營養(yǎng)鹽濃度對(duì)膠結(jié)重塑泥巖試樣力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)的影響試驗(yàn)研究

王緒民，崔芮，王鋮

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

隨著人口增長和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，民用基礎(chǔ)設(shè)施的需求急劇增加，然而，在新建建筑或公路地基施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到穩(wěn)定性差的泥巖層。泥巖是一種典型的軟巖，具有組成成分復(fù)雜、孔隙較小等特性，由于環(huán)境因素影響(干濕循環(huán)、溫度等)易發(fā)生風(fēng)化、開裂、崩解、軟化、膨脹等變化，使巖土特性發(fā)生強(qiáng)烈變化，如日本大部分滑坡發(fā)生在沉積軟巖中，尤其是泥巖地層[1]。目前，應(yīng)用于泥巖地基層的改良技術(shù)主要包括兩類，一類是通過摻加硅酸鹽水泥、石灰、粉煤灰等進(jìn)行的化學(xué)改良，另一類是通過加入綠砂、砂礫等進(jìn)行的物理改良[2]。傳統(tǒng)的地基改良技術(shù)不易控制工程質(zhì)量，對(duì)周圍的環(huán)境有較大影響。因此，亟需一種新型的泥巖改良技術(shù)，以滿足實(shí)際工程需要。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀是將微生物學(xué)中的生物礦化技術(shù)應(yīng)用到土體加固過程中的一種方法[3]。學(xué)者們已經(jīng)驗(yàn)證了MICP方法可以改善土壤工程性質(zhì)，例如將松散砂粒粘結(jié)在一起，改善砂土的工程性質(zhì)[4-5]。Gomez等[6]用3種不同濃度的營養(yǎng)鹽(尿素與氯化鈣混合液)處理試驗(yàn)砂田，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩者濃度過高時(shí)，CaCO3沉淀速率反而變慢。Nemati等[7]發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈣源濃度大于0.9 mol/L，尿素濃度大于1.5 mol/L后，CaCO3沉淀量不會(huì)再增加。趙茜[8]用7種不同等摩爾的營養(yǎng)鹽(氯化鈣與尿素的混合液)進(jìn)行膠結(jié)試驗(yàn)，經(jīng)過短時(shí)間(5 d)反應(yīng)后，當(dāng)營養(yǎng)鹽濃度在1.5 mol/L以下時(shí)，可以有效增加碳酸鈣沉淀量，有利于MICP膠結(jié)技術(shù)的進(jìn)行。Cui等[9]通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物膠結(jié)砂的強(qiáng)度在很大程度上取決于方解石含量，有效摩擦角、內(nèi)聚力隨著方解石含量的增加顯著提高。大量室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，使用該技術(shù)可以有效提高砂的延展性、抗液化能力、剛度和強(qiáng)度等[10-12]。

對(duì)于泥巖的改良，檀奧龍等[13]將堿渣與泥巖混合，改良風(fēng)化泥巖用于路基填料，研究表明，當(dāng)摻渣率達(dá)到40%時(shí)，抗壓、抗剪強(qiáng)度增加趨于峰值，改良后的泥巖膨脹率下降，且表現(xiàn)為憎水性。顧磊[14]、徐鵬等[15]通過石灰改良泥巖，發(fā)現(xiàn)泥巖路基膨脹性降低，抗壓、抗剪強(qiáng)度有所提高，相關(guān)物理性能得到顯著改善。祝艷波等[16]采用改良劑對(duì)泥巖風(fēng)化物進(jìn)行改良，研究發(fā)現(xiàn)：泥巖路基土改良效果水泥>石灰>粉煤灰，適當(dāng)加入粉煤灰更顯著，并且膨脹特性、抗壓強(qiáng)度、承載力、水穩(wěn)定性都有較大改良。劉漢龍等[17]為了促進(jìn)微生物巖土技術(shù)發(fā)展，對(duì)涉及的幾種主要微生物種類、微生物作用機(jī)理、相關(guān)巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析與總結(jié)。彭劼等[18]開展了不同膠結(jié)液濃度下MICP壓力灌漿加固有機(jī)質(zhì)黏土，發(fā)現(xiàn)微生物處理后的試樣有機(jī)質(zhì)含量、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)都得到顯著改善，膠結(jié)液濃度的變化會(huì)直接影響無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。劉斯鳳等[19]應(yīng)用多種微生物對(duì)巖樣進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)單一細(xì)菌作用時(shí)巖樣滲透系數(shù)下降最多，填充效果最好。

