MICP加固砂土方法對(duì)比研究

張錦程 李俊 肖鵬 劉漢龍 吳煥然

摘要：微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)是新興的巖土工程綠色加固技術(shù)，在散粒土加固方面具有良好的應(yīng)用前景。MICP加固砂土的均勻性和力學(xué)表現(xiàn)是目前存在的重要問(wèn)題，為優(yōu)化MICP加固方法，改善加固后砂土的綜合表現(xiàn)，開(kāi)展MICP加固砂土方法對(duì)比試驗(yàn)研究。詳細(xì)介紹了傳統(tǒng)兩相法、pH法及溫控法MICP加固方案，利用傳統(tǒng)兩相法、pH法及溫控法開(kāi)展砂柱試樣的MICP加固試驗(yàn)，從加固試樣的碳酸鈣分布均勻性、反應(yīng)液中鈣離子利用率及加固試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等3個(gè)方面對(duì)比分析3種MICP加固方法的綜合表現(xiàn)。結(jié)果表明：在試驗(yàn)條件下，傳統(tǒng)兩相法在3方面均表現(xiàn)最差；pH法和溫控法整體表現(xiàn)較好，其中溫控法反應(yīng)液利用率較高，在高加固程度時(shí)強(qiáng)度略高，綜合表現(xiàn)最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：微生物加固；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；反應(yīng)液利用率；溫控法

中圖分類號(hào)：TU441???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號(hào)：2096-6717（2023）06-0151-07

Comparative study on MICP-treatment schemes for sands

ZHANG Jingcheng1， LI Jun2a， XIAO Peng2a，2b，3， LIU Hanlong2a，2b， WU Huanran2a，2b

（1. Geohazard Prevention Center of Chongqing， Chongqing 400015， P. R. China； 2a. School of Civil Engineering； 2b. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area， Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China； 3.Chongqing Railway Investment Group Co. Ltd.， Chongqing 400023， P. R. China）

Abstract： Microbially induced calcium carbonate precipitation （MICP） is a new green ground improvement technique in geotechnical engineering and has a promising prospect in reinforcing granular soils. The uniformity and the mechanical performance of MICP-treated sands are important issues in the MICP method. To optimize the MICP-treatment scheme and improve the overall performance of MICP-treated sands， a comparative experimental study on different MICP-treatment schemes for sands was carried out. Firstly， the MICP-treatment schemes， including the conventional two-phase method， the pH method and the temperature-controlled method， were introduced in detail. Then， a series of MICP-treatment experiments on sand columns were conducted， following the three different schemes， respectively. Finally， the three different schemes were compared in terms of the distribution of CaCO3 in the post-treatment specimens， the utilization rate of reaction solutions and the unconfined compressive strength of the post-treatment specimens. Under the testing conditions in this paper， the conventional two-phase method has the worst performance in the three aspects; the pH method and the temperature-controlled method generally perform well; in comparison with the pH method， the temperature-controlled method has a higher utilization rate of reaction solutions and a higher strength under high-treatment conditions; the temperature-controlled method has the best overall performance.

Keywords： microbial reinforcement； unconfined compressive strength； utilization rate of reaction solution； temperature-controlled method

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)是近年來(lái)提出的一種新型加固技術(shù)，其原理是利用微生物的新陳代謝活動(dòng)，通過(guò)生化反應(yīng)生成碳酸鈣，碳酸鈣晶體沉積在砂顆粒間的孔隙中，可產(chǎn)生粒間膠結(jié)、孔隙填充效應(yīng)，從而改善砂土的物理力學(xué)性能[1]，如強(qiáng)度[2-3]、滲透性[4]等。由于MICP技術(shù)具有環(huán)境相容性好、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域，如島礁地基加固[5]、堤壩防滲[6]、文物修復(fù)[7]、沙漠治理[8]、重金屬污染防治[9-10]和揚(yáng)塵治理[11]等。

