基于MICP技術(shù)改良的膨脹土膨脹特性試驗(yàn)研究

劉浩林，李 丹，胡 波，程展林

(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院， 武漢 430074； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430010)

1 研究背景

膨脹土因其顯著的“吸水膨脹和失水收縮”特性，造成了很多巖土工程災(zāi)害，因此膨脹土改良仍是巖土工程領(lǐng)域的重要研究課題之一[1]。由于膨脹土的膨脹變形機(jī)理十分復(fù)雜，因此改良方法也非常多。物理改良方法主要有換填法、摻入風(fēng)化砂或纖維等材料，但受到降水和地下水的長(zhǎng)期影響后，膨脹土?xí)俅伟l(fā)生破壞[2]?；瘜W(xué)改良方法最常見(jiàn)的是摻入一定量的水泥或石灰等膠凝材料，通過(guò)水化反應(yīng)和硬凝反應(yīng)，降低土體膨脹性，增強(qiáng)土體強(qiáng)度，且具有較好的時(shí)效性[3]。但是水泥及其他新型化學(xué)改良劑的生產(chǎn)卻是一個(gè)高耗能的過(guò)程，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的因素之一，同時(shí)改良的土體多存在劣化土壤生態(tài)環(huán)境、邊坡生態(tài)復(fù)綠工作難度大等問(wèn)題。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation,MICP)技術(shù)主要是通過(guò)產(chǎn)脲酶細(xì)菌的新陳代謝水解尿素，進(jìn)而產(chǎn)生具有膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體，以改善土體性能，此技術(shù)生態(tài)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效，目前被廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域[4]。MICP技術(shù)最先應(yīng)用于砂土等粗粒土的加固中，通過(guò)壓力注漿處理后的砂土試樣、砂柱和砂基等，其強(qiáng)度、剛度、抗液化和抗侵蝕性能顯著提升[5-9]。另外，MICP技術(shù)在細(xì)粒土和黏性土方面的應(yīng)用，也取得了一些成果。邵光輝等[10]和彭劼等[11]采用壓力注漿法分別固化粉土和有機(jī)質(zhì)黏土，發(fā)現(xiàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著提高；張銀峰等[12]采用拌和法加固黏土，研究了反應(yīng)液配比等因素，發(fā)現(xiàn)菌液與膠結(jié)液配比為1∶2時(shí)的試樣強(qiáng)度最大。王子文等[13]采用拌和法固化淤泥質(zhì)土，研究了營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)固化強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)濃度為1.5 mol/L時(shí)，內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度最大。由于細(xì)菌本身具有一定尺寸，黏性土滲透性差，宜采用拌和法，也比較符合工程實(shí)際。在膨脹土方面，覃永富等[14]采用浸泡法固結(jié)強(qiáng)膨脹土，發(fā)現(xiàn)自由膨脹率降低了85.4%，抗剪強(qiáng)度也明顯提高；余夢(mèng)等[15]采用壓力注漿改良膨脹土，土樣的強(qiáng)度和膨脹性也得到改善；李小冰[16]研究了處理液摻量和齡期對(duì)MICP改良膨脹土力學(xué)特性的影響。上述研究已說(shuō)明MICP技術(shù)拌和法處理土樣，可以有效提高土體強(qiáng)度，降低滲透性，且在膨脹土中也有一些研究，但作用機(jī)理尚不清楚。

本文采用拌和法處理膨脹土，控制試樣含水率和干密度，外加菌液和膠結(jié)液，通過(guò)非狀態(tài)指標(biāo)自由膨脹率和狀態(tài)指標(biāo)無(wú)荷膨脹率，研究反應(yīng)液配比和Ca2+濃度對(duì)MICP改良膨脹土膨脹特性的影響，得到改善效果最佳的反應(yīng)液配比和Ca2+濃度組合；并通過(guò)測(cè)定CaCO3的百分生成量、X射線衍射(XRD)試驗(yàn)和掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)，從微觀上分析處理前后礦物成分的變化及CaCO3的富集形態(tài)，從而揭示MICP改良膨脹土膨脹性的機(jī)理。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 土樣性質(zhì)

