微生物礦化風(fēng)沙土強度及孔隙特性的試驗研究1)

李馳劉世慧周團結(jié)高瑜,姚德

?(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,呼和浩特010051)

?(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,呼和浩特010051)

微生物礦化風(fēng)沙土強度及孔隙特性的試驗研究1)

李馳?,2)李馳，教授,博士生導(dǎo)師，主要從事生物巖土工程等方面的教學(xué)和科研工作.E-mail：tjdxlch2003@126.com劉世慧?周團結(jié)?高瑜?,?,3)高瑜，在讀博士，主要從事生物巖土工程方面的科研工作.E-mail：254044092@qq.com姚德?

?(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,呼和浩特010051)

?(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,呼和浩特010051)

風(fēng)沙土廣泛分布于沙漠地區(qū)，其顆粒細小均勻，粒間無粘聚力，易引起風(fēng)蝕形成沙塵暴的塵源.自行設(shè)計實驗室制備方法及工藝，通過微生物誘導(dǎo)碳酸鈣礦化(microbial induced calcite precipitation,MICP)技術(shù)固化沙漠風(fēng)沙土.分析MICP礦化砂土試樣的強度特性，以及菌液濃度，巖土基質(zhì)的孔隙率及顆粒級配對MICP礦化砂土強度的影響.試驗結(jié)果表明，當砂土試樣的礦化時間為7天，菌液濃度OD600值在0.5～0.8之間，經(jīng)MICP礦化后的風(fēng)沙土其無側(cè)限抗壓強度平均值為0.66MPa，內(nèi)摩擦角平均值為36?，對運用MICP技術(shù)礦化沙漠風(fēng)沙土的可行性進行了試驗驗證.當巖土基質(zhì)具有較大的孔隙率且級配良好時，MICP礦化過程更加充分，MICP礦化砂土試樣呈現(xiàn)出更好的強度特性.進而，利用核磁共振技術(shù)分析MICP礦化前后砂土試樣的孔隙特征，測試結(jié)果顯示經(jīng)MICP礦化作用后試樣的孔隙發(fā)育良好，孔隙半徑大多分布在30μm～50μm之間，半徑為100μm的孔隙提供大部分孔隙體積，且礦化作用后較未礦化前砂土試樣孔隙率減小約15%.

生物巖土工程,微生物誘導(dǎo)礦化作用,沙漠風(fēng)沙土,強度特性,核磁共振

微生物誘導(dǎo)礦化(microbial induced calcite precipitation，MICP)是一種自然界廣泛存在的生物礦化作用.利用微生物可以在多孔介質(zhì)中生長、運移和繁殖等特性，借助周圍的尿素等有機物以及鈣離子源，在微生物自身新陳代謝或酶化的過程中誘導(dǎo)生成碳酸鈣.微生物誘導(dǎo)的碳酸鈣作為粘結(jié)劑，填充于巖土基質(zhì)孔隙中來增強巖土基質(zhì)的強度，并表現(xiàn)出與巖土基質(zhì)良好的親和性和環(huán)境友好等特征，具有廣泛的工程應(yīng)用前景[13].

MICP技術(shù)在諸多巖土工程問題處理上表現(xiàn)出強大的應(yīng)用潛力，前期的研究及應(yīng)用主要集中于生物封堵或防滲、生物除塵、生物膠結(jié)及裂縫修復(fù)、歷史文物的修復(fù)等[47].近年來，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的土體改性技術(shù)成為新的熱點.荷蘭TU Delft理工大學(xué)對微生物的地基處理技術(shù)進行了長期的實驗研究，包括各種條件對微生物酶活性的影響，微生物在砂柱孔隙中生成碳酸鈣的能力，利用該微生物將砂柱粘結(jié)所能獲得的強度及其與碳酸鈣產(chǎn)量間的關(guān)系等等.文獻[8-14]對微生物加固巖土材料的工程特性進行了一系列實驗研究，以及將該微生物誘導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于液化砂土地基的加固的可行性.