MICP技術(shù)在室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中均取得了一定的效果，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。其中，MICP加固砂土的均勻性和力學(xué)性能是當(dāng)前制約MICP技術(shù)推廣應(yīng)用的一個(gè)重要問(wèn)題。目前，較常見(jiàn)的MICP加固砂柱試樣方法為兩相法，已有許多學(xué)者利用兩相法開(kāi)展了MICP加固砂土相關(guān)試驗(yàn)研究。Whiffin[12]最早提出利用巴氏芽孢八疊球菌（Sporosarcina pasteurii）進(jìn)行砂土固化，但利用該方法得到的試樣均勻性很差，灌漿口易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。為了得到更加均勻的加固試樣，學(xué)者們進(jìn)行了許多嘗試，如采用不同的灌漿手段[13]、添加固定劑[14]、改變注漿壓力[15]等。Cheng等[16]研究發(fā)現(xiàn)，由于巴氏芽孢桿菌為嗜堿菌，低pH值環(huán)境會(huì)抑制細(xì)菌的活性，細(xì)菌新陳代謝緩慢，溶液中脲酶含量低，此時(shí)將反應(yīng)液和菌液混合，不會(huì)立刻產(chǎn)生碳酸鈣沉淀。Cheng等[16]基于此提出了低pH值環(huán)境下的一相注漿方法，即“pH法”，利用該方法得到的混合液最長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)35 min不產(chǎn)生碳酸鈣絮凝。Van Paassen[17]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度低于10 ℃時(shí)，細(xì)菌溶液基本不產(chǎn)生水解反應(yīng)，脲酶活性基本為零；當(dāng)溫度在10～45 ℃范圍時(shí)，脲酶活性隨溫度的升高而線性增長(zhǎng)，這為提高固化試樣的均勻性提供了新思路?；陔迕富钚噪S溫度的變化，Xiao等[18-19]提出了溫控MICP加固方案，即“溫控法”，并探究了溫控法加固石英砂試樣的靜力學(xué)特性；Xiao等[20]還探究了溫控法加固鈣質(zhì)砂試樣的動(dòng)力學(xué)特性。目前，采用傳統(tǒng)兩相法、pH法和溫控法等單一方法進(jìn)行砂土MICP加固的研究較多，但鮮有學(xué)者聚焦于多種方法加固砂土效果的橫向?qū)Ρ取?/p>

為進(jìn)一步分析各MICP加固砂土方法的特點(diǎn)，為MICP加固方案的比選設(shè)計(jì)提供參考，筆者選擇傳統(tǒng)兩相法、pH法和溫控法3種典型MICP加固方法開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)研究。首先詳細(xì)介紹傳統(tǒng)兩相法、pH法和溫控法MICP加固砂柱試樣的加固過(guò)程；然后設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，分別采用3種方法開(kāi)展MICP加固砂柱試驗(yàn)；最后系統(tǒng)地比較固化試樣的碳酸鈣分布均勻性、反應(yīng)液利用率和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)，對(duì)比分析3種MICP加固方法的綜合表現(xiàn)。

1 試驗(yàn)材料、試樣制備與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

為了得到MICP過(guò)程生成的碳酸鈣含量，分析MICP加固效率與均勻性，需要對(duì)試樣進(jìn)行酸洗處理，所用試驗(yàn)材料不能與鹽酸發(fā)生反應(yīng)，故試驗(yàn)所用材料為石英砂，其主要成分為二氧化硅，相對(duì)密度為2.79。試驗(yàn)用砂主要物理參數(shù)如表1所示。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)所用試樣為直徑40 mm、高度80 mm的砂柱，相對(duì)密實(shí)度為80%。試驗(yàn)所用菌株為購(gòu)買(mǎi)于中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心的巴氏芽孢八疊球菌（Sporosarcina pasteurii），細(xì)菌編號(hào)1.3687。試驗(yàn)所用反應(yīng)液（CS）由尿素溶液與氯化鈣溶液按體積比1：1配成，反應(yīng)液中二者濃度均為0.5 mol/L；菌液（BS）濃度量級(jí)為～107 cells/mL。

