黄原胶改进MICP加固效果的试验研究

2022-05-26林泓民卫仁杰李亮亮温智力

河南科学 2022年4期

林泓民，卫仁杰，李亮亮，温智力，彭劼

（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）

在我国倡导建设环境友好型社会的大背景下，选择新型可持续的土体加固方法尤为重要，因此微生物诱导碳酸钙沉积（microbially induced carbonate precipitation，MICP）在固化土体方面的应用受到了越来越广泛的研究和关注［1-4］.相较于传统的真空预压、化学灌浆等固化方法，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［5-7］，该技术结合了微生物学、地球化学和土木工程学，涉及的影响因素众多，目前主要受到关注的有：胶结液配方［8］、钙源种类［9］、温度［10］、注浆方式［11］、土体类型［12］等.

尽管MICP技术有着众多优点，但该技术在实际运用过程中仍存在一些不足，包括适用范围有限［13］、固化后土体抗变形能力弱［14］、碳酸钙分布不均匀［15］等问题，其中加固效果的不均匀问题尤为突出，不少学者在不同尺寸［16-18］的加固试验中报道和分析了MICP处理的不均匀性，并认为不均匀性问题限制了MICP技术的进一步运用.为解决这一难题，许多学者都对此进行了研究.Harkes［19］认为使细菌（即脲酶活性）均匀分布是获得均匀CaCO3并提高灌浆柱强度的关键.Cheng和Cord-Ruwisch［20］采用交替注入菌液和胶结液的方式改善了长距离渗入法注浆加固砂土的均匀性.部分学者也采用引入外加剂的方式来弥补MICP技术的其他不足.Choi等［21］从土体经MICP固化后韧性较差的问题出发，在渥太华硅砂样中掺入聚乙烯醇纤维进行加固试验，对MICP技术增强砂的工程性能进行了进一步评价.除此之外，还有学者利用羧甲基纤维素钠［22］、粉煤灰［23］作为外加剂进行了MICP固化试验探究，均取得了不错的效果.在MICP固化土体的过程中加入合适的外加剂，可以综合两者的优势，改善MICP技术，拓宽其应用范围，但目前对于改良均匀性的问题，主要采用调整注浆方式的方法，并未有学者采用引入外加剂的方式进行试验探究.

本文在MICP固化试验中将黄原胶引入到注浆过程中，旨在解决砂样固化效果不均匀的问题，探究其作用机制，为改良不良土提供了的新思路.

1 试验材料

1.1 黄原胶

黄原胶价格较低，具有高溶解度，主要性状为浅黄色至白色可流动粉末，是目前国际上性能优越的生物胶之一，其溶液无色透明，无毒不刺激，具有耐盐性、强假塑性、悬浮性和乳化性等特点［24］.选用黄原胶作为外加剂，目的在于减慢渗流速度，增加砂样内部胶结液留存量，使得细菌能更充分地与胶结液反应，改进加固效果.

1.2 微生物培养

试验选用巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii），根据张楠等［25］针对巴氏芽孢杆菌的特性研究发现，巴氏芽孢杆菌最适生长条件为：温度30～33℃、pH值8.0、NaCl浓度为20 g/L.细菌培养基成分如下：20 g/L酵母提取物、10 g/L的NH4Cl、0.024 g/L的Ni（Cl）2·6H2O和0.01 g/L的MnSO4·H2O，并用2 M（单位M即mol/L）的NaOH溶液调节培养液pH至8.0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.

1.3 胶结液配置

试验选用的胶结液主要由0.5 M尿素（urea）、0.5 M的CaCl2和一定量的黄原胶配制而成的，其中尿素为生物的生长提供氮源，CaCl2为MICP过程提供钙源，黄原胶作为外加剂.

1.4 试验砂样

根据前期的预试验发现粒径过大或过小的砂样均不利于微生物砂土颗粒间分泌碳酸钙，因而也不利于试样固结，故选用粒径范围分别在0.075～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm之间的砂样进行试验，三种砂样均为福建标准砂晾干筛分后所得，土粒比重在2.64左右.试验前砂样已冲洗并晾干.

