微生物与水泥固化南海珊瑚砂的强度及微观特征对比试验

2022-07-10许鹏旭冷勐彭劼卫仁杰

科学技术与工程 2022年16期

许鹏旭，冷勐，彭劼，卫仁杰

(河海大学土木与交通学院，南京 210098)

近年来，南海群岛的开发是中国海洋强国战略中的核心环节。在实际岛礁工程的建造过程中，地基土体的颗粒形状、建材的运输费用、海域环境影响等问题都值得关注[1-3]。传统的地基固化技术中，真空预压和化学灌浆等固化方法较为常用[4-5]，但普遍存在工期长、能耗大、成本高、污染环境等不足[6-7]，环境污染问题较为严重。其中，化学灌浆技术应用广泛，主要以水泥作为材料，20世纪70年代日本福冈中毒事件以后，化学浆体的毒性不容忽视。南海珊瑚岛礁远离大陆，建造开发人工岛中，大面积使用化学浆体会对周围海域的生物、地质产生深远的影响。考虑到南海海域生态环境的稳定性、安全性等因素，需要研究和发展毒性较小的土体加固方法，而微生物诱导碳酸钙沉积(microbially induced carbonate precipitation，MICP)由于具有污染小、能耗低、环境友好等特点，受到了中外学者的广泛的关注[8-10]。

MICP是一种由特定细菌的代谢产物与周围环境中的物质合成碳酸钙晶体的过程，本质上是微生物的矿化作用[11-13]。在MICP加固砂土的过程中，主要通过生成的沉淀物与砂颗粒之间发生反应，最终使整体砂样胶结成型。将MICP技术用于加固南海珊瑚砂时，首先要考虑加固后土体强度的问题。目前，众多学者研究了MICP技术加固珊瑚砂后试样的强度，加固后的强度不尽相同。郑俊杰等[14]通过对3种粒径级配的钙质砂进行微生物固化，测定了无侧限抗压强度、比重和碳酸钙含量等数据，发现钙质砂土骨架差异性以及碳酸钙分布均匀性是微生物固化钙质砂的强度离散性主要决定因素。朱纪康等[15]研究了不同钙源和胶结液浓度等变量对MICP加固过程的影响，试样的无侧限抗压强度可达到3.42 MPa。刘家明等[16]在不同浓度的盐溶液环境下进行了MICP的细菌加固试验，发现加固后砂样的无侧限抗压强度随NaCl浓度的提高而降低。张国城等[17]引入镁离子，在不同钙镁离子浓度比下进行了MICP加固试验，发现在钙离子与镁浓度比为0.1∶0.4时,砂样的强度获得最大值，试样的最高无侧限抗压强度为1.26 MPa。方祥位等[18]经过多轮固化珊瑚砂后，试样的无侧限抗压强度最高可达到14 MPa。还有学者针对MICP在岛礁工程的应用方面开展了一系列研究。李昊等[19]在模拟海水环境中开展了珊瑚砂加固试验，实验结果表明MICP技术能够适应海水环境并且加固效果得到了成倍的提高。杨司盟等[20]考虑将浓缩海水作为原料应用于MICP加固岛礁地基技术，将3倍浓缩海水作为钙源溶液，加固后砂柱无侧限抗压强度达653 kPa。刘汉龙等[21]进行了人工吹填岛礁钙质砂地基现场微生物加固试验，最终获得了70 cm加固深度、无侧限抗压强度最高可达821 kPa的加固效果。同时，也有众多学者深入研究了关于珊瑚砂水泥砂浆的材料配比、强度等特性[22-24]，但其与MICP试样的对比研究需要进一步研究。由于MICP试样的强度主要依靠反应过程中碳酸钙晶体的胶结作用，碳酸钙晶体与土颗粒间的连接形式与水泥砂浆相似，因此对MICP技术加固珊瑚砂和传统水泥加固珊瑚砂进行力学特性对比研究具有一定的理论价值和工程意义。为此，根据试样中不同的碳酸钙/水泥含量，对MICP试样与水泥固化砂柱进行了对比，分析了两者的破坏形式和应力应变曲线，并通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)技术，从微观角度比较了两种砂样微观结构的差异性，为MICP技术加固砂样与水泥胶结砂样的强度特性研究提供了参考和依据。