1.2.1 兩相法MICP加固

兩相法MICP注漿系統(tǒng)及加固過(guò)程如圖1所示。利用兩相法加固砂柱試樣的具體步驟為：1）打開(kāi)閥門(mén)V1、V5、V6，開(kāi)啟蠕動(dòng)泵，從試樣底端泵入足量去離子水，使試樣飽和，試樣飽和后關(guān)閉所有閥門(mén)；2）打開(kāi)閥門(mén)V3、V5、V6，以0.67 mL/min的速度從試樣底端緩慢注入60 mL菌液（約1.2VP，VP為試樣孔隙體積），菌液灌注結(jié)束后關(guān)閉所有閥門(mén)和蠕動(dòng)泵，靜置6 h，使菌液充分附著于砂土顆粒上；3）打開(kāi)閥門(mén)V2、V4、V7和蠕動(dòng)泵，以0.67 mL/min的速度從試樣頂端灌入100 mL反應(yīng)液（約2VP），注漿結(jié)束后關(guān)閉所有閥門(mén)和蠕動(dòng)泵，保持試樣在26 ℃環(huán)境下靜置養(yǎng)護(hù)12 h，以使反應(yīng)充分，此為完成一次MICP加固；4）按上述方法完成試驗(yàn)計(jì)劃加固次數(shù)后，從試樣頂端泵入超過(guò)250 mL去離子水（大于5VP）清洗砂柱，以除掉殘留在試樣內(nèi)部的反應(yīng)液；5）將試樣靜置6 h后，放到110 ℃烘箱中烘24 h，烘干后放置于干燥密封袋中，留待取用。

1.2.2 pH法MICP加固

pH法MICP注漿系統(tǒng)及加固過(guò)程如圖2所示。利用pH法加固砂柱試樣的具體步驟為：1）打開(kāi)閥門(mén)V1、V4、V5，開(kāi)啟蠕動(dòng)泵，從試樣底端泵入足量去離子水，直至試樣飽和，試樣飽和后關(guān)閉所有閥門(mén)；2）按體積比1：5分別準(zhǔn)備好菌液和反應(yīng)液，用濃度為1 mol/L的鹽酸溶液將菌液的pH值調(diào)節(jié)至4.0左右，隨后將兩種溶液一同加入錐形瓶并攪拌，分6次共得到混合液（MS）120 mL；3）打開(kāi)閥門(mén)V2、V3、V6和蠕動(dòng)泵，以0.67 mL/min的速度從試樣頂端緩慢灌入120 mL混合液（約2.4VP），使混合液充滿試樣孔隙，灌漿完成后關(guān)閉所有閥門(mén)和蠕動(dòng)泵，保持試樣在26 ℃環(huán)境下靜置養(yǎng)護(hù)12 h，以使反應(yīng)充分，此為完成一次MICP加固；4）完成所有加固次數(shù)后，從試樣頂部泵送超過(guò)250 mL去離子水（超過(guò)5VP）清洗砂柱，以除掉殘留在試樣內(nèi)部的反應(yīng)液；5）將試樣靜置6 h后，放到110 ℃烘箱中烘24 h，烘干后放置于干燥密封袋中，留待取用。

1.2.3 溫控法MICP 加固

溫控法MICP注漿系統(tǒng)及加固過(guò)程如圖3所示。利用溫控法加固砂柱試樣的具體步驟為：1）打開(kāi)閥門(mén)V1、V3、V4，開(kāi)啟蠕動(dòng)泵，泵入足量去離子水，直至試樣飽和，試樣飽和后關(guān)閉所有閥門(mén)；2）將溫度為4 ℃的菌液和反應(yīng)液從冰箱取出，按體積比1：5將菌液和反應(yīng)液混合，得到20 mL混合液，然后將混合液放入4 ℃恒溫水浴鍋中；3）打開(kāi)閥門(mén)V2、V3、V4并開(kāi)啟蠕動(dòng)泵，以0.67 mL/min的速度泵入混合液，直至恒溫水浴鍋中的混合液消耗完全；4）重復(fù)步驟2）、3），至累計(jì)泵完120 mL混合液（約2.4VP），灌漿完成后關(guān)閉所有閥門(mén)和蠕動(dòng)泵，保持砂柱試樣在26 ℃環(huán)境下靜置養(yǎng)護(hù)12 h，以使反應(yīng)充分，此為完成一次MICP加固；5）完成所有加固次數(shù)后，從試樣頂部泵送超過(guò)250 mL去離子水（大于5VP）清洗砂柱，以除掉殘留在試樣內(nèi)部的反應(yīng)液；6）將試樣靜置6 h后，放到110 ℃烘箱中烘24 h，烘干后放置于干燥密封袋中，留待取用。

