不同細菌注漿方法對MICP一相注工藝的影響

張繼生，劉 偉，管大為，周應征，成 亮，鄭金海

(1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098； 3. 江蘇大學環(huán)境與安全工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

如何保證固化土體強度的均勻性是MICP技術目前所面臨的一大難題。在早期，Stocks-Fischer等[11]采用一相注方法，直接向土體內注入細菌和膠結液的混合液，但由于細菌絮凝以及CaCO3迅速沉積的原因，注漿口極易堵塞，最終導致注漿失敗。隨后，Whiffin等[10]提出一種兩相注的方法，即先注入細菌，靜置一段時間后再注入膠結液，該方法能夠一定程度上避免注漿口堵塞的問題，獲得較為完好的固化砂體。在此基礎上，Harkes等[12]提出一種改進的兩相注漿方法，該方法先向土體中注入細菌，隨后注入低濃度的Ca2+作為固定液，最后再注入膠結液。此方法通過Ca2+的絮凝作用，較大程度上將細菌固定在砂顆?？紫吨?，以減少細菌被膠結液的沖出量，最終得到的試樣CaCO3分布更加均勻。但是，在兩相注工藝中，由于膠結液在細菌注射后注入，細菌會不可避免地被膠結液帶出，導致無法準確控制固化區(qū)域內的細菌量。此外，膠結液對注入細菌的沖擠作用易使細菌在土體內部分布不均，從而影響CaCO3的均勻沉積。針對以上問題，Cheng等[13]提出了一種低pH一相注方法。在注漿之前，通過降低一相漿液(細菌、膠結液的混合液)的pH，抑制前期細菌的絮凝以及CaCO3的生成，進而將一相漿液順利注入土體內。此方法不但能夠避免注漿口堵塞，還能使注漿液在土顆?？紫堕g均勻擴散，形成強度均勻的固化土體。

以上研究表明：增大細菌濃度一定程度上能夠誘導生成更多的CaCO3，進而提高土體的力學性能。但上述試驗中，細菌濃度增大本質上增加了細菌總量。在以往的文獻中，細菌總量一定時，低濃度細菌和高濃度細菌對MICP誘導CaCO3沉積的效率以及對固化土體力學特性的影響還未見報道。

針對以上問題，本文研究了細菌總量一定的情況下，分次注入低濃度細菌和一次性注入高濃度細菌這2種注漿方法對一相注工藝的影響。主要開展了水溶液試驗及砂柱固化試驗，對比并分析了一相注工藝中不同細菌注漿方法生成的CaCO3總量、細菌脲酶活性變化及砂柱最終的固化效果。為精確控制注漿過程中細菌的用量，筆者采用Cheng等[13]的低pH一相注工藝，并在注漿之前進行砂層過濾試驗，確定注漿窗口期，以保證注漿試驗的順利進行。

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Distribution curve of sand particle size

1 試 驗 材 料

1.1 砂

試驗采用普通石英砂(SiO2質量分數(shù)為99.7%)，其土粒相對密度Gs=2.65。利用去離子水將其洗凈，并在80 ℃的恒溫鼓風箱中完全烘干，之后進行顆粒篩分試驗，得到如圖1所示的顆粒級配曲線。該砂中值粒徑D50=0.31 mm，D90=0.35 mm，不均勻系數(shù)Cu=1.35，屬于級配不良的均勻砂。

1.2 菌液及膠結液

本試驗采用的細菌為巴氏芽孢桿菌(SporsacinapasteuriiDSM 33)，微生物培養(yǎng)在無菌好氧性培養(yǎng)基中(將200 mL培養(yǎng)基置于1 L燒瓶中，以170 r/min的速度在28 ℃的條件下進行恒溫振蕩)，其中包括20 g/L的酵母粉、15 g/L的NH4Cl以及0.1 mol/mL NiCl2，并采用10 mol/L的NaOH調節(jié)pH為9.25。

本研究中，培養(yǎng)好的細菌濃度OD為3.6±0.2，活性為(24±2)U/mL(1 U/mL指的是每毫升細菌中所含的脲酶每分鐘能水解1 μmol的尿素)。將細菌采用去離子水稀釋，得到4組不同濃度的菌液，濃度OD由高到低分別為3.6、1.8、0.9、0.45，對應的細菌活性分別為24 U/mL、12 U/mL、6 U/mL、3 U/mL。為方便對比分析，本文中濃度OD為3.6的細菌定義為高濃度細菌，而濃度OD為0.45的細菌定義為低濃度細菌。