1 试验材料

1.1 砂样制备

本试验采用中国南海珊瑚砂进行砂柱加固试验，珊瑚砂主要化学成分为碳酸钙，砂样颗粒级配如图1所示。根据图1计算得到该砂样不均匀系数为4.06，曲率系数为1.50。由于珊瑚砂存在较多小孔隙，砂样初始干密度约为1.45 g/cm3。

图1 砂样的颗粒级配曲线

1.2 试验模具

为了对比珊瑚砂水泥砂浆试样和MICP固化后的试样的强度区别，试验采用相同尺寸的有机玻璃模具。形状为圆柱筒体，内径50 mm，高130 mm，壁厚5 mm，筒体中间开缝，由两块对称的瓣膜组成，底部用底座固定。底座高60 mm，内径60 mm，壁厚5 mm，底座中部横有3 mm厚的隔板，板上设有用于排水的圆形孔洞，小孔孔径4 mm。

1.3 细菌的培育生长

试验选用的细菌为巴氏芽孢杆菌(美国国家菌种库编号：ATCC11859)，接种细菌后，将培养基混合液置于震荡培养箱中(35 ℃，121 r/min)培养12 h，测定细菌浓度及脲酶活性后使用。菌液的OD600值(即600 nm波长处吸光值，反映菌液的浓度)为1.120；将细菌菌液与1.1 mol/L尿素溶液按照体积比为1∶9进行混合后，测得其5 min电导率变化为0.35 ms/cm，即7.7 mmol/L urea hydrolysed/min(每分钟尿素水解的浓度)。

1.4 胶结液的配置

1.5 水泥材料

本试验水泥为马鞍山海螺水泥有限责任公司生产的普通硅酸盐水泥，强度等级42.5，其物理力学性能如表1所示。

表1 P·O 42.5等级硅酸盐水泥物理力学性能

2 试验方法

2.1 MICP注浆试验

本试验选用相同级配的珊瑚砂进行MICP砂柱加固试验。砂样使用砂雨法制样，砂样初始干密度为1.45 g/cm3。砂样制好后，先向砂样中注入适量的0.05 mol/L CaCl2固定液，静置6 h后将培养好的菌液通过蠕动泵泵入砂样，再静置6 h后泵入配置好的胶结液，之后每隔大约12 h泵入一次胶结液，注入8次胶结液为一轮注浆结束，用适量的去离子水冲洗砂样，重复上述步骤，开始新一轮灌浆。前三轮注入的胶结液浓度为0.5 mol/L，之后灌注的胶结液浓度为1.0 mol/L，直至达到极限灌浆次数,每次灌注的溶液体积均为90 mL。为消除偶然误差,同组条件下均设置三组平行试验。试验装置示意图如图2所示。

PET为聚乙烯薄膜

2.2 钙离子浓度测定

本试验通过测定流出液的钙离子浓度变化来直观反映珊瑚砂试样的固化过程，主要依据《水质钙的测定 EDTA滴定法》(ISO 6058—1984)，将待测溶液稀释至量程范围内后，测定胶结液及流出液中钙离子浓度。

2.3 无侧限抗压强度测定

将拆模后清洗干净的砂样放入烘箱烘干后取出，用锉刀将砂样局部不平整的部分进行整平。本试验采用无侧限压力仪器(TKA-WXY-5)，试验采用应变控制式，速率设定为1 mm/min，压力范围设置为0～50 kN，砂样直径D和高度H分别为：D=5.0 cm，H=10.0 cm。

2.4 碳酸钙含量测定

珊瑚砂无法使用酸洗法测定砂样的碳酸钙含量，试验中采用称重差值法测定珊瑚砂砂柱的碳酸钙生成量。

2.5 珊瑚砂水泥砂浆试验

本试验根据不同的灰砂比，按照水泥和珊瑚砂分别为1∶4、1∶5、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14的比例称取相应的水泥和珊瑚砂，各组试样的总用水量为水泥和珊瑚砂总质量的15%。将搅拌好的砂浆倒入有机玻璃模具后振捣，排出水泥砂浆内的气体，减少砂浆中的孔隙，以清除水泥砂浆内部的空洞，保证其密实度。随后将试样置于养护箱中养护，静置一天后进行拆模，拆模后的试样继续养护直至28 d。养护箱的条件为温度(25±2) ℃，湿度不小于95%。同样为消除偶然误差，每种配比均设置三组平行试验。

