微生物诱导碳酸钙沉淀提高红砂岩堆石料无侧限抗压强度的试验研究

彭 成,李佳宝,刘宵凌,莫 彪,陈 果,李 超,欧阳以

(南华大学 土木工程学院,湖南 衡阳 421001)

0 引 言

我国湖南地区分布着大量的红砂岩与粉质黏土,因此在路堤与土石坝施工中,考虑成本、工期等问题,通常会就近采用红砂岩堆石料进行填筑[1-3]。红砂岩主要呈现粒状碎屑结构体和泥状胶结结构体,其强度差异大,开挖出来后,与外界环境相互作用下,具有遇水软化、崩解和扩容膨胀等不良工程性质[4]。湖南处于亚热带,常年雨热同期,这就使得红砂岩堆石料在工程填筑中力学性质更加不稳定,公路施工后的路基变形问题与土石坝开裂问题屡见不鲜[5-6]。红砂岩堆石料在工程中常见的改良方法有预崩解、化学改良、物理改良等[7-11],在一定程度上改善了红砂岩堆石料的力学性能,取得了一定的成果。

近年来,不同学科间的合作与融合在科学研究中起到了巨大的作用,随着微生物学、岩土工程、地球化学等学科的不断融合发展,微生物诱导碳酸钙沉淀技术(microbial induced calcite precipitation,MICP)开始逐步应用于岩土改良领域[12],因其技术机理简单、效率高、易掌控且对环境友好等特点,深受众多学者青睐[13],利用微生物技术进行砂土表面固化处理,在砂土表面形成一层很薄的硬壳,可以有效控制环境尘土的飞扬和风沙土流动,起到防风固沙、土壤降尘的作用[14-15];P.Xiao等[16-17]利用MICP技术处理沙土,发现MICP技术可以改变松砂的液化机理,有效提高砂土抗液化性能;也有学者利用MICP技术加固岩土材料改良特殊土,发现MICP技术可以有效提高土体的工程性质,降低土体的渗透性与分散度,增加土体的强度[18-21]。

本文拟将MICP应用于红砂岩堆石料填筑工程的性能改良,开展MICP改良后不同碎石含量堆石料的无侧限抗压强度试验,测定碳酸钙结晶含量,电镜扫描试验(SEM)分析试样微观结构变化及微生物作用机理,对红砂岩堆石料填筑工程具有重要意义和工程应用价值。

1 试验材料与方法

1.1 菌液与培养基

试验选用的细菌为巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii,ATCC11859),购自北京生物菌种保藏中心。该菌的产酶效率高,脲酶活性高,对环境要求不高,在MICP技术研究中广泛应用。主要通过自身的代谢活动产生脲酶,促进尿素水解产生碳酸根离子,再加入无水氯化钙作为钙源,就可以产生碳酸钙结晶。试验所用培养基为YE-NH4液体培养基,将培养基配制完成后,为防止杂菌混入影响实验结果,应将其置于高压灭菌锅内,在121 ℃下高温蒸汽灭菌30 min。按照巴氏芽孢八叠球菌最佳培养条件[22],以体积比1∶100的比例将细菌接种至液体培养基,利用恒温震荡培养箱在30 ℃和180 r/min的环境下培养48 h。图1为恒温培养48 h的巴氏芽孢杆菌,培养成功的细菌呈浑浊的黄色液体,靠近可以闻到刺鼻的氨气气味,在显微镜下可观察到运动的杆状细菌。培养基成分:酵母提取物20.0 g,硫酸铵10.0 g,Tris-缓冲液15.7 g,蒸馏水1 000 mL。

图1 恒温培养48 h的巴氏芽孢杆菌

1.2 胶结液

(1)

(2)

1.3 试样制备

1.3.1 土样获取与缩尺处理

为探究不同含石量下堆石料的变形特性与力学性能,将不同粒径红砂岩与粉质黏土混合制成不同含石量的堆石料。试验所用原始红砂岩堆石料取自衡阳一处道路施工场地,该路段地处山区,地表高差明显,地质构造形式为单斜构造岩层,经初步检验,土石方的物理性质如表1所示。

表1 原始土样基本物理性质

图2 原始土样与缩尺土样的颗粒级配曲线

1.3.2 矿化前的土样处理

考虑到红砂岩颗粒本身含有一定量的杂质,影响后续MICP矿化试验,试验前将红砂岩颗粒先用0.1 mol/L的NaOH溶液浸泡12 h,清洗后再用0.1 mol/L的HCI溶液浸泡12 h,最后用去离子水清洗干净至pH值为7;为防止杂菌混入影响试验结果,将红砂岩颗粒121 ℃高温烘干12 h至质量恒定后待用。

