负压作用下微生物矿化粉质黏土的性能试验研究

2022-05-20刘东鹭岳建伟孔庆梅赵丽敏顾丽华卢会芳

人民黄河 2022年5期

刘东鹭，岳建伟，孔庆梅，赵丽敏，顾丽华，卢会芳

（河南大学土木建筑学院，河南开封 475004）

粉质黏土作为在黄河中下游地区广为分布的一类土体，其稳定性差、承载能力低等缺点给沿岸地区的工程建设造成了困难［1］。对粉质黏土等土体地基加固的传统方法一般有机械振捣压实和人工合成材料灌浆［2］。陈雪松［3］使用高真空击密法对粉质黏土场地进行了加固处理。闫续屏等［4］用超高能级强夯法处理了填海地基。刘飞禹等［5］和柴卓［6］分别使用阳极灌浆法和双液压密灌浆法进行了地基加固。然而，机械振捣压实对土体有扰动并破坏土体原本的结构特征，灌浆法使用的灌浆材料往往难以满足绿色环保的要求。

随着人们对可持续发展和环境友好发展的日益重视，近年来微生物矿化技术（MICP）凭借环保、高效、应用面广等优点，开始应用于地基加固、土层修复等工程中。MICP实质上是利用微生物可以在土体等多孔材料的孔隙中生长、繁殖，借助环境中的尿素等有机物及钙离子，通过新陈代谢诱导生成碳酸钙沉淀，最终使材料得到加固。近年来关于MICP用于土体加固的研究日益增多。吴雨薇等［7］分析了MICP提高土体力学性能的原理。尹黎阳等［8］总结了MICP改善岩土材料性能的影响因素。李明东等［9］对微生物改良土体的进展及工程应用进行了研究和展望。Qabany等［10］和Chu J等［11］通过无侧限抗压试验检测了MICP技术对砂土的固化效果。

矿化处理方法的选择一直是MICP应用的关键。目前，主流的处理方法为灌注、浸泡等。BARKOUKI T H等［12］发现间歇性灌浆可以有效改善加固土体的不均匀性。钱春香等［13］发现灌浆技术不仅施工扰动小，而且可以显著提高砂土的强度和刚度。赵茜［14］发现浸泡法能较好地改善砂土加固的均匀性。然而，灌浆法适用于孔隙较大、渗透系数较大、整体较松散的砂土，对于黏土、粉质黏土等孔隙较小、渗透系数不高的土体来说，灌浆法的加固效果不佳且难以控制［15］。浸泡法仅适用于纯砂土，当砂土中粉粒的含量仅为5%时，经过浸泡矿化处理后，其无侧限抗压强度会降至零［9］，可见浸泡法不宜用于粉粒含量较高的粉质黏土。鉴于传统矿化方法对于粉质黏土的处理存在种种弊端，寻求一种可用于粉质黏土的新型矿化处理方式是当前需要解决的问题。为此，笔者提出在负压作用下对粉质黏土进行微生物矿化处理，并对自然矿化和未矿化处理的土样进行了对比试验，研究了最佳处理方法。

1 试验材料与设备

1.1 试验用土的性质

试验用土取自开封某工地。据地质勘察报告，开封地区粉质黏土渗透系数为6×10-5～1×10-4cm／s，细菌可以在土中存活、迁移，但是液体难以在土中渗透，因此在矿化处理时施加一定的负压来促进菌液的流动，以改善矿化效果。通过颗粒比重试验、液塑限试验、轻型击实试验等确定了试验用土的物理性质参数（见表1），并绘制了颗粒级配曲线（见图1）。

表1 试验用土的物理性质参数

图1 试验用土的颗粒级配曲线

1.2 细菌的培育

本次试验使用的菌株为巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii），购置于上海保藏生物技术中心。以10 g／L的蛋白胨、5 g／L的酵母浸粉、10 g／L的氯化钠混合配制培养基，用浓度为1 mol／L的NaOH溶液调节pH值至9.0，装入锥形瓶内；在温度120℃下高压灭菌20 min后，取出至无菌超净台；将活化后的菌液接种至培养基，接种量为培养基的10%；在温度为30℃、振荡频率为170 r／min的THZ-C恒温振荡培养箱中培养48 h。

1.3 胶结液的配置

试验所用的胶结液为尿素和氯化钙溶液的混合液。尿素是MICP处理过程中必要的反应物，细菌产生的脲酶可水解尿素生成铵根离子，并与溶液中作为钙源的氯化钙溶液发生反应，生成碳酸钙沉淀。在胶结液中加入适量的稀盐酸和NaOH溶液，将其pH值调至8.0。

