微生物誘導(dǎo)碳酸鈣加固砂土的尺寸效應(yīng)

溫智力, 楊建貴, 馬昌龍, 彭 劼*

(1. 河海大學(xué) a. 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b. 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心, 南京 210098;2. 南京市水務(wù)工程建設(shè)管理中心, 南京 210017; 3. 南京市公共工程建設(shè)中心, 南京 210002)

土體加固一直是巖土工程的重要研究方向, 傳統(tǒng)的加固方法有真空預(yù)壓、化學(xué)灌漿等, 但這些方法普遍存在工期長、環(huán)境污染等問題, 而MICP(microbial induced calcite precipitation)技術(shù)因其節(jié)能環(huán)保、加固時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[1-2], 在土壤加固、結(jié)構(gòu)修復(fù)、重金屬治理等方面得到了廣泛的研究[3], 如溫度對MICP的影響[4]、注漿方式[5]和配方的設(shè)計(jì)[6]、三軸試驗(yàn)下的應(yīng)力應(yīng)變行為[7]以及MICP的數(shù)值模擬[8]等．盡管MICP技術(shù)有了很大進(jìn)展,但將該技術(shù)運(yùn)用于實(shí)際工程中仍存在較多問題．目前已有學(xué)者對MICP加固原理和大規(guī)模土體加固效果進(jìn)行了研究, 何稼等[9]從微生物巖土的原理角度出發(fā),詳細(xì)介紹了微生物的礦化作用、產(chǎn)氣過程以及環(huán)境影響,并對微生物巖土技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提出建議; Li[10]提出運(yùn)用引流灌漿的方法加固河砂,發(fā)現(xiàn)采用分階段多次加入菌液及膠結(jié)液時(shí),加固的效果比單點(diǎn)灌漿明顯提高, 為MICP的大規(guī)模應(yīng)用提供了依據(jù)．依據(jù)引流灌漿的思想, van Paassen等[11]對100 m3砂基進(jìn)行加固試驗(yàn),循環(huán)灌注12 d后,砂樣呈現(xiàn)為沿著流線方向的膠結(jié)體,其中碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.8 %～2.4 %,剪切波速平均為300 m·s-1,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.7～12.4 MPa, 但由于灌漿方式是一維的, 使加固效果不均勻; Nassar等[12]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬,測試了MICP在受控條件下的行為預(yù)測能力, 并且準(zhǔn)確地模擬了碳酸鈣不均勻沉淀的整個(gè)過程．總之, 目前對MICP加固的尺寸效應(yīng)的研究尚不充分是制約該技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用的因素之一．本文擬通過不同尺寸條件下MICP加固砂土的模型槽試驗(yàn), 研究試驗(yàn)的加固效果和碳酸鈣的生成量, 探討MICP在不同尺寸條件下的加固機(jī)理,為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一定的依據(jù)．

1 試驗(yàn)

1.1 主要儀器

本文共有2套試驗(yàn)裝置(下文簡稱為A組和B組), 除模型槽大小及注漿點(diǎn)數(shù)量不同外,其他均一致．具體裝置及試樣分塊編號如圖1所示,其中A組模型槽尺寸為170 mm×50 mm×50 mm,B組為170 mm×150 mm×50 mm．

1.2 砂樣制備

試驗(yàn)用砂為福建標(biāo)準(zhǔn)砂, 其主要成分為二氧化硅．砂樣的級配曲線如圖2所示, 2組試驗(yàn)的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示．

表1 標(biāo)準(zhǔn)砂基本物理性質(zhì)指標(biāo)

將砂樣倒入模型槽之前,先在模型槽內(nèi)部貼上PET膜, 砂樣高度均為120 mm,砂樣上下兩端分別墊入10 mm厚的砂墊層(所選顆粒大小比砂樣顆粒略大即可)．實(shí)驗(yàn)前須將2個(gè)模型槽內(nèi)的砂樣在同等條件下浸水潤濕, 并靜置12 h后進(jìn)行注漿試驗(yàn)．

1.3 MICP微生物及試驗(yàn)前準(zhǔn)備

本試驗(yàn)采用的菌種為好氧的巴氏芽孢桿菌,它能通過自身的新陳代謝產(chǎn)生大量的高活性脲酶．試驗(yàn)中將1 mL待測菌液加入到9 mL 尿素中, 并通過測定5 min內(nèi)溶液電導(dǎo)率的變化值來表示細(xì)菌的活性(即細(xì)菌水解尿素的能力)．試驗(yàn)中所用的膠結(jié)液主要是氯化鈣和尿素,為細(xì)菌生成碳酸鈣提供鈣源、碳源和營養(yǎng)物質(zhì)．膠結(jié)液配方如表2所示．