试验所用粉质黏土2.5 mm过筛,121 ℃高温烘杀12 h后备用。红黏土主要性能指标见表2。

表2 粉质黏土主要的性能指标

1.3.3 红砂岩堆石料试样制备

对烘干土样进行重塑处理,配置不同含石量(50%、60%、70%)的试样,在重塑过程中采用喷洒拌合的方式,以1∶1的体积比例掺入巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液,按照18%含水率将混合反应液喷洒到土样中,拌合均匀后制成标准试样(Φ=39.1 mm,H=80 mm)作为微生物矿化试样B组。依照上述方法,同时制备只掺入蒸馏水18%的A组试样作为对照。

2 试验方案与步骤

考虑巴氏芽孢八叠球菌生长存活周期与加入钙源的量,将重塑B组MICP处理的土样密封包裹好放置在恒温箱中,在28 ℃的恒温环境下养护1、3、6、10和15 d;A组只加蒸馏水的土样在相同条件下养护6 d。对2组土样分别进行无侧限抗压强度试验,具体的试验方案见表3。

表3 无侧限抗压试验设计分组

通过无侧限抗压强度试验对比不同土样的力学性能,分析微生物对土样力学性能的影响以及养护时间与土样力学性能的关系;测定不同养护时间下试样产生的碳酸钙含量,分析土样抗压强度与碳酸钙含量的关系;观察试样养护前后的外观变化并结合扫描电镜分析其内部微观结构特征。

3 试验结果分析

3.1 无侧限抗压强度分析

抗压强度指标是工程应用当中重要的指标之一,研究中使用TSZ全自动三轴仪对试样进行无侧限抗压强度试验,试验过程中的剪切速率为0.8 mm/min,对不同养护天数下的试样进行无侧限抗压试验,并与养护6 d的对照组A组(图3中第0天)对比分析,试验结果如图3所示。

图3 B组试样在不同养护时间下抗压强度

取应力应变曲线中峰值应力为峰值强度,峰值应力对应的应变为破坏应变进行分析。试验可知,不同含石量的试样在微生物的影响下抗压强度变化趋势基本一致,在不同养护时间下,微生物改良堆石料的抗压强度峰值变化基本一致。含石量相同时,微生物处理后养护1 d的试样与对照土样相比,试样强度略低,原因可能是A组土在经过6 d的自然固结,土体内部性质相对稳定,抗压强度略高。对于不同含石量的试样,含石量越大,改良效果越明显,恒温养护15 d后,含石量50%的试样强度增大79%,含石量60%的试样强度增大118%,含石量70%的试样强度增172%,说明在含石量50%～70%范围内,MICP对于含石量越高的试样改良效果越好。原因可能是土样含石量越大,颗粒不均匀系数增加,裂隙增多,更有利于细菌迁移,产生的碳酸钙不轻易造成堵塞,为细菌的繁殖提供了更好的条件,更有利于在颗粒间中生成更多更均匀的碳酸钙沉淀,提高了土样的抗压性能。

分析MICP处理后的土样在养护各阶段抗压强度增幅(见图4),可以发现随着养护时间推移,峰值强度逐渐增高。在第1天后试样进入强度增长期,第3天到6天强度增幅最大,第6天后强度增速渐缓,第10天试样进入强度稳定期,之后抗压强度只有略微增长。养护15 d后的试样抗压强度提升最大,但是养护10 d之后土样强度提升有限,考虑固化效率,养护最佳时间为10 d。

图4 B组试样在不同养护时间下抗压强度增长率

在养护初期,由于含石量少的试样黏性土含量多,黏土含量高的试样中土颗粒间的黏结作用较大,使得试样在初期能够承受更大的压力,导致含石量小的试样抗压强度略高。随着养护时间的推移,含石量大的试样由于可以更好地为细菌繁殖提供条件,产生更多的碳酸钙,填充了颗粒间孔隙,使得颗粒间的由黏结作用转变为碳酸钙胶结作用,土样内部力学性能更加稳定,抗压强度变化更加明显。

图5为MICP处理后的60%含石量试样在不同养护时间的应力应变图。随着养护时间推移,堆石料抗压强度逐渐增大,试样峰值强度对应的轴向应变也随之增大,土样在经过MICP处理后的试样显示出了更大的脆性。说明堆石料经过矿化作用,析出碳酸钙结晶,强度得到增长的同时也增大了土样的脆性。

图5 B组60%含石量不同养护时间的应力应变图

3.2 碳酸钙含量分析

通过微生物矿化作用产生碳酸钙,加强土体颗粒间的黏结,从而增强土的力学性能,因此土体中碳酸钙含量是反映微生物矿化效果的重要指标。测定不同养护时间下的碳酸钙含量,确定试样的产钙数量、速率以及微生物的反应周期;分析碳酸钙含量与抗压强度的关系,利用碳酸钙含量表征MICP矿化效果。

图6为不同养护天数下试样中碳酸钙含量变化曲线。试样第1天产生碳酸钙的量较少,第1天之后试样进入产钙高速期,第3天到第6天产生碳酸钙的量最多,第6天后产钙速度逐渐放缓,第10天以后曲线趋于平缓,说明10 d以后微生物矿化反应基本结束,试样中不再产生碳酸钙。

