反硝化微生物固化砂土的試驗(yàn)研究

胡其志, 劉徹德， 莊心善

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

在巖土工程地基處理以及邊坡處理領(lǐng)域，土體加固一直都是較為關(guān)鍵和重要的課題。相比常規(guī)的預(yù)壓固結(jié)和化學(xué)灌漿等處理方法，利用微生物技術(shù)膠結(jié)松散土體來達(dá)到降低滲透系數(shù)、提高土體承載力的方法更加環(huán)保，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)意義[1-2]。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)(Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation,簡稱MICP)是其中具有代表性的一種方法。

近年來MICP相關(guān)的研究日益增多，其中以脲酶菌為試驗(yàn)菌種的居多，其效果也最為顯著。但脲酶菌的培養(yǎng)要求和造價(jià)較高，目前依舊處于試驗(yàn)階段，其大規(guī)模的實(shí)際運(yùn)用并不常見。另一方面，MICP反應(yīng)過程中微生物對膠結(jié)沉積物產(chǎn)生所做出的貢獻(xiàn)為自身化能反應(yīng)所產(chǎn)生的二氧化碳和沉淀結(jié)晶的結(jié)晶核[3]，因此，寬泛來說進(jìn)行MICP技術(shù)中的菌種可以有很多，如周峰等[4]就對比了脲酶菌和鐵鹽還原菌的灌漿效果。KARATAS I.等[5]也證明了利用反硝化菌在堿性條件下進(jìn)行MICP的可行性。反硝化細(xì)菌作為土壤中常見的細(xì)菌，購買方便且成本較低，相較于脲酶菌的培養(yǎng)也更加容易。利用反硝化細(xì)菌的MICP加固裸露或臨時(shí)的土坡面很有應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前對于MICP加固砂土已有一些研究成果。Paassen等[6]、Harkes等[7]、Chu等[8]將MICP技術(shù)運(yùn)用于砂土固化，發(fā)現(xiàn)微生物固化可顯著改善砂土的強(qiáng)度、剛度、滲透性等一系列力學(xué)特性。Soon等[9]、崔明娟等[10]、程曉輝等[11]探討了土樣含水率、顆粒粒徑、注漿方式對灌漿效果的影響。梁仕華等[12]驗(yàn)證了循環(huán)灌漿次數(shù)對于固化砂土效果有影響。程曉輝，麻強(qiáng)等[13]驗(yàn)證了固定液濃度對于灌漿效果有影響。

基于此，為有效加固砂質(zhì)土，考慮工程成本和操作的可行性等實(shí)際意義。首先進(jìn)行了灌漿試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，例如土樣的制備、菌液的培養(yǎng)，不同濃度膠結(jié)液的配置，然后在恒溫(25 ℃)有氧堿性環(huán)境下，采用灌漿裝置將膠結(jié)液分批次不連續(xù)灌入土體中，進(jìn)行了微生物灌漿試驗(yàn)。最后比較不同濃度的膠結(jié)液對試樣的加固效果，綜合評價(jià)合理的加固試樣的膠結(jié)液濃度。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 細(xì)菌的活化與培養(yǎng)

試驗(yàn)應(yīng)用的菌種為反硝化細(xì)菌。該菌為土壤無害菌，可通過市場低成本購買，其主要成分為反硝化桿菌。反硝化桿菌是一種異養(yǎng)、兼性厭氧細(xì)菌。影響反硝化細(xì)菌活性的因素有很多，如溫度、酸堿度、磁場、氧氣、膠結(jié)液的配比和濃度等。菌液在培養(yǎng)時(shí)，控制溫度為25 ℃，堿性環(huán)境(pH=8)。制備菌液的具體操作：1)通過往菌株干粉中加入30倍質(zhì)量的水得到原菌液，在10 g/L紅糖濃度環(huán)境靜置活化處理三小時(shí)；2)將原菌液稀釋三倍后過濾掉殘?jiān)?3)加入稀釋的1 mol/L氫氧化鈉溶液攪拌調(diào)節(jié)pH值，利用溶液的酸堿度調(diào)節(jié)控制細(xì)菌的活性。弱堿性溶液環(huán)境更有利于MICP灌漿。調(diào)配得到試驗(yàn)所需的菌液，菌液見圖1。