1.4 直剪试验仪器和负压试验设备

直剪试验采用北京华勘科技责任有限公司生产的PPS四联直剪仪。该直剪仪为全自动控制，能实现匀速剪切。设定剪切速率为0.8 mm／min，对各组土样分别施加50、100、150、200 kPa的法向应力，剪切位移为6 mm时自动结束试验。试验过程参照《土工试验方法标准》（GB／T 50123—2019）。

负压作用下矿化试验采用的特殊加压模具用不锈钢制作，内径为61.8 mm，外径为66.8 mm，内部深度为30 mm，底部厚度为16.5 mm，底部装着一个型号为3分外丝×8 mm的长柄球阀门。用硬质橡胶管连接压力缸、抽压泵和负压模具。负压试验设备示意见图2。

图2 负压试验设备示意

2 试验方法

2.1 微生物的数量与活性、时间关系试验

菌液中细菌的数量对矿化效果影响较大，而在pH值、温度等条件一定的前提下，生长时间决定了细菌数量。刘冬等［16］对巴氏芽孢杆菌最宜培养时间进行了研究。Chou等［17］研究发现高浓度菌液下的矿化效果优于低浓度菌液。为了研究巴氏芽孢杆菌在培育过程中的数量和尿素分解能力的变化过程，分别取2、4、6、8、10、12、18、24、30、36、42、48 h这12个时间点记录菌液在波长为600 nm下的光密度值（OD600）和35℃下的电导率值。

菌液中微生物浓度Y计算公式［18］为

OD600小于0.2时不计算微生物浓度，OD600大于0.8时需要稀释菌液再进行计算。

脲酶活性用电导率法来测定。在温度35℃下，将1 mL待测菌液和9 mL的尿素溶液（浓度为1.11 mol／L）充分混合，测定每分钟电导率变化量（S／（m·min））。根据Whiffin［19］的研究成果，1 S／（m·min）的电导率变化对应11 mM urea hydrolysed／min的尿素水解量（对于稀释后的菌液需再乘以稀释倍数），得到菌液每分钟尿素水解量，以此表示脲酶活性。脲酶活性除以OD600值，得到单位脲酶活性［14］。

2.2 菌胶比和胶结液浓度试验

菌液、胶结液的比例和胶结液浓度对碳酸钙生成量和矿化效果影响很大［20-21］。笔者设计不同的菌胶比和胶结液浓度，测定矿化反应后碳酸钙的生成量，最终得到最优菌胶比和最佳胶结液浓度。

设计每组试验中菌液和胶结液的总体积为25 mL，菌液和胶结液的体积比分别为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7，其中每种菌胶比再设置5个胶结液浓度，分别为0.5、0.75、1、1.25、1.5 mol／L，共45种试验工况。将混合液加入试管，充分摇匀后静置24 h，使沉淀和清液分离。除去上层清液，用过量稀盐酸溶解沉淀，使其释放出游离钙离子。用EDTA滴定法检测钙离子体积分数，测试方法参照《水质钙的测定 EDTA滴定法》（GB 7476—87）。利用钙离子的体积分数计算碳酸钙的质量，进而得到最优菌胶比以及最佳胶结液浓度。

2.3 负压作用下矿化试验和直剪试验

根据当地的地质勘查报告确定试验土样的基本参数。由于含水率对土的抗剪强度有较大影响［22］，因此制样过程中要保证每个土样的含水率一致。每个土样含水率为15%，干密度为1.6 g／cm3，孔隙率为41.17%，孔隙体积为24.685 cm3。为了保证矿化效果，每个土样滴注的液体体积为25 mL。

根据上述参数制作2组环刀土样，每组4个，分别滴注25 mL的水、菌液和胶结液的混合液（以下称矿化液，最优菌胶比和最佳胶结液浓度由2.2节的试验结果得到），滴注完毕后静置10 min，对土样进行密封，置于封闭阴凉环境下养护3 d。2组土样中，一组未进行矿化处理，试验组号为T1；另一组进行自然矿化处理，试验组号为T2。

同样在加压模具内制作5组土样，每组4个，设标准大气压为Pa，设计5个负压值，分别为（0.4～0.5）Pa、（0.5～0.6）Pa、（0.6～0.7）Pa、（0.7～0.8）Pa、（0.8～0.9）Pa；将装着土样的模具与抽压泵连接，并将抽压泵调节至所需的负压值，在抽压过程中往土样上表面连续滴注25 mL的矿化液；若下方橡胶管内出现液体或者试样出现损坏，则停止抽压，关闭阀门，滴完剩余矿化液，以保证每个土样内滴加液体的质量一致；然后静置10 min，将土样密封并置于封闭环境下养护3 d。这5组土样对应上述5个负压进行矿化处理，试验组号为T3～T7。