采用的膠結液(cementation solution, CS)為等濃度的氯化鈣(CaCl2)/尿素(urea)混合液。試驗過程中控制注漿液中膠結液的濃度為1 mol/L。

1.3 低pH一相漿液

低pH一相漿液(以下簡稱一相漿液)的配制方法與Cheng等[13]的方法相同，具體配制過程如下：(a)用2 mol/L的鹽酸將菌液pH調至5.0左右；(b)向該pH為5.0的菌液中加入等體積的CS(2 mol/L)；(c)用2 mol/L的鹽酸將混合液的pH進一步降低至4.0左右。配制4種不同細菌濃度的一系列一相漿液，最終的pH約為4，CS濃度為1 mol/L，細菌濃度OD分別為0.225、0.45、0.9、1.8，相應的活性分別為 1.5 U/mL、3 U/mL、 6 U/mL、12 U/mL。值得注意的是，此處的細菌濃度(活性)特指細菌和CS混合后一相漿液中的細菌濃度(活性)，由于細菌和CS等體積混合，故一相漿液中細菌濃度(活性)為混合前細菌本身濃度(活性)的一半。除非特殊指出，本文中所提及的細菌濃度(活性)均指的是未和CS混合前細菌本身的濃度(活性)。

1.4 砂柱試樣制備

圖2 注漿裝置示意圖Fig.2 Grouting device in experiment

制備2種砂樣，分別用于微生物過濾試驗和砂柱固化試驗，模具采用內徑為29 mm的50 mL聚丙烯針管，并采用飽和夯砂法[23]將砂進行分層夯實，控制干密度為1.60 g/cm3。在針管底部放置一層濾網，墊一層厚度為5 mm的粗砂(D50=0.8 mm)作為反濾層。對于每一層待夯砂樣，先加入1.1倍孔隙體積的去離子水，再加入相應質量的細砂(通過干密度1.60 g/cm3計算)，輕輕振蕩夯實，直到夯實到計算高度，此時水面高度略高于砂面高度，說明砂樣內部孔隙趨于完全飽和。

用于微生物過濾試驗的砂樣分2層夯實，總高度為30 mm；固化試驗的砂樣分5層夯實，總高度為80 mm(包含底層5 mm的粗砂)。砂樣頂部采用針管推壓器壓實并固定，針管的底部注射口通過橡膠管與蠕動泵相連。注漿裝置見圖2。

2 試 驗 方 法

2.1 水溶液試驗

2.2 一相漿液微生物過濾試驗

采用一相注方法進行MICP處理時，細菌能否順利通過砂體內部的孔隙通道，很大程度上決定著固化土體強度的均勻性。因此，在注漿之前對含有不同濃度細菌的一相漿液進行了微生物過濾試驗，以確定注漿窗口期。將已配制好的4組不同細菌濃度(特指一相漿液中的細菌濃度，其OD在0.225～1.8之間，定義為M1～M4組)的一相漿液(1.5倍砂層孔隙體積)分別靜置0 min、2 min、4 min、6 min、8 min后，采用蠕動泵以20 mL/min的速率將其從上往下注入30 mm厚的砂層中。收集流出液，立即測量其OD值，以此表征含有不同細菌濃度的一相漿液靜置不同時間后微生物通過砂層的能力。

2.3 低pH一相注固化砂柱試驗

為研究細菌注漿方法在一相注工藝中對微生物加固砂柱效果的影響，試驗基于低pH一相注工藝，在細菌總量一定的情況下，采用2種不同的細菌注入方式對砂樣進行了MICP加固處理。如表1所示(砂柱孔隙體積為22 mL)，2種不同注菌方式分別指分批次注入低濃度細菌和CS(A組)和首次注入高濃度細菌和CS，隨后只注入CS(B～D組)。本試驗設置一組平行樣以減少偶然誤差，砂樣處理次數(shù)最高為8次，8次處理后，消耗的細菌和CS量保持一致。

表1 注漿方案Table 1 Grouting methods

注： 一相漿液A：22 mL細菌和CS混合液，其中細菌濃度OD為0.225, CS濃度為1 mol/L；一相漿液B：22 mL細菌和CS混合液，其中細菌濃度OD為0.45, CS濃度為1 mol/L；一相漿液C：22 mL細菌和CS混合液，其中細菌濃度OD為0.9, CS濃度為1 mol/L；一相漿液D：22 mL細菌和CS混合液，其中細菌濃度OD為1.8, CS濃度為1 mol/L。以上細菌濃度特指一相漿液中的細菌濃度。

