營養(yǎng)液濃度和微生物活性對MICP固化淤泥質(zhì)土強度的影響

王子文，魏 然，蔡 紅，肖建章，吳帥峰

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點試驗室，北京 100048）

1 研究背景

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（MICP）技術(shù)是一種改進巖土工程性質(zhì)的前沿技術(shù)，基本原理是特定微生物利用周圍尿素等有機物以及鈣離子源，較快生成具有膠凝性質(zhì)的碳酸鈣，基于該技術(shù)的微生物灌漿方法在砂土等材料中已經(jīng)進行了較為深入的研究[1-4]，如Dejong等[5]通過試驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)過微生物處理后的砂土具有較高的初始剪切剛度，抗剪強度也有明顯提高；Whiffin[6]研究了不同離子濃度對微生物脲酶活性的影響，經(jīng)過微生物灌漿的砂土抗剪強度達到1.80 MPa；Van der Ruyt等[7]通過試驗得出采用MICP技術(shù)可提高砂土抗剪切和抗侵蝕能力，還降低了砂土液化可能性；程曉輝等[8]通過標(biāo)準(zhǔn)動三軸及振動臺試驗，表明微生物灌漿加固液化砂土的抗液化和動力性能有了明顯提升；夏璐等[9]針對砂柱微生物堵塞過程進行滲流試驗，確定了造成含水介質(zhì)微生物堵塞的優(yōu)勢菌群；Okwadha等[10]研究了微生物數(shù)量對MICP過程的影響，表明隨著微生物濃度增大，尿素分解率呈線性增加；趙茜[11]發(fā)現(xiàn)氯化鈣CaCl2和尿素CO（NH2）2濃度為0～1.50 mol/L時，隨營養(yǎng)液濃度的提高，碳酸鈣生成量明顯增加，當(dāng)營養(yǎng)液濃度超過1.50 mol/L時，高鹽濃度對微生物活性具有抑制作用從而導(dǎo)致碳酸鈣生成量迅速下降；余清鵬等[12]試驗得到鈣離子濃度為1.00 mol/L，尿素濃度為2.00 mol/L時，砂柱的結(jié)晶體均勻致密，灌漿效果較好；王緒民等[13]開展?fàn)I養(yǎng)鹽濃度對膠結(jié)砂試樣物理力學(xué)特性研究表明營養(yǎng)鹽濃度在0.50 mol/L時試樣強度提高效果最好。

MICP技術(shù)用于砂土加固中為了達到較好的加固效果，一般采用灌注法和泵送法來多次輸送微生物和營養(yǎng)液，應(yīng)用中對于微生物的數(shù)量和活性、營養(yǎng)液濃度沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)；此外，淤泥質(zhì)土礦物成分復(fù)雜，主要以伊利石和蒙脫石為主，具有黏粒含量高，結(jié)構(gòu)松散、顆粒細小、含水量高，滲透性弱的特點，使得采用MICP技術(shù)固化淤泥質(zhì)土更為困難，需要更為精準(zhǔn)微生物的選取和營養(yǎng)液濃度。

基于此，本文在借鑒砂土固化的相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，將菌液、淤泥質(zhì)土和營養(yǎng)鹽直接拌合，通過改變二水氯化鈣CaCl2·2H2O和尿素CO（NH2）2組成的營養(yǎng)液濃度，對比分析了營養(yǎng)鹽濃度、菌液酶活、齡期對淤泥質(zhì)土固化強度的影響因素，為MICP技術(shù)在淤泥質(zhì)土固化中的應(yīng)用積累研究經(jīng)驗。

2 試驗材料

試驗材料主要包括淤泥質(zhì)土、巴氏芽孢桿菌、營養(yǎng)鹽、去離子水，其中，淤泥質(zhì)土取自安徽省清弋江流域，微生物為巴氏芽孢桿菌，營養(yǎng)液由二水氯化鈣CaCl2·2H2O和尿素CO（NH2）2組成，試驗材料的具體特性如下。

2.1 土樣采用安徽省清弋江流域風(fēng)干淤泥質(zhì)土樣，初始含水率為2%，制樣含水率為40%。依據(jù)《土工試驗規(guī)程SL237-1999》[14]，淤泥質(zhì)土料用橡皮錘碾散，過2.00 mm篩，顆粒級配曲線見圖1。