風(fēng)沙土是風(fēng)成砂性母質(zhì)上發(fā)育起來的土壤，顆粒細小、磨圓度較好、粒間無粘聚力，松散、易流動、易風(fēng)蝕[15].傳統(tǒng)的治理模式是植物防護，但沙漠氣候條件使得綠色植被成活困難，且植被的介入打破了原有環(huán)境風(fēng)場的自然平衡，引起環(huán)境風(fēng)場風(fēng)速的劇烈擾動，出現(xiàn)沙塵的再搬運與再堆積問題[16].此外，采用化學(xué)加固也是沙漠工程中常用的治理措施，但利用化學(xué)建材的灌漿來加固土壤，會帶來嚴重的水土污染，還有可能釋放有毒物質(zhì)于空氣中，其應(yīng)用前景令人堪憂[17].因此，利用微生物誘導(dǎo)礦化技術(shù)，通過噴灑或灌注的方式依次在沙漠風(fēng)沙土表面注入菌液、營養(yǎng)物質(zhì)以及粘結(jié)液，形成原位的沙漠生物覆膜，在防止風(fēng)沙土流動、風(fēng)蝕的同時，成為沙地生態(tài)治理中“會呼吸的天然屏障”，將成為綠色沙漠治理的新技術(shù)革命.

但由于沙漠風(fēng)沙土細小磨圓的顆粒特征，孔隙率較低，使得微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀過程中微生物不能很好地滲透到空隙中，造成沉淀不均勻.如何確保微生物在顆粒間自由移動的能力，以及確保微生物胞體與單位體積內(nèi)巖土顆粒的充分接觸?現(xiàn)階段對微生物誘導(dǎo)礦化風(fēng)沙土的實驗室制備工藝的研究顯得尤為重要[18-19].

文中以沙漠生物覆膜為工程運用前景，利用微生物礦化技術(shù)固化結(jié)皮沙漠風(fēng)沙土，自行設(shè)計微生物誘導(dǎo)礦化風(fēng)沙土實驗室制備方法，分析菌液濃度、巖土基質(zhì)的孔隙特征及顆粒級配對微生物誘導(dǎo)礦化風(fēng)沙土巖土力學(xué)性能的影響，對基于MICP技術(shù)礦化風(fēng)沙土的可行性進行試驗驗證，為基于MICP技術(shù)的風(fēng)沙土生物覆膜在沙漠治理中的研發(fā)運用提供試驗預(yù)研和理論指導(dǎo).

1 試驗材料

1.1 巖土基質(zhì)

為了不斷調(diào)整和完善MICP礦化風(fēng)沙土的實驗室制備工藝，將標準砂以及由標準砂和風(fēng)沙土按照一定比例摻配后的混合砂作為對比試驗組，分析不同巖土基質(zhì)的孔隙特征及顆粒級配對其強度特性的影響.

試驗中共制備8種樣品，見表1.其中，樣品1為純標準砂，樣品8為純風(fēng)沙土，樣品2～樣品7是由標準砂和風(fēng)沙土按照不同比例摻配而成的混合砂,總結(jié)分析8種試樣樣品的顆粒特征及級配，見圖1.

表1 試驗砂土樣品的顆粒特征及級配

圖1 顆粒級配曲線

(1)風(fēng)沙土

取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原北部庫布齊沙漠的邊緣.風(fēng)沙土是在風(fēng)成沙性母質(zhì)上發(fā)育起來的土壤，顆粒細小，粒間無粘聚力，粒徑＜0.25mm的顆粒占總質(zhì)量的91.7%.經(jīng)土工試驗測定，天然容重1.615g/cm3，土粒密度2.64g/cm3，為級配不良的細砂[20].

(2)標準砂

試驗用標準石英砂(99.7%石英，廈門艾思歐標準砂有限公司，簡稱標準砂).該標準砂天然容重1.578g/cm3，土粒密度2.62g/cm3，級配均勻不良.

(3)混合砂

試驗用混合砂是將標準砂和風(fēng)沙土按一定的質(zhì)量百分比摻配而成.試驗中設(shè)定的百分比分別為0.9:0.1,0.75:0.25,0.6:0.4，0.45:0.55,0.3:0.7和 0.15:0.85.試驗前將兩種砂先用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡12h，清洗，再用0.1mol/L的HCI溶液浸泡12h，清洗，最后用去離子水清洗至pH值為7后烘干待用.

1.2 微生物

1.2.1 菌種

試驗用菌種為巴氏芽孢桿菌(sporosarcina pasteurii)，菌種培養(yǎng)基的成分參考推薦使用的ATCC 1376.將活化后的菌種擴大培養(yǎng)，菌體經(jīng)4000r/min離心機，20min高速離心后，根據(jù)試驗需要將滅菌的新鮮培養(yǎng)基稀釋到所需OD600值，其中，OD600是指菌液在600nm波長處的吸光值，且吸光值正比于溶液中吸光物質(zhì)的濃度，通過式(1)將OD600值換算為試驗用菌液濃度.文獻[21]中建議OD600選擇0.3～1.5(即菌液細胞數(shù)濃度為107～108mL?1)，試驗中，選擇OD600值為0.3,0.4,0.5,0.6,0.7和0.8，分析菌液濃度變化對MICP誘導(dǎo)礦化作用的影響

式中,Z代表OD600值；Y是指換算的菌液細胞數(shù)濃度，mL?1.