1.5 注浆试验装置

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，砂样高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 of test device and mold

2 细菌培养试验

2.1 试验方法

黄原胶具有温和无毒的特性，但对本文使用的巴氏芽孢杆菌的生长是否存在影响仍未有前人研究，若黄原胶影响细菌生长并降低细菌活性，将会影响MICP的过程，因此在细菌培养过程中引入黄原胶，探究黄原胶对巴氏芽孢杆菌生长的影响.

依据1.2中介绍的培养基配方配置7瓶100 mL的培养基溶液，高压蒸汽灭菌后冷却静置，加入黄原胶粉末，配置黄原胶质量分数分别为0.000%、0.025%、0.050%、0.075%、0.100%、0.150%和0.200%的混合培养基溶液.混合均匀后，在每100 mL培养基中加入1 mL菌液，放入恒温振荡箱培养，并测定细菌的活性与细菌的密度OD600值.

2.2 OD600、活性测定及数据分析

细菌培养完成后采用可见光分光计测定OD600表征细菌含量，由于黄原胶溶液本身无色透明，经试验测定单纯的黄原胶溶液对OD600的测定影响不大，可忽略不计.细菌活性采用电导率法［26］测定，使用电导率仪测定每分钟平均电导率变化值（ms·min-1）.根据Whiffin的经验数据，1 ms·min-1的电导率变化对应11 mM每分钟的尿素水解量.考虑到菌液与尿素混合过程中被稀释了10倍，乘以10得到待测菌液每分钟水解的尿素量，用此值来代表脲酶活性.

细菌培养过程中每隔一定时间测定OD600值，当达到1.300左右时，视为细菌培养结束，此时测定活性，培养耗时见表1.活性及OD600如图2所示，两者的变化规律基本相同.前四组培养耗时均为12 h，未加入黄原胶的培养基，细菌活性和OD600最高，分别为8.14 mM urea hydrolysed·min-1、1.400；0.025%、0.050%、0.075%三组随着黄原胶含量的升高，活性与OD600略有下降，但下降幅度不大，活性仍保持在7 mM urea hydrolysed·min-1以上.三组含量较高的试验组数据表明随着培养基中黄原胶含量的提高，所需的时间逐渐增加，活性依次为6.82、6.38、7.7 mM urea hydrolysed·min-1，OD600为1.274、1.314、1.411，与低含量的四组基本持平，差距不大.细菌活性与OD600值相关，用活性除以OD600值，近似得到单位含量细菌的活性，7组试验组分别是5.8、6.0、5.8、5.7、5.4、4.9、5.5，高含量的三组略有下降，但差距不大，说明单位含量细菌的活性并未因黄原胶的加入而有大幅下降.

图2 活性及OD600Fig.2 Activity and OD600

表1 细菌培养耗时Tab.1 Bacterial culture times

结合数据发现黄原胶仅会减缓细菌生长，延长培养所需的时间，未发现其他优点，故在培养过程中无须加入黄原胶，本文后续试验均采用普通菌液.

3 砂柱试验

3.1 试验方法

本文选取三种不同粒径的砂样进行MICP砂柱试验，每组试样灌浆均为10次，在模具内制备高100 mm的砂柱试样.采用分步注浆法［27］，首先灌注固定液（0.05 M CaCl2溶液），静置6 h后，灌注菌液，再静置12 h后开始灌注胶结液，之后每12 h灌注一次胶结液.注入的固定液、菌液和每次灌注的胶结液体积均为一倍砂样孔隙体积.不同粒径砂样的渗透系数采用常水头法测得.结合试验需要，配置了不同黄原胶含量的胶结液，胶结液由0.5 M的尿素、0.5 M的CaCl2以及不同含量的黄原胶配制而成，具体试验参数如表2所示.