試驗過程中，采用蠕動泵將MICP處理液(一相漿液或1 mol/L的CS)從上而下注入砂樣中，并控制注漿速率為20 mL/min。注漿完成24 h后開始下一輪的注漿，待到最后一次注漿結束，等待24 h并拆模。以上整個過程控制室溫為(25±1)℃。

3 試 驗 測 試

3.1 無側限抗壓強度

將拆模得到的固化砂柱采用去離子水沖洗10 min，并靜置20 min，隨后放入60 ℃的恒溫鼓風烘箱內烘干至質量不變?yōu)橹?。對砂柱上下兩端進行磨平，制成長徑比為2∶1的樣品。依據GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》對砂樣進行無側限抗壓強度(unconfined compression strength, UCS)測試，控制加載速率為1 mm/min，并取峰值應力為該試樣的無側限抗壓強度值。

3.2 CaCO3含量

CaCO3含量的測試采用酸洗法，將壓碎后的試塊分為上、中、下3個部分，分別測量其CaCO3含量，并由此計算整體的CaCO3含量。用4 mol/L的鹽酸溶解樣品，至無氣泡產生為止。酸洗前后砂樣質量差即為經微生物誘導生成的CaCO3質量，試樣CaCO3含量為CaCO3質量與酸洗前試樣質量的比值，即

(1)

式中：WCaCO3——CaCO3含量；M1——試樣酸洗前的質量；M2——試樣酸洗后的質量。

4 結果與討論

4.1 水溶液試驗

一般而言，CS轉化效率越高，意味著土體內部孔隙被CaCO3填充得更充分，土體最終表現(xiàn)出的力學性能(強度、抗?jié)B性等)也將更優(yōu)越[24]。圖3統(tǒng)計了不同濃度的細菌在失活前轉化CS的效率。對于S1組，低濃度細菌(OD為0.45，活性為3 U/mL)能消耗2.23批次1 mol/L的CS(1 mol/L是指MICP處理液中CS的濃度)。當細菌濃度增大至其2倍、4倍和8倍時，分別能消耗4.17、6.07和6.2批次1 mol/L的CS，這說明細菌濃度的提高能夠誘導生成更多的CaCO3，這與趙茜[17]和Okwadha等[18]的結論相吻合。試驗中還發(fā)現(xiàn)S1組第二次加入細菌后，能消耗2.32批次CS，與首批次細菌消耗的CS總量基本相同，這意味著溶液中前一批次細菌產生的CaCO3對后一批次細菌的成礦能力影響不大。當細菌總量相同時，不同細菌注入方法產生的CaCO3總量S1組>S2組>S3組>S4組(圖4)，其中S1組CaCO3生成量約為S4組的2.9倍。這說明相比于高濃度細菌(OD為3.6，活性為24 U/mL)一次注入的方法，低濃度細菌(OD為0.45，活性為3 U/mL)分次注入時，單個細菌體的成礦能力更強，能誘導生成生成更多的CaCO3。

圖3 不同濃度細菌轉化CS的能力Fig.3 Conversion efficiency of CS by different concentration of bacterial

圖4 不同細菌注漿方法CaCO3總生成量Fig.4 Total CaCO3 productions by different bacterial grouting methods

圖5 不同濃度細菌脲酶活性變化曲線Fig.5 Curves of urease activity at different concentrations

圖5給出了不同濃度細菌反應過程中脲酶活性與CaCO3沉積量的關系。從圖5可以看出，在礦化反應初期，水溶液中細菌的脲酶活性與細菌濃度呈正相關。由于脲酶活性反映著溶液中的尿素的水解速率，故細菌濃度越高，溶液中MICP反應速率越快，這與Okwadha等[18]得到的結論一致。試驗結果進一步顯示：反應初期的CaCO3沉積對細菌活性影響不大，但是在反應中后期，當沉積的CaCO3達到某一定量時，隨著CaCO3的生成，反應速率呈線性下降的趨勢。值得關注的是，溶液中細菌濃度越高，該階段反應速率下降得越快，這意味著細菌脲酶活性損失得更多，其成礦能力在迅速減弱。這也是圖4中采用高濃度細菌注入1次時CaCO3總生成量較低濃度細菌分次注入時少的原因。