表2 膠結(jié)液配方

1.4 注漿過程

本試驗(yàn)采用分步注漿法, 注漿過程均采用蠕動泵注漿,注漿速度約為3 mL·min-1．第一次注漿時(shí)先將菌液加入到砂樣中靜置1 h, 目的是使菌液在砂樣孔隙中擴(kuò)散并附著于顆粒表面,然后再注入膠結(jié)液, 注入完成后靜置5 h, 進(jìn)行第二次注漿,注漿方式與第一次相同．之后每天注漿3次,持續(xù)4 d, 合計(jì)注入12次,其中每次注入的菌液和膠結(jié)液體積約為0.45倍砂土孔隙體積,且每次灌漿的菌液體積與膠結(jié)液體積均相同．A組每次注漿為50 mL, B組為143 mL, 保證砂樣單位體積內(nèi)的菌液及膠結(jié)液量基本相同．

1.5 測試項(xiàng)目

在試驗(yàn)結(jié)束后,需要對固化砂樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、碳酸鈣含量和滲透系數(shù)進(jìn)行測定,并判斷加固效果．同時(shí), 通過掃描電鏡(SEM)對試樣進(jìn)行觀測,分析碳酸鈣的生成及分布情況,從而判斷尺寸效應(yīng)的影響．在進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)之前,需要將2組固化后的試樣分塊,烘干．

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3為各個(gè)試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度．從圖3可以看出, 經(jīng)過微生物加固的試樣,上部無側(cè)限強(qiáng)度可達(dá)122.8～294.7 kPa, 平均強(qiáng)度為193.2 kPa;而下部試樣的強(qiáng)度為61.2～137.4 kPa,下部試塊的平均強(qiáng)度為88.4 kPa, 上部約為下部的2.35倍,試樣上部的加固效果明顯優(yōu)于下部．對比2組試樣,A組上部平均強(qiáng)度為161.5 kPa,下部平均值為82.1 kPa;B組上部平均強(qiáng)度為203.8 kPa, 較A組增加了26.2%,下部平均強(qiáng)度為90.5 kPa, 是A組的110.2%,其中8-1和8-2試塊強(qiáng)度均較高．B組的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度總體大于A組,且上部加固效果更好,其主要原因?yàn)?當(dāng)膠結(jié)液灌入時(shí),先在試樣上部反應(yīng)生成碳酸鈣晶體,余下的膠結(jié)液在重力作用下流經(jīng)下部,故試樣下部生成的碳酸鈣含量也隨之減少;同時(shí),隨著灌漿的進(jìn)行,在砂樣上部產(chǎn)生的碳酸鈣逐漸增多,會堵塞顆粒間的孔隙,使流入下部的有效滲透路徑數(shù)量減少,不利于碳酸鈣的產(chǎn)生,膠結(jié)不充分,所以試樣上部強(qiáng)度高于下部．而3-1, 8-1和8-2試塊的強(qiáng)度較大, 其原因可能與這3組試塊與模型槽內(nèi)壁接觸,菌液膠結(jié)液易在邊緣集結(jié),并沿內(nèi)部流動至下方, 因此生成的CaCO3較多,強(qiáng)度較大．

2.2 碳酸鈣含量

將經(jīng)過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)的砂樣分為4部分, 分別距離試樣頂部1.5,4.5,7.5,10.5 cm(下文簡稱為1、2、3、4號區(qū)域), 測定其碳酸鈣含量(w(CaCO3)=m(CaCO3)/m(砂樣)), 圖4為CaCO3含量的對比圖．從圖4可以看出,A組下部CaCO3含量基本相同, 平均為4.7%;上部CaCO3平均含量為6.2%, 但上部分布不均勻,特別是2號區(qū)域內(nèi)CaCO3含量明顯高于1號區(qū)域, 這可能與A組內(nèi)部有效滲透路徑被堵塞,液體缺乏滲流路徑, 無法充分流入試樣下方, 造成CaCO3在2號區(qū)域內(nèi)堆積．與A組相似, B組上部CaCO3平均含量為7.3%,下部為5.8%,但下部并未出現(xiàn)A組2號區(qū)域CaCO3含量偏高的現(xiàn)象, 反而4號區(qū)域略高．出現(xiàn)這種情況, 可能是B組有效滲透路徑較多, 菌液和膠結(jié)液能更好地到達(dá)試樣下方, 且B組中位于模型槽兩側(cè)的3-1,3-2和8-1, 8-2試塊CaCO3含量比其他組略高, 這主要是由于菌液在到達(dá)邊界時(shí)被阻擋,并產(chǎn)生大量CaCO3,導(dǎo)致液體無法繼續(xù)滲透,使得邊緣處CaCO3含量偏高．對比2組試驗(yàn), B組CaCO3含量明顯偏高, 而在均勻性方面, A組數(shù)據(jù)的方差為2.655, B組為1.238．比較數(shù)據(jù)與方差的大小可知, B組的數(shù)據(jù)均勻性明顯優(yōu)于A組．這些數(shù)據(jù)說明試件的尺寸效應(yīng)對最終加固效果有影響, 特別是在CaCO3含量和均勻性方面影響較大,尺寸較大的試件中CaCO3生成量更高,試樣整體均勻性更好．對比CaCO3含量和試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,可以發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一定聯(lián)系, CaCO3含量較多的試樣,其抗壓強(qiáng)度也較大．

2.3 滲透系數(shù)

