EICP-木質(zhì)素聯(lián)合固化粉土的試驗研究

張建偉　王小鋸　李貝貝　韓一　邊漢亮

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）是通過在土壤顆粒接觸處和土壤顆粒表面生成碳酸鈣沉淀來改善土壤巖土工程性質(zhì)的一種方法，目前對MICP的研究眾多。近幾年來，酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)（Enzyme Induced Carbonate Precipitation，EICP）被廣泛用于土體改良等方面，EICP技術(shù)是利用脲酶將尿素水解成NH+4和CO2-3，CO2-3和Ca2+結(jié)合生成CaCO3沉淀，碳酸鈣的膠結(jié)作用將土體連接在一起，能提高土體強(qiáng)度。在EICP技術(shù)中，礦化會產(chǎn)生大量碳酸鈣，但是，在EICP技術(shù)中沒有給碳酸鈣提供成核位點[1]，生成的碳酸鈣聚集形式雜亂無章，固化后的試樣脆性較高，容易發(fā)生脆性破壞。為了改善這個性質(zhì)，考慮向EICP技術(shù)中添加木質(zhì)素，用來調(diào)節(jié)碳酸鈣的晶型。

目前，把木質(zhì)素和EICP結(jié)合起來改良土體的研究幾乎沒有，為了彌補(bǔ)這一空白，改良EICP技術(shù)中碳酸鈣的聚集方式，利用木質(zhì)素EICP聯(lián)合技術(shù)，對粉土進(jìn)行改良，通過三軸試驗、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、SEM掃描電鏡試驗和XRD分析，研究EICP–木質(zhì)素聯(lián)合技術(shù)對土體宏觀和微觀特性的影響，試驗結(jié)果表明：在EICP技術(shù)中添加木質(zhì)素，可以提高土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也有所提高。從微觀上，添加木質(zhì)素可以為EICP技術(shù)生成的碳酸鈣提供成核位點，且生成的碳酸鈣晶型都是穩(wěn)定的方解石。

采取不同摻量的木質(zhì)素對EICP固化土加以改良，進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗。取烘干后的土樣過篩，取不同摻量的木質(zhì)素與土樣攪拌均勻，將EICP溶液代替水溶液加入粉土中進(jìn)行攪拌和處理制樣，然后進(jìn)行三軸試驗，其中，反應(yīng)液濃度為0.75 mol/L，氯化鈣與尿素1∶1混合。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與未摻木質(zhì)素的EICP改良土相比，EICP-木質(zhì)素改良土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角都更高。

采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗對不同的改良土試件進(jìn)行對比試驗，其中，木質(zhì)素?fù)搅慷紴?%，試驗過程嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，計算試驗數(shù)據(jù)得到不同改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1所示，不同改良土的應(yīng)力都隨著應(yīng)變的增加先增大后減小，這是由于試件應(yīng)力達(dá)到最高點后開始產(chǎn)生破壞，試件產(chǎn)生屈服，不同的改良土試件在彈性階段內(nèi)的斜率要大于素土的斜率，說明改良土彈性階段持續(xù)時間短，素土破壞時應(yīng)變在4.5%左右，EICP改良土的試件破壞時的應(yīng)變在3%左右，木質(zhì)素?fù)搅繛?%的改良土試件破壞時的應(yīng)變在2.3%左右，而EICP木質(zhì)素試件破壞時的應(yīng)變在1.6%左右，說明在EICP技術(shù)中添加木質(zhì)素可以有效改善粉土的力學(xué)性能。

為了進(jìn)一步研究木質(zhì)素在EICP改良土中的作用機(jī)理，取試驗后的土樣進(jìn)行放大500、2 000倍的掃描電鏡實驗。結(jié)果如圖2所示，圖2（a）是木質(zhì)素處理過的粉土樣微觀圖，圖2（b）是EICP技術(shù)處理過的粉土樣微觀圖，圖2（c）是用EICP木質(zhì)素聯(lián)合固化技術(shù)處理過的土樣微觀圖。

從圖2放大500倍的微觀對比圖可以看到：圖2（a）、（b）雖然也形成了聯(lián)結(jié)土顆粒的膠結(jié)物質(zhì)，但是與圖2（c）相比，生成的膠結(jié)物質(zhì)明顯減少很多。從圖2放大2 000倍的微觀圖可以看到：圖2（a）生成的有填充土顆?？紫兜慕z狀結(jié)構(gòu)，圖2（b）生成的有塊狀碳酸鈣，但分布雜亂，沒有成核點，圖2（c）的土顆粒之間相互聯(lián)結(jié)最好，紅圈標(biāo)出的是木質(zhì)素和碳酸鈣聯(lián)結(jié)在一起形成的花瓣狀的膠結(jié)物，填充了土顆粒之間的孔隙，說明木質(zhì)素為碳酸鈣提供了成核位點，彌補(bǔ)了EICP技術(shù)中沒有成核位點的缺陷，在宏觀上可以體現(xiàn)為提高抗剪強(qiáng)度和黏聚力，改善土體的工程性質(zhì)。

EICP技術(shù)中生成的碳酸鈣有同質(zhì)多象體，同質(zhì)多象體是具有相同的化學(xué)組分，在不同的物理化學(xué)環(huán)境中，能形成結(jié)構(gòu)不同的幾種晶體。碳酸鈣的同質(zhì)多象體分別為方解石（calcite）、文石（aragonite）和球霰石（vaterite）。其中，方解石是熱力學(xué)最穩(wěn)定的礦物相，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度;文石在地表呈亞穩(wěn)定相;通常情況下球霰石是熱力學(xué)最不穩(wěn)定的晶型，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，很難被保存，作為加固用的碳酸鈣晶型，本身具有短板。圖3是用EICP-木質(zhì)素改良粉土（木質(zhì)素?fù)搅繛?%、3%、5%）進(jìn)行XRD試驗得到的物質(zhì)分析圖，碳酸鈣的晶型只有方解石，沒有球霰石，說明使用該技術(shù)加固土體可以從內(nèi)部消除工程隱患。

EICP-木質(zhì)素聯(lián)合固化技術(shù)能提高土體的抗剪強(qiáng)度和粘聚力，通過微觀試驗可以看出，木質(zhì)素的作用機(jī)理主要是改變了EICP產(chǎn)生分散碳酸鈣的方式，為碳酸鈣提供成核位點，在土顆粒間隙中將無規(guī)律的碳酸鈣聚攏成型。

參考文獻(xiàn)：

[1] CHANDRA A， RAVI K. Effect of magnesium incorporation in enzyme-induced carbonate precipitation （EICP） to improve shear strength of soil[M]//Lecture Notes in Civil Engineering. Singapore： Springer Singapore， 2020： 333-346.

（編輯 胡玲）