海水環(huán)境下MICP加固珊瑚砂試驗(yàn)

彭 劼,田艷梅,楊建貴

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2.江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心,江蘇 南京 210098; 3.南京市水務(wù)工程建設(shè)管理中心,江蘇 南京 210017)

珊瑚砂作為一種典型的鈣質(zhì)砂,其碳酸鈣含量十分豐富,質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)90%以上,是一種在海洋環(huán)境下由珊瑚碎屑和其他海洋生物碎屑沉積形成的特殊砂土,在我國(guó)南海海域分布十分廣泛。珊瑚砂孔隙比高且單個(gè)顆粒內(nèi)部多含有空隙,顆粒受壓易破碎[1-3],工程力學(xué)性能不佳。珊瑚砂作為天然地基多見(jiàn)于南海民用和民防工程,若其直接作為地基,則承載力較低,故一般需要處理。相較于污染大、能耗高的傳統(tǒng)土體加固方法(如換填法、夯實(shí)法、壓樁擠密、噴射注漿法、真空預(yù)壓法等)中使用的化學(xué)建材易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響[4-8],微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(microbially induced calcite precipitation,MICP)技術(shù)無(wú)毒無(wú)污染,通過(guò)析出具有膠結(jié)作用的碳酸鈣沉淀,填充土顆?？障恫⒛z結(jié)相鄰?fù)令w粒,使松散土體黏結(jié)成具有一定強(qiáng)度的固化體[9-11],從而提高土體強(qiáng)度、抗?jié)B、防凍和抗液化等性能;MICP固化技術(shù)機(jī)理簡(jiǎn)單,高效快速,能有效避免施工過(guò)程中對(duì)砂土的擾動(dòng);MICP的固化產(chǎn)物為性質(zhì)穩(wěn)定的難溶性碳酸鹽,對(duì)特殊地區(qū)土壤的固化和具有特殊加固要求的土體改性具有良好的發(fā)展前景[12-13]。

歐益希等[16]首次利用珊瑚砂作為原材料進(jìn)行微生物固化研究。張楠[14]將菌種在不同溫度、pH值、NaCl濃度下培養(yǎng),通過(guò)測(cè)定脲酶活性來(lái)探討ATCC11859(巴斯德芽孢桿菌)的最適生長(zhǎng)條件,并將該條件下培養(yǎng)的菌液用于珊瑚砂固化試驗(yàn)。隨后,更多學(xué)者開(kāi)始從膠結(jié)液成分、珊瑚砂性質(zhì)、環(huán)境因素等方面對(duì)珊瑚砂微生物固化體工程性質(zhì)的影響進(jìn)行研究。李捷[15]研究了不同含水率條件下珊瑚砂固化體力學(xué)特性的差異,發(fā)現(xiàn)固化體受壓后均呈脆性破壞,應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)類(lèi)似,主要為應(yīng)變軟化型。歐益希等[16]對(duì)不同粒徑的珊瑚砂進(jìn)行了微生物固化對(duì)比試驗(yàn),得到了適用于MICP技術(shù)的珊瑚砂最佳粒徑范圍為0.25～0.5 mm,但其只針對(duì)單一粒徑的珊瑚砂,不同級(jí)配對(duì)珊瑚砂固化效果的影響未涉及。李捷等[17]研究了菌液脲酶活性對(duì)珊瑚砂微生物固化效果的影響,發(fā)現(xiàn)脲酶活性會(huì)影響碳酸鈣的生成量,且固化的最佳菌液脲酶活性約為1.5 mmol/(L·min)。劉漢龍等[18]通過(guò)動(dòng)三軸和SEM微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn),研究了MICP 膠結(jié)鈣質(zhì)砂的動(dòng)力特性,結(jié)果表明MICP膠結(jié)作用能顯著改善鈣質(zhì)砂的抗液化能力。

鑒于目前在海水環(huán)境條件下利用微生物處理珊瑚砂島礁地基土的研究較少,本文采用尿素水解菌ATCC11859,模擬了海水環(huán)境下的MICP水溶液試驗(yàn),研究了海水環(huán)境對(duì)微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣的影響,然后分別在淡水環(huán)境和海水環(huán)境下采用浸泡法對(duì)珊瑚砂進(jìn)行加固處理,測(cè)定在兩種環(huán)境下碳酸鈣的生成量,最后結(jié)合無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),對(duì)比分析淡水浸泡和海水浸泡對(duì)珊瑚砂加固效果的差異,以期為相關(guān)工程設(shè)計(jì)及研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 珊瑚砂