1.2.2 粘結(jié)液

粘結(jié)液的主要作用是為MICP固化土壤提供尿素和鈣源，除此以外，還要為細菌的生長繁殖提供營養(yǎng)物質(zhì)，亦稱之為營養(yǎng)液.粘結(jié)液中的化學(xué)物質(zhì)主要有NH4Cl,NaHCO3,CaCl2·2H2O,Urea等，根據(jù)尿素水解的化學(xué)反應(yīng)可知，MICP過程中Urea和Ca2+最佳摩爾比為1:1，故試驗中粘結(jié)液Ca2+濃度選擇為0.5mol/L，pH值為6.0.

2 試驗方法

2.1 MICP礦化原理

將MICP礦化原理用于風(fēng)沙土，即利用巴氏芽孢桿菌在新陳代謝過程中會產(chǎn)生一種脲酶，該酶可以將尿素分解釋放出碳酸根離子，且溶液中含有一定濃度鈣離子，鈣離子會被帶有負電的細菌細胞吸附，從而以細菌細胞為晶核，在細菌周圍形成具有膠凝作用的碳酸鈣結(jié)晶，菌體死亡并嵌入結(jié)晶體中，如式(2)和式(3)所示[4].

2.2 試驗方法及裝置

由于沙漠風(fēng)沙土均勻細小、顆粒表面渾圓、孔隙率低，需要改進現(xiàn)有的實驗室制備方法.已有的實驗室制備方法采用自由滲透的方法，自行設(shè)計反應(yīng)器并配合全接觸柔性模具的使用，使營養(yǎng)液自由滲透到試樣，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的使用蠕動泵分次注入菌液、尿素和氯化鈣等溶液的制樣方法，由于不需要補充新的營養(yǎng)液和排出原有混合液，提高了菌液和營養(yǎng)液的利用率，使得尿素水解過程也更充分，并且操作簡單，有利于MICP技術(shù)向?qū)嶋H工程中的推廣應(yīng)用[22-23].

自行設(shè)計反應(yīng)器(圖2(a))主要包括：一個裝有樣品的支架(圖2(b))和粘結(jié)液的塑料箱，塑料箱的底部是一臺磁力攪拌器，使反應(yīng)器溶液的化學(xué)成分分布均勻，利用增氧器為反應(yīng)器中的細菌生長繁殖提供氧氣.反應(yīng)器的顯著特點是可以直接將樣品浸入粘結(jié)液中，粘結(jié)液通過全接觸柔性模具滲透到樣品孔隙中.全接觸柔性模具(圖2(c))具有良好的自由滲透和內(nèi)外不同的滲透能力，確保營養(yǎng)液充分供給細菌生長需要且菌液不會溢出.其中，所需菌液的量按照表1中8種巖土基質(zhì)的孔隙體積的1.1倍足量提供，放入置有增氧器的試驗中，將菌液和砂土分別分兩次倒入全接觸營養(yǎng)液中(試驗中營養(yǎng)液為30L)進行充分固結(jié)反應(yīng)7天[2223],樣品取出后拆膜靜置于空氣7天后進行強度測試.

圖2 自行設(shè)計反應(yīng)器及裝置細節(jié)

3 試驗結(jié)果與分析

測定樣品的無側(cè)限抗壓強度和三軸不固結(jié)不排水剪切強度，其樣品采用自由滲透的方法配合全接觸柔性模具的使用，相比之前的制樣方法碳酸鈣沉淀會更均勻，但樣品的不均勻性仍然存在，至少進行三次平行試驗確定樣品強度的平均值.總結(jié)試驗結(jié)果，分析不同OD600、不同巖土基質(zhì)的孔隙率對試樣強度特性的影響.進而，利用核磁共振技術(shù)對固化前后樣品的孔隙分布、孔隙發(fā)育及孔隙率進行測試，揭示MICP礦化后樣品強度得以提高的內(nèi)在原因.

