EICP固化砂土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

趙 軒,劉光宇,胡天林,趙 璧,呂剛鋒

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710075;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

近年來,基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(Microbially Induced Carbonate Precipitation,簡(jiǎn)稱MICP)技術(shù)而衍生出的脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(Enzyme Induced Carbonate Precipitation,簡(jiǎn)稱EICP)技術(shù)在巖土領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,成為一種加固土體的新型方法。EICP直接從植物中提取脲酶,促使尿素水解成碳酸根離子,與膠結(jié)液中鈣離子反應(yīng)產(chǎn)生碳酸鈣沉淀[1-3];所生成的游離脲酶可降解,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成長(zhǎng)期影響[4],且其尺寸小能透過孔隙更小的土體[5-6],生成碳酸鈣過程中不易發(fā)生堵塞。EICP相較MICP省略了微生物代謝生成脲酶的過程,同時(shí)也繼承了MICP耗能小、環(huán)保、工期短、對(duì)土體擾動(dòng)小等特點(diǎn)[7-8]。

目前,EICP技術(shù)得到了廣泛關(guān)注,其相關(guān)研究已取得一定進(jìn)展。董瑾等[9]采用EICP技術(shù)對(duì)三合土進(jìn)行加固,經(jīng)EICP加固的三合土強(qiáng)度顯著提高;Gao Yufeng等[10]用EICP技術(shù)改良細(xì)粒土,其力學(xué)性能得到顯著改善;吳敏等[11]用黃原膠改進(jìn)EICP技術(shù),聯(lián)合防風(fēng)固沙。降低了砂土的質(zhì)量損失率,抵抗風(fēng)沙侵蝕能力顯著提高;原華等[12]分析EICP聯(lián)合Na-Mt固化粉砂的抗剪特性,發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度和黏聚力均得到提高;Gowthaman等[13]研究細(xì)菌-酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)(B-EICP)固化邊坡土體的可行性,發(fā)現(xiàn)B-EICP對(duì)于細(xì)粒含量較高的粉砂比較適用;Martin等[14]發(fā)現(xiàn)EICP可創(chuàng)建生物膠結(jié)土柱,是一種地基改良的可行方法;崔猛等[15]通過研究多種變量對(duì)EICP技術(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)膠結(jié)比宜為1∶1,理想鈣源為氯化鈣,尿素濃度在0.1 mol/L～1.0 mol/L范圍內(nèi)時(shí)最優(yōu)pH為7。然而,前人的研究成果多集中在EICP對(duì)不同土質(zhì)改良及EICP結(jié)合其他材料聯(lián)合改良的可行性,對(duì)改良土體的強(qiáng)度特性探究較少,缺乏相關(guān)依據(jù)。

基于此,本文擬探討不同影響因素下EICP加固砂土抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化。首先通過在自制豆粉溶液中提取脲酶,分析pH和反應(yīng)時(shí)間對(duì)脲酶活性的影響;隨后對(duì)EICP加固砂土開展直接剪切試驗(yàn),分析不同級(jí)配、不同膠結(jié)液濃度和不同膠結(jié)比(氯化鈣:尿素)對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響;最后通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析養(yǎng)護(hù)周期、相對(duì)密實(shí)度和膠結(jié)液濃度對(duì)EICP加固砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。研究成果可使EICP技術(shù)的進(jìn)一步規(guī)范,為推廣EICP技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)所選用砂土為鈣質(zhì)砂,通過振篩機(jī)及1 mm、0.5 mm、0.25 mm和0.075 mm孔徑的試驗(yàn)篩輔助進(jìn)行材料制取,篩選出0.5 mm～1 mm、0.25 mm～0.5 mm、0.075 mm～0.25 mm和小于0.075 mm四個(gè)級(jí)配的材料,如圖1所示。隨后將四個(gè)單一級(jí)配以質(zhì)量比5∶3∶1∶1混合攪拌后形成混合級(jí)配。根據(jù)最大最小干密度試驗(yàn)獲得不同顆粒級(jí)配下試樣的最大最小干密度。