圖 1 試驗(yàn)所用菌液

在堿性的溶液環(huán)境中，取150 mL菌液進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。往裝菌液的燒杯容器中里倒入100 mL含1 mol/L的氯化鈣的培養(yǎng)溶液，攪拌均勻后，可在剛開始的3 h內(nèi)觀察到有大量的氣泡產(chǎn)生。在溶液的上半部分產(chǎn)生絮狀的白色漂浮物，輕輕震蕩試驗(yàn)容器會(huì)發(fā)現(xiàn)有絮狀物沉淀下去。用玻璃棒將該絮狀物提取，緩慢放入裝有稀鹽酸溶液的燒杯中，觀測到玻璃棒上的絮狀物完全溶解并產(chǎn)生氣泡。經(jīng)分析，證實(shí)該絮狀物沉淀的化學(xué)成分為碳酸鈣。

1.2 膠結(jié)液的配置

膠結(jié)液為氯化鈣(CaCl2)與亞硝酸鈉(NaNO2)以及硝酸鉀(KNO3)的混合溶液。其中亞硝酸鈉和硝酸鉀為反硝化細(xì)菌進(jìn)行反硝化作用中的氮源，為MICP過程的供能物質(zhì)；氯化鈣為MICP過程中的鈣源，其主要作用就是與反硝化反應(yīng)作用過程中產(chǎn)生的二氧化碳在細(xì)菌細(xì)胞壁周圍生成碳酸鈣，同時(shí)，氯化鈣也是菌液的固定液，鈣離子和細(xì)菌的細(xì)胞壁有吸附作用，利于細(xì)菌依附在帶負(fù)電核的土粒顆粒表面，起到固定細(xì)菌的作用。

表1 膠結(jié)液配比 mol/L

在膠結(jié)液中加入溶液酸堿調(diào)節(jié)劑用以將膠結(jié)液調(diào)節(jié)為弱堿性(pH=8)。調(diào)節(jié)劑為1 mol/L的氫氧化鈉溶液，其并不參與到MICP膠結(jié)反應(yīng)過程中。

1.3 土樣性質(zhì)

試驗(yàn)砂土為花崗巖殘積砂質(zhì)細(xì)粒土(圖2)。樣本色暗灰，少粘性土，顆粒形狀復(fù)雜。烘干并篩除2 mm以上的粗顆粒得到試樣土。土的最大干密度為2.02 g/cm3，最優(yōu)含水率為8.0%。顆分曲線如圖3所示，由內(nèi)插值得到：d10=0.12 mm，d30=0.25 mm，d60=0.51 mm，曲率系數(shù)Cc=1.02，不均勻系數(shù)Cu=4.25，級配不良。

圖 2 試驗(yàn)用砂質(zhì)細(xì)粒土 圖 3 土樣顆分曲線

土樣在制作試驗(yàn)樣品時(shí)，采用相同的方法將土樣放置在容器內(nèi)，壓實(shí)至相同狀態(tài)。后續(xù)性能測試試驗(yàn)制樣所需的Φ61.8的兩種鋼環(huán)刀和Φ50×100 mm的模具均在制樣前預(yù)先和土樣一起埋設(shè)在容器中，預(yù)先埋設(shè)環(huán)刀和模具的目的是為了最大程度上減少后期拆模制樣時(shí)對灌漿固化效果的破壞。制樣完成后各容器內(nèi)的土樣的均質(zhì)性相同。

2 MICP灌漿試驗(yàn)

試驗(yàn)在恒溫堿性環(huán)境下進(jìn)行，試驗(yàn)所需的裝置構(gòu)造見圖4。利用裝置的勢能將膠結(jié)液有效地灌注到試驗(yàn)試樣中,膠結(jié)液隨灌漿方向依次通過試樣容器的下部、中部和上部，最終隨導(dǎo)管流入收集裝置中。

圖 4 試驗(yàn)裝置示意圖

2.1 微生物加固原理

微生物代謝產(chǎn)物胞外聚合物(EPS)中含有羥基、胺基、酰胺基、羧酸等負(fù)離子基團(tuán)，由于細(xì)菌細(xì)胞壁的特殊結(jié)構(gòu)對EPS的吸附,使得細(xì)菌表面通常帶有負(fù)電荷，并不斷吸附周圍膠結(jié)溶液中的Ca2+，使其聚集在細(xì)菌細(xì)胞外表面[14]。同時(shí)擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)部的硝化鹽在細(xì)菌產(chǎn)生的反硝化作用下不斷分解出 CO32-并輸送到細(xì)胞表面，從而以細(xì)胞為核，在細(xì)菌周圍析出碳酸鈣沉積物，吸附在巖樣表面上的微生物為成核點(diǎn)礦化沉積出大量的CaCO3，隨著灌漿次數(shù)的增加，礦化沉積逐漸覆蓋堆積填充和膠結(jié)。微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的CaCO3沉積具有膠凝性質(zhì)，與一般的化學(xué)作用生成的CaCO3不同，將試樣膠結(jié)為一個(gè)整體從而達(dá)到灌漿加固的目的。整個(gè)過程發(fā)生的反應(yīng)如下：