表2 砂柱试验的相关参数Tab.2 Sample parameters of sand column tests

3.2 数据测定

3.2.1 溶液黏度测定

郑梅霞［28］等在研究黄原胶的流变性时发现，含有黄原胶混合溶液的黏度随着黄原胶含量的升高而升高，黏度越高流变性越低［24］.本文采用涂4黏度计测定7种胶结液的黏度，依据《石油产品运动黏度测定法和动力黏度计算法》（GB/T 265—88）测定，方法是将被测液体盛满黏度杯，打开下方开关，同时启动秒表，试液流出呈线条状，直至断开时止停秒表，记下时间，多次试验，并取平均值T（s）.黏度值v（mm2/s）参照公式（1）计算.

3.2.2 砂样中胶结液留存量测定

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［29-30］，此时砂样的持水能力可由砂样内的胶结液留存量表征，而胶结液留存量的多少则会影响MICP固化过程.本试验采用如图1所示的注浆装置，将一倍孔隙体积V的胶结液注入砂样后静置24 h，收集流出液并测量体积记为V1，则砂样的胶结液留存量可由V-V1近似求得.

3.2.3 流出液Ca2+含量监测

溶液中Ca2+含量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+含量的变化来监测试样内部的胶结过程.

3.2.4 碳酸钙含量测定

试验结束后，将烘干的砂样分为上、中、下三部分，分别放入烧杯中，称取烧杯质量m1以及烧杯与砂的总质量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.通过式（2）得到碳酸钙质量分数CCa2+.

3.2.5 无侧限压缩试验

强度试验采用YSH-2型无侧限压力仪，最大量程为5 kN.将脱模后的砂样放入烘箱，烘干后进行无侧限抗压试验，应变速率控制在1 mm/min.

3.3 试验结果分析

3.3.1 黏度

黏度数据如图3所示，黄原胶质量分数与黏度值基本呈线性正相关，随着黄原胶质量分数的增加，黏度值也逐渐增加.无黄原胶试验组的胶结液，黏度约为19.0 mm2/s，本次试验使用的胶结液黏度在19.0～82.5 mm2/s之间，0.200%黄原胶的胶结液黏度约为无黄原胶试验组的4倍.

图3 溶液黏度Fig.3 Solution viscosities

砂样粒径为0.075～0.5 mm的5组试样因渗透性较差，高含量黄原胶无法下渗，试验无法进行，故后续试验选用的黄原胶质量分数为0.000%～0.100%.

3.3.2 砂样中胶结液留存量

各组砂柱的孔隙体积均在80 mL左右，故每组砂柱均灌注80 mL胶结液，留存量数据如图4所示.由于砂土微观结构存在差异，粗颗粒砂土的最大持水率低于细质砂土的最大持水率［31］.本文中的三种砂样也符合该规律，同一黄原胶含量下的胶结液留存量，S组＞M组＞L组.对于同一粒径的砂样而言，随着黄原胶含量的增加，胶结液留存量逐渐增加，S组增长不明显，最大增长量仅为5.4 mL；M组从34.5 mL增长至67 mL，增长了32.5 mL；L组则从18 mL增长至51.8 mL，增长了为33.8 mL.三组数据经线性拟合后得到三条趋势线，M组、L组增长的趋势基本相同，斜率分别为198和160，同一黄原胶含量下的胶结液留存量，M组均较L组高25 mL左右，S组线性拟合得到的直线的斜率约为46.4，斜率较小，说明随着黄原胶含量的增长，胶结液留存量增长幅度较小.分析其主要原因是因为S组砂样粒径较小，持水能力较强，五种黄原胶含量的胶结液均保持一个较高的留存量值，即使是未加入黄原胶的S1号砂样，留存量也达到了76 mL，留存率为95.0%；M组、L组因砂颗粒较大，砂样渗透性较好，持水能力较差，黄原胶对胶结液留存量的影响更为明显.故对于原本持水能力较差，渗透性较高的砂土，黄原胶含量的增加能有效提高胶结液的留存量，提高胶结液利用率.