圖1 振篩機(jī)及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)針對(duì)不同單一級(jí)配,相對(duì)密實(shí)度取為0.5;針對(duì)混合級(jí)配,相對(duì)密實(shí)度取為0.5、0.6和0.7。確定最大最小干密度和相對(duì)密實(shí)度后,可根據(jù)下式確定試樣干密度[16]:

(1)

式中:Dr為試樣干密度,g/cm3;ρdmax為最大干密度,g/cm3;ρd0為天然干密度,g/cm3;ρdmin為最小干密度,g/cm3。

不同級(jí)配范圍的試樣干密度如表1所示。

表1 不同級(jí)配范圍的試樣干密度

1.1.2 大豆脲酶

試驗(yàn)選取常見的市售顆粒圓潤飽滿,呈黃綠色大豆(見圖2(a));將大豆放入干燥箱烘干24 h后,放入高速多功能粉碎機(jī)(見圖2(b))中打磨成粉末狀(見圖2(c));將一定量的大豆粉末配置成100 g/L溶液,待充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?放入離心機(jī)以3 000 r/min、15℃的條件離心10 min;將上清液用半透膜過濾,去除其中雜質(zhì),剩余液體即為脲酶溶液[2],如圖2(d)。

圖2 脲酶制取

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 脲酶活性的測(cè)定

在豆粉溶液中得到的脲酶可以催化尿素水解,生成物與水發(fā)生反應(yīng)生成碳酸根離子(CO32-)和氫離子(H+),隨后與膠結(jié)液中的鈣離子產(chǎn)生碳酸鈣沉淀,脲酶活性會(huì)直接影響碳酸鈣生成的速率,從而影響砂土固化的效果,具體反應(yīng)式如下[17]:

(2)

Whiffin[17]發(fā)現(xiàn)脲酶分解尿素時(shí),會(huì)使溶液內(nèi)的離子濃度提升,進(jìn)而使溶液的電導(dǎo)率提高,通過電導(dǎo)率儀對(duì)脲酶溶液電導(dǎo)率的變化測(cè)量,即可間接衡量脲酶的活性。其具體方法為:將濃度為1.11 mol/L的27 ml尿素溶液與濃度為100 g/L的3 ml脲酶溶液混合,混合均勻后用電導(dǎo)率儀測(cè)量其一定時(shí)間內(nèi)的電導(dǎo)率變化值,重復(fù)測(cè)量三次得到平均電導(dǎo)率變化值,測(cè)量的平均值乘以稀釋倍數(shù)(10倍),即可得出該濃度脲酶溶液的水解能力,隨后再用計(jì)算值除以該脲酶溶液濃度和間隔時(shí)間,即可求出單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量大豆脲酶活性,該值可反映單位質(zhì)量的脲酶的水解能力[17]。

1.2.2 直接剪切試驗(yàn)

按照已有文獻(xiàn)方法,以環(huán)刀為模具,制備尺寸為Φ70 mm×16 mm的EICP加固砂土試樣。將直剪儀(圖3(a))的剪切速率設(shè)定為1 mm/min,分別以100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa的軸向壓力對(duì)固化試樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。以混合級(jí)配土樣相對(duì)密實(shí)度為0.5、膠結(jié)比(氯化鈣∶尿素)為1∶1(其中1均表示1 mol/l)、膠結(jié)液濃度為1 mol/L的工況為標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 不同pH值時(shí)的脲酶活性

分析級(jí)配對(duì)抗剪強(qiáng)度影響時(shí),以純水為對(duì)照組,在其他條件不變情況下,級(jí)配采用<0.075 mm、0.075 mm～0.25 mm、0.25 mm～0.5 mm、0.5 mm～1 mm和混合級(jí)配分別試驗(yàn);在分析膠結(jié)液濃度對(duì)抗剪強(qiáng)度影響時(shí),在級(jí)配(混合級(jí)配)、膠結(jié)比(1∶1)及相對(duì)密實(shí)度(0.5)不變情況下,選用膠結(jié)液濃度0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L和2.0 mol/L分別進(jìn)行試驗(yàn);在分析膠結(jié)比對(duì)抗剪強(qiáng)度影響時(shí),級(jí)配(混合級(jí)配)、膠結(jié)液濃度(1 mol/L)及相對(duì)密實(shí)度(0.5)不變,分別選用膠結(jié)比1∶0.5、1.5∶1、1∶1、1∶1.5和0.5∶1進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

