微生物-活性氧化鎂固化紅黏土試驗(yàn)研究

吳 尚 彬，賈 蒼 琴，王 貴 和

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引 言

紅黏土是一種由石灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽類巖石在濕熱氣候條件下風(fēng)化而成的高塑性黏性土，通常呈褐色或棕紅色。紅黏土具有高含水量、高液塑限、高孔隙比等不良物理性質(zhì)與脹縮性，導(dǎo)致其通常不能直接滿足工程建設(shè)的需要，因此許多學(xué)者致力于研究紅黏土的改良方法。為提高紅黏土強(qiáng)度，控制紅黏土的脹縮性，研究人員使用了水泥[1]、石灰[2]、粉煤灰[3]等傳統(tǒng)材料固化土體。大量試驗(yàn)證明，這些添加劑可以提高紅黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度。但這類傳統(tǒng)添加劑大多生產(chǎn)能耗高，CO2排放量大，有些還具有生物毒性，環(huán)境污染大，因此探索新型土體加固方法勢(shì)在必行。

微生物固化技術(shù)作為一種新型土體加固技術(shù)，近年來(lái)其研究成果頗豐。該技術(shù)的原理是：微生物通過(guò)新陳代謝作用，誘導(dǎo)生成新物質(zhì)，新物質(zhì)膠連土體顆粒，封堵土體孔隙，土體力學(xué)性能因此而改變。微生物固化技術(shù)在土體加固[4-7]、防滲封堵[8-10]、控制砂土液化[11-12]等方面都已得到成功應(yīng)用。可以看出，微生物固化技術(shù)在砂土中應(yīng)用較多，在黏性土中也有少量應(yīng)用。例如，談葉飛等[13]將微生物固化技術(shù)應(yīng)用于黏性土堤壩的防滲工程中，成功將滲透系數(shù)降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，下降幅度為99.3%。

活性氧化鎂固化技術(shù)是一種新型土體加固技術(shù)。趙涵洋等[14]證明了活性氧化鎂可以有效提高紅黏土抗剪強(qiáng)度；劉松玉等[15]使用活性氧化鎂成功實(shí)現(xiàn)了粉土以及粉質(zhì)黏土的固化，但他們發(fā)現(xiàn)，固化過(guò)程中需要通入一定濃度和壓力的CO2，這在實(shí)際工程中難以控制，對(duì)固化效果會(huì)產(chǎn)生影響。

微生物通過(guò)分解尿素所產(chǎn)生的碳酸根離子，可以代替活性氧化鎂固化過(guò)程中所需的CO2，并且反應(yīng)過(guò)程容易控制。但是，當(dāng)前尚未有研究將微生物固化技術(shù)與活性氧化鎂固化技術(shù)相結(jié)合來(lái)處理紅黏土，鑒于此，本文結(jié)合微生物固化技術(shù)與活性氧化鎂固化技術(shù)，重點(diǎn)探究氧化鎂含量、菌液濃度、初始含水率對(duì)紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，以及該技術(shù)對(duì)紅黏土收縮性的控制作用。并通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)和X射線衍射分析(XRD)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣材料

試驗(yàn)所用紅黏土取自福建省南平市，呈磚紅色。將足量紅黏土碾碎后過(guò)2 mm篩，并置于105 ℃烘干箱中烘干至恒重，取出后冷卻至室溫備用。土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所列。試驗(yàn)采用日本協(xié)和150活性氧化鎂，其碘吸附值為120 mg/g，置于干燥環(huán)境中密封保存，其主要化學(xué)成分及主要參數(shù)如表2所列。試驗(yàn)所用尿素購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

表1 紅黏土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties of red clay

表2 活性MgO主要化學(xué)成分及堆積密度Tab.2 The main chemical components and packing density of active MgO

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用控制變量法，設(shè)置素紅黏土為對(duì)照組，探究氧化鎂含量、菌液濃度、初始含水率對(duì)微生物-活性氧化鎂固化紅黏土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，以及微生物-活性氧化鎂固化技術(shù)對(duì)紅黏土收縮性的控制作用。

紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)的試驗(yàn)方案如表3所列，紅黏土收縮性試驗(yàn)試樣制備時(shí)，取氧化鎂含量20 %，菌液濃度OD600=2.0，含水量40 %，尿素含量6 mol/L。

1.3 試樣制備

根據(jù)試驗(yàn)方案稱取所需材料，將氧化鎂、紅黏土及尿素倒入攪拌器充分?jǐn)嚢韬?，再將菌液倒入攪拌器，充分?jǐn)嚢?20 s。

表3 試驗(yàn)方案Tab.3 Test schemes

制備無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)試樣時(shí)，需采用振動(dòng)密實(shí)法制備3個(gè)平行試樣。振動(dòng)密實(shí)法制樣采用邊長(zhǎng)為5 cm的正方體模具，將攪拌均勻后的土樣分3層倒入模具中。裝下一層土前，將模具置于振動(dòng)臺(tái)中振動(dòng)30 s，頂層使用刮土刀刮平。試樣制備完成后置于溫度為(25±2)℃、濕度為30 %的環(huán)境里養(yǎng)護(hù)1 d。脫模后，再置于相同環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至特定齡期。

制備收縮變形試驗(yàn)試樣時(shí)，準(zhǔn)備一塊攪拌均勻的土樣，用環(huán)刀切取土樣后，備用。

1.4 測(cè)試方法

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度采用全數(shù)字化萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試，以1 mm/min的加荷速率給試樣施加軸向壓力，直至軸向壓力達(dá)到峰值，記錄無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，選取代表性土樣進(jìn)行X 射線衍射分析(XRD)和掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)。收縮變形試驗(yàn)中，用環(huán)刀切取土樣后，將試樣放置于多孔板上，于試樣上放置百分表，記錄下百分表初讀數(shù)，2 d內(nèi)每4 h量測(cè)一次數(shù)據(jù)，2 d后每12 h量測(cè)一次數(shù)據(jù)，至兩次百分表讀數(shù)基本穩(wěn)定為止。X射線衍射分析采用日本理學(xué)Rigaku Ultima IV型衍射儀對(duì)碾碎過(guò)篩后小于0.075 mm的固化土進(jìn)行測(cè)試，掃描范圍為10°～90°，步寬為0.02°。掃描電鏡試驗(yàn)采用日本日立公司生產(chǎn)的Hitachi SU8010掃描電鏡對(duì)土樣的新鮮斷面進(jìn)行掃描測(cè)試。

2 試驗(yàn)原理與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)原理

將活性氧化鎂、尿素、菌液以及紅黏土充分拌和后，紅黏土中會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：首先，活性氧化鎂與水反應(yīng)，生成水鎂石(Mg(OH)2)；同時(shí)，細(xì)菌分泌高活性脲酶，將尿素分解為銨根離子和碳酸根離子；最后產(chǎn)生的碳酸根離子與活性氧化鎂水化后產(chǎn)生的鎂離子反應(yīng)生成多種形式的水合碳酸鎂，反應(yīng)方程式如下[16]：

MgO+H2O→Mg2++OH-

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

第一步反應(yīng)生成的Mg(OH)2膠結(jié)性能較差，對(duì)紅黏土的固化效果不理想[17]。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成的水合碳酸鎂具有良好的膠結(jié)性，可以將紅黏土顆粒膠結(jié)，通過(guò)土顆粒-膠結(jié)物-土顆粒間的鍵合作用連接成固化整體[18]。水合碳酸鎂還具有封堵紅黏土孔隙的作用，土體的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)因此變得更加致密，土的整體性和結(jié)構(gòu)性也會(huì)得到增強(qiáng)[15]。水合碳酸鎂對(duì)紅黏土顆粒的膠結(jié)作用以及充填作用有效促進(jìn)了紅黏土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升。

2.2 氧化鎂含量的影響

由圖1可知：當(dāng)氧化鎂含量c在10%～25%之間變化時(shí)，紅黏土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與氧化鎂含量呈正相關(guān)；并且當(dāng)氧化鎂含量低于10%時(shí)，強(qiáng)度變化不明顯，而當(dāng)含量超過(guò)10%后，紅黏土強(qiáng)度增強(qiáng)顯著。