（1）圆柱墩的施工较为简单，工程质量可以保证，需要根据具体的结构形式来选择合适的墩柱直径尺寸，一般都是使用在高度不足35m的情况之下[4]。桥梁选择使用不同的墩高尺寸就要确定不同的柱径，其选择的基本原则就是施工的方便和质量。墩身刚度以及桥梁抗震性能可以来设计横向桩体结构形式，还要根据实际情况对柱间梁进行强化。

图4 砂样中胶结液留存量Fig.4 Cementation reagent retention stock in sand samples

3.3.3 流出液Ca2+含量

细粒组中S3、S4、S5因黄原胶质量分数过高，胶结液无法有效渗透，分别仅注浆8、3、1次，如图5所示.从图中可得到以下规律：对于0.075～0.5 mm的砂样，黄原胶质量分数越高，流出液Ca2+浓度越低，Ca2+利用率越高.流出Ca2+浓度最低的S3号砂样，Ca2+浓度约为0.05 M，基本消耗完全，但因胶结液黏度过高，渗流速度较慢，造成试样内部淤堵，只进行了8次注浆，故综合比较，黄原胶质量分数为0.025%的S2号砂样可能更适合0.075～0.5 m的细颗粒砂样，流出液浓度也保持在0.15 M左右.

图5 S组流出液Ca2+浓度Fig.5 Ca2+concentration in effluents of group S

因黄原胶质量分数为0.200%的胶结液黏度过大，中粒组中M5砂样仅灌浆6次，其余四组均灌注10次，M组的流出液Ca2+浓度如图6所示.对于0.5～1 mm的砂样，黄原胶的引入能提高胶结液中的Ca2+利用率，且黄原胶质量分数越高，流出液Ca2+浓度越低，M4、M5号砂样数据基本在0.05 M左右，Ca2+反应完全，结合灌浆次数与砂样淤堵情况，对于0.5～1 mm中等颗粒的砂样，0.150%的黄原胶含量能使胶结液利用率最大化.

图6 M组流出液Ca2+浓度Fig.6 Ca2+concentration in effluents of group M

粗粒组中5组试验组砂样均未发生淤堵，成功灌注10次，数据如图7所示.对于1～2 mm的砂样，黄原胶也能提高胶结液中的Ca2+利用率，规律基本与S组、M组相同.未加入黄原胶的L1号砂样，流出液Ca2+浓度达到了0.35 M左右，Ca2+消耗量较少；因L组颗粒较大，砂样的渗透性较好，胶结液留存量相对较低，即使是流出液中Ca2+浓度最低的L4、L5号砂样，流出液Ca2+浓度也在0.1 M左右，并未完全消耗，但低含量黄原胶的胶结液利用率有了很大的改善.故对于粒径为1～2 mm粗颗粒的砂样，黄原胶质量分数为0.150%、0.200%能使胶结液利用率最大化.

图7 L组流出液Ca2+浓度Fig.7 Ca2+concentration in effluents of group L

综上所述，对于不同粒径的砂样，适宜的黄原胶含量有所不同.粒径较小的S组，黄原胶的引入可能造成胶结液黏度过大，影响正常注浆，而颗粒越粗，黄原胶含量越大，胶结液中Ca2+的消耗量越大.故在不影响胶结液正常注入的前提下，黄原胶含量越高，胶结液中Ca2+利用率越高.

3.3.4 砂柱中的碳酸钙含量

碳酸钙质量分数数据如图8～10所示.对于粒径较小的S组，砂样上部碳酸钙含量较高，而中下部质量分数仅在2%～4%左右，上部明显高于中下部.对于S1组，即未加黄原胶的试验组在灌注10次胶结液后，上部碳酸钙质量分数达到了12.31%，远高于中、下部的1.95%、3.02%.S2也呈现出相同的规律，且上部碳酸钙含量更高，达到了16.25%，同时S3、S4、S5成功灌浆的次数也在减少，说明对于颗粒较细的砂样，其渗透系数较低，试验结束后本身上部碳酸钙含量较高，随着黄原胶含量的增加，砂样上部碳酸钙沉积量增加，更易发生淤堵，故黄原胶对细粒径的砂样MICP效果的改进意义不大.