按照已有文獻(xiàn)方法,制備尺寸為Φ40 mm×80 mm的EICP加固砂土試樣,通過無側(cè)限壓縮儀以1 mm/min的加載速率對(duì)試樣施加軸向壓力,當(dāng)固化試樣完全破壞時(shí)停止加載,試樣的抗壓強(qiáng)度以最大軸向應(yīng)力為準(zhǔn)。養(yǎng)護(hù)天數(shù)分別為1 d、2 d和3 d,土樣選用相對(duì)密實(shí)度分別為0.5、0.6和0.7的混合級(jí)配土樣,膠結(jié)比為1∶1,膠結(jié)液濃度分別為0.5 mol/L、1.0 mol/L和1.5 mol/L,在養(yǎng)護(hù)天數(shù)、相對(duì)密實(shí)度和膠結(jié)比相互交叉組合的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同因素對(duì)脲酶活性影響

2.1.1 pH對(duì)脲酶活性影響

為研究pH對(duì)脲酶活性影響,在保證試驗(yàn)溫度不變(室溫,約25℃)的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。pH設(shè)置為5、6、7、8、9五種情況,分別在五種不同條件下進(jìn)行脲酶活性測(cè)量。脲酶活性的變化情況如圖3所示。從圖3中可以看出,脲酶在酸性和堿性條件下活性都會(huì)受到破壞,在pH=6和pH=7時(shí)較高,當(dāng)pH從6降低至5時(shí),pH=5的脲酶活性下降到了pH=6時(shí)的23.9%,脲酶嚴(yán)重失活,表明脲酶的耐酸性弱;pH由7上升至8時(shí),pH=8的脲酶活性下降到了pH=7時(shí)的51.6%;當(dāng)pH在8～9的范圍內(nèi)時(shí),脲酶活性變化較為平緩,表明脲酶的耐堿性較強(qiáng)。綜上,本文試驗(yàn)pH設(shè)置為7。

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)脲酶活性影響

在保證試驗(yàn)溫度不變(室溫,約25℃)的情況下,分別測(cè)定在5 min、1 h、6 h和24 h后的脲酶活性,研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)脲酶活性的影響。反應(yīng)時(shí)間對(duì)脲酶活性的影響如圖4所示。由圖4可知,當(dāng)pH=5時(shí),脲酶活性變化較為平緩,特別注意在1 h內(nèi)脲酶活性略微上升,由反應(yīng)方程(2)可知,尿素在脲酶作用下水解生成NH3,NH3溶于水后顯堿性,因此溶液pH值隨反應(yīng)進(jìn)行略微升高,從而提升了脲酶活性。除pH=5的情況外,其他pH下的脲酶活性均隨著反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)而下降。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)脲酶活性的影響

2.2 直接剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

由于級(jí)配在0.5 mm～1 mm的砂土經(jīng)純水固化后毫無固化痕跡,經(jīng)EICP固化后固化效果一般,能輕微拿起,但稍稍晃動(dòng)就會(huì)掉落砂土,因此在該試驗(yàn)分析中不進(jìn)行比較。同時(shí)該現(xiàn)象也證明了砂土顆粒越大,固化效果越差[18],在較小軸壓下即發(fā)生破壞。

2.2.1 顆粒級(jí)配對(duì)EICP加固砂土抗剪強(qiáng)度的影響

在不同顆粒級(jí)配下純水及EICP加固試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。由圖5可知,經(jīng)EICP固化后,顆粒級(jí)配為0.075 mm～0.25 mm的砂土與其純水對(duì)照組相比,抗剪強(qiáng)度提升效果最好,在100 kPa時(shí)提升了229%,200 kPa時(shí)提升了130%,300 kPa時(shí)提升了72.8%,400 kPa時(shí)提升了43.6%,提升幅度隨軸向壓力的增大而減小。其余3組也可得到類似結(jié)論。由圖5還可得知,顆粒粒徑為0.075 mm～0.25 mm的EICP加固砂土在100 kPa和200 kPa下發(fā)生脆性破壞,在剪切位移變化較小時(shí)剪應(yīng)力快速下降。與純水相比,EICP固化砂土試樣的抗剪強(qiáng)度均得到提升,說明EICP固化的可行性。其具體提升效果為:0.075～0.25>混合級(jí)配>0.075以下>0.25～0.5,試樣的抗剪強(qiáng)度隨級(jí)配呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。