圖1 試驗所用淤泥質(zhì)土顆粒級配曲線

實測清弋江淤泥質(zhì)土粒組含量以粉粒和黏粒為主，液限為37.8%，塑限為17.4%，比重為2.70，具體基本物理性質(zhì)見表1。

表1 淤泥質(zhì)土基本物理性質(zhì)

2.2 菌液MICP固化試驗所用巴氏芽孢八疊球菌的菌株購于中國科學(xué)院微生物研究所，為化能異養(yǎng)菌，細胞呈桿狀，長度2～3 μm，芽孢圓形，直徑0.5～1.5 μm，革蘭氏陽性。

菌液培養(yǎng)過程中選用了優(yōu)化培養(yǎng)基，添加氫氧化鈉溶液將培養(yǎng)基pH值調(diào)整為9.0，高壓蒸汽滅菌鍋在120℃滅菌20分鐘后，在超凈工作臺中完成接種，在振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)20 h。

由于脲酶水解尿素的能力直接決定了微生物生成碳酸鈣的能力，為了對比不同酶活的菌液對固化淤泥質(zhì)土的影響，試驗所用兩種菌液的OD600分別為2.41和4.12，脲酶活性分別為1.28 ms/（cm·min）和1.62 ms/（cm·min），相應(yīng)的單體酶活分別為0.53 ms/（cm·min）和0.39 ms/（cm·min），具體見表2。

表2 試驗所用菌液OD600及活性

2.3 營養(yǎng)鹽營養(yǎng)液為等摩爾濃度鈣源和尿素混合溶液，溶液中二水氯化鈣CaCl2·2H2O：尿素CO（NH2）2=1:1，均由中國國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

為了進一步對比營養(yǎng)液濃度對MICP固化淤泥質(zhì)土的強度影響，在不同試驗組別中，營養(yǎng)液濃度分別為0.50 mol/L、1.00 mol/L、1.50 mol/L、2.00 mol/L以及3.00 mol/L。

2.4 試驗設(shè)備抗剪強度試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制型直剪儀，該儀器為電動控制，能實現(xiàn)勻速剪切，測力環(huán)位移表采用德國麥思德（Masterproof）高精度電子數(shù)顯千分表，量程為0～12.70 mm，能實現(xiàn)剪切力精確量測，試樣剪切速率控制為0.80 mm/min。

2.5 試驗設(shè)計由于淤泥質(zhì)土滲透性差、孔隙小、水動力學(xué)性質(zhì)差，通常在MICP固化砂土采用的灌注法和泵送法并不適用于固化淤泥質(zhì)土。為了提高菌液和營養(yǎng)液在淤泥質(zhì)土中的空間分布均勻性，便于誘導(dǎo)碳酸鈣的生成，經(jīng)過多次嘗試，采用了拌合法對微生物固化淤泥質(zhì)土進行制樣，具體試驗方案設(shè)計見表3。

表3 MICP固化淤泥質(zhì)土試驗方案

根據(jù)《青弋江分洪道工程穩(wěn)定性分析報告》[15]，現(xiàn)場淤泥質(zhì)土的含水率實測基本在40%左右，未添加菌液和營養(yǎng)鹽的對照試驗組的制樣含水率為40%，微生物固化試樣制備中，將試樣中40%含水率所需水量置換為等質(zhì)量的菌液和營養(yǎng)液，控制制樣干密度均為1.35 g/cm3。根據(jù)控制干密度，將稱量好的淤泥質(zhì)土倒入燒杯，量取菌液和不同濃度的營養(yǎng)液摻入土料中拌合，拌合10 min，至土料均勻后，將環(huán)刀樣放入保濕缸中進行養(yǎng)護。