對于研究中產脲酶菌所表現(xiàn)的活性變化規(guī)律，其主要原因是：在礦化反應初期，生成的CaCO3附著在細菌表面，但細菌未被完全包裹，營養(yǎng)物質的輸送基本不受影響，故脲酶活性變化不大。后期隨著CaCO3沉積量的增加，細菌因被CaCO3完全包裹而死亡，最終失去活性[25]。有研究表明，相比于低濃度細菌，高濃度的細菌易集聚或絮凝形成更大尺寸的CaCO3晶體簇[26]。當團簇的細菌被CaCO3完全包裹失活時，其損失的細菌量更大，這將導致反應體系內脲酶活性下降得更快。因此，在相同細菌量的條件下，相比于分次注入低濃度細菌，一次性注入高濃度細菌會導致生成的CaCO3總量減小。值得注意的是，試驗中高濃度細菌(OD為3.6，活性為24 U/mL)在前期反應速率出現(xiàn)了一個驟減(圖5中圈出點)再回升的過程，這可能是由于微生物濃度過高，在反應過程中細菌短暫集聚(此時被包裹的細菌不提供活性)后又分散引起的，這需要后期更為微觀的檢測才能確定。

4.2 一相漿液微生物過濾試驗

圖6為含不同濃度細菌的一相漿液靜置不同時間后通過砂層的情況。從圖6可知，對于低濃度細菌的一相漿液(M1組，細菌OD為0.225，活性為1.5 U/mL)，靜置0～8 min后注入砂層，其流出液中細菌剩余量變化不大，約占細菌總量的40%～80%。當細菌濃度增至其2倍(OD為0.45)和4倍(OD為0.9)時，同樣表現(xiàn)出此規(guī)律。這說明一相漿液中細菌濃度OD未超過0.9時，pH降至4至少能夠提供8 min的注漿窗口期，在此期間細菌絮凝現(xiàn)象并不明顯，且MICP反應比較緩慢，細菌能夠順利通過砂體內部的孔隙通道。當一相漿液(M4組，細菌OD為1.8，活性為12 U/mL)細菌濃度增至M1組的8倍時，流出液中細菌剩余量呈現(xiàn)“基本不變-急劇減小-穩(wěn)定在極小值-激增”的規(guī)律，急劇減少的原因是由于高濃度細菌前期大量絮凝，無法通過砂體孔隙通道，但是一段時間后，MICP反應開始變得劇烈，流出液中含大量CaCO3微晶，導致流出液OD值激增，此時的OD值已無法表征細菌濃度。圖7是含低濃度細菌(OD為0.225，活性為1.5 U/mL)和高濃度細菌(OD為1.8，活性為12 U/mL)的一相漿液靜置8 min后流出液的對比圖，可看出前者流出液依然澄清，而后者由于含CaCO3微晶的緣故，已十分渾濁。這說明對于8倍濃度的細菌，其窗口期只能夠達到2 min。

圖6 流出液中細菌剩余量隨靜置時間的變化Fig.6 Residual bacteria in effluent with different waiting time

圖7 M1組和M4組靜置8 min后流出液濁度對比Fig.7 Comparison of turbidity of effluent from group M1 and group M4 after 8-minute waiting

本研究的砂柱固化試驗，在一相漿液配制完成后(0 min)立即開始進行注漿，故對于含各濃度細菌的一相漿液，不會發(fā)生因細菌絮凝而使微生物無法通過砂體孔隙通道的現(xiàn)象。值得注意的是：本節(jié)中細菌濃度(活性)特指一相漿液中的細菌濃度(活性)。

4.3 低pH一相注固化砂柱試驗

4.3.1 CaCO3含量分布

在MICP實際工程應用中，CaCO3在土體內分布是否均勻是評估注漿可行性及固化效果好壞的重要指標，圖8給出了采用不同細菌注漿方法固化形成的砂柱(處理次數(shù)為4、6、8)其CaCO3的分布情況?？梢钥闯?，在細菌總量一定的情況下，相比于D組(即細菌OD為3.6，活性為24 U/mL，一次注入細菌)，A組(即細菌OD為0.45，活性為3 U/mL，分次注入細菌)砂柱其CaCO3分布更為均勻，砂柱沿高度方向CaCO3含量的差異基本不超過1%。Qabany等[27]采用濃度為0.1～1 mol/L的CS對砂柱進行膠結時，發(fā)現(xiàn)高濃度CS(1 mol/L)處理后的砂柱同樣會表現(xiàn)出CaCO3分布不均的現(xiàn)象。這是由于反應前期，在高濃度細菌或CS環(huán)境下，過快的尿素水解速率會導致CaCO3晶體大量沉積，使得砂體內部孔隙通道發(fā)生局部堵塞，影響注漿液的正常滲流，進而使得后續(xù)反應生成的CaCO3無法均勻沉積。因此，采用高濃度菌液或CS溶液處理土體時，易導致土體內CaCO3分布不均，對MICP固化效果產生不利的影響。