以上研究結(jié)果為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣改良泥巖提供了理論依據(jù)。筆者以重塑泥巖為研究對(duì)象，為改良泥巖的水穩(wěn)定性，增強(qiáng)泥巖的相關(guān)力學(xué)性能，將微生物應(yīng)用到泥巖中，膠結(jié)試樣在不同濃度營養(yǎng)鹽條件下采用一次浸泡菌液的方式進(jìn)行處理，以研究不同營養(yǎng)鹽濃度對(duì)膠結(jié)試樣力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試樣取自湖北省武漢市某地下工程施工現(xiàn)場(chǎng)，泥巖取土深度為23 m左右。泥巖的基本物理性質(zhì)見表1。由于IL=-2.77<0，表明泥巖試樣處于堅(jiān)硬狀態(tài)。為研究泥巖的成分，將原狀試樣通過瑙研缽碾碎過0.075篩，然后放入溫度為110 ℃的烘干箱中烘干24 h，冷卻后取8 g粉末進(jìn)行X射線衍射分析，物相分析發(fā)現(xiàn)，試樣主要成分為石英、伊利石、鈉長石、白云石和斜綠泥石，其中，石英含量最高為33.3%，積分強(qiáng)度為1 620 cm-1(2θ=26.5°)，伊利石和鈉長石含量次之，分別為27.1%和21.47%，白云石和斜綠泥石含量較少。

表1 泥巖的基本物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of mudstone

泥巖顆粒級(jí)配曲線如圖1所示，泥巖d60為1.8 mm，d10為0.11 mm，d30為0.55 mm，不均勻系數(shù)Cu為16.36，曲率系數(shù)Cc值為1.53，表明泥巖級(jí)配良好。

圖1 泥巖試樣顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle gradation curve of mudstone sample

試驗(yàn)菌種為巴氏生孢八疊球菌(編號(hào)為CGMCC1.3687)，購自中國普通微生物菌種保藏管理中心。采用體積為100 mL的液體培養(yǎng)基(培養(yǎng)基內(nèi)固體配方為20 g/L酵母浸粉、10 g/L NH4Cl、10 mg/L MnSO4·H2O及24 mg/L NiCl2·6H2O)進(jìn)行菌種復(fù)蘇，其中，液體培養(yǎng)基pH值用1 mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)制至8.4。培養(yǎng)基經(jīng)過121 ℃高壓蒸汽滅菌桶中滅菌20 min，冷卻至常溫后放入無菌操作臺(tái)中進(jìn)行菌種接種，隨后放入溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為200 r/min的搖床培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，當(dāng)液體培養(yǎng)基出現(xiàn)渾濁后停止培養(yǎng)。采用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)試菌液密度(OD600)，控制OD600值為1.0。為了保障試驗(yàn)菌株的準(zhǔn)確性，將培養(yǎng)好的菌液吸取少量在顯微鏡下進(jìn)行鏡鑒，由巴氏生孢八疊球菌鏡鑒圖2可知，菌液經(jīng)草酸銨、碘液、95%乙醇乙醚處理后，顯微鏡下的細(xì)菌為紫色短桿狀，因此符合試驗(yàn)菌種要求。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?為探討不同營養(yǎng)鹽濃度對(duì)膠結(jié)重塑泥巖的力學(xué)性能影響，對(duì)微生物處理的試樣營養(yǎng)鹽濃度進(jìn)行控制，分別采用濃度為0、0.3、0.5、0.7 mol/L的同體積營養(yǎng)鹽溶液(2.5 L)對(duì)試樣采用一次浸泡菌液的方式進(jìn)行膠結(jié)處理。

圖2 巴氏生孢八疊球菌顯微鏡下鏡鑒圖Fig.2 Microscopic view of the bacterium of the genus

1.2.2 試樣制作 試樣采用φ61.8 mm(20 mm的鋼環(huán)刀進(jìn)行制備，制作過程：1)在鋼環(huán)刀底部放置一塊直徑為79.8 mm×10 mm的透水石。2)稱取95 g重塑泥巖樣(初始孔隙率為0.54)，其中，直徑為1.00～0.25 mm，混合攪拌均勻后傾倒入內(nèi)壁涂有凡士林的鋼環(huán)刀中，用千斤頂壓實(shí)控制試樣高度為20 mm，取出后并在泥巖頂部放置濾紙和另一塊透水石。3)將配好的2.5 L菌液傾倒入容器內(nèi)并淹沒透水石頂部，靜置2 h后隨即將等量的0.05 mol/L的CaCl2溶液換入。4)再次靜置2 h使菌株有足夠的時(shí)間吸附在泥巖顆粒表面，之后將2.5 L的營養(yǎng)鹽(等摩爾的氯化鈣+尿素混合溶液)換入。5)間隔48 h后，換一次營養(yǎng)鹽溶液，試樣放入溫度為30 ℃的恒溫箱進(jìn)行培養(yǎng)。6)之后，每隔48 h換一次營養(yǎng)鹽溶液，營養(yǎng)鹽溶液浸泡進(jìn)行到第7 d后停止。

隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，吸附在泥巖顆粒表面的微生物以營養(yǎng)鹽中的氯化鈣為鈣源，基于MICP方法便會(huì)在泥巖顆粒與顆粒接觸處或孔隙中生成碳酸鈣沉淀，減少孔隙空間，有效地使泥巖膠結(jié)成一個(gè)整體。最終如圖3鎖死松散泥巖顆粒被膠結(jié)成具有一定力學(xué)性能的整體。

圖3 通過MICP方法生成膠結(jié)物試驗(yàn)過程Fig.3 Test procedure for the formation of cement by the MICP method

1.2.3 直接剪切試驗(yàn) 采用不同濃度營養(yǎng)鹽對(duì)泥巖試樣進(jìn)行微生物處理，對(duì)培養(yǎng)7 d后的膠結(jié)試樣及未固化的重塑樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀，一共做4組試驗(yàn)，每組有4個(gè)試樣，共計(jì)16個(gè)樣，其中，垂直壓力取100、200、300、400 kPa，依次施加各級(jí)垂直壓力。為了保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，試驗(yàn)前對(duì)膠結(jié)試樣和未固化重塑樣進(jìn)行抽真空飽和(真空抽氣時(shí)間為4 h、浸水時(shí)間為24 h)，然后將試樣分別裝于應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，最后需向剪切盒內(nèi)四周加水保證試樣飽和，剪切速率取0.8 mm/min，每15 s讀取數(shù)據(jù)一次，剪切位移達(dá)到6 mm視為該試樣剪損。

1.2.4 碳酸鈣質(zhì)量試驗(yàn) 直接剪切試驗(yàn)后，將破壞后的整個(gè)未固化重塑泥巖試樣與膠結(jié)試樣收集起來放入容量為1 L的燒杯中，每組取4個(gè)平行試樣進(jìn)行平均值測(cè)試，通過酸洗試驗(yàn)測(cè)定膠結(jié)試樣中的CaCO3質(zhì)量。首先，將分析純鹽酸稀釋成濃度為2 mol/L的稀鹽酸，然后，將整個(gè)試樣置于其中進(jìn)行溶解反應(yīng)，待試樣完全溶解無氣泡產(chǎn)生為止。用純水將溶解后的重塑泥巖樣進(jìn)行多次水洗，由于泥巖遇水易渾濁，每次水洗后靜置一段時(shí)間，待上部水清澈后，倒出上清液。純水洗完后放入110 ℃的烘箱中烘干，烘干時(shí)間為12 h。酸洗試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量差即為MICP方法誘導(dǎo)產(chǎn)生的CaCO3質(zhì)量。

1.2.5 掃描電鏡 為了觀察經(jīng)過4種不同營養(yǎng)鹽濃度處理后試樣的微觀形貌。將3種不同膠結(jié)試樣通過直接剪切試驗(yàn)破壞后各取一部分用小刀切成1 cm×1 cm×1 cm塊狀，再將原狀泥巖試樣也用小刀切成1 cm×1 cm×1 cm塊狀，隨即抽取真空后放入110 ℃烘箱中進(jìn)行烘干，冷卻后對(duì)試樣進(jìn)行噴金處理，放入掃描電鏡中進(jìn)行SEM測(cè)試，觀察試樣微觀結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 直接剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