3.1 無側(cè)限抗壓強度

無側(cè)限抗壓強度試驗采用應(yīng)變控制方式按照每分鐘1.5%的加載速率進行.試驗中選取6個不同的OD600值0.3,0.4,0.5,0.6,0.7和0.8，其中，當OD600值為0.3時，由于菌液濃度過低，尿素水解誘導(dǎo)生成CaCO3的量有限，不足以在松散的砂土顆粒間形成有效聯(lián)結(jié)，故無法成樣.試驗中發(fā)現(xiàn)，MICP礦化的試樣具有明顯的應(yīng)變軟化特征，加荷過程中隨著應(yīng)變的增加伴隨有劈裂裂縫的出現(xiàn)，隨著裂縫的發(fā)展應(yīng)變急劇增大至破壞，其破壞形貌見圖2(d).以樣品3為例，當菌液的OD600值分別為0.4,0.5,0.6,0.7和0.8時，通過無側(cè)限抗壓強度試驗得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3.將樣品的峰值強度在不同OD600值時的試驗結(jié)果列入表2中，表中數(shù)據(jù)顯示菌液OD600值適宜的范圍為0.5～0.8，這一結(jié)論與之前的研究中所建議的合理OD600范圍0.3～0.8是吻合的[2,4,8].當菌液OD600值為0.5～0.8時，MICP礦化風(fēng)沙土(樣品8)的平均無側(cè)限抗壓強度為0.66MPa，在沙漠生物覆膜工程中應(yīng)用是可行的；MICP礦化標準砂(樣品1)的平均無側(cè)限抗壓強度為1.32MPa；MICP礦化混合砂，當巖土基質(zhì)級配良好時如樣品3，其平均無側(cè)限抗壓強度為2.54MPa，當巖土基質(zhì)級配不良時如樣品6，其平均無側(cè)限抗壓強度僅為1.18MPa.分析試驗結(jié)果，可知按照文中試驗方法制備的MICP礦化砂土樣品均具有了較高的強度特性.我們發(fā)現(xiàn)當OD600為0.5時，即菌液細胞數(shù)濃度(3.3×107mL?1)時，在MICP礦化過程中細菌發(fā)揮了最佳的作用，MICP礦化試樣的強度最高，之后隨OD600值的繼續(xù)增加，MICP礦化試樣強度并無顯著變化.菌液濃度的增加，產(chǎn)生更多的酶誘導(dǎo)碳酸鈣的生成，同時為碳酸鈣晶體的形成提供更多的晶核.但必須有足量的孔隙空間來安置這些附著碳酸鈣晶體的晶核.因此，巖土基質(zhì)的孔隙率是影響MICP礦化過程是否充分的重要因素.分析不同巖土基質(zhì)孔隙率對其無側(cè)限抗壓強度的影響，見圖4.

圖3 無側(cè)限抗壓強度試驗得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線(樣品3)

表2 無側(cè)限抗壓強度和三軸剪切強度的試驗結(jié)果

圖4 巖土基質(zhì)孔隙率、菌液濃度及其無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

從圖4可以看出，當巖土基質(zhì)含有較大孔隙率時，MICP礦化過程反應(yīng)充分，誘導(dǎo)生成的碳酸鈣晶體附著在成核的細胞體外被填充于孔隙中，為松散的砂土顆粒間增加更強的聯(lián)結(jié).但過大的孔隙率也會因顆粒間聯(lián)結(jié)不足而影響MICP礦化砂土強度的提高.當巖土基質(zhì)級配良好時，MICP礦化試樣具有更高的強度.以菌液OD600值為0.5～0.8時，級配良好的樣品3比級配不良的樣品1的平均無側(cè)限抗壓強度提高1.22 MPa，而二者巖土基質(zhì)的孔隙率僅相差0.2%.因此，微生物與一定級配的巖土基質(zhì)孔隙間的相容性是MICP礦化過程的重要影響因素.

3.2 剪切強度

通過美國GCTS(Geotechnical Consulting Testing System)公司的STX 100電液伺服控制雙向動三軸試驗系統(tǒng)進行試樣的不固結(jié)不排水剪切試驗，按照試樣的軸向應(yīng)變?yōu)?5%確定為位移破壞標準.試驗中，選取6個不同的OD600值0.3,0.4,0.5,0.6, 0.7和0.8，其中，當OD600值為0.3和0.4時，由于菌液濃度過低，誘導(dǎo)生成CaCO3的量有限，無法使松散的砂土成樣.以樣品3在OD600值為0.5時為例，三軸試驗中獲得的莫爾圓及其強度包線見圖5.從圖5中可知，MICP礦化作用誘導(dǎo)產(chǎn)生CaCO3填充于孔隙中，增加了松散砂土顆粒間的聯(lián)結(jié)，砂土的抗剪強度得以提高，且內(nèi)摩擦角的增加較粘聚力的增大更為顯著.通過三軸試驗獲得的MICP礦化試樣的內(nèi)摩擦角列入表2.總結(jié)試樣在不同的OD600值和不同的巖土基質(zhì)孔隙率時，MICP礦化試樣內(nèi)摩擦角的變化見圖6.