试验结束后，在相同情况下进行了重复验证性试验，确保试验可靠。养护时间结束后，对土样进行脱模。通过直剪试验检测各个分组土样的抗剪强度。试验数据由配套软件自动采集，通过Origin拟合得到法向应力—抗剪强度图，进而得到黏聚力和内摩擦角。

2.4 碳酸钙分布检测试验

负压作用的影响可以通过碳酸钙沉淀在土样内的分布情况来说明。用酸洗法来测定碳酸钙质量。将T2组到T7组的第一个土样平均分为上、中、下三部分，称重后放入温度105℃的烘箱内烘干。对烘干的土样进行称重，然后加入过量稀盐酸搅拌，反应完全后用大量的清水冲洗。重复上述步骤直至加入稀盐酸后没有气体逸出。烘干后称量土样，计算损失质量，得到碳酸钙的质量。

2.5 微观电镜观察试验

土样的力学性能和其内部微观结构密切相关，对土样进行微观电镜观察试验有助于解释宏观力学性能提高的原因。直剪试验结束后，对各个试验分组中的第2个土样的剪切面中心位置进行取样，并将其碾碎烘干。通过S2700扫描电镜，在放大1 000倍和5 000倍的情况下观察土样内碳酸钙沉淀的形态和分布情况。

3 结果与讨论

3.1 微生物的数量与活性数据分析

细菌生长曲线和脲酶活性曲线如图4所示。可见，在前10 h时间内，细菌数量增长较为缓慢；从10 h到30 h，细菌新陈代谢和分裂生长速度加快，数量呈现指数增长趋势；30 h后，细菌进入生长稳定阶段，总体数量趋于稳定。脲酶活性与细菌数量的变化趋势相似。随着细菌数量的增多，脲酶活性也在逐渐上升并在18 h后趋于稳定。单位脲酶活性在6 h左右出现峰值，之后便随着细菌数量和脲酶活性的上升而减小，与赵茜［14］得到的结果一致，具体原因尚无法得知。相较于单位脲酶活性，菌液脲酶活性即菌液水解尿素的能力更重要。综合图像分析，选用培养时间为24～48 h的菌液为宜。

图4 细菌生长曲线和脲酶活性曲线

3.2 最优菌胶比和最佳胶结液浓度数据分析

不同菌胶比和胶结液浓度下碳酸钙沉淀量如图5所示，在菌胶比从3∶1减小到1∶7的过程中，碳酸钙沉淀量呈现先增大后减小的趋势，并且在菌胶比为1∶7处减至几乎为零。除了胶结液浓度为0.75 mol／L的情况，其他试验结果皆在菌胶比为1∶1时达到碳酸钙沉淀量的峰值。本次试验胶结液浓度为1.5 mol／L、菌胶比为1∶1时碳酸钙沉淀量达到最大值，为1.3 g。然而，通过计算可知理论上碳酸钙最大沉淀量为2.08 g，虽然该结果与理论值差值较大，但是仍具有参考价值。

图5 不同菌胶比和胶结液体积分数下碳酸钙沉淀量

根据试验结果，最优菌胶比取1∶1，最佳胶结液浓度为1.5 mol／L。

3.3 负压作用下矿化试验和直剪试验数据分析

各试验分组的法向应力—抗剪强度关系如图6所示，黏聚力和内摩擦角如图7所示。可见，T3～T6组土样的黏聚力和内摩擦角都随所加负压值的增大而增大。但是对比T6组和T7组可以看出，当负压值继续增大时，黏聚力和内摩擦角非但没有增大，反而分别减小了7.94%和9.25%。相比于未进行矿化处理的T1组，T2组黏聚力和内摩擦角分别增大了22.85%和13.04%，而T6组增大了87.14%和48.74%。可见，自然矿化处理下粉质黏土的力学性能提升有限，但是施加了适当的负压作用后，矿化效果得到较大改善，力学性能明显提高。相比于自然矿化处理的T2组，T6组土样黏聚力和内摩擦角分别增大了52.32%和31.58%，而T3组土样仅增大了4.18%和8.25%。可见，所施加的负压大小不同，矿化效果有着明显的差异。

