基于MICP技术改良的膨胀土膨胀特性试验研究

刘浩林，李 丹，胡 波，程展林

(1.武汉科技大学 城市建设学院， 武汉 430074； 2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室， 武汉 430010)

1 研究背景

膨胀土因其显著的“吸水膨胀和失水收缩”特性，造成了很多岩土工程灾害，因此膨胀土改良仍是岩土工程领域的重要研究课题之一[1]。由于膨胀土的膨胀变形机理十分复杂，因此改良方法也非常多。物理改良方法主要有换填法、掺入风化砂或纤维等材料，但受到降水和地下水的长期影响后，膨胀土会再次发生破坏[2]。化学改良方法最常见的是掺入一定量的水泥或石灰等胶凝材料，通过水化反应和硬凝反应，降低土体膨胀性，增强土体强度，且具有较好的时效性[3]。但是水泥及其他新型化学改良剂的生产却是一个高耗能的过程，生产过程中产生大量的二氧化碳是导致全球变暖的因素之一，同时改良的土体多存在劣化土壤生态环境、边坡生态复绿工作难度大等问题。

微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation,MICP)技术主要是通过产脲酶细菌的新陈代谢水解尿素，进而产生具有胶结作用的碳酸钙晶体，以改善土体性能，此技术生态环保、经济高效，目前被广泛应用于岩土工程领域[4]。MICP技术最先应用于砂土等粗粒土的加固中，通过压力注浆处理后的砂土试样、砂柱和砂基等，其强度、刚度、抗液化和抗侵蚀性能显著提升[5-9]。另外，MICP技术在细粒土和黏性土方面的应用，也取得了一些成果。邵光辉等[10]和彭劼等[11]采用压力注浆法分别固化粉土和有机质黏土，发现无侧限抗压强度显著提高；张银峰等[12]采用拌和法加固黏土，研究了反应液配比等因素，发现菌液与胶结液配比为1∶2时的试样强度最大。王子文等[13]采用拌和法固化淤泥质土，研究了营养液浓度对固化强度的影响，发现浓度为1.5 mol/L时，内摩擦角和抗剪强度最大。由于细菌本身具有一定尺寸，黏性土渗透性差，宜采用拌和法，也比较符合工程实际。在膨胀土方面，覃永富等[14]采用浸泡法固结强膨胀土，发现自由膨胀率降低了85.4%，抗剪强度也明显提高；余梦等[15]采用压力注浆改良膨胀土，土样的强度和膨胀性也得到改善；李小冰[16]研究了处理液掺量和龄期对MICP改良膨胀土力学特性的影响。上述研究已说明MICP技术拌和法处理土样，可以有效提高土体强度，降低渗透性，且在膨胀土中也有一些研究，但作用机理尚不清楚。

本文采用拌和法处理膨胀土，控制试样含水率和干密度，外加菌液和胶结液，通过非状态指标自由膨胀率和状态指标无荷膨胀率，研究反应液配比和Ca2+浓度对MICP改良膨胀土膨胀特性的影响，得到改善效果最佳的反应液配比和Ca2+浓度组合；并通过测定CaCO3的百分生成量、X射线衍射(XRD)试验和扫描电镜(SEM)试验，从微观上分析处理前后矿物成分的变化及CaCO3的富集形态，从而揭示MICP改良膨胀土膨胀性的机理。

2 试验材料及方案

2.1 土样性质

试验用土取自引江济淮工程引江济巢段肥西Y003标段，颜色呈黄褐色，将取回的土样自然风干，并破碎为5 mm和2 mm土样，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[17]，测得其基本物理力学性质见表1，结果显示该土样是中膨胀土，属于高液限黏土。取足量2 mm土样，放入恒温干燥箱，在105 ℃下烘24 h备用。

表1 土样基本物理力学性质Table 1 Basic physical and mechanical properties of soil

2.2 反应液的配制

基于MICP的反应机理，反应液由菌液和胶结液组成，其基本反应方程式为

(1)

(2)

本试验采用的菌种为巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii，CGMCC 1.368 7)，该菌环保无毒害，被众多学者广泛使用。试验采用NH4-YE培养基对菌种进行活化并扩大培养，液体培养基成分见表2。