從表2和圖6中可以看出，隨著孔隙率的增大，MICP礦化試樣的內(nèi)摩擦角增大.同樣，在OD600值為0.5時，MICP礦化試樣的內(nèi)摩擦角最大，在文中推薦的OD600值0.5～0.8范圍內(nèi)，MICP礦化風(fēng)沙土的平均內(nèi)摩擦角為36?，對比素風(fēng)沙土在最大干密度時的內(nèi)摩擦角18.1?[15]，MICP礦化過程大大增加了風(fēng)沙土顆粒間的咬合聯(lián)結(jié)作用.

圖5 莫爾圓及其強度包線(樣品3，OD600值為0.5)

圖6 巖土基質(zhì)孔隙率、菌液濃度及其內(nèi)摩擦角的關(guān)系

當巖土基質(zhì)級配良好時，MICP礦化試樣顆粒間的咬合作用增強，顆粒間粘聚力有所增加，但以內(nèi)摩擦角的增大更為顯著.分析樣品1和樣品3，樣品1級配不良，樣品3級配良好，二者巖土基質(zhì)孔隙率僅相差0.2%，但MICP礦化后樣品的內(nèi)摩擦角相差6.2?.

3.3 NMR技術(shù)下樣品的微觀孔隙變化

核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)技術(shù)是磁矩陣不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程[2425].應(yīng)用核磁共振的橫向弛豫時間T2衰減原理測量MICP礦化樣品，得到樣品的孔隙度、孔徑分布、束縛流體、自由流體和滲透率等參數(shù).

實驗所用儀器為型號MacroMR12-150H-1的紐邁分析儀器，包括真空飽和裝置和核磁共振分析系統(tǒng)，且成像系統(tǒng)可表征試樣內(nèi)部孔隙的分布情況，共振頻率為12.534MHz，磁體溫度控制在32.00?C±0.02?C，探頭線圈直徑70mm，射頻功率300W.試樣尺寸為50mm×50mm，采取橫切剖面分析，層厚3mm，示意見圖7.實驗前先將試樣烘干后放入真空飽和裝置抽真空飽水24h，飽和后取出試樣測試飽水試樣的橫向弛豫時間T2譜分布，飽水樣品的T2圖譜呈多峰型，弛豫時間以長弛豫為主.主峰分布在1000ms左右，圖譜形態(tài)偏右，流體弛豫時間長，弛豫速度慢，表明樣品的孔隙發(fā)育較好.T2弛豫時間反映了樣品內(nèi)部氫質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境，與氫質(zhì)子所受的束縛力及其自由度有關(guān)，而氫質(zhì)子的束縛程度又與樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密不可分的關(guān)系.此外，橫向弛豫時間T2譜分布與孔隙尺寸相關(guān)，在多孔介質(zhì)中，孔徑越大，存在于孔中的水弛豫時間越長；孔徑越小，存在于孔中的水受到的束縛程度越大，弛豫時間越短，即峰的位置與孔徑大小有關(guān)，峰的面積大小與對應(yīng)孔徑的多少有關(guān)，由T2譜分布測得的孔徑分布如圖8所示.從圖8中可以看出，樣品孔隙半徑大多分布在30μm～50μm之間，以孔隙半徑為100μm的大孔隙為主.

圖7 橫切面示意圖

圖8 樣品孔徑分布

圖9為試樣的核磁共振成像，圖像采用512×512像素分辨率，對孔隙的識別分辨率為50μm.試驗時試樣采取水下包裹的方法，以保證孔隙充盈，存在更多的自由水，減小實驗的誤差.由圖9可以看出，黑色部分為圖像底色，圖像中亮點區(qū)域為水分子所在區(qū)域，亮度越高，反應(yīng)水分子分布的越密集，即直觀反映出試樣的孔隙分布情況，據(jù)此判斷得出該試樣屬于多孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙均勻性較差.