1.3 試驗(yàn)方案

為對(duì)比不同MICP加固方法的加固效果，分別利用兩相法、pH法、溫控法3種方法對(duì)砂柱進(jìn)行MICP加固試驗(yàn)，得到不同加固方法、不同加固次數(shù)下MICP加固砂柱試樣的碳酸鈣生成量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，對(duì)比分析不同工況下砂柱試樣的均勻性、反應(yīng)液利用率及砂柱試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。利用兩相法、pH法和溫控法進(jìn)行MICP加固砂柱試樣的具體工況如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣均勻性

為研究MICP加固生成的碳酸鈣沿砂柱軸向分布的均勻性，分別在距試樣頂端不同距離處截取高度約0.5 cm的試樣進(jìn)行酸洗，通過(guò)酸洗前后的質(zhì)量差得到試樣不同位置的碳酸鈣含量，碳酸鈣含量計(jì)算如式（1）所示。

圖4分別給出了3種不同MICP加固方法加固的砂柱試樣中碳酸鈣含量隨距試樣頂端距離的變化規(guī)律。由圖4（a）可以看出，采用兩相法加固的砂柱試樣，其碳酸鈣含量隨距試樣頂端距離的增大而逐漸減?。籑ICP加固程度越高，其內(nèi)部生成的碳酸鈣越多，不同區(qū)域的碳酸鈣含量差異也越大。對(duì)于試樣A4，其頂部與底部的碳酸鈣含量差異最明顯，頂部接近底部的2倍，其分布表現(xiàn)出明顯的不均勻性。從圖4（b）可以看出，采用pH法加固的砂柱試樣MICP加固程度對(duì)碳酸鈣含量分布的影響較小。同時(shí)，碳酸鈣含量隨距試樣頂部距離的增大略微減小，試樣底部的加固效果略次于頂部，這表明pH法加固得到的砂柱試樣總體較均勻。從圖4（c）可以看出，采用溫控法加固的砂柱試樣，其碳酸鈣含量分布規(guī)律和隨加固程度的變化規(guī)律與pH法加固的試樣基本一致，試樣底部（遠(yuǎn)離注漿口一端）的加固效果較頂部（靠近注漿口一端）略差，其中試樣C3底部的碳酸鈣含量為頂部的91%。

2.2 反應(yīng)液利用率

反應(yīng)液利用率是指MICP加固過(guò)程中實(shí)際生成碳酸鈣的物質(zhì)的量與反應(yīng)液所含鈣離子物質(zhì)的量的比值。反應(yīng)液利用率反映了MICP過(guò)程中細(xì)菌對(duì)化學(xué)物質(zhì)的利用效率，對(duì)評(píng)價(jià)加固方法和控制試驗(yàn)成本具有重要意義。

圖5給出了不同MICP加固方法和不同加固程度下砂柱試樣反應(yīng)液利用率和均值。從圖中可以看出，兩相法的反應(yīng)液利用率明顯低于另外兩種方法，其平均反應(yīng)液利用率僅為47.3%，而pH法和溫控法的反應(yīng)液利用率比較接近，平均分別為63.5%、67.4%，可以看出，溫控法比pH法略高。同時(shí)，隨著MICP加固程度的提高，兩相法的反應(yīng)液利用率有一定的降低趨勢(shì)；而隨著MICP加固程度的提高，pH法和溫控法反應(yīng)液利用率變化不明顯。表明在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，與兩相法相比，pH法和溫控法始終保持著較高和較穩(wěn)定的反應(yīng)液利用率。因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，為減少浪費(fèi)，得到更高的反應(yīng)效率，推薦使用溫控法進(jìn)行MICP加固。

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為比較3種MICP加固方法的加固效果，并保證數(shù)據(jù)的可比性，分別取碳酸鈣含量較接近的兩組試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比分析，其中1組包括砂柱試樣A3、B2和C2，2組包括砂柱試樣A4、B3和C3，兩組試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比如圖6所示。