表2 NH4-YE液体培养基成分Table 2 NH4-YE liquid medium composition

培养基配制分装完成后，需在121 ℃下，高压蒸汽灭菌20 min，冷却后，将活化的菌种按1∶100的接种比进行无菌接种。然后置于恒温震荡培养箱中，在30 ℃下，以150 r/min的转速连续培养20 h。培养完成的菌液采用TU-1950紫外可见分光光度计和DDS-11A电导率仪测得其浓度和脲酶活性。浓度用吸光度OD600表示，脲酶活性按Whiffin等[5]的脲酶活性经验公式换算。本试验使用的菌液浓度OD600=3.0，脲酶活性为(单位时间内的尿素水解量)16.72。

2.3 试验方案

试验以反应液配比(反应液总体积不变，菌液与胶结液的体积比)和胶结液中的Ca2+浓度(控制胶结液中尿素浓度为1.0 mol/L)为研究因素。设置反应液配比为1∶1、1∶2、1∶3三个水平，设置胶结液中的Ca2+浓度为1.5、2.0、2.5 mol/L 3个水平，采用正交试验法，均分别进行自由膨胀率和无荷膨胀率试验。同时，用纯水以相同方式处理作为对照组，具体试验方案见表3。

表3 试验方案Table 3 Test plan

3 试验方法

3.1 试样的制备

本文主要基于自由膨胀率试验和无荷膨胀率试验，自由膨胀率属非状态指标，无荷膨胀率属状态指标，因此试样的制备包括拌和法土料和环刀样的制备，如图1所示。

图1 试样的制备与养护Fig.1 Preparation and maintenance of samples

(1)拌和法土料的制备：将一定量的反应液加入到100 g冷却烘干土中，在搪瓷碗中拌和法均匀(10 min内)，用保鲜膜密封，放入恒温恒湿箱中进行养护。试样的养护条件要适宜微生物的新陈代谢，故按照CGMCC提供的微生物培养说明，控制温度为30 ℃，相对湿度为90%，养护3 d，进行自由膨胀率试验。

(2)环刀样的制备：将拌和法的土料按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[17]，制作直径61.8 mm、高20 mm的环刀试样，控制含水率为21%，干密度为1.53 g/cm3。用保鲜膜包裹起来，在温度为30 ℃、相对湿度为90%的恒温恒湿箱中养护3 d，进行无荷膨胀率试验。

由于反应液是菌液和胶结液的混合液，相同体积的水和反应液制备的试样含水率存在差异，因此需要测定处理后的试样在养护完成时的实际含水率是否满足试验要求。故选择20、24、28 mL的反应液，采用相同的试样制备方法，对不同试验组试样养护后的含水率进行测定，测定结果见表4。可以发现，采用24 ml反应液处理后土样的含水率接近21%，且满足规范要求(1%误差允许范围内)。即：控制反应液体积为24 mL，养护完成的试样含水率满足试验要求。

表4 各试验组不同反应液体积下的实际含水率Table 4 Actual water content of each test group under different volumes of reaction solution

3.2 自由膨胀率试验

自由膨胀率主要反映土壤的亲水能力，与土壤本身的矿物成分和化学成分有关。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[17]要求进行自由膨胀率试验，计算自由膨胀率。

3.3 CaCO3生成量的测定

(4)

3.4 无荷膨胀率试验

无荷膨胀率是指在侧限条件下，不施加上覆荷载时试样的膨胀增量与初始高度的比值。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[17]要求进行无荷膨胀率试验，体膨胀率的计算式为

(5)

式中：δe为体膨胀率(%)；Vw为膨胀稳定后试样的体积(cm3)；V0为试样初始体积(cm3)。

另外测得膨胀稳定后每个试样的含水率，得到各组试样的膨胀含水率。

3.5 微观分析

选择自由膨胀率和无荷膨胀率试验中改良效果较好的试样分别进行X射线衍射(XRD)试验和扫描电镜(SEM)试验，分析经MICP拌和法处理后土样的矿物成分变化，以及探查微生物生成的碳酸钙形态和富集情况。