反硝化作用:

10CO2+4N2+12H2O+能量

沉降膠結(jié)原理：

2.2 灌漿試驗(yàn)

在進(jìn)行灌漿試驗(yàn)前，采用吸附法將適量的菌液固定在試樣的顆?？p隙中。吸附法的原理是通過物理吸附、化學(xué)或者離子鍵的結(jié)合，將微生物固定于顆?？障犊臻g內(nèi)。這種方法操作簡單，對微生物活力影響小。參考彭劼等人[15]的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),具體操作步驟：1)先往試樣中灌入氯化鈣溶液(0.5 mol/L)，灌入體積按試樣質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整。類比3.4 mL/min的速率設(shè)計(jì)灌漿速率為2 mL/min，固定液灌注結(jié)束后靜置12 h ；2)以同樣的方式將適量的菌液注入到試樣容器中，其速率為2 mL/min，菌液灌注結(jié)束后靜置12 h。

試驗(yàn)共進(jìn)行五組不同濃度的膠結(jié)液灌漿試驗(yàn)，每組膠結(jié)液濃度灌漿試驗(yàn)又分出強(qiáng)度組和滲透組兩組試驗(yàn)，總計(jì)進(jìn)行十組試驗(yàn)。其中無側(cè)限組在試驗(yàn)裝置容器中部放置無側(cè)限抗壓試驗(yàn)所需的模具；滲透組在試驗(yàn)裝置容器中部段放置滲透試驗(yàn)所需的環(huán)刀，在試樣下部段和上部段分別放置直剪試驗(yàn)所用的環(huán)刀。分組的目的是為了從強(qiáng)度和滲透兩方面來綜合分析反硝化細(xì)菌的MICP效果。灌漿試驗(yàn)時(shí)，膠結(jié)液沿著灌漿裝置依次從試樣下部段滲入中部段，再滲入上部段最終滲出試樣。

為使灌漿時(shí)單位質(zhì)量的土樣能灌注等體積的膠結(jié)液，每組試驗(yàn)一次灌漿膠結(jié)液的體積按容器中土樣的重量決定。以 960 mL/kg的體積/質(zhì)量比來確定每組具體灌漿體積，具體灌漿體積見表2，灌漿速率為2 mL/min。采用分批次灌漿，共灌漿4次[16]。在一次注漿結(jié)束后，為便于生成的膠結(jié)物穩(wěn)定，每次灌漿結(jié)束后，靜置試樣24 h，再補(bǔ)充適量的菌液,靜置固定菌液6 h后再進(jìn)行下一批次的灌漿。每次注漿時(shí)的膠結(jié)液成分與體積均與第一次灌漿要求相同,每一次灌漿的速率也與第一次時(shí)的相同。

表2 每次灌漿的膠結(jié)液體積

結(jié)束灌漿試驗(yàn)后，將試樣靜置養(yǎng)護(hù)48 h后，在60℃烘箱中對試樣進(jìn)行烘干養(yǎng)護(hù)48 h,拆模處理進(jìn)行相關(guān)的性能指標(biāo)測試試驗(yàn)。拆模后部分試樣見圖5。

圖 5 部分拆模后的試樣

在灌漿過程中灌漿速率是越來越慢，理論上的勻速灌漿是達(dá)不到的，有的試驗(yàn)組不得不在灌漿過程中反復(fù)調(diào)節(jié)灌漿儀器已保證灌漿試驗(yàn)的進(jìn)行，因此試驗(yàn)中的操作誤差是不可避免的。

3 性能測試

對MICP試驗(yàn)處理得到的砂土試樣，在實(shí)驗(yàn)室里分別進(jìn)行強(qiáng)度、滲透指標(biāo)及碳酸鈣含量測試。

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將處理后的試樣按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123—2019[17]測試土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，加載速率1.0 mm/min。

3.2 直剪試驗(yàn)