2.2.2 膠結(jié)液濃度對(duì)EICP加固砂土抗剪強(qiáng)度的影響

不同膠結(jié)液濃度的EICP加固砂土應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。以軸向應(yīng)力為300 kPa情況為例,與對(duì)照組相比,0.1 mol/L濃度的EICP加固組,抗剪強(qiáng)度提高了2.16%;0.5 mol/L濃度的EICP加固組,抗剪強(qiáng)度提高了2.9%;1 mol/L濃度的EICP加固組,抗剪強(qiáng)度提高了16.96%;1.5 mol/L濃度的EICP加固組,抗剪強(qiáng)度提高了20.58%;2 mol/L濃度的EICP加固組,抗剪強(qiáng)度提高了30.68%?？梢娔z結(jié)液濃度在0.1 mol/L～2 mol/L范圍內(nèi),隨著濃度的增大EICP加固效果不斷提高,抗剪強(qiáng)度不斷增大。

圖6 不同膠結(jié)液濃度時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線

在不同膠結(jié)液濃度EICP固化砂土中,2 mol/L濃度的砂土改良效果最為理想,但在實(shí)驗(yàn)過程中2 mol/L溶液易造成部分區(qū)域堵塞,無法向下滲透,導(dǎo)致固化不均。1 mol/L與1.5 mol/L改良效果僅次于2 mol/L,且兩者改良效果相差不大,考慮經(jīng)濟(jì)性,1 mol/L濃度適合在實(shí)際工程中應(yīng)用。

2.2.3 膠結(jié)比對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

不同膠結(jié)比(氯化鈣∶尿素)的EICP加固砂土應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7所示。從圖7中可以看出,整體固化效果為:1.5∶1>1∶1>1∶1.5>0.5∶1>1∶0.5,其中1均表示1 mol/L。當(dāng)軸向應(yīng)力為100 kPa和200 kPa時(shí),膠結(jié)比為1.5∶1的抗剪強(qiáng)度比膠結(jié)比為1∶1的大15 kPa左右,而在軸向應(yīng)力為300 kPa和400 kPa時(shí),兩者的抗剪強(qiáng)度已趨于一致。

圖7 不同膠結(jié)比時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線

為具體分析氯化鈣不變時(shí),尿素對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響,和尿素不變時(shí),氯化鈣對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。提取圖7中數(shù)據(jù)繪制圖8。以軸向應(yīng)力300 kPa為例,以膠結(jié)比為1∶1的固化砂土為對(duì)照組。當(dāng)氯化鈣不變時(shí),膠結(jié)比為1∶0.5的EICP固化砂土抗剪強(qiáng)度降低了12.03%;膠結(jié)比為1∶1.5的EICP固化砂土抗剪強(qiáng)度降低了7.4%;說明氯化鈣一定時(shí),膠結(jié)比為1∶1時(shí)最好,尿素濃度偏高或者偏低都會(huì)降低抗剪強(qiáng)度,結(jié)論與文獻(xiàn)[19]一致。當(dāng)尿素不變時(shí),膠結(jié)比為0.5∶1的EICP固化砂土抗剪強(qiáng)度降低了7.4%;膠結(jié)比為1.5∶1的EICP固化砂土抗剪強(qiáng)度提升了1.6%,變化幅度較小。說明尿素不變時(shí),氯化鈣濃度在尿素濃度0.5～1.5倍時(shí)對(duì)抗剪強(qiáng)度影響較小。綜上,膠結(jié)比宜選用1∶1。

圖8 不同膠結(jié)比試樣軸向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 養(yǎng)護(hù)周期對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