4 结果与讨论

4.1 自由膨胀率与CaCO3百分生成量

图2是在不同反应液配比下，各组试样的CaCO3百分生成量和自由膨胀率随Ca2+浓度的变化。

图2 不同反应液配比下CaCO3百分生成量和 自由膨胀率随Ca2+浓度的变化Fig.2 Variation of generated and free expansion rate CaCO3 percentage with Ca2+ concentration under different reaction liquid ratios

如图2(a)所示，在不同反应液配比下，Ca2+浓度为1.5 mol/L和2.0 mol/L时，CaCO3百分生成量无明显差异；当Ca2+浓度增大到2.5 mol/L，CaCO3百分生成量明显减小。这是由于较高浓度的Ca2+会抑制细菌的新陈代谢，导致尿素的水解量减少[5]。在相同Ca2+浓度下，随着反应液中菌液的占比减小，土样中CaCO3百分生成量增大。当菌液和胶结液的体积比为1∶3、胶结液Ca2+浓度为1.5 mol/L时，生成的CaCO3最多，其百分生成量为1.28%。

如图2(b)所示，在不同反应液配比下，随着Ca2+浓度的增大，土样的自由膨胀率均先减小后增大，Ca2+浓度为2.0 mol/L时，土样的自由膨胀率最小。在相同Ca2+浓度下，反应液中菌液的占比越大，土样的自由膨胀率越小。可能是由于溶液中菌体含量较多时，进行自由膨胀率试验的土样中亲水矿物含量相对减少。从整体来看，反应液配比为1∶1、胶结液Ca2+浓度为2.0 mol/L时，土样自由膨胀率最小，为47%，相比未处理土样，自由膨胀率降低了44.4%。

一般认为，CaCO3的生成量与土体改良效果呈正相关[18]。结合图2可发现，Ca2+浓度在1.5～2.0 mol/L之间，CaCO3的百分生成量变化较小，但是土样的自由膨胀率却明显减小。因此，在不加菌液的情况下，分别采用20、30、40、50、60 mL Ca2+浓度为2.0 mol/L的胶结液单独处理土样，测得其自由膨胀率的变化，如图3所示。

图3 不加菌液下自由膨胀率随反应液体积的变化曲线Fig.3 Curves of free swelling rate versus volume of reaction liquid in the absence of bacteria liquid

4.2 无荷膨胀率

图4为无荷膨胀率试验完成后，计算得到的每组试样的体膨胀率和膨胀含水率。如图4所示，10组试样的体膨胀率和膨胀含水率变化趋势一致。纯水处理的试样体膨胀率和膨胀含水率分别为8.3%和44.7%，明显高于MICP处理后的9组试样。经MICP处理后的9组试样中，改良效果最佳的是第6组，即：反应液配比为1∶3，胶结液Ca2+浓度为2.0 mol/L，其体膨胀率为0.65%，膨胀含水率为35.8%。相比未处理的试样，体膨胀率减小了92.2%。膨胀含水率减小了24.9%。因为MICP处理后的试样在养护期间，微生物水解尿素产生CaCO3沉淀，不断充填了试样中的孔隙，并胶结土颗粒，阻隔了土颗粒与水的接触，降低了试样的膨胀性。

图4 各组试样体膨胀率及膨胀含水率Fig.4 Expansion rate and swelling water content of each group of specimens

图5是试样10和试样6烘干后表面开裂情况，将图像进行二值化后可以清晰看到试样表面主要裂隙[20]。如图5所示，处理后的试样6相比未处理的试样10，裂隙数量明显减少，且裂隙宽度也较小。

图5 试样10和试样6试样表面及二值图像裂隙对比Fig.5 Comparison of surface and binary image cracks between No. 10 and No. 6 samples

图6是10组试样在5、10、20、30 min和1、2、3、6、12、18、24、30 h时刻的膨胀率。如图6所示，在试验开始的10 min内，改良后的试样膨胀率峰值均明显低于未改良的试样，说明MICP改良效果显著。同时10组试样在10 min内膨胀率均迅速达到最大，随即又迅速减小，从10 min开始到膨胀稳定,膨胀率的变化较小。这是由于膨胀土的膨胀过程可以分为矿物晶格扩张和颗粒间的间距扩大，且矿物晶格扩张先于颗粒间距扩大发生[21]。因此，在水接触试样后，试样中的亲水矿物迅速发生晶格扩张，膨胀率达到最大，但是亲水矿物的含量有限，所以晶格扩张逐渐稳定，表现为膨胀率迅速下降。晶格扩张完成后，试样孔隙不断充满水，引起颗粒间距扩大。

