛进行筛分，参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)。取过筛的土作为试验土样。测定其物理力学指标，如表1所示。试验所用水泥为P.O 42.5，所用水为去离子水。

表1 花岗岩残积土基本物理指标Table 1 Basic physical properties of granite residual soil

2.2 菌种及培养

试验所用细菌为巴氏芽孢杆菌(购买自中国普通微生物菌种保藏管理中心，编号CGMCC 1.3687)，按表2配制培养基，通过添加氢氧化钠溶液将培养基的pH值调至8.0，然后将培养基放到高压蒸汽灭菌锅中灭菌8 h，放进无菌操作台冷却备用。在无菌环境中将巴氏芽孢杆菌菌种接种至250 mL锥形瓶中，瓶中取200 mL培养液，密封处理后将含有菌种的培养液放置于恒温振荡培养箱(30 ℃，150 r/min)36 h得到细菌悬浊液测定其悬浊液在600 nm波长处的吸光值OD600=1.0。

表2 0907巴氏芽孢杆菌培养基Table 2 0907 Sporosarcina pasteurii medium

2.3 改性方法

细菌、尿素和钙源是水泥土改性过程需要的材料。处理液是按照细菌悬浊液:尿素:钙源溶液体积比=2∶1∶1混合的液体，处理液中包括2 mol/L的尿素和试验所需浓度的钙源。菌液与尿素-钙源溶液混合后立刻加入处理试样，避免过早产生碳酸钙而导致无法有效对试样进行改性。

2.4 试样制备

试块制备流程如图1所示。试样在高80 mm、直径39.1 mm的圆柱形模具中制作完成。取经过筛分后的土和水泥，按试验所需比例将土与水泥进行拌合，往土和水泥的混合料中加入菌液与尿素-钙源溶液，搅拌至水泥土与溶液完全混合。装好模具，垫透水石，再垫滤纸，然后将水泥土分4次(每次装1/4)装入圆柱体模具中，保证每一次取得土的量差不多，而且每次落槌都在相同的高度落下，落了一定的次数(本试验取5次)后对模具里的土进行捣烂之后再加土，最后对高出模具的水泥土进行刮去处理，并要保证顶部平整，进行抹平至边缘没有空隙，垫上滤纸和透水石，装好模具。静置6 h后拆模(图2)，拆模后将试验放进养护箱养护，对养护了7、14、28 d每种浓度各制备3个平行试样。

图1 试块制备流程Fig.1 Flow chart ofsample preparation图2 拆模后的水泥土试块Fig.2 Soil samplesafter demolding

2.5 无侧限抗压试验

为了研究微生物对水泥加固花岗岩残积土工程性质的提升，本研究通过对不同水泥掺量、钙离子浓度和钙源种类加固后的试件进行无侧限抗压强度(UCS)试验，获取试件的无侧限抗压强度随上述影响因素的变化规律。试验设备为Byes3100微机控制电液伺服万能试验机(见图3)，最大试验力1 000 kN，试验力分辨率0.01 kN，变形测量精度0.01 mm，满足试验需求。

图3 微机控制电子万能试验机Fig.3 Servo testing machine

3 结果与讨论

3.1 水泥掺量的影响

黄小满[27]和王贤昆等[28]的研究表明，水泥土强度随水泥掺量的增加而增大，而在实际工程中，水泥掺量一般控制在8%～20%以内较为合理。嵇晓雷等[29]研究表明，由淤泥质粉质黏土制作的水泥土试块，水泥掺入量在10%～25%范围时，水泥掺量为15%时强度增幅最大。本节设计了不同水泥掺量(10%、15%、20%)下的微生物改性水泥土试验。以无菌水泥土作为空白对照组，试验方法如前所述，Ca2+浓度与尿素浓度为1 mol/L，钙源为氯化钙。

图4给出了养护龄期为28 d下，不同水泥掺量试件典型的应力-应变曲线。由图4可知，对照组与试验组的应力-应变曲线在初始阶段都经历了孔隙的压密阶段、弹性阶段和塑性阶段，随后达到峰值，试件开始破坏。试验中取3个平行试件平均值作为强度值。当水泥掺入量提高时，试样的峰值应力都得到了明显的提高，说明水泥的掺入量可以明显增强试样峰值应力。

图4 不同水泥掺量试件典型应力-应变曲线Fig.4 Typical stress-strain curves of test pieces with different amounts of cement

图5给出了试件UCS随养护时间的变化曲线。由图5可知，在相同龄期下，微生物增强水泥土的UCS值均比普通水泥土的UCS值大，且养护龄期为7 d时增长率分别为51.85%、87.5%、47.37%；14 d时增长率分别为19.77%、50.3%、23.26%；28 d时增长率分别为22.81%、64.46%、41%。由图5可以得出：①在养护龄期为7 d时增长率最大，说明除水泥水化作用外微生物的新陈代谢活动最旺盛。②在水泥掺入量为15%时，7、14、28 d的增长率分别为87.5%、50.3%、64.46%，都是最大的，说明15%的水泥掺入量是确保一定强度下，更为经济的水泥掺入量。