試驗(yàn)用土取自引江濟(jì)淮工程引江濟(jì)巢段肥西Y003標(biāo)段，顏色呈黃褐色，將取回的土樣自然風(fēng)干，并破碎為5 mm和2 mm土樣，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[17]，測(cè)得其基本物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1，結(jié)果顯示該土樣是中膨脹土，屬于高液限黏土。取足量2 mm土樣，放入恒溫干燥箱，在105 ℃下烘24 h備用。

表1 土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic physical and mechanical properties of soil

2.2 反應(yīng)液的配制

基于MICP的反應(yīng)機(jī)理，反應(yīng)液由菌液和膠結(jié)液組成，其基本反應(yīng)方程式為

(1)

(2)

本試驗(yàn)采用的菌種為巴氏芽孢八疊球菌(Sporosarcinapasteurii，CGMCC 1.368 7)，該菌環(huán)保無(wú)毒害，被眾多學(xué)者廣泛使用。試驗(yàn)采用NH4-YE培養(yǎng)基對(duì)菌種進(jìn)行活化并擴(kuò)大培養(yǎng)，液體培養(yǎng)基成分見(jiàn)表2。

表2 NH4-YE液體培養(yǎng)基成分Table 2 NH4-YE liquid medium composition

培養(yǎng)基配制分裝完成后，需在121 ℃下，高壓蒸汽滅菌20 min，冷卻后，將活化的菌種按1∶100的接種比進(jìn)行無(wú)菌接種。然后置于恒溫震蕩培養(yǎng)箱中，在30 ℃下，以150 r/min的轉(zhuǎn)速連續(xù)培養(yǎng)20 h。培養(yǎng)完成的菌液采用TU-1950紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)和DDS-11A電導(dǎo)率儀測(cè)得其濃度和脲酶活性。濃度用吸光度OD600表示，脲酶活性按Whiffin等[5]的脲酶活性經(jīng)驗(yàn)公式換算。本試驗(yàn)使用的菌液濃度OD600=3.0，脲酶活性為(單位時(shí)間內(nèi)的尿素水解量)16.72。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)以反應(yīng)液配比(反應(yīng)液總體積不變，菌液與膠結(jié)液的體積比)和膠結(jié)液中的Ca2+濃度(控制膠結(jié)液中尿素濃度為1.0 mol/L)為研究因素。設(shè)置反應(yīng)液配比為1∶1、1∶2、1∶3三個(gè)水平，設(shè)置膠結(jié)液中的Ca2+濃度為1.5、2.0、2.5 mol/L 3個(gè)水平，采用正交試驗(yàn)法，均分別進(jìn)行自由膨脹率和無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)。同時(shí)，用純水以相同方式處理作為對(duì)照組，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test plan

3 試驗(yàn)方法

3.1 試樣的制備

本文主要基于自由膨脹率試驗(yàn)和無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)，自由膨脹率屬非狀態(tài)指標(biāo)，無(wú)荷膨脹率屬狀態(tài)指標(biāo)，因此試樣的制備包括拌和法土料和環(huán)刀樣的制備，如圖1所示。

圖1 試樣的制備與養(yǎng)護(hù)Fig.1 Preparation and maintenance of samples

(1)拌和法土料的制備：將一定量的反應(yīng)液加入到100 g冷卻烘干土中，在搪瓷碗中拌和法均勻(10 min內(nèi))，用保鮮膜密封，放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試樣的養(yǎng)護(hù)條件要適宜微生物的新陳代謝，故按照CGMCC提供的微生物培養(yǎng)說(shuō)明，控制溫度為30 ℃，相對(duì)濕度為90%，養(yǎng)護(hù)3 d，進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)。

(2)環(huán)刀樣的制備：將拌和法的土料按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[17]，制作直徑61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀試樣，控制含水率為21%，干密度為1.53 g/cm3。用保鮮膜包裹起來(lái)，在溫度為30 ℃、相對(duì)濕度為90%的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)3 d，進(jìn)行無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)。