試驗設(shè)計中，采用OD600分別為2.41和4.12，脲酶活性分別為1.28 ms/（cm·min）和1.62 ms/（cm·min）的兩種活性的菌液進行不同營養(yǎng)液濃度的固化試驗。其中對照組為A組，0.50 mol/L、1.00 mol/L、1.50mol/L、2.00 mol/L、3.00 mol/L等不同營養(yǎng)液濃度的微生物固化試樣依次為B、C、D、E、F組；選擇固化強度最高試樣所對應(yīng)的營養(yǎng)鹽濃度，考慮齡期對固化強度影響，將0.5 d、1.0 d、2.0 d、3.0 d、5.0 d養(yǎng)護齡期的固化試驗依次為G、H、I、J、K組，每組試驗制作4個環(huán)刀樣。均采用拌合法制樣，在保濕缸中養(yǎng)護至相應(yīng)齡期，控制缸內(nèi)溫度為23.80℃，濕度為88.50% RH。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 相同齡期條件下不同營養(yǎng)液濃度和菌液酶活的固化效果對比經(jīng)過7 d養(yǎng)護后，對A—F組試樣開展了直剪試驗，不同菌液酶活和營養(yǎng)液濃度條件下試驗得到的抗剪強度指標(biāo)。對試驗得到的抗剪強度指標(biāo)進行整理，分別得到了不同營養(yǎng)鹽濃度條件下的內(nèi)摩擦角變化和黏聚力隨營養(yǎng)鹽濃度變化分布（見圖2和圖3）。

從圖2和圖3可以看出，未固化的對照組內(nèi)摩擦角僅為5.09°，黏聚力為23.93 kPa，相比之下，經(jīng)過MICP固化后淤泥質(zhì)土抗剪強度均有了明顯提高，酶活1.62，OD4.12的菌液固化后，試樣內(nèi)摩擦角最大為28.10°，黏聚力為5.41 kPa；菌液酶活1.28，OD2.41的菌液固化后試樣內(nèi)摩擦角最大為16.79°，黏聚力為23.77 kPa，表明對滲透性差、孔隙小、水動力學(xué)性質(zhì)差的淤泥質(zhì)土，高濃度、高酶活巴氏芽孢桿菌更適用于淤泥質(zhì)土的固化。

圖2 不同營養(yǎng)鹽濃度條件下內(nèi)摩擦角變化曲線

圖3 不同營養(yǎng)鹽濃度條件下黏聚力變化曲線

對比圖2可以看出，菌液酶活1.62 ms/（cm·min），OD600為4.12情況下，隨營養(yǎng)液濃度增加，固化試樣內(nèi)摩擦角呈先增加后下降的趨勢；當(dāng)營養(yǎng)液濃度為0.50 mol/L時，與相同含水率未固化試樣相比，內(nèi)摩擦角提高近4倍，較高OD600的菌液在土體內(nèi)部參與尿素水解反應(yīng)會更充分，提高了碳酸鈣產(chǎn)率。營養(yǎng)液濃度1.50 mol/L時，測得內(nèi)摩擦角最高為28.10°，同比提高5.52倍；營養(yǎng)液濃度進一步提高后測得內(nèi)摩擦角有所下降，主要是因為高濃度營養(yǎng)鹽對菌液有了一定抑制作用。

菌液酶活1.28 ms/（cm·min），OD600為2.41情況下，隨營養(yǎng)液濃度的增加，固化后試樣的內(nèi)摩擦角也逐漸增加，營養(yǎng)液濃度為3.00 mol/L時，內(nèi)摩擦角最高為16.79°；與高濃度菌液相比，一方面，由于利用低酶活和低濃度的菌液固化淤泥質(zhì)土，會使得單位體積土體內(nèi)菌液數(shù)量較少，誘導(dǎo)生成相同質(zhì)量的碳酸鈣在時間上存在一定的滯后性；另一方面，低濃度菌液在一定程度上也會稀釋營養(yǎng)液濃度，進而降低營養(yǎng)鹽濃度過高對菌液活性的抑制作用，有利于提高固化強度。