為了更好地體現(xiàn)膠結(jié)泥巖的力學(xué)性能，對(duì)試樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。一組4個(gè)試樣，分別在不同垂直壓力下，施加水平剪切力進(jìn)行剪切，測(cè)得剪切破壞時(shí)的剪應(yīng)力，然后根據(jù)庫侖理論確定試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力、內(nèi)摩擦角)。圖4為同垂直壓力下不同試樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線。從圖4可知，隨著垂直壓力的增大，標(biāo)準(zhǔn)泥巖和膠結(jié)試樣在各級(jí)垂直壓力下達(dá)到剪應(yīng)力峰值后漸漸趨于穩(wěn)定，可見標(biāo)準(zhǔn)泥巖和膠結(jié)泥巖均屬于應(yīng)變硬化的特征。當(dāng)垂直壓力為200 kPa時(shí)，可以看出試樣抗剪強(qiáng)度0.5 mol/L>0.3 mol/L>0.7 mol/L>標(biāo)準(zhǔn)泥巖。營養(yǎng)鹽濃度從0.3 mol/L增到0.5 mol/L時(shí)，膠結(jié)試樣的剪應(yīng)力也在增加，抗剪強(qiáng)度0.5 mol/L>0.3 mol/L，但濃度增至為0.7 mol/L時(shí)，膠結(jié)試樣抗剪強(qiáng)度反而比0.3 mol/L低。崔明娟等[20]選用濃度為1.0 mol/L的營養(yǎng)鹽處理標(biāo)準(zhǔn)砂，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)砂試樣宏觀上表現(xiàn)為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低。說明隨著營養(yǎng)鹽濃度的增加能有效改善試樣的強(qiáng)度，但營養(yǎng)鹽濃度過高試樣的膠結(jié)效果反而降低，因此，進(jìn)行膠結(jié)試驗(yàn)必須合理選用營養(yǎng)鹽濃度。

膠結(jié)試樣抗剪強(qiáng)度的提高，是由于微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的方解石晶體填充到試樣孔隙中形成“膠結(jié)橋”，增強(qiáng)膠凝力，積聚晶體沉積在顆粒接觸處包裹著顆粒，從而改變顆粒的粒徑大小，對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角都有一定的影響，膠結(jié)泥巖試樣黏聚力、內(nèi)摩擦角的增加是其力學(xué)性能改善的直觀表現(xiàn)。試驗(yàn)中低濃度的營養(yǎng)鹽(0.3、0.5 mol/L)在浸泡過程中會(huì)產(chǎn)生較小的碳酸鈣晶體，一方面可以較為均勻地分布在泥巖顆粒表面，另一方面不易堵塞試樣內(nèi)的孔隙，確保了后續(xù)浸泡過程中吸附于泥巖顆粒表面的細(xì)菌能夠充分汲取營養(yǎng)鹽誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鈣晶體，并使碳酸鈣晶體均勻地沉積在泥巖顆粒表面。因此，0.3、0.5 mol/L試樣整體性較好，抗剪強(qiáng)度較高。由于0.5 mol/L試樣內(nèi)碳酸鈣含量比0.3 mol/L試樣多，故0.5 mol/L試樣抗剪強(qiáng)度要高于0.3 mol/L試樣。

圖4 試樣剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.4 Shear stress-shear displacement curve of sample

從表2可以看到，當(dāng)垂直壓力為400 kPa時(shí)，營養(yǎng)鹽濃度從0增加至0.7 mol/L，標(biāo)準(zhǔn)泥巖樣抗剪強(qiáng)度為127 kPa，而膠結(jié)試樣抗剪強(qiáng)度最大值為149 kPa，增加了22 kPa。通過抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線計(jì)算得出，標(biāo)準(zhǔn)試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為4 kPa、17.33°，0.7 mol/L試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角稍低分別為6 kPa、17.80°，0.5 mol/L試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角最高，黏聚力和內(nèi)摩擦角分別增長了288%、8.66%，說明采用濃度為0.5 mol/L的營養(yǎng)鹽時(shí)泥巖膠結(jié)效果最佳，這與郭偉等[21]的研究結(jié)果基本一致。

2.2 碳酸鈣含量分析

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，試樣中碳酸鈣含量的增加將影響試樣的孔隙率大小，碳酸鈣含量的高低與試樣力學(xué)性能有關(guān)，力學(xué)性能的好壞又與微生物膠結(jié)效果有直接關(guān)系，因此，可以將CaCO3沉淀量作為一個(gè)重要的參考指標(biāo)。從表2可以看出，碳酸鈣含量隨著營養(yǎng)鹽濃度的增加而增加，其中，0.7 mol/L試樣與0.5 mol/L試樣平均碳酸鈣含量較接近，分別為9.99%、9.85%，0.3 mol/L試樣平均碳酸鈣含量最低為5.66%。雖然濃度為0.7 mol/L的試樣生成的平均碳酸鈣含量最高，但由于高濃度營養(yǎng)鹽不均勻性的影響[22-23]，濃度為0.5 mol/L的試樣膠結(jié)效果反而更好，這與直接剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度規(guī)律基本一致。碳酸鈣含量與孔隙率減少也有關(guān)，圖5為不同試樣孔隙比與壓力關(guān)系曲線，從圖5可知，隨著垂直壓力從0增大到1 600 kPa時(shí)，4種試樣的孔隙比都隨之減小，其中3種膠結(jié)試樣的孔隙比比標(biāo)準(zhǔn)泥巖試樣都小，說明膠結(jié)試樣更密實(shí)，強(qiáng)度性能更好。3種不同營養(yǎng)鹽濃度處理下，孔隙率都有所減少，其中，0.7 mol/L試樣碳酸鈣含量比0.5 mol/L試樣高，孔隙率0.7 mol/L試樣比0.5 mol/L試樣小，這符合實(shí)際情況，但0.3 mol/L試樣碳酸鈣含量最低，反而孔隙率最小，是因?yàn)榈蜐舛鹊臓I養(yǎng)鹽更易在孔隙中流動(dòng)，促進(jìn)方解石沉淀從而填充到孔隙中減小試樣的孔隙率，與0.3 mol/L試樣的力學(xué)性能大于0.7 mol/L試樣一致。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of tests