圖1 氧化鎂含量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.1 Relationship between magnesium oxide content and unconfined compressive strength

從圖2中可以看到：與素土試樣相比，微生物-活性氧化鎂固化技術(shù)的運(yùn)用使得土顆粒間產(chǎn)生了膠結(jié)物質(zhì)，膠結(jié)物質(zhì)將紅黏土顆粒膠連，形成更大的土顆粒，同時(shí)可以觀察到膠結(jié)物質(zhì)充填在紅黏土孔隙中，這是試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高的原因。從圖2中也可以看出：氧化鎂含量為10 %時(shí)，膠結(jié)物產(chǎn)量較低；當(dāng)氧化鎂含量為25 %時(shí)，膠結(jié)物產(chǎn)量較高，即隨著氧化鎂含量的升高，膠結(jié)物產(chǎn)量明顯提升。氧化鎂含量也影響著膠結(jié)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)形貌；當(dāng)氧化鎂含量為10 %時(shí)，膠結(jié)物呈絮流狀，而當(dāng)氧化鎂含量為25 %時(shí)，膠結(jié)物呈花瓣?duì)睢?/p>

圖2 不同氧化鎂含量固化試樣SEM圖像Fig.2 SEM images of cured samples with different magnesia content

拌入不同氧化鎂含量的紅黏土試樣養(yǎng)護(hù)120 h后，取少量樣品進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出：不同含量氧化鎂固化的紅黏土試樣中均有水合碳酸鎂生成，同時(shí)在固化試樣中還檢測(cè)到未水化的氧化鎂以及水化后未進(jìn)一步反應(yīng)的水鎂石。這說(shuō)明初始含水率為40%時(shí)，氧化鎂并沒(méi)有全部水化，水化的氧化鎂與微生物分解尿素產(chǎn)生的碳酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成多種水合碳酸鎂。不同氧化鎂含量的固化紅黏土試樣中，固化產(chǎn)物的種類大體相同，包括三水菱鎂石、水纖菱鎂石、球碳鎂石等。

注：Q為石英 SiO2；B為水鎂石 Mg(OH)2；M為氧化鎂MgO；A為水纖菱鎂石Mg2(CO3)(OH)2·3H2O；N為三水菱鎂石MgCO3·3H2O；H為球碳鎂石Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O。圖3 不同氧化鎂含量固化試樣X(jué)RD結(jié)果Fig.3 XRD results of cured samples with different magnesia content

2.3 菌液濃度的影響

由圖4可知：當(dāng)OD600在0～2.5的范圍內(nèi)變化時(shí)，菌液濃度越高，紅黏土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。試塊養(yǎng)護(hù)7 d后，OD600=2.5的固化試樣其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.916 MPa，分別為OD600=2.0，1.5，1.0，0菌液固化試樣的1.12，1.45，1.68，3.76倍。試驗(yàn)結(jié)果表明，可以通過(guò)提升菌液濃度顯著提高紅黏土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖4 菌液濃度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.4 Relationship between the concentration of bacterial solution and unconfined compressive strength

圖5(b)中水合碳酸鎂含量高于圖5(a)，說(shuō)明菌液濃度還影響著水合碳酸鎂的結(jié)構(gòu)形貌，當(dāng)OD600=1.0時(shí)，水合碳酸鎂呈針柱狀，而當(dāng)OD600=2.5時(shí)，水合碳酸鎂為針柱狀與花簇狀并存。在菌液含量相同的情況下，菌液濃度越高，脲酶產(chǎn)量越高。脲酶具有催化水解尿素的功能，因此脲酶產(chǎn)量越高，分解產(chǎn)生的碳酸根離子含量隨之增加，進(jìn)而能夠提高水合碳酸鎂產(chǎn)量。水合碳酸鎂具有膠連土體顆粒和填充土體孔隙的功能，因此菌液濃度越高的紅黏土固化試樣具有更高的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。此外，細(xì)菌還具有充當(dāng)成核位點(diǎn)的功能，水合碳酸鎂會(huì)圍繞細(xì)菌生成。菌液濃度越高，成核位點(diǎn)數(shù)越多，水合碳酸鎂分布密度越大，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高。