圖4 不同鹽濃度條件下酶活1.62試樣法向應(yīng)力-抗剪強度

圖5 不同鹽濃度條件下酶活1.28試樣法向應(yīng)力-抗剪強度

MICP固化淤泥質(zhì)土對于土體內(nèi)摩擦角提高顯著，內(nèi)摩擦角增大在一定程度內(nèi)會導(dǎo)致黏聚力的減小。對不同營養(yǎng)鹽濃度條件下的直剪試驗結(jié)果進行進一步整理后得到抗剪強度包線，如圖4和圖5所示，對比可以看出，MICP固化處理后淤泥試樣的實測強度包線均靠上，與未固化淤泥試樣相比，抗剪強度有了明顯提高，選用高酶活菌液的試樣中，營養(yǎng)液濃度為1.50 mol/L時，抗剪強度達到最大，在低酶活菌液組別中，雖然參與誘導(dǎo)生成碳酸鈣的微生物量較少，由于高濃度的營養(yǎng)鹽溶液中游離的Ca2+、NH4+數(shù)量較多，隨營養(yǎng)鹽溶液濃度的增大，微生物反應(yīng)后抗剪強度仍有一定提高。綜合固化效果與經(jīng)濟性，優(yōu)先選用高酶活、高OD600值的菌液進行固化試驗更有優(yōu)勢。

3.2 優(yōu)化營養(yǎng)液濃度條件下不同養(yǎng)護齡期和菌液酶活的固化效果對比在3.1試驗基礎(chǔ)上，優(yōu)選營養(yǎng)液濃度1.50 mol/L，進行不同養(yǎng)護齡期和菌液酶活的微生物固化淤泥質(zhì)土試驗，得到的抗剪強度指標(biāo)通過對優(yōu)化營養(yǎng)鹽下不同齡期試樣的抗剪強度指標(biāo)進一步整理，得到優(yōu)化營養(yǎng)鹽情況下內(nèi)摩擦角和黏聚力隨齡期變化，如圖6和圖7所示。

圖6 優(yōu)化營養(yǎng)鹽條件下不同齡期內(nèi)摩擦角變化曲線

圖7 優(yōu)化營養(yǎng)鹽條件下不同齡期黏聚力變化曲線

從圖6和圖7可以看出，優(yōu)化營養(yǎng)鹽濃度條件下，不同菌液酶活的微生物固化淤泥質(zhì)土試樣在養(yǎng)護前期的抗剪強度就有了明顯提高，養(yǎng)護齡期0.5 d菌液酶活1.62、OD4.12情況下，實測內(nèi)摩擦角為20.35°；菌液酶活1.28、OD2.41的內(nèi)摩擦角為7.56°，與對照組相比，分別提高了4.00倍和1.49倍，表明相同營養(yǎng)液濃度不同養(yǎng)護菌液酶活的各組固化淤泥質(zhì)土的抗剪強度在養(yǎng)護初期就能有較快提高，微生物固化淤泥質(zhì)土在實際工程中不需要過多養(yǎng)護齡期。

同未固化試樣比較，養(yǎng)護齡期為0.5 d時，微生物固化試樣的抗剪強度已明顯提高，養(yǎng)護齡期1.0 d情況下，菌液酶活1.62 ms/（cm·min）和1.28 ms/（cm·min）的固化內(nèi)摩擦角為22.2°和9.45°，接近7 d養(yǎng)護齡期測得的內(nèi)摩擦角28.1°和11.8°，說明微生物酶催化尿素的水化作用在試樣養(yǎng)護初期就可快速進行。

數(shù)據(jù)表明，相同營養(yǎng)液濃度條件下，固化試樣內(nèi)摩擦角在反應(yīng)初期的增幅較大，24小時后增長幅度趨緩，整體表現(xiàn)為先上升后穩(wěn)定，而黏聚力隨齡期變化沒有明顯規(guī)律。

圖8 不同齡期條件下酶活1.62試樣法向應(yīng)力-抗剪強度

圖9 不同齡期條件下酶活1.28試樣法向應(yīng)力-抗剪強度

1.50 mol/L營養(yǎng)鹽濃度條件下不同養(yǎng)護齡期試樣抗剪強度包線如圖8和圖9所示，可以看出高酶活菌液組別抗剪強度增長幅度較大，抗剪強度增長主要發(fā)生在養(yǎng)護齡期前期，與內(nèi)摩擦角隨齡期變化一致，選用高酶活菌液的試樣固化效果同樣優(yōu)于酶活較低的組別。低酶活菌液組別細菌數(shù)量較少，誘導(dǎo)生成的碳酸鈣容易產(chǎn)生集聚效應(yīng)，難以均勻分散地分布在土壤孔隙中，抗剪強度增長幅度較小。