图6 不同养护天数下试样中碳酸钙含量变化

结合试样的抗压强度曲线,可知土样抗压强度与碳酸钙的生成量与成正比关系,养护第3天到第6天产生的碳酸钙最多,同样试样在第3天到第6天的抗压强度提升最大;养护10 d过后试样矿化反应基本完成,不在产生碳酸钙,抗压强度也趋于稳定,因此土体中碳酸钙含量直接影响试样的抗压强度。碳酸钙含量越多,土体颗粒间胶结效果越好,土的抗压强度自然就越大。

含石量越高的试样中产生的碳酸钙含量越多,试样抗压强度越高,原因是含石量高的试样能够为细菌繁殖提供更好的条件,进一步印证了碳酸钙是试样强度增大的主要因素。结合试样中碳酸钙含量与抗压强度变化,可知微生物改良红砂岩堆石料效果显著,值得进一步深入研究。

3.3 试样的表观与微观分析

观察试样经微生物处理前后的表观变化,分析试样表面的产钙情况。通过电镜扫描试验(SEM)对不同养护时间的试样微观变化进行分析,包括生成物的数量、分布、形状、颗粒间的胶结状况以及微生物作用机理。表观与微观分析相结合,对MICP改良红砂岩堆石料的矿化效果做出评价。

图7为微生物处理前后的试样表观变化,未经微生物处理的试样表面并无改变,观察经微生物处理的试样,可明显看到试样表面不均匀地分布着白色霜状的粉末,是由于微生物通过矿化作用在试样表面析出了碳酸钙结晶,可见微生物对试样的产钙效果显著。

图7 MICP处理前后的试样

将60%含石量的A组养护6 d和B组恒温养护3 d、6 d、10 d的试样在扫描电镜下观察,分析微生物矿化作用对试样微观结构的影响(见图8)。

从图8(a)来看,未经过矿化作用的A组试样土体颗粒孔隙间无明显充填物质,存在大量开放性孔隙,结构较为松散,颗粒彼此间连接并不紧密。而图8(b)经微生物矿化处理的土样养护3 d后土颗粒分布相比于图8(a)略为紧密,孔隙中间胶结了少量的白色晶体;随着养护时间推移,图8(c)、图8(d)中可以更加清楚的看到土体表面及颗粒间形成大量白色晶体,大小、形态多不规则,观察孔隙填充部分,土体颗粒间明显存在颗粒状充填物,这些充填物分布在土体的大、小孔隙中,细菌通过矿化作用生成的碳酸钙填充了颗粒间的孔隙。这些碳酸钙在土体中产生较好的胶结,增强了土体内部的稳定性,使土体具备更为良好的力学性质。

图8 60%含石量试样电镜扫描

图8(e)与图8(f)分别是为微生物处理养护10 d的土样放大4 000倍与8 000倍的电镜照片,可以更加清楚地看到生成物的形状以及孔隙填充情况。可观察到生成的晶体形状不规则,多为鳞片状,少部分团聚零星分布,可判断为碳酸钙晶体。颗粒表面生成的晶体较少,且多为团聚零星分布,颗粒孔隙间产生的晶体较多,多为片状,大量的结晶充分填充了颗粒间的孔隙,使试样变得更密实,在颗粒间形成较好的胶结,增强了土体的力学性质。

图8(g)与图8(h)分别是微生物矿化处理前后的红砂岩粗颗粒照片,图8(h)由土样扫描电镜图看出石头表面有大量是白色的片状聚集物,而图8(g)未经细菌处理的石头表面较为光滑。表明细菌处理后粗颗粒表面产生了大量的碳酸钙结晶,在石头与土颗粒、石头与石头颗粒形成更好的胶结作用,增强土体的力学性能。

4 结 论

以红砂岩堆石料为研究对象,将MICP应用于红砂岩堆石料填筑工程,通过无侧限抗压强度试验、测定碳酸钙结晶含量试验及电镜扫描试验(SEM),对MICP改良红砂岩堆石料的矿化效果做出评价,得到以下主要结论:

1)将MICP应用到红砂岩堆石料性能改良中,利用无侧限抗压试验评价其改良效果,分析表明微生物诱导碳酸钙沉淀改良红砂岩堆石料力学性能效果显著,且养护最佳时间为10 d,生成碳酸钙结晶较好填充了试样孔隙,提高土体的抗压性能。

2)用碳酸钙含量来表征改良效果,含石量越高的试样生成的碳酸钙含量越多,试样的抗压强度越大,改良效果越好。结果表明,在碎石含量一定范围内,粗颗粒含量越高,微生物活动产生的碳酸钙越多,改良效果越好。

3)对试样表观与微观分析,表明MICP作用于红砂岩堆石料产钙效果可观,碳酸钙主要产生在颗粒孔隙间与粗颗粒上,增强了土颗粒间胶结,从而增强土体的力学性能。