图8 S组砂柱碳酸钙分布Fig.8 Calcium carbonate distributions in sand columns of group S

图9 M组砂柱碳酸钙分布Fig.9 Calcium carbonate distributions in sand columns of group M

L组碳酸钙分布的变化规律基本与M组相似，但因其颗粒更大，渗透性更好，5组砂样均成功灌浆10次，但也因此碳酸钙分布更为不均，L1组的上、中部碳酸钙质量分数仅为1.16%、1.27%，随着黄原胶的引入，三个部位的碳酸钙含量均有所增长，上部最为明显，造成这一现象的原因是，黄原胶的引入，大幅度增加了砂样中胶结液的留存量，故碳酸钙生成量增加，而胶结液黏度的增加，减缓了渗流速度，使得胶结液在砂样上部的停留时间增加，细菌能在上部产生更多碳酸钙.对于颗粒最粗的L组，黄原胶质量分数为0.200%的L5号砂样均匀性最佳.

综上所述，黄原胶的引入确实能调整碳酸钙的生成区域，适宜的黄原胶含量，能有效改善砂样内部碳酸钙分布的均匀性，主要表现为提高砂样上、中部的碳酸钙含量，且黄原胶含量越高，该现象越明显.但对于颗粒较小的试样，因其渗透系数较小，易造成上部淤堵，不利于MICP在整个砂样内部的有效进行.

3.3.5 无侧限抗压强度

注浆结束后，将成型的砂样进行无侧限压缩试验.S组的成型情况如图11所示，S1～S5号砂样均未固结成整体，S1～S4号砂样中部出现断裂，结合碳酸钙含量数据，碳酸钙分布极不均匀，砂柱上部含量较高，中下部明显减少，导致砂柱内部出现断层，造成中部断裂；S5试验组胶结液黏度过高，发生淤堵，仅在砂样上表面生成碳酸钙.

图10 L组砂柱碳酸钙分布Fig.10 Calcium carbonate distributions in sand columns L

图11 S组砂柱成型情况Fig.11 Sand-column molding of group S

M组的砂样成型效果较好，五组均加固成型，且有一定强度，数据如图12所示.浸水前与浸水后砂样强度规律相同，除仅成功灌浆6次的M5外，其余四组满足胶结液中黄原胶含量越高，强度越高的规律.浸水前强度从M1的225.2 kPa增长到M4的568.8 kPa，增长了约1.5倍；浸水后的强度明显下降，较浸水前下降了约50%，这主要是浸水前砂样内部可溶性结晶盐也有一定胶结作用［32］，浸水后，可溶性盐结晶溶于水，砂样内部仅留存不可溶的碳酸钙沉淀，此时强度降低明显.仅灌注黄原胶的砂样强度在10 kPa左右，低含量的试验组甚至没有成型，这说明黄原胶溶液在烘干后对砂样强度增长帮助并不大.结合碳酸钙含量数据，M1号样中部碳酸钙含量较低，其最终破坏形态也为中部破坏，如图13所示，这说明砂样整体的无侧限强度主要取决于薄弱区域，也说明了碳酸钙分布的均匀性对强度的重要性.

图12 M组砂柱无侧限强度Fig.12 Unlimited strengths of sand columns of group M

图13 M组试样主要破坏形式Fig.13 Main failure modes of group M specimens

L组的颗粒大小为1～2 mm，颗粒较大，颗粒间接触点较少，胶结液渗流速度较快，固化难度高，故L1～L3均未成形，仅高含量的L4、L5号样成型，五组均灌注10次，数据如图14所示.如图15，L4、L5浸水前强度基本相同，均达到了550 kPa以上，浸水后分别为168.9 kPa和253.4 kPa，下降较大的原因在于L组本身颗粒间接触点较少，可溶结晶盐溶解后，未胶结的接触点数量占比增加，造成强度下降明显.尽管L组浸水前后强度较低，但较L1号样，L4、L5成型完好，有一定强度，说明黄原胶的引入对改善粗颗粒砂样的固化效果有显著提高.