將處理后的試樣烘干后靜置24 h。試樣按壓入剪切盒內(nèi)，施加垂直壓力荷載50 kPa，調(diào)整好儀器，對剪切盒的下盒施加水平力，直至試樣被剪壞。

3.3 碳酸鈣的含量

測量比較試樣固定的鈣離子含量可以反應(yīng)出MICP生成的碳酸鈣的量和細(xì)菌的活性。

具體試驗(yàn)方法[18]：1)將單軸抗壓加載破壞后的試樣破碎后，置于燒杯中，以去離子水充分?jǐn)嚢?、清洗?)另取干燥的濾紙，重量計(jì)為W1，折成圓錐型，用以過濾清洗后的試樣，并用去離子水沖洗濾紙、及其上試樣，以保證濾紙及試樣中的可溶鹽充分溶解；3)將濾紙和試樣一并烘干后，稱量濾紙和試樣的總重量為W2；4)改用稀鹽酸重復(fù)步驟，經(jīng)稀鹽酸處理并干燥后，濾紙和試樣總重量為W3。

單位重量試樣中碳酸鈣的含量(RCaCO3)可以用下面公式計(jì)算：

(1)

結(jié)合試驗(yàn)和公式(1)計(jì)算出各試驗(yàn)組的碳酸鈣含量，各試驗(yàn)組(TX，X=1,2,3,4)測得的碳酸鈣含量與對照組(T0)測得的含量相減即得各實(shí)驗(yàn)組所生成的碳酸鈣含量。

3.4 滲透試驗(yàn)

采用變水頭滲透試驗(yàn)，在試樣中預(yù)先埋設(shè)環(huán)刀，拆除清理出試樣用于滲透試驗(yàn)中。按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123—2019 測試土樣的滲透系數(shù)。采用公式(2)來進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中：k為滲透系數(shù)，a為變水頭水管橫截面積，L為試樣高度，A為試樣的橫斷面面積，Δt為滲透的時(shí)間，h1初始水頭，h2終止水頭。

4 結(jié)果分析

4.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將灌漿處理后的砂土試樣拆模靜置3 h后使試樣冷卻至室溫后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖 6 無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變圖

由圖6可知：1)試驗(yàn)組相對于對照組發(fā)生更明顯的塑性破壞。對照組在達(dá)到峰值后迅速從峰值降低零，其破壞時(shí)的應(yīng)變也較小，發(fā)生了脆性破壞，各灌漿組從峰值降低到零是一個(gè)較緩慢的過程，其破壞過程有較大的應(yīng)變，發(fā)生了塑性破壞。灌漿作用改善了試樣的塑性，使得試樣發(fā)生塑性破壞；2)抗剪效果最好的T2組，其峰值為117.1 kPa,較對照組T0組 84.1 kPa提高了39.2%,T3和T1兩組與T2組的峰值差距不大，可認(rèn)為灌漿效果達(dá)到預(yù)期效果。

微生物的MICP改善土體力學(xué)性能取決于微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣的水平，額外生成的碳酸鈣沉淀也會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)土體的致密性以及土顆粒接觸間的膠結(jié)性。大量的試驗(yàn)研究表明微生物的MICP處理主要是通過提高試樣粘聚力來提高試樣的剪切強(qiáng)度。

4.2 鈣離子含量及抗剪強(qiáng)度

測試處理后土樣中碳酸鈣的含量結(jié)果以及直剪試驗(yàn)測試土樣上下兩部分的強(qiáng)度結(jié)果見圖7。

圖 7 試驗(yàn)組碳酸鈣生成量及抗剪強(qiáng)度

試樣在制作時(shí)，理論試樣的壓實(shí)度相同，但實(shí)際操作中下部土要比上部密實(shí)，因此在對照組中，下部土的抗剪強(qiáng)度要比上部土高；而灌漿試驗(yàn)結(jié)果卻恰好相反，試驗(yàn)組的上部土樣的抗剪強(qiáng)度要比下部土的高，上部土的空隙率比下部土的要高，更有利于灌漿試驗(yàn)的進(jìn)行，灌漿膠結(jié)效果更突出；生成碳酸鈣的含量與膠結(jié)液濃度成正比趨勢，生成的碳酸鈣含量越高，抗剪強(qiáng)度也越高。在膠結(jié)液中鈣離子濃度較低時(shí)的情況下，膠結(jié)液中的氮源濃度與生成的碳酸鈣含量成正比趨勢；當(dāng)鈣離子濃度為0.5 mol/L時(shí)，碳酸鈣的生成量(TX-T0,X=1,2,3,4)與氮源的濃度關(guān)系不大，此時(shí)提升氮源的濃度對生成的碳酸鈣含量增幅不大。