3 试验结果及讨论

3.1 试样破坏形态

MICP加固成型后的试样在抗压试验中的破坏形态如图3所示。各砂柱表面均较为光滑，上下部较为平整，整体成型较好，颗粒之间粘结较为均匀。如图3(a)所示，当注浆次数较少(碳酸钙生成量为5.3%)时，砂样中下部分的外表面较为光滑，上部砂颗粒未被碳酸钙完全包裹，呈现出较多的孔隙，最终MICP砂柱试样破坏形态呈现弱面剪切破坏。随着注浆次数的增多，试样内部生成的碳酸钙含量也随之增多，砂柱内部孔隙逐渐减少，直至完全被白色碳酸钙晶体填充，外表面趋近于光滑。如图3(b)所示，当碳酸钙含量较高(碳酸钙含量为17.8%)时，破坏形态呈现劈裂破坏。

图3 MICP试样破坏图像

珊瑚砂水泥砂浆试样的破坏形态如图4所示。当水泥掺量较低时，砂样表面趋近于珊瑚砂的白色，外表面较为粗糙，蜂窝、麻面数量较多。如图4(a)所示，灰砂比(1∶14)较小时，试样底部出现竖向裂缝较少，砂颗粒与水泥之间粘结较差，在持续荷载作用下中上部砂样容易剥落，裂缝集中在试样中上部，达到极限荷载时砂样整体抗压强度较低，砂颗粒破坏形态呈现松散状态，试样上表面易形成破坏面。随着水泥掺量的增多，砂颗粒能有效被水泥包裹，两者紧密结合，试样颜色呈现为深灰色，外表面较光滑，孔隙、蜂窝麻面数量减少。图4(b)为灰砂比为1∶4的水泥砂浆试样。当灰砂比较大时，试验过程中抗压强度达到峰值时，水泥砂浆试样没有呈现明显的脆性破坏，下部出现竖向裂缝较多，底部接触面明显压碎。试样在受压时下部先出现微小的细裂缝，随着荷载的增加，裂缝逐渐贯穿至试样中上部，达到极限荷载时，裂缝逐渐增多，砂样下部呈现压碎破坏，容易产生剥离现象，相较于灰砂比较小的试样，砂颗粒整体粘结性较好，未出现明显的松散砂颗粒。

图4 珊瑚砂水泥砂浆试样破坏形态

3.2 应力应变曲线

图5为碳酸钙生成量较低时，MICP试样的应力-应变曲线。试样的碳酸钙含量分别为5.3%、7.1%、9.1%，试样的粘结性随碳酸钙含量的增加而提高，峰值强度逐渐上升，达到破坏时的强度分别为3.28、6.17、7.97 MPa。曲线(图5)破坏阶段为：当应变小于1%时，试样应变增长较为缓慢，随后应变增加，曲线斜率的增加较快，迅速达到峰值应力，试样裂缝明显，应力缓慢下降，直至试样完全破坏。

图5 低碳酸钙含量时MICP试样的应力-应变曲线

碳酸钙含量较高时MICP试样的应力-应变曲线如图6所示。试样的碳酸钙生成量分别为16.4%、17.8%、19.8%、21.03%，碳酸钙含量增加仅为1.4%、2%及1.5%，峰值强度分别为11.63、16.06、18.24、20.55 MPa，强度分别提高了38.06%、13.56%和12.67%。当应变较小时，曲线中应力增长缓慢，斜率近似线弹性；应力随应变的增加而逐渐上升，曲线斜率的增加较快，直至达到峰值应力后，试样迅速破坏，残余强度较低，整体曲线形状呈现三角形。