图6 不同时刻的膨胀率变化曲线Fig.6 Change curves of expansion rate at different moments

在1～3 h区间，试样10的膨胀率趋于平缓，而试样1—试样9的膨胀率均出现了先增大再减小的起伏。可能是由于试样10孔隙发育，在10 min内水完全浸入试样，试样达到膨胀稳定状态；而试样1—试样9由于内部生成CaCO3，阻碍了水的进入，浸泡2 h后，试样内部的土颗粒才完成晶格扩张。在3～30 h区间，10组试样均发生缓慢的土颗粒间距扩大，最后膨胀趋于稳定。

4.3 微观分析

图7和图8分别是采用XRD和SEM对处理前后试样的矿物成分和微观结构进行分析。

图7 X射线衍射图谱Fig.7 X-ray diffraction pattern

图8 试样处理前后SEM图像Fig.8 SEM images of specimens before and after treatment

如图7所示，处理前土样的主要成分是石英、蒙脱石和伊利石，以及少量的高岭石，几乎不见碳酸钙存在；处理后的土样主要成分未发生变化，但方解石的衍射强度明显增大，说明土样中CaCO3含量增多。同时可以看到蒙脱石的含量相对减少，伊蒙混层的含量增多，说明经过MICP处理后的膨胀土矿物成分由膨胀势较强的蒙脱石向膨胀势较弱的伊利石转变，使得膨胀土的膨胀性整体降低。

如图8(a)所示，未处理的土样颗粒主要为片状结构和扁平状颗粒聚集体，也有部分颗粒呈弯曲片状，为蒙脱石和伊利石特征；同时，可以发现未处理试样孔隙较发育。如图8(b)和图8(c)所示，在第3和第6组的无荷膨胀率试样中可以清楚看到碳酸钙晶体，胶结周围的片状颗粒和单粒体，而且试样的孔隙明显减少。由此可以从微观的角度解释，第3和第6组试样的体膨胀率和膨胀含水率显著降低的原因。如图8(d)所示，第3组自由膨胀率的粉末土样主要以粒状颗粒为主，少见扁平状和弯曲片状，粒状颗粒的膨胀势弱于弯曲片状颗粒[1]；也可明显看到碳酸钙晶体胶结土颗粒。图8(e)是第6组自由膨胀率的粉末土样，其中可发现球状碳酸钙晶体(球霰石)，是一种典型人工生长的碳酸钙晶体，这与学者王瑞兴等[22]的结果一致。同时在球霰石的表面可发现微生物留下的空洞以及伴生的方解石晶体。

5 结 论

本文基于MICP技术拌和法处理中膨胀土，研究了不同反应液配比和不同Ca2+浓度对膨胀土膨胀特性的影响。得到的结论如下：

(1)采用MICP拌和法处理膨胀土可以有效改善膨胀土的膨胀性，土中CaCO3含量明显增多。反应液配比为1∶1和Ca2+浓度为2.0 mol/L时，降低膨胀土自由膨胀率效果较好，使得自由膨胀率降低了44.4%。

(2)在Ca2+浓度为2.0 mol/L的胶结液和反应液配比为1∶3的组合下，试样的体膨胀率最小，为0.65%，相比未处理试样，体膨胀率减小了92.2%，膨胀含水率相比降低了24.9%，膨胀性改善效果最佳。

(3)MICP降低膨胀土膨胀性的作用机理有胶结作用、充填作用和离子作用。微生物生成的CaCO3胶结包裹土颗粒，使其变为膨胀势较弱的粒状颗粒，并且阻隔土颗粒与水的接触，降低亲水性；同时充填土体内部孔隙，减少疏水通道；其中的Ca2+和NH4+通过置换和中和作用，增强晶格间的化学键，减弱颗粒间的排斥作用，降低膨胀性。