由于反應(yīng)液是菌液和膠結(jié)液的混合液，相同體積的水和反應(yīng)液制備的試樣含水率存在差異，因此需要測(cè)定處理后的試樣在養(yǎng)護(hù)完成時(shí)的實(shí)際含水率是否滿足試驗(yàn)要求。故選擇20、24、28 mL的反應(yīng)液，采用相同的試樣制備方法，對(duì)不同試驗(yàn)組試樣養(yǎng)護(hù)后的含水率進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用24 ml反應(yīng)液處理后土樣的含水率接近21%，且滿足規(guī)范要求(1%誤差允許范圍內(nèi))。即：控制反應(yīng)液體積為24 mL，養(yǎng)護(hù)完成的試樣含水率滿足試驗(yàn)要求。

表4 各試驗(yàn)組不同反應(yīng)液體積下的實(shí)際含水率Table 4 Actual water content of each test group under different volumes of reaction solution

3.2 自由膨脹率試驗(yàn)

自由膨脹率主要反映土壤的親水能力，與土壤本身的礦物成分和化學(xué)成分有關(guān)。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[17]要求進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，計(jì)算自由膨脹率。

3.3 CaCO3生成量的測(cè)定

(4)

3.4 無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)

無(wú)荷膨脹率是指在側(cè)限條件下，不施加上覆荷載時(shí)試樣的膨脹增量與初始高度的比值。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[17]要求進(jìn)行無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)，體膨脹率的計(jì)算式為

(5)

式中：δe為體膨脹率(%)；Vw為膨脹穩(wěn)定后試樣的體積(cm3)；V0為試樣初始體積(cm3)。

另外測(cè)得膨脹穩(wěn)定后每個(gè)試樣的含水率，得到各組試樣的膨脹含水率。

3.5 微觀分析

選擇自由膨脹率和無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)中改良效果較好的試樣分別進(jìn)行X射線衍射(XRD)試驗(yàn)和掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)，分析經(jīng)MICP拌和法處理后土樣的礦物成分變化，以及探查微生物生成的碳酸鈣形態(tài)和富集情況。

4 結(jié)果與討論

4.1 自由膨脹率與CaCO3百分生成量

圖2是在不同反應(yīng)液配比下，各組試樣的CaCO3百分生成量和自由膨脹率隨Ca2+濃度的變化。

圖2 不同反應(yīng)液配比下CaCO3百分生成量和 自由膨脹率隨Ca2+濃度的變化Fig.2 Variation of generated and free expansion rate CaCO3 percentage with Ca2+ concentration under different reaction liquid ratios

如圖2(a)所示，在不同反應(yīng)液配比下，Ca2+濃度為1.5 mol/L和2.0 mol/L時(shí)，CaCO3百分生成量無(wú)明顯差異；當(dāng)Ca2+濃度增大到2.5 mol/L，CaCO3百分生成量明顯減小。這是由于較高濃度的Ca2+會(huì)抑制細(xì)菌的新陳代謝，導(dǎo)致尿素的水解量減少[5]。在相同Ca2+濃度下，隨著反應(yīng)液中菌液的占比減小，土樣中CaCO3百分生成量增大。當(dāng)菌液和膠結(jié)液的體積比為1∶3、膠結(jié)液Ca2+濃度為1.5 mol/L時(shí)，生成的CaCO3最多，其百分生成量為1.28%。

如圖2(b)所示，在不同反應(yīng)液配比下，隨著Ca2+濃度的增大，土樣的自由膨脹率均先減小后增大，Ca2+濃度為2.0 mol/L時(shí)，土樣的自由膨脹率最小。在相同Ca2+濃度下，反應(yīng)液中菌液的占比越大，土樣的自由膨脹率越小?？赡苁怯捎谌芤褐芯w含量較多時(shí)，進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)的土樣中親水礦物含量相對(duì)減少。從整體來(lái)看，反應(yīng)液配比為1∶1、膠結(jié)液Ca2+濃度為2.0 mol/L時(shí)，土樣自由膨脹率最小，為47%，相比未處理土樣，自由膨脹率降低了44.4%。