養(yǎng)護(hù)周期對(duì)EICP加固砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖9所示。由圖9可知,不同相對(duì)密實(shí)度不同濃度試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)周期的增加而增加。當(dāng)養(yǎng)護(hù)周期為1 d時(shí),EICP對(duì)砂土的固化效果較弱,在3 d時(shí)固化基本完成。從圖9中還可以明顯看出,3 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度明顯大于前兩天,表明試樣在前兩天時(shí)沉淀物未能將土中孔隙填充完全,相互膠結(jié)的土顆粒相對(duì)較少,隨著養(yǎng)護(hù)周期的增加,沉淀生成量越來越多,能夠?qū)⑼令w粒相互膠結(jié),有效提升了抗壓強(qiáng)度。

圖9 養(yǎng)護(hù)周期對(duì)砂土抗壓強(qiáng)度的影響

2.3.2 相對(duì)密實(shí)度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

相對(duì)密實(shí)度對(duì)EICP加固砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響如圖10所示。由上述結(jié)論可知EICP固化試樣在3 d時(shí)基本固化完全,因此以3 d、1 mol/L為例,由圖10可以看出:相對(duì)密實(shí)度為0.7的固化試樣強(qiáng)度最高,其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為571.36 kPa,0.6的次之為486.38 kPa,0.5的最小為394.53 kPa,相對(duì)密實(shí)度在0.5～0.7范圍內(nèi),EICP固化試樣的抗壓強(qiáng)度隨著相對(duì)密實(shí)度的增加而增加。

圖10 相對(duì)密實(shí)度對(duì)砂土抗壓強(qiáng)度的影響

2.3.3 膠結(jié)液濃度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

膠結(jié)液濃度對(duì)EICP加固砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響如圖11所示。由上述結(jié)論可知EICP固化試樣在3 d時(shí)基本固化完全,因此以3 d、Dr=0.5為例,由圖11可以看出:當(dāng)EICP固化砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度取最大值時(shí),膠結(jié)液濃度為1.5 mol/L,其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為424.33 kPa,1 mol/L的次之為394.53 kPa,0.5 mol/L的最小為310.72 kPa,當(dāng)膠結(jié)液濃度在0.5 mol/L～1 mol/L之間時(shí),膠結(jié)液的濃度越大,EICP固化砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。

圖11 膠結(jié)液濃度對(duì)砂土抗壓強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 論

本文圍繞EICP固化砂土分析脲酶活性的影響,通過直接剪切試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析多變量對(duì)EICP固化砂土強(qiáng)度特性的影響。得到以下結(jié)論:

(1) 在EICP的溶液制備中,適宜將脲酶環(huán)境控制在弱酸性和中性條件下,最佳pH為7,此條件下其持續(xù)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),脲酶的活性隨著時(shí)間而逐漸喪失。

(2) 在不同級(jí)配的EICP固化砂土改良效果中,砂土顆粒級(jí)配為0.075 mm～0.25 mm時(shí),抗剪強(qiáng)度提升最大;當(dāng)膠結(jié)液濃度為2 mol/L時(shí),EICP固化效果最佳,考慮經(jīng)濟(jì)性以1 mol/L濃度為最佳的膠結(jié)液濃度;當(dāng)氯化鈣一定時(shí),膠結(jié)液比值為1∶1時(shí)抗剪強(qiáng)度最高,尿素濃度偏高或者偏低都會(huì)降低抗剪強(qiáng)度;當(dāng)尿素不變時(shí),氯化鈣濃度在尿素濃度0.5～1.5倍時(shí)抗剪強(qiáng)度變化較小,膠結(jié)比宜選用1∶1。

(3) EICP固化效果在1 d時(shí)較弱,在3 d時(shí)固化基本完全,固化效果較為理想,養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng),固化越完全。在相對(duì)密實(shí)度為0.5～0.7范圍內(nèi),EICP固化試樣的抗壓強(qiáng)度隨著相對(duì)密實(shí)度的增加而增加。當(dāng)膠結(jié)液濃度在0.5 mol/L～1mol/L之間時(shí),膠結(jié)液的濃度越大,EICP固化砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。