图5 UCS随养护龄期变化线Fig.5 Change of unconfined compressive strength with curing age

图6给出了试件UCS随水泥掺入比的变化曲线。由图6可知：①在相同水泥掺入比下，两组试验的水泥土UCS值均随养护龄期的增加而增大，且试验组水泥土UCS值大于对照组。当水泥掺入量为15%时2组试验的组内差距并不大，随着水泥掺入量的增加差值逐渐增大。②对照组试验的UCS由水泥掺入量10%提高到15%时增长率明显小于试验组。这一现象与高松鹤[30]、肖桃李等[31]研究基本一致，而土质不同导致水泥土无侧限抗压强度的变化规律有微小差异。

图6 试块UCS随水泥掺入量的变化曲线Fig.6 Change of unconfined compressive strength with cement dosage

3.2 钙离子浓度的影响

由于钙离子浓度的多少会影响巴氏芽孢杆菌的活性，从而会影响到巴氏芽孢杆菌产生的脲酶量，而脲酶作为MICP过程中重要原料，脲酶量又会影响到CaCO3的生成量，进而影响试件的无侧限抗压强度。本节设计了以氯化钙为钙源下，不同钙离子浓度(0.5、1.0、1.5 mol/L)下的微生物改性水泥土试验。以无菌水泥土作为空白对照组，尿素浓度为1 mol/L，水泥掺入量为15%，试验方法如前所述。

图7给出了养护龄期为28 d的不同钙离子浓度下试件典型的应力-应变曲线。从图7可以看出，如前所述2组试验的水泥土典型应力-应变曲线的试样都经历了压密阶段、线弹性阶段、塑性阶段、到达峰值、试样破坏阶段。试验组的峰值应力都得到了提高。

图7 不同钙离子浓度下试样典型应力-应变曲线Fig.7 Typical stress-strain curves of samples with different calcium ion concentrations

从图7还可看出，试样应力、应变变化的总体趋势是：①控制组钙离子浓度为0.5、1.0、1.5 mol/L时试样的峰值应力分别为4 393.92、5 267.65、5 106.92、4 473.13 kPa，说明低浓度的钙离子浓度更有利于提高水泥土的强度。②试验组的应变增长率分别为17.21%、48.36%、43.44%，说明随着钙离子浓度的提高，试样的峰值应力所对应的应变也跟着提高。当钙离子的浓度达到一定浓度后，峰值应力下的应变不再提高，则说明加入氯化钙溶液后，试样的韧性得到了改善，而最适宜用于改善水泥土韧性的钙离子浓度应在1～1.5 mol/L这个区间及附近。

3.3 变量为钙源

由于钙源的不同则在试样中加入含钙离子的溶液后，试样中所含有的离子也会有所不同，而不同的离子构成会影响到巴氏芽孢杆菌诱导CaCO3这一过程，从而影响到CaCO3生成量，进而影响到试样的无侧限抗压强度。本节设计了三大组试验，即3组钙离子浓度分别为0.5、1.0、1.5 mol/L，仅以钙源(氯化钙、乙酸钙)为自变量，尿素浓度为2 mol/L，并设置无菌水泥土作为空白对照组，试验方法如前所述。

图8为养护龄期为28 d时的典型应力-应变曲线，从图8可知，如前所述试样经历了压密阶段、线弹性阶段、塑性阶段、到达峰值、试样破坏阶段。由图8还可知：①以乙酸钙为钙源的试验组的试样应力峰值增强幅度不明显，而钙源为氯化钙的试验组试样的应力峰值比空白对照组和钙源为乙酸钙的试验组大。②钙离子浓度为0.5、1.0、1.5 mol/L时，氯化钙试验组的试样的峰值应力下的应变增长率分别为17.21%、48.36%、43.44%；而乙酸钙试验组的试样的峰值应力下的应变增长率分别为26.63%、54.92%、69.67%，通过比较得出，峰值应力下的应变增长率：乙酸钙>氯化钙，说明以氯化钙和乙酸钙为钙源都可以改善试样的韧性，而乙酸钙改善试样韧性的效果更好。

图8 不同钙源下试样典型应力-应变曲线Fig.8 Typical stress-strain curves of samples with different calcium sources

3.4 加固机理分析

图9是水泥掺量15%、养护龄期7 d时试验组和对照组的扫描电镜(SEM)结果对比。对比图9(a)、图9(b)可知，7 d时对照组水泥土表面的孔隙多、孔洞大，而试验组水泥土表面在该倍率下孔洞数量已经大幅减少，表面比对照组更加致密。图9(a)中水泥土的土颗粒之间已经有胶凝物质产生但仍有一部分土颗粒未被胶结，水泥土整体呈现较为松散的状态；图9(b)中土颗粒之间有更多的胶结物，水泥土整体上呈现较为致密的形态。

图9 养护龄期7 d时水泥土扫描电镜照片Fig.9 SEM images of cement soil at curing age 7 d

图10是水泥掺量15%、养护龄期28 d时试验组和对照组的扫描电镜(SEM)结果对比。图10(a)中水泥土的土颗粒之间已经有大量胶凝物质产生但仍有少部分土颗粒未被胶结，水泥土整体较为致密，但仍有较多小孔隙；图10(b)中水泥土的土颗粒之间的孔隙基本消失，水泥土整体上呈现致密的形态。因为MICP技术是通过微生物附着在土颗粒表面，以自身为成核位点不断沉积出碳酸钙，从而使土颗粒空隙被填满，孔隙率进一步降低。由微生物沉积的碳酸钙具有胶结作用将土颗粒进一步联结，从而提高水泥土强度。