一般認(rèn)為，CaCO3的生成量與土體改良效果呈正相關(guān)[18]。結(jié)合圖2可發(fā)現(xiàn)，Ca2+濃度在1.5～2.0 mol/L之間，CaCO3的百分生成量變化較小，但是土樣的自由膨脹率卻明顯減小。因此，在不加菌液的情況下，分別采用20、30、40、50、60 mL Ca2+濃度為2.0 mol/L的膠結(jié)液?jiǎn)为?dú)處理土樣，測(cè)得其自由膨脹率的變化，如圖3所示。

圖3 不加菌液下自由膨脹率隨反應(yīng)液體積的變化曲線Fig.3 Curves of free swelling rate versus volume of reaction liquid in the absence of bacteria liquid

4.2 無(wú)荷膨脹率

圖4為無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)完成后，計(jì)算得到的每組試樣的體膨脹率和膨脹含水率。如圖4所示，10組試樣的體膨脹率和膨脹含水率變化趨勢(shì)一致。純水處理的試樣體膨脹率和膨脹含水率分別為8.3%和44.7%，明顯高于MICP處理后的9組試樣。經(jīng)MICP處理后的9組試樣中，改良效果最佳的是第6組，即：反應(yīng)液配比為1∶3，膠結(jié)液Ca2+濃度為2.0 mol/L，其體膨脹率為0.65%，膨脹含水率為35.8%。相比未處理的試樣，體膨脹率減小了92.2%。膨脹含水率減小了24.9%。因?yàn)镸ICP處理后的試樣在養(yǎng)護(hù)期間，微生物水解尿素產(chǎn)生CaCO3沉淀，不斷充填了試樣中的孔隙，并膠結(jié)土顆粒，阻隔了土顆粒與水的接觸，降低了試樣的膨脹性。

圖4 各組試樣體膨脹率及膨脹含水率Fig.4 Expansion rate and swelling water content of each group of specimens

圖5是試樣10和試樣6烘干后表面開(kāi)裂情況，將圖像進(jìn)行二值化后可以清晰看到試樣表面主要裂隙[20]。如圖5所示，處理后的試樣6相比未處理的試樣10，裂隙數(shù)量明顯減少，且裂隙寬度也較小。

圖5 試樣10和試樣6試樣表面及二值圖像裂隙對(duì)比Fig.5 Comparison of surface and binary image cracks between No. 10 and No. 6 samples

圖6是10組試樣在5、10、20、30 min和1、2、3、6、12、18、24、30 h時(shí)刻的膨脹率。如圖6所示，在試驗(yàn)開(kāi)始的10 min內(nèi)，改良后的試樣膨脹率峰值均明顯低于未改良的試樣，說(shuō)明MICP改良效果顯著。同時(shí)10組試樣在10 min內(nèi)膨脹率均迅速達(dá)到最大，隨即又迅速減小，從10 min開(kāi)始到膨脹穩(wěn)定,膨脹率的變化較小。這是由于膨脹土的膨脹過(guò)程可以分為礦物晶格擴(kuò)張和顆粒間的間距擴(kuò)大，且礦物晶格擴(kuò)張先于顆粒間距擴(kuò)大發(fā)生[21]。因此，在水接觸試樣后，試樣中的親水礦物迅速發(fā)生晶格擴(kuò)張，膨脹率達(dá)到最大，但是親水礦物的含量有限，所以晶格擴(kuò)張逐漸穩(wěn)定，表現(xiàn)為膨脹率迅速下降。晶格擴(kuò)張完成后，試樣孔隙不斷充滿水，引起顆粒間距擴(kuò)大。

圖6 不同時(shí)刻的膨脹率變化曲線Fig.6 Change curves of expansion rate at different moments

在1～3 h區(qū)間，試樣10的膨脹率趨于平緩，而試樣1—試樣9的膨脹率均出現(xiàn)了先增大再減小的起伏?？赡苁怯捎谠嚇?0孔隙發(fā)育，在10 min內(nèi)水完全浸入試樣，試樣達(dá)到膨脹穩(wěn)定狀態(tài)；而試樣1—試樣9由于內(nèi)部生成CaCO3，阻礙了水的進(jìn)入，浸泡2 h后，試樣內(nèi)部的土顆粒才完成晶格擴(kuò)張。在3～30 h區(qū)間，10組試樣均發(fā)生緩慢的土顆粒間距擴(kuò)大，最后膨脹趨于穩(wěn)定。