3.3 微生物固化淤泥質(zhì)土的含水率和干密度變化對比巴氏芽孢八疊球菌在固化淤泥質(zhì)土過程中，產(chǎn)生脲酶來促進尿素水解作用，轉(zhuǎn)化成NH4+和HCO-的同時也會消耗水分；此外，在堿性條件下HCO也會與營養(yǎng)鹽中的Ca2+結(jié)合生成碳酸鈣，提高固化強度的同時，也使得固化前后淤泥質(zhì)土的含水率和干密度發(fā)生變化，含水率的降低和干密度的提高均有利于提高淤泥質(zhì)土的抗剪強度指標(biāo)。

圖10對比了不同營養(yǎng)液濃度摻加相同菌液在保濕缸中養(yǎng)護7 d前后的含水率變化情況，對比可以看出，初始制樣含水率均為40%，B、C、D、E、F等5組不同營養(yǎng)鹽濃度固化試樣的7 d齡期含水率比0 d含水率分別降低了7.14%、7.23%、6.71%、7.17%、8.50%。由于試樣均在保濕缸內(nèi)養(yǎng)護，含水率的降低主要是由微生物活動所引起，高濃度的微生物在一定時間內(nèi)代謝活動比較旺盛，微生物生物酶催化尿素的水解作用進一步引起含水率的下降。此外，淤泥質(zhì)土本身含有有機質(zhì)也為微生物活動提供有利因素，促使了淤泥土體中的水分的降低。

圖10 不同營養(yǎng)鹽濃度下試樣含水率變化曲線

圖11 不同營養(yǎng)液濃度下7d養(yǎng)護前后試樣干密度變化

微生物和營養(yǎng)鹽通過拌合填充了部分淤泥質(zhì)土的孔隙，產(chǎn)生碳酸鈣堆積后也增大了淤泥質(zhì)土固體顆粒的質(zhì)量，宏觀上致使試樣干密度增加。整理得到的MICP固化過程中試樣干密度變化見圖11，可以看出，7 d養(yǎng)護齡期結(jié)束后，在0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2 mol/L、3 mol/L等不同營養(yǎng)液濃度條件下，高酶活菌液固化試樣的平均干密度從初始1.35 g/cm3，分別增加到了1.36 g/cm3、1.39 g/cm3、1.38 g/cm3、1.42 g/cm3和1.42 g/cm3，分別增加0.01 g/cm3、0.04 g/cm3、0.03 g/cm3、0.07 g/cm3和0.07 g/cm3。

低酶活菌液固化試樣的平均干密度也分別增加0.03 g/cm3、0.03 g/cm3、0.08 g/cm3和0.10 g/cm3，相應(yīng)的含水率分別降低了2.52%、4.82%、5.12%、6.73%及8.15%。微生物參與尿素水解作用以及自身生命活動均消耗水分，會降低試樣的含水率的同時也提高了固化試樣的強度。當(dāng)營養(yǎng)液濃度大于2.0 mol/L后，高酶活菌液固化處理后的試樣干密度沒有增加，表明高鹽濃度的營養(yǎng)液對微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣起到了抑制作用；而低酶活情況下，由于菌液對高濃度營養(yǎng)液的稀釋作用，仍然可以繼續(xù)誘導(dǎo)生成碳酸鈣，只是由于菌液濃度較低，誘導(dǎo)生成的碳酸鈣量相對高酶活情況表現(xiàn)更為集中，影響了固化效果。