本文采用變水頭滲透試驗(yàn)測定砂樣的滲透系數(shù), 其中B組試樣切割成與A組試樣相同尺寸的試塊后進(jìn)行試驗(yàn),并取平均值進(jìn)行比較．試驗(yàn)結(jié)果顯示,A組的初始滲透系數(shù)為2.17×10-2cm·s-1, 試驗(yàn)結(jié)束后變?yōu)?.65×10-4cm·s-1, 減小了兩個(gè)數(shù)量級; 而B組試樣也由2.26×10-2cm·s-1減小至9.60×10-5cm·s-1, 滲透系數(shù)降低更為明顯．從滲透系數(shù)的變化可以得到, 這2組試樣的初始滲透系數(shù)基本相同,但在加固之后試樣的滲透系數(shù)均有顯著下降,且在試驗(yàn)過程后期, 漿液的流出速度明顯減小,這表明砂樣孔隙中確實(shí)生成了CaCO3, 并造成滲透路徑的部分堵塞．

綜上所述,并結(jié)合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CaCO3含量的數(shù)據(jù), 說明模型槽尺寸的增加有助于提高M(jìn)ICP的加固效果,使其產(chǎn)生更多的CaCO3, 從而造成了滲透系數(shù)上的顯著差異．

2.4 SEM圖

從B組砂樣的3-1、3-2、4-1和4-2試塊內(nèi)取出部分試樣進(jìn)行分析, 其SEM圖像如圖5所示．從圖5可以發(fā)現(xiàn), 砂粒表面分布著不同大小的碳酸鈣晶體,說明位于孔隙中的細(xì)菌反應(yīng)生成了碳酸鈣結(jié)晶,且隨著結(jié)晶的積累, 碳酸鈣晶體逐漸變?yōu)閳F(tuán)狀,并覆蓋于砂顆粒的表面．對比4張SEM圖,并結(jié)合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn),強(qiáng)度高的砂樣,顆粒表面的碳酸鈣生成量也較多(如圖5(a)(c)); 而強(qiáng)度較低的砂樣,顆粒表面晶體偏少(如圖5(b)(d)), 表明CaCO3生成量越多,使得顆粒間膠結(jié)得越牢固,砂粒結(jié)合得越緊密,則砂樣整體的強(qiáng)度越高．

3 機(jī)理分析

MICP試驗(yàn)須使微生物到達(dá)砂樣內(nèi)部盡可能多的區(qū)域,從而提高砂樣膠結(jié)的整體性和均勻性．但在實(shí)際操作過程中, 加固后砂樣內(nèi)部不同區(qū)域的CaCO3含量及強(qiáng)度會有一定差異, 表現(xiàn)出不均勻性, 這可能與砂樣內(nèi)部有效滲透路徑的數(shù)量有關(guān)．

結(jié)合數(shù)據(jù)及以上分析, 本試驗(yàn)中A組試樣加固效果較差, 可能原因是其尺寸較小,有效滲透路徑較少．當(dāng)菌液和膠結(jié)液在到達(dá)模型槽的邊界后,隨即被阻擋,并在邊界處產(chǎn)生大量CaCO3, 無法繼續(xù)滲透;同時(shí),菌液和膠結(jié)液在流動過程中,會造成部分路徑堵塞,減少了有效滲透路徑的數(shù)量,導(dǎo)致缺少滲透路徑抵達(dá)或者只有少量滲透路徑通過的區(qū)域反應(yīng)不完全,而菌液和膠結(jié)液能充分流經(jīng)的區(qū)域則反應(yīng)完全,強(qiáng)度較高, 由此造成A組砂樣加固效果較差,內(nèi)部存在不均勻性, 如圖6(a)所示．而對于寬度方向較大且具有多個(gè)注漿點(diǎn)的B組而言,相同區(qū)塊內(nèi)的有效滲透路徑數(shù)量相似,且同樣存在滲透路徑被堵塞的情況,但由于其寬度方向上連接為整體,相鄰區(qū)塊的有效路徑疊加,一些原本菌液和膠結(jié)液無法流經(jīng)的路徑(即無效滲透路徑)也將有菌液、膠結(jié)液流經(jīng),成為有效路徑,由此增加了砂樣內(nèi)部的有效滲透路徑數(shù)量,使得原本被模型槽壁所阻擋的液體,能達(dá)到以前無法到達(dá)的區(qū)域,在更廣的范圍內(nèi)作用如圖6(b)所示, 這也解釋了為何B組砂樣內(nèi)部的CaCO3含量相對均勻,整體加固效果更優(yōu)的現(xiàn)象．

綜上所述, 尺寸效應(yīng)確實(shí)能影響CaCO3的生成和分布情況, 原因在于相鄰區(qū)塊之間滲透路徑的疊加,增加了有效滲透路徑的數(shù)量,使得細(xì)菌和膠結(jié)液能流經(jīng)原本無法到達(dá)或只有少量CaCO3生成的地區(qū),從而達(dá)到提高CaCO3含量,增強(qiáng)砂樣膠結(jié)整體性和均勻性的目的．