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出：1)過高的壓實(shí)度下并不利于灌漿試驗(yàn)；2)在灌漿試驗(yàn)中，膠結(jié)液濃度越高，上下部土樣的強(qiáng)度離散性有縮小的趨勢；3)相同孔隙率以及相同灌漿次數(shù)時(shí)，試樣的直剪強(qiáng)度與膠結(jié)液濃度成正比趨勢；4)碳酸鈣的生成量與膠結(jié)液濃度成正比趨勢，但當(dāng)濃度過高時(shí)，碳酸鈣生成量增幅不大。

4.3 滲透系數(shù)

測量試樣的滲透系數(shù)，其結(jié)果見表3。由表3可分析：各試驗(yàn)組的滲透系數(shù)較對照組(T0)的滲透系數(shù)均下降了一個(gè)數(shù)量級。因?yàn)橥寥阑|(zhì)中微生物誘導(dǎo)原位生成的碳酸鈣晶體占據(jù)了土體孔隙空間，從而降低孔隙比，增加土體的致密性，降低土體的滲透性。在鈣離子濃度含量相同時(shí)(T1與T2、T3與T4)，在氮源濃度升高時(shí)，試樣的滲透性不降反升；在氮源濃度相同時(shí)(T1與T3、T2與T4)，鈣離子濃度越高，試樣的滲透性卻相差不大。這與試驗(yàn)的預(yù)期效果相矛盾。在鈣離子濃度相同時(shí)，提升氮源的濃度將有利于降低試樣的滲透性，但這個(gè)趨勢并不是一直是正向趨勢的，而應(yīng)該是有個(gè)峰值。當(dāng)?shù)礉舛冗^高時(shí)，使得膠結(jié)液整體的濃度變高，抑制了微生物的活性，繼續(xù)提升氮源濃度，對細(xì)菌的MICP灌漿效果有抑制作用，試樣的滲透性上的表現(xiàn)將不再是繼續(xù)下降，甚至比較低濃度的試驗(yàn)組還要高。

表3 試驗(yàn)組的滲透系數(shù)

由此可得出以下結(jié)論：1)對照組的滲透系數(shù)為2.5×10-4cm/s,經(jīng)過處理后，各試樣滲透系數(shù)均下降約1個(gè)數(shù)量級，各試驗(yàn)組試樣間的差異不大；2)在鈣離子濃度相同的情況下，隨著膠結(jié)液中的氮源濃度的上升，細(xì)菌的灌漿效果在滲透方面的表現(xiàn)并不一定是增長的。當(dāng)?shù)礉舛冗_(dá)到一定時(shí)，濃度的增加會(huì)抑制了細(xì)菌的MICP灌漿效果。

綜上所述，采用灌漿的方法，利用反硝化細(xì)菌進(jìn)行MICP加固砂土試驗(yàn)，并通過強(qiáng)度和滲透試驗(yàn)綜合評論并驗(yàn)證了反硝化微生物MICP加固砂土的效果。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上對比，采用反硝化細(xì)菌進(jìn)行MICP比采用脲酶菌進(jìn)行MICP的效果稍差，但可以通過增加灌漿次數(shù)、改善灌漿條件、改變固菌方法等改進(jìn)，使其達(dá)到相同的加固效果。

5 結(jié)論

采用反硝化細(xì)菌進(jìn)行MICP灌漿加固砂質(zhì)細(xì)粒土的試驗(yàn)，比較了不同濃度下膠結(jié)液加固效果的差異，分析試驗(yàn)結(jié)果可得出結(jié)論如下。

1)利用反硝化微生物進(jìn)行MICP加固砂土具有較好的加固效果，經(jīng)過MICP處理后的試樣強(qiáng)度提高了39.2%，滲透系數(shù)均下降了1個(gè)數(shù)量級，強(qiáng)度值達(dá)到峰值前后表現(xiàn)出較為明顯的塑性。

3)在Ca2+濃度相同的膠結(jié)溶液中，提升氮源濃度可有效提升強(qiáng)度參數(shù)；氮源濃度相同時(shí)，增加Ca2+濃度，對試樣的強(qiáng)度參數(shù)有提升效果，對試樣的滲透性無明顯影響。