圖5 不同菌液濃度固化試樣SEM圖像Fig.5 SEM images of solidified samples with different bacterial concentration

2.4 初始含水率的影響

從圖6中可以看出：微生物-活性氧化鎂固化紅黏土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨初始含水率(37%～46%)的上升而降低。

圖6 初始含水率與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.6 Relationship between initial water content and unconfined compressive strength

黏土顆粒相互聯(lián)結(jié)的原因是顆粒之間存在分子引力及靜電力，靜電力的存在使得顆粒之間常常通過(guò)結(jié)合水膜相聯(lián)結(jié)，這導(dǎo)致了黏土具有可塑性[19]。初始含水率的增加會(huì)導(dǎo)致紅黏土顆粒周圍的水膜加厚，從而導(dǎo)致土體可塑性增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。

當(dāng)初始含水率低于塑限，則難以通過(guò)振動(dòng)密實(shí)法制樣。因此，在本次試驗(yàn)中，固化紅黏土試樣的初始含水率均高于塑限。若初始含水率低于塑限，將導(dǎo)致活性氧化鎂無(wú)法完全水化，Mg2+的減少將影響后續(xù)水合碳酸鎂的生成，進(jìn)而引起紅黏土試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的降低。

2.5 對(duì)收縮性的影響

在工程中，由紅黏土的脹縮性導(dǎo)致的土體開(kāi)裂問(wèn)題層出不窮。紅黏土以收縮變形為主[20]，因此本節(jié)重點(diǎn)討論微生物-活性氧化鎂固化技術(shù)對(duì)紅黏土收縮性的影響。

本文以線縮率為指標(biāo)反映紅黏土收縮性，線縮率的定義為

(8)

式中：zt為某時(shí)刻百分表讀數(shù)，z0為初始時(shí)刻百分表讀數(shù)，h0為試樣原始高度，δSi為某時(shí)刻線縮率。

土樣線縮率隨時(shí)間變化曲線如圖7所示，在144 h的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，微生物-活性氧化鎂固化試樣的線縮率僅為素土樣品的1/7左右。此外，微生物-活性氧化鎂固化試樣固化速度快，20 h即停止收縮變形，而素土的收縮變形停止時(shí)間為120 h。

圖7 土樣線縮率與時(shí)間關(guān)系Fig.7 Relationship between line shrinkage rate of soil sample and time

3 結(jié) 論

本文采用微生物-活性氧化鎂固化技術(shù)處理紅黏土試樣，探究氧化鎂含量、菌液濃度、初始含水率對(duì)紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)及X射線衍射分析對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做出合理的解釋，同時(shí)也探究了該技術(shù)對(duì)紅黏土收縮性的影響，得出以下結(jié)論。

(1) 當(dāng)氧化鎂含量在10%～25%之間變化時(shí)，紅黏土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與氧化鎂含量正相關(guān)。水合碳酸鎂的形成是無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高的原因，水合碳酸鎂可以膠連紅黏土顆粒，提升其整體性，同時(shí)也可以充填紅黏土孔隙，增加紅黏土試樣的密實(shí)度。氧化鎂含量的變化影響著水合碳酸鎂的結(jié)構(gòu)形貌，當(dāng)氧化鎂含量為10 %時(shí)，水合碳酸鎂呈絮流狀；當(dāng)氧化鎂含量為25 %時(shí)，水合碳酸鎂呈花瓣?duì)睢?/p>

(2) 紅黏土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨菌液濃度的升高而升高，菌液濃度影響著水合碳酸鎂的結(jié)構(gòu)形貌，當(dāng)OD600=1.0時(shí)，水合碳酸鎂呈針柱狀，而當(dāng)OD600=2.5時(shí)，水合碳酸鎂為針柱狀與花簇狀并存。

(3) 當(dāng)初始含水率在37%～46%之間變化時(shí)，初始含水率越高，紅黏土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越低。

(4) 微生物-活性氧化鎂固化技術(shù)可以有效控制紅黏土收縮性，在144 h的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，微生物-活性氧化鎂固化土的線縮率僅為素土樣品的1/7左右，并且微生物-活性氧化鎂固化技術(shù)具有很快的固化速度。