4.3.2 無側限抗壓強度

將各組固化程度CaCO3含量相近(13%±1%)的砂柱進行無側限抗壓強度對比(圖9)。由圖9可知，在CaCO3含量基本相同的情況下，各組砂柱無側限抗壓強度值從大到小為：A組、B組、C組、D組。這說明當細菌注入的總量一定時，低濃度細菌分次注入固化形成的砂柱其土力學抗壓性能要優(yōu)于其他組，且首次注入的細菌濃度越大，砂柱的無側限抗壓強度越低。例如：A組(即細菌OD為0.45，活性為3 U/mL，分次注入細菌)砂柱無側限抗壓強度達到D組(即細菌OD為3.6，活性為24 U/mL，一次注入細菌)的2.5倍。

圖9 不同注漿方法下砂柱無側限抗壓強度對比Fig.9 Comparison of UCS of sand columns with different grouting methods

Cheng等[28]通過SEM觀測結果指出：在CaCO3晶體形成的過程中，低濃度的細菌由于成核位點少，在CaCO3晶體成核-生長的競爭當中，晶體生長占主要優(yōu)勢，因此易生成顆粒較大的CaCO3晶體，并填充在砂顆粒孔隙當中；而高濃度的細菌由于細菌量大，成核位點多，CaCO3晶體成核占主要優(yōu)勢，反應易生成大量微小的CaCO3晶體顆粒，并附著在砂顆粒表面，形成薄薄的CaCO3晶體層，且難以填充砂顆粒間的孔隙。因此，低濃度細菌誘導生成的CaCO3晶體顆粒在砂顆粒間能夠起到更有效的連接作用，進而使砂體表現(xiàn)出更優(yōu)的力學性能。試驗結果表明：在工程實踐中，采用低濃度細菌(OD為0.45，活性為3 U/mL)分次注入的方法能夠更加高效地提高土體的無側限抗壓強度。這能一定程度上減少注漿液的用量，節(jié)約經濟成本。值得注意的是，用于處理土體的細菌其濃度不能過低，這會使得CS無法完全轉化為CaCO3，造成反應物(尿素和氯化鈣)的浪費。

5 結論與展望

a. 在細菌總量一定的條件下，探究了分次注入低濃度細菌和一次性注入高濃度細菌對MICP一相注工藝的影響。主要從CaCO3生成量、脲酶活性變化、注漿窗口期及砂柱固化特性幾個方面綜合評價了2種注漿方法的可行性及加固效果。試驗結果表明：相比于高濃度細菌(OD為3.6，活性為24 U/mL)一次注入的方法，將低濃度細菌(OD為0.45，活性為3 U/mL)分次注入效果更好，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：(a)低濃度細菌(OD為0.45，活性為3 U/mL)在反應過程中活性下降更慢，當細菌總量相同時，低濃度細菌分次注入能夠產生更多的CaCO3；(b)低濃度細菌(OD為0.45，活性為3 U/mL)不易發(fā)生絮凝，能夠提供更長的注漿窗口期；(c)在CaCO3含量接近的情況下，相對于高濃度細菌(OD為3.6，活性為24 U/mL)，低濃度細菌(OD為0.45，活性為3 U/mL)在反應過程中能夠形成顆粒更大的CaCO3晶體，且更為有效地填充在砂顆?？紫吨?。因此分批次注入低濃度細菌(OD為0.45，活性為3 U/mL)能夠顯著提高固化砂柱的無側限抗壓強度。

b. 在保證固化效果的情況下，能夠有效減少細菌和膠結液的用量，降低經濟成本，這為今后MICP技術在地基加固領域中的實際應用提供了一定的參考價值。但是細菌濃度過低可能會出現(xiàn)膠結液殘留和反應速率過慢等現(xiàn)象，因此，在以后的研究和實際工程當中，需要確定最低細菌濃度，從而在滿足工程應用的同時獲得較好的固化效果和經濟效益。