圖9 試樣的核磁共振成像圖

以樣品3為例，MICP礦化前樣品孔隙率是39.76%(見表1).NMR測試結(jié)果顯示MICP礦化后試樣體積89.94cm3，試樣飽和水體積為30.26 ml，測得孔隙率為33.6%，較初始固化前的孔隙率減小約15%，證實經(jīng)MICP礦化作用后誘導(dǎo)生成的碳酸鈣晶體填充于砂土孔隙中，增加了顆粒間的聯(lián)結(jié)，減小孔隙率，提高試樣的無側(cè)限抗壓強度及剪切強度.

4 結(jié)論

(1)經(jīng)MICP礦化后的砂土試樣，其顆粒間的咬合聯(lián)結(jié)作用增強，呈現(xiàn)出較好的強度特性.在礦化時間為7天，適宜的菌液值OD600為0.5～0.8時，MICP礦化風(fēng)沙土的無側(cè)限抗壓強度平均值為0.66MPa，內(nèi)摩擦角平均值36?，其強度特性驗證了MICP礦化風(fēng)沙土在沙漠生物覆膜工程中應(yīng)用的可行性.

(2)巖土基質(zhì)的孔隙率和顆粒級配是影響MICP礦化作用的重要影響因素，當巖土基質(zhì)采用較大孔隙率、級配良好的混合砂時，MICP礦化混合砂的無側(cè)限抗壓強度平均值為2.54MPa，內(nèi)摩擦角平均值高達44?，其強度特性堪比生物誘導(dǎo)下的中砂巖.

(3)利用核磁共振NMR技術(shù)分析MICP礦化作用前后砂土樣品的孔隙變化，測試結(jié)果顯示經(jīng)MICP礦化作用后砂土樣品的孔隙發(fā)育良好，自由流體面積較大，孔隙半徑大多分布在30μm～50μm之間，半徑為100μm的孔隙提供大部分孔隙體積；且礦化作用后較未礦化時同一砂土試樣的孔隙率減小約15%.

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(責(zé)任編輯:周冬冬)

THE STRENGTH AND POROSITY PROPERTIES OF MICP-TREATED AEOLIAN SANDY SOIL1)

LI Chi?,2)LIU Shihui?ZHOU Tuanjie?GAO Yu?,?,3)YAO De??(Civil Engineering Institute,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China)
?(Chemical Engineering Institute,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China)

The aeolian sandy soil is widely distributed in the desert zone.It is vulnerable to the wind erosion and serves as the dust source of the sandstorm due to its fi ne particles and the non-cohesion property between particles.The microbial induced calcite precipitation(MICP)is one of the bio-geotechnical technology.This paper examines the MICP-treated aeolian sandy soil through a self-designed preparation method and process. The strength properties and their in fl uence factors,the concentration of the bacterium,the porosity and grain distributions,are discussed.Testing results indicate that the suitable curing time for obtaining enough strength with good efficiency is 7 d for the MICP-treated sandy soil samples in this study.It is found that the MICP-treated aeolian sandy soil can have an average uncon fi ned compress strength of 0.66MPa and an average inner friction angle of 36?in this reasonable range of OD6000.5～0.8.The feasibility of the MICP-treated aeoliansandy soil is veri fi ed in the application of bio-crusts in desert engineering.The pore space and the porosity of the soil matrix play an important role in the MICP process.When the soil matrix with high porosity is well-graded,the MICP-treated sandy soil samples may have a high strength.Furthermore,the pore features are tested through the nuclear magnetic resonance(NMR)technology before and after the mineralization.The results indicate that the pores are well developed after the mineralization.The radius of most pores is in the range of 30μm to 50μm,and the pore with radius of 100μm o ff ers most of pore volume.The porosity is decreased by about 15%after the mineralization as compared with the unmineralized for the same sample.

bio-geotechnical engineering,microbial induced calcite precipitation,aeolian sandy soil,strength properties,NMR(nuclear magnetic resonance)

TU444

A

10.6052/1000-0879-16-286

2016–09–01收到第1稿，2016–09–29收到修改稿.

1)國家自然科學(xué)基金(51668050)、內(nèi)蒙自然科學(xué)基金(2014MS0105)、內(nèi)蒙自治區(qū)科技計劃(20140155)和內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究項目(X201610)資助.

李馳,劉世慧,周團結(jié)等.微生物礦化風(fēng)沙土強度及孔隙特性的試驗研究.力學(xué)與實踐,2017,39(2):165-171,184 Li Chi,Liu Shihui,Zhou Tuanjie,et al.The strength and porosity properties of micp-treated aeolian sandy soil.Mechanics in Engineering,2017,39(2):165-171,184