图14 L组砂柱无侧限强度Fig.14 Unconfined strengths of sand columns of group L

图15 L组砂柱浸水后无侧限试样破坏情况Fig.15 Failure of unconfined specimen of group L sand columns after immersion in water

综上所述，黄原胶的引入对最终固化强度有一定影响，粒径较小的S组，黄原胶会加剧砂样上部的淤堵现象，而对于颗粒较大，持水性较差的M组、L组，在胶结液中加入适宜的黄原胶，能显著改善成型效果，调整碳酸钙分布，提高最终加固强度.

4 机理分析

利用MICP技术固化砂土是个复杂的过程，其中碳酸钙分布的均匀性是衡量最终固化效果的重要指标，为提高MICP加固砂柱的均匀性（即调整碳酸钙结晶的空间分布），必须在不减少碳酸钙生成量的前提下控制碳酸钙沉淀的生成区域，黄原胶的引入则为均匀性的改善提供了新方法.

已有研究表明，胶结液注入速率越慢，胶结程度越好，注入源附近胶结物质生成量越大［33］，但不同于普通的降低注浆速度，在胶结液中加入黄原胶，增加溶液黏度的做法，在无须降低注浆速度的基础上，还能减缓胶结液在砂样内部的渗流速度，缓解冲刷效应，甚至可以通过加快注浆速度，大大减少时间成本.除此之外，加入黄原胶后的胶结液变得更为黏稠，在不影响有效注浆次数的前提下，胶结液因较快的注浆速度和较慢的渗透速度，在注浆过程中可形成饱和式注浆，使得胶结液与吸附于颗粒表面的细菌接触更为充分，提高了胶结液的利用率.另外，注入胶结液后，砂样内部溶液逐渐达到稳定，胶结液在砂样下部留存，留存量与砂样粒径有关，若砂样粒径较大，过快的渗流速度将导致砂样上部细菌与胶结液接触时间短，接触量少，造成碳酸钙含量偏低，但加入适量黄原胶后，砂样中上部固化效果有了明显改善，更长的接触时间也提高了胶结液的利用效率.

对于细颗粒砂样而言，渗透性较差、孔隙较小、孔喉效应等因素都使得其更易发生淤堵，在胶结液中加入黄原胶，会使得胶结液流动速度更慢，更难渗透入砂柱内部，导致注入源周围（砂样上部）局部胶结，发生堵塞.胶结液在砂样内部的渗流速率在很大程度上取决于注入源的流速［33］，较快的流速允许胶结液沿着渗流路径输送到更远的地方，也使化学物质的输送更加均匀，因此为缓解细颗粒砂柱易淤堵的这类情况，一般的做法是提高注浆速度.由此可见，在使用MICP技术固化渗透性较差的土样时，不适宜加入黄原胶.

相较于容易淤堵的细颗粒砂样，颗粒较粗的砂柱最终固化效果完全不同.胶结液在粗颗粒砂柱内部渗流速度较快，碳酸钙生成分布呈现出下部＞中上部的现象，但粗颗粒砂样因其高渗透性、大孔隙、颗粒间的接触点较少等原因，经普通的胶结液固化处理后，大量游离碳酸钙在砂柱下部沉积，而中上部碳酸钙含量极低，砂柱基本无法整体成型，即使降低注浆速度，缓解冲刷效应，固化效果仍不理想［13］.但引入黄原胶后，胶结液黏度大幅增加，胶结液在砂样内缓慢渗透，砂柱内中上部的细菌与胶结液接触量、接触时间都更为充分，尿素的消耗和碳酸钙沉淀的速率大于渗透的速度，使得碳酸钙大量沉积，中上部砂颗粒得到了有效胶结，克服了因孔隙较大，游离碳酸钙的含量较多的缺陷，随着加固次数的增加，最终到达了调整碳酸钙生成区域的目的，改善了MICP技术固化粗颗粒砂样的均匀性.