4.3 微觀分析

圖7和圖8分別是采用XRD和SEM對(duì)處理前后試樣的礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖7 X射線衍射圖譜Fig.7 X-ray diffraction pattern

圖8 試樣處理前后SEM圖像Fig.8 SEM images of specimens before and after treatment

如圖7所示，處理前土樣的主要成分是石英、蒙脫石和伊利石，以及少量的高嶺石，幾乎不見(jiàn)碳酸鈣存在；處理后的土樣主要成分未發(fā)生變化，但方解石的衍射強(qiáng)度明顯增大，說(shuō)明土樣中CaCO3含量增多。同時(shí)可以看到蒙脫石的含量相對(duì)減少，伊蒙混層的含量增多，說(shuō)明經(jīng)過(guò)MICP處理后的膨脹土礦物成分由膨脹勢(shì)較強(qiáng)的蒙脫石向膨脹勢(shì)較弱的伊利石轉(zhuǎn)變，使得膨脹土的膨脹性整體降低。

如圖8(a)所示，未處理的土樣顆粒主要為片狀結(jié)構(gòu)和扁平狀顆粒聚集體，也有部分顆粒呈彎曲片狀，為蒙脫石和伊利石特征；同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)未處理試樣孔隙較發(fā)育。如圖8(b)和圖8(c)所示，在第3和第6組的無(wú)荷膨脹率試樣中可以清楚看到碳酸鈣晶體，膠結(jié)周圍的片狀顆粒和單粒體，而且試樣的孔隙明顯減少。由此可以從微觀的角度解釋，第3和第6組試樣的體膨脹率和膨脹含水率顯著降低的原因。如圖8(d)所示，第3組自由膨脹率的粉末土樣主要以粒狀顆粒為主，少見(jiàn)扁平狀和彎曲片狀，粒狀顆粒的膨脹勢(shì)弱于彎曲片狀顆粒[1]；也可明顯看到碳酸鈣晶體膠結(jié)土顆粒。圖8(e)是第6組自由膨脹率的粉末土樣，其中可發(fā)現(xiàn)球狀碳酸鈣晶體(球霰石)，是一種典型人工生長(zhǎng)的碳酸鈣晶體，這與學(xué)者王瑞興等[22]的結(jié)果一致。同時(shí)在球霰石的表面可發(fā)現(xiàn)微生物留下的空洞以及伴生的方解石晶體。

5 結(jié) 論

本文基于MICP技術(shù)拌和法處理中膨脹土，研究了不同反應(yīng)液配比和不同Ca2+濃度對(duì)膨脹土膨脹特性的影響。得到的結(jié)論如下：

(1)采用MICP拌和法處理膨脹土可以有效改善膨脹土的膨脹性，土中CaCO3含量明顯增多。反應(yīng)液配比為1∶1和Ca2+濃度為2.0 mol/L時(shí)，降低膨脹土自由膨脹率效果較好，使得自由膨脹率降低了44.4%。

(2)在Ca2+濃度為2.0 mol/L的膠結(jié)液和反應(yīng)液配比為1∶3的組合下，試樣的體膨脹率最小，為0.65%，相比未處理試樣，體膨脹率減小了92.2%，膨脹含水率相比降低了24.9%，膨脹性改善效果最佳。

(3)MICP降低膨脹土膨脹性的作用機(jī)理有膠結(jié)作用、充填作用和離子作用。微生物生成的CaCO3膠結(jié)包裹土顆粒，使其變?yōu)榕蛎泟?shì)較弱的粒狀顆粒，并且阻隔土顆粒與水的接觸，降低親水性；同時(shí)充填土體內(nèi)部孔隙，減少疏水通道；其中的Ca2+和NH4+通過(guò)置換和中和作用，增強(qiáng)晶格間的化學(xué)鍵，減弱顆粒間的排斥作用，降低膨脹性。