圖5 試樣孔隙比與壓力關(guān)系曲線Fig.5 sample void ratio versus pressure curve

2.3 膠結(jié)泥巖微觀分析

有效CaCO3沉淀晶體的形成大致可分為兩種：顆粒接觸膠結(jié)(由顆粒-顆粒接觸處沉淀的碳酸鈣晶體引起)；碳酸鈣-碳酸鈣膠結(jié)(由相鄰顆粒之間的碳酸鈣晶簇引起)[24-25]。

從圖6(a)、(b)試樣SEM圖可以看出，未經(jīng)處理的試樣放大800倍可以觀察到泥巖的表面顯示出較差的光滑度，孔隙和裂縫在試樣中普遍存在，并且具有圓形、矩形和不規(guī)則尺寸的可見微孔。泥巖整體呈現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，孔隙主要存在于結(jié)構(gòu)完整性差的顆粒中。放大試樣到2 000倍可以發(fā)現(xiàn)，泥巖中存在許多小碎屑和較大的礦物顆粒，顆粒尺寸范圍從幾μm到幾百μm，其中，礦物顆粒有塊、片狀，圓度均勻，主要接觸在泥巖表面，呈絮凝狀結(jié)構(gòu)。礦物與礦物顆粒之間是線對(duì)線或點(diǎn)對(duì)線連接，有明顯的間隙。從圖6(c)～(h)膠結(jié)試樣可以清晰地看到碳酸鈣沉淀晶體，晶體顆粒形貌、尺寸大小不一。其中，通過MICP方法處理后生成菱形、薄片狀的方解石晶體(菱形是方解石的典型特征)為主。由于營養(yǎng)鹽溶液填充到整個(gè)孔隙空間，晶體可以自由沉淀而不受尺寸和位置的限制。

圖6(c)、(d)為0.3 mol/L膠結(jié)試樣，從圖中可以看出，方解石晶體顆粒粒徑尺寸較小、分布較分散且以積聚晶體的形式沉積在顆粒接觸處或孔隙內(nèi)。圖6(g)、(h)為0.7 mol/L膠結(jié)試樣，此時(shí)的方解石晶體顆粒主要為薄片狀，且方解石晶體分布較分散，方解石晶體沉積在顆粒表面處。與其他兩組膠結(jié)試樣相比，圖6(e)、(f)為0.5 mol/L膠結(jié)試樣，圖中方解石晶體顆粒分布較均勻且粒徑尺寸較小，重塑試樣被碳酸鈣晶體包裹著，方解石晶體沉積在顆粒接觸處形成積聚晶體，或填充在重塑泥巖孔隙空間中形成“膠結(jié)橋”，產(chǎn)生膠凝力。

圖6 試樣SEM圖Fig.6 SEM images of specimens

3 結(jié)論

1)原狀試樣與膠結(jié)試樣均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征，黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ都有所增加。膠結(jié)試樣的強(qiáng)度與生成CaCO3晶體含量及分布形態(tài)有關(guān)，控制其他反應(yīng)條件不變，隨著營養(yǎng)鹽濃度的增加，其抗剪強(qiáng)度0.5 mol/L試樣>0.3 mol/L試樣>0.7 mol/L試樣>標(biāo)準(zhǔn)泥巖。

2)經(jīng)過物相分析，晶體可以自由沉淀而不受尺寸和位置的限制，碳酸鈣晶體沉積在顆?？紫吨行纬伞澳z結(jié)橋”，或吸附在試樣顆粒表面，被碳酸鈣晶體包裹著形成積聚晶體。

3)膠結(jié)試樣的強(qiáng)度依賴于試樣內(nèi)產(chǎn)生的CaCO3晶體量及其分布形態(tài)，其中，0.5 mol/L試樣方解石晶體顆粒分布較均勻且粒徑大小相差不大，故膠結(jié)效果最好。