圖12 相同營養(yǎng)鹽條件下含水率隨齡期變化曲線

圖13 不同齡期試樣干密度隨齡期變化

營養(yǎng)液濃度1.50 mol/L條件下，不同養(yǎng)護齡期的含水率及干密度隨齡期變化如圖12和圖13所示，對比可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的增加，高酶活菌液固化試樣含水率分別降低了6.57%、6.75%、6.16%、7.60%、8.62%和6.71%，干密度分別增加了0.04 g/cm3、0.05 g/cm3、0.05 g/cm3、0.06 g/cm3、0.06 g/cm3及0.04 g/cm3；低酶活菌液固化試樣含水率分別降低了4.67%、5.22%、6.67%、6.37%、6.95%和5.12%，干密度分別增加了0.04 g/cm3、0.04 g/cm3、0.06 g/cm3、0.06 g/cm3、0.06 g/cm3及0.05 g/cm3。說明在優(yōu)化營養(yǎng)液濃度條件下，生物酶催化尿素的水化作用也在試樣養(yǎng)護初期就快速進行，含水率降低及干密度增加均較為明顯。

對比不同齡期固化試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種酶活菌液固化試樣含水率下降和干密度增加主要集中淤泥質(zhì)土固化12 h的反應(yīng)初期，內(nèi)摩擦角由未固化的5°提高到了20°，為7 d測得28.10°的65%。由于菌液和營養(yǎng)液在土體內(nèi)部24 h內(nèi)參與尿素水解反應(yīng)效率較高，新陳代謝旺盛也消耗了一定土體內(nèi)部的水分，使得試樣在養(yǎng)護初期的含水率有了較大降低，也相應(yīng)提高試樣的干密度。此外，反應(yīng)初期微生物誘導(dǎo)形成的碳酸鈣的迅速生成后，以細菌為成核位點產(chǎn)生的碳酸鈣相互堆積，填充了部分土體孔隙，進而提高土體抗剪強度。

圖14 試樣制備及養(yǎng)護情況

3.4 微生物固化淤泥質(zhì)土外觀對比淤泥質(zhì)土固化以細胞為核心來形成碳酸鈣晶體，養(yǎng)護過程中，晶體顆粒逐漸增大，彼此堆積后形成具有一定強度的微生物誘導(dǎo)碳酸鈣塊體，營養(yǎng)鹽濃度不同誘導(dǎo)生成碳酸鈣情況不盡相同，在固化土樣外觀上也有所區(qū)別，圖14為養(yǎng)護前后的土樣外觀變化，可以看出，養(yǎng)護7 d后，試樣表面生成了白色圓點或團絮狀斑點，營養(yǎng)液濃度為1.50 mol/L試樣表面斑點最密集，濃度3.00 mol/L試樣表面未出現(xiàn)明顯的白色斑點。

4 結(jié)論

本文基于MICP技術(shù)對淤泥質(zhì)土開展了固化試驗，分析了不同活性菌液情況下，營養(yǎng)液濃度和養(yǎng)護齡期對固化強度的影響，主要結(jié)論如下：

（1）由于淤泥質(zhì)土滲透性差、孔隙小、水動力學(xué)性質(zhì)差，菌液的酶活對MICP固化淤泥質(zhì)土有明顯影響，高濃度、高酶活巴氏芽孢桿菌更適用于淤泥質(zhì)土的固化。同等條件下，MICP固化后的淤泥質(zhì)土抗剪強度有明顯提高，內(nèi)摩擦角比未固化提高3.96～5.52倍，具有較好的工程應(yīng)用前景。

（2）營養(yǎng)液濃度對固化淤泥質(zhì)土抗剪強度有重要影響，隨著營養(yǎng)液濃度不斷增加，內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為先增大后減小，實測最大內(nèi)摩擦角28.10°對應(yīng)的優(yōu)化營養(yǎng)液濃度為1.50 mol/L。

（3）相同營養(yǎng)液濃度條件下，固化試樣抗剪強度在養(yǎng)護初期就有較快的提高，表明實際工程中用較短養(yǎng)護齡期就可以實現(xiàn)固化土體強度的提高。

（4）微生物代謝過程中誘導(dǎo)生成碳酸鈣過程不僅消耗淤泥質(zhì)土中的水分，降低淤泥質(zhì)土含水率，同時也增大了固化土體的干密度，有利于提高固化淤泥質(zhì)土抗剪強度。

（5）不同于傳統(tǒng)的灌漿法和泵送法，微生物固化淤泥質(zhì)土采用拌合法具有良好的適用性，能有效提高菌液和營養(yǎng)液在土體中空間分布均勻性，更有利于誘導(dǎo)碳酸鈣的生成。