從第1組結(jié)果可以看出，兩相法加固的試樣A3碳酸鈣含量最高，pH法和溫控法加固的試樣B2、C2碳酸鈣含量分別為試樣A3的81.0%、86%；但后兩者無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為試樣A3的100.6%、111.0%；同樣地，在第2組中，pH法和溫控法加固試樣B3、C3的碳酸鈣含量分別為兩相法加固試樣A4的90.8%、95.4%；而前兩者的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為兩相法加固試樣的94.0%、113.2%。結(jié)果表明，當(dāng)碳酸鈣含量相同時(shí)，與其他兩種方法相比，砂柱試樣兩相法加固的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯較低。同時(shí)，對(duì)比第1組、第2組中利用pH法和溫控法加固的試樣，試樣B2、B3的碳酸鈣含量分別為試樣C2、C3的94%、95.1%，而無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為試樣C2、C3的90.7%、83.1%；結(jié)果表明，在相同碳酸鈣含量下，MICP加固程度較低時(shí)，pH法和溫控法加固砂柱試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度差別不大；而MICP加固程度較高時(shí)，溫控法加固砂柱試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較pH法略高。

2.4 討論

從加固試樣中碳酸鈣分布均勻性、反應(yīng)液利用率及加固試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度3個(gè)方面對(duì)溫控法、傳統(tǒng)兩相法和pH法3種MICP加固方法進(jìn)行對(duì)比。在試驗(yàn)條件下，傳統(tǒng)兩相法加固試樣中碳酸鈣分布最不均勻，而pH法和溫控法均勻性整體較好。就反應(yīng)液利用率而言，pH法和溫控法顯著高于兩相法，而溫控法又略高于pH法。取碳酸鈣含量相近的加固后試樣進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，相同含量的碳酸鈣在兩相法加固試樣中產(chǎn)生的強(qiáng)度明顯低于其他兩種方法，即加固效率較低；對(duì)于pH法和溫控法，低加固程度時(shí)，兩者加固效率相近，而高加固程度時(shí)，溫控法加固效率略高于pH法。因此，在試驗(yàn)條件下，pH法和溫控法表現(xiàn)顯著優(yōu)于兩相法，而溫控法綜合表現(xiàn)最優(yōu)。

溫控法和pH法均采用一相注漿，使得菌液和反應(yīng)液在MICP反應(yīng)前能夠充分混合均勻，加固過(guò)程比兩相法更加簡(jiǎn)便。與pH法相比，溫控法加固過(guò)程中無(wú)須添加額外化學(xué)試劑，且采用的4 ℃低溫環(huán)境對(duì)細(xì)菌活性的抑制作用是可逆的。此外，在兩相法、pH法中，試樣豎直放置[12]，模擬從頂部注漿的工況；而溫控法中，試樣水平放置[18-19]，模擬漿液水平流動(dòng)為主的工況；試驗(yàn)結(jié)果一定程度上反映了注漿過(guò)程對(duì)加固效果的影響。需要注意的是，試驗(yàn)仍存在局限，如只使用一種石英砂作為試驗(yàn)材料，3種加固方法在不同級(jí)配、不同礦物成分的砂土中的應(yīng)用效果仍需進(jìn)行更多試驗(yàn)研究；僅針對(duì)實(shí)驗(yàn)室加固砂柱情況進(jìn)行研究，3種加固方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的表現(xiàn)仍需更多試驗(yàn)研究。

3 結(jié)論

詳細(xì)闡述了使用兩相法、pH法和溫控法進(jìn)行砂柱試樣MICP加固的過(guò)程，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，探究3種加固方法在碳酸鈣分布均勻性、反應(yīng)液利用率和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度方面的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)溫控法在試驗(yàn)條件下綜合表現(xiàn)最優(yōu)。兩相法加固砂柱試樣中碳酸鈣含量隨距注漿口距離和加固程度變化較大、試樣內(nèi)部均勻性較差，pH法和溫控法加固試樣的均勻性整體較好。溫控法的反應(yīng)液利用率最高，pH法次之，兩相法最低；兩相法反應(yīng)液利用率隨MICP加固次數(shù)的增加逐漸降低，而pH法和溫控法的反應(yīng)液利用率變化較小。取碳酸鈣含量相近的試樣比較無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)兩相法的加固效率明顯低于pH法和溫控法；在加固程度較低時(shí)，pH法和溫控法的加固效率相近，而加固程度較高時(shí)，溫控法的加固效率略高于pH法。

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