图6 高碳酸钙含量时MICP试样的应力-应变曲线

图7为灰砂比较低时，珊瑚砂水泥砂浆试样的应力应变曲线。试样的灰砂比分别为1∶8、1∶10、1∶12、1∶14，对应的水泥含量各为10.17%、8.75%、7.14%、6.25%。水泥用量较少，试样黏结性较差，达到破坏时的强度分别为3.29、2.38、1.63、1.23 MPa，峰值强度较低。和低碳酸钙含量时MICP试样的破坏形态类似，由于相互粘结不均匀，整体性较差，应力应变曲线图呈现近似对称形状，达到破坏时的应变值逐渐增大。

图7 低灰砂比试样的应力-应变图

灰砂比较高时水泥砂浆试样的应力应变曲线如图8所示，试样的灰砂比分别为1∶4、1∶5、1∶6、，对应的水泥含量各为21.71%、17.14%、14.29%。随着灰砂比的逐渐加大，水泥能有效包裹住珊瑚砂颗粒，增加砂样粘结性。砂样达到破坏时的强度为20.37、15.84、8.21 MPa，强度分别提高了147.9%和28.5%，水泥用量的增多，试样均匀性和整体性显著提升，峰值强度增加显著。曲线形状呈现三角形，和高碳酸钙含量时MICP试样的破坏形态类似。

图8 高灰砂比试样的应力-应变图

3.3 MICP试样与珊瑚砂水泥砂浆试样力学特性对比

表2为MICP砂柱与水泥砂浆试样的无侧限抗压强度和碳酸钙/水泥含量之间的关系。

表2 MICP砂柱试样与水泥砂浆试样试验数据

图9为各试样无侧限抗压强度和碳酸钙/水泥含量之间的关系图。从试验数据可以看出，当碳酸钙/水泥含量较低的情况下(低于15%)，MICP试样的无侧限抗压强度高于水泥砂浆试样；当碳酸钙/水泥含量高于15%时，两者的强度较为接近。由此可见MICP试样整体粘结性较好，生成的碳酸钙能较好包裹珊瑚砂颗粒，尤其是在碳酸钙低的情况下，碳酸钙含量分布的均匀性较好，MICP试样的强度明显高于水泥砂浆试样的；而水泥砂浆试样中低灰砂比的试样，珊瑚砂和水泥之间不能很好的粘结，尤其是灰砂比为1∶14时，白色珊瑚砂颗粒暴露明显，无侧限抗压强度较低。工程中水泥砂浆最低强度等级M5的配合比为1∶5，此时水泥含量为17.1%，与相同碳酸钙含量下MICP试样的强度大致相近，但在低水泥含量下，MICP试样优于水泥砂浆试样。

图9 试样无侧限抗压强度和碳酸钙/水泥含量的关系

4 微观结构讨论

微观粘结形式一定程度上决定了宏观上强度等力学性质，因此研究珊瑚砂水泥砂浆试样内部的微观结构大有裨益。图10和图11分别为珊瑚砂水泥珊瑚砂浆在低灰砂比和高灰砂比的内部微观孔隙图。

WD为工作距离，指样品成像表面到物镜的距离；EHT为加速电压，下同

图11 高灰砂比试样的SEM图

图12为MICP试样和珊瑚砂水泥砂浆试样内部粘结形式的对比图，两者的微观结构存在着一定的差异性。如图12(a)所示，MICP反应生成的碳酸钙晶体吸附在珊瑚砂颗粒表面，由于是两者从成分上是属于同一种介质，因此得到的方解石矿物晶体(碳酸钙)主要起到包裹作用，附着在砂粒表面，随着注浆反应次数的增多，沉积在砂颗粒表面的方解石数量逐渐增多，能够均匀填充珊瑚砂的内部孔隙；尤其是碳酸钙含量较少时，整体连接效果优于水泥砂浆的，内部结构紧密。从图12(b)可以看出，由于水泥和珊瑚砂为两种不同的介质，水泥水化后的产物如同“触手”般不断延伸，在砂颗粒与砂颗粒之间起到“桥梁”的作用。在低灰砂比下，这种连接分布十分不均匀，“桥梁”作用并不理想，明显弱于微生物处理的效果。当水泥用量较多时，能够有效将内部孔隙堵塞，试样均匀性和整体性加强，表现在宏观上，强度有较大提高。