图6 各试验分组的法向应力—抗剪强度关系

图7 各试验分组的黏聚力和内摩擦角

分析全部试验结果可见，自然矿化处理的T2组土样抗剪强度提升效果不佳，这是因为粉质黏土的土颗粒粒径较小，孔隙也较小，渗透性较差，所以在滴注过程中大量的菌液和胶结液聚集在土样上表面而无法迅速进入其内部，从而使碳酸钙沉淀的生成、土颗粒的胶结乃至填充等一系列矿化作用只在其表面和上半部分进行，土样内部的力学性能并未得到有效提升。而当土样所加负压较小时，如T3组，聚集在土样表面的菌液和胶结液难以受到来自土样底部的负压作用，不易进入土样内部，使得微生物的矿化效果无法在土样内部大范围显现，其力学性能相比于自然矿化处理的土样提升有限。在负压增大过程中，随着土样内压强的增大，更多的菌液和胶结液不断深入土样内部并进行矿化反应，产生碳酸钙沉淀，填充了土颗粒之间的孔隙。同时，土样本身在负压作用下还会产生紧缩效应，土颗粒之间的孔隙缩小，土样整体变得更加密实，所以抗剪强度明显提高。然而，过大的负压对土样的力学性能起到了副作用，如T7组的抗剪强度相比T6组的降低，原因是过大的负压对土样本身造成了破坏。从试验结束后土样的外观特征可见，相比于其他组，T7组土样的边缘作为比较薄弱的部位发生了破坏。土样表面的液体在被快速吸入内部的同时，土颗粒之间较为薄弱的部分也因过大的负压而破坏，颗粒间孔隙瞬间扩大，在宏观上的表现就是出现裂缝。在负压作用下矿化液快速通过裂缝的过程中造成了侵蚀，从而进一步降低了土样的力学性能。

3.4 碳酸钙分布测定试验数据分析

各试验分组土样不同部位的碳酸钙沉淀量如图8所示。从T2组到T7组，随着矿化过程中施加的负压增大，土样上部的碳酸钙沉淀量减小，下部的碳酸钙沉淀量增大，而中部的碳酸钙沉淀量在T6组发生先增大后减小的变化。土样中部碳酸钙沉淀量的变化规律与黏聚力变化规律基本一致。这是因为直剪试验的剪切部位为土样中部，所以中部的碳酸钙沉淀分布越多、越密集，土颗粒孔隙的填充和胶结效果越好，土样抗剪强度越高。这也就解释了T6组抗剪强度大于T7组，同时T6组中部碳酸钙沉淀量大于T7组的原因。

负压作用对微生物矿化的均匀性也有较好的改善效果。由图8可知：T3组到T7组的各部位碳酸钙沉淀量的差值明显小于自然矿化的T2组；在T3组到T7组中，T5组的土样均匀性最好，优于抗剪强度最高的T6组。

图8 各试验分组土样不同部位碳酸钙沉淀量

3.5 微观电镜下碳酸钙沉淀形态分布观察

通过微观电镜图片来解释负压作用下微生物矿化技术原理。图9～图11分别是自然矿化处理的T2组、负压作用下矿化效果不佳的T3组和负压作用下矿化效果最好的T6组土样的电镜图片。

图9 T2组土样扫描电镜图片

图10 T3组土样扫描电镜图片

图11 T6组土样扫描电镜图片

T2组土样放大1 000倍可见，土颗粒表面上有数量稀少、分布零散的碳酸钙沉淀，同时土颗粒之间还有较大的孔隙，彼此之间并不紧密。查阅文献可知，矿化作用产生的碳酸钙晶体一般有方解石、球霰石和文石［23］3种晶相，其中方解石在自然界中分布最为广泛，性质最为稳定，形态主要呈菱形、柱形及球形。T2组土样放大5 000倍可见，生成的碳酸钙晶体形状不规则，有棱角，可判断为方解石晶体。

T3组土样放大1 000倍可见，其土颗粒分布相比于T2组略为紧密，中间胶结了数量可观的方解石晶体；放大5 000倍可见，方解石晶体的形状与彭劼等［21］在试验中观察到的（如图12所示）比较相似。

图12 彭劼等观察到的方解石晶体

T6组土样放大1 000倍可见：一方面适当的负压作用对土样有压缩作用，土颗粒之间的孔隙比T2组、T3组的更小，彼此之间更紧密，土样整体变得更加密实，这在宏观上则是土样的力学性能提升的表现；另一方面，矿化液在负压作用下迅速进入土样内部，而不仅仅是在其表面或者上半部分发生矿化反应，生成大量的方解石晶体。其放大5 000倍可见，方解石晶体在土颗粒间孔隙中不断产生、堆积，使得原本未接触的土颗粒连接在一起，起到了填充和胶结的作用，进一步解释了力学性能提高的原因。