試驗(yàn)使用的珊瑚砂采集于南海某島礁,密度為2.75～2.85 g/cm3,混雜有碎石、貝殼、生物碎屑等雜質(zhì)。將珊瑚砂洗凈,放入80℃的烘箱中烘至完全干燥,取出后進(jìn)行顆粒分析,顆粒分布曲線見(jiàn)圖1。

圖1 珊瑚砂試樣顆粒分布曲線

1.2 微生物

試驗(yàn)采用尿素水解菌ATCC11859。細(xì)菌活化后接種至液體培養(yǎng)基,培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分為(每500 mL):10 g酵母提取物、5 g NH4Cl、5 mg MnSO4·H2O及12 mg NiCl·6H2O,并用1 mol/L的NaOH 將培養(yǎng)液pH值調(diào)節(jié)至9.0。培養(yǎng)基在121℃高壓蒸汽下消毒30 min,冷卻至室溫后,將微生物接種到培養(yǎng)基,置于振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(振蕩頻率為180 r/min,溫度為30℃),24 h后取出進(jìn)行吸光度測(cè)量和菌液脲酶活性測(cè)試。

2 試驗(yàn)方法

2.1 細(xì)菌濃度和活性的測(cè)定

吸光度采用可見(jiàn)光分光計(jì)測(cè)量,測(cè)量波長(zhǎng)為600 nm(OD600),主要用來(lái)表征細(xì)菌的濃度。菌液脲酶活性測(cè)試方法為:室溫條件下,將3 mL培養(yǎng)好的待測(cè)菌液加入到27 mL尿素溶液中,細(xì)菌和尿素的混合液中尿素濃度為1 mol/L,使用電導(dǎo)率儀監(jiān)測(cè)5 min內(nèi)的電導(dǎo)率變化,從而獲得平均每分鐘電導(dǎo)率變化值,試驗(yàn)中采用每分鐘的電導(dǎo)率變化值來(lái)表征菌液的活性。

2.2 MICP水溶液試驗(yàn)

為了研究海水環(huán)境對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積效果的影響,模擬平均鹽度為3.5%的海水環(huán)境和無(wú)鹽的淡水環(huán)境。室溫條件下,將720 mL膠結(jié)液(0.5 mol/L氯化鈣和1.5 mol/L尿素的混合溶液)和80 ml菌液充分混合,其中模擬海水環(huán)境的膠結(jié)液中含有35 g/L的氯化鈉,將混合液置于磁力攪拌器上使其充分混合并發(fā)生反應(yīng)。在試驗(yàn)過(guò)程中定期測(cè)定混合液中的游離鈣離子濃度以保證鈣源充足,若鈣離子濃度較低則相應(yīng)補(bǔ)充氯化鈣。待反應(yīng)完全結(jié)束后,測(cè)得生成的碳酸鈣總質(zhì)量。

2.3 浸泡法加固珊瑚砂砂柱試驗(yàn)

為了研究海水環(huán)境和淡水環(huán)境對(duì)MICP技術(shù)加固珊瑚砂效果的影響,采用MICP浸泡法加固砂柱。將砂樣浸泡在兩組膠結(jié)液中,各取浸泡7 d、8 d和9 d的試樣為研究對(duì)象。浸泡法的試驗(yàn)?zāi)＞卟捎猛凉げ伎p制。模具為圓柱形,底面內(nèi)徑4.8 cm,高10 cm。土工布厚度為1.5 mm,單位面積質(zhì)量為200 g/m2。反應(yīng)容器為33 cm×28 cm×23 cm的塑料箱,箱內(nèi)配有0.5 mol/L氯化鈣和1.5 mol/L尿素的混合溶液,溶液體積以沒(méi)過(guò)試樣并高出1～2 cm為準(zhǔn)。浸泡法試驗(yàn)裝置如圖2(a)所示。固化方法為:①將266.3 g干密度為1.46 g/cm3左右的珊瑚砂采用分層壓實(shí)法裝入模具,試驗(yàn)前砂樣在室溫條件下自由濾水,靜置24 h。②調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵以12.15 mL/min的恒定速率給試樣緩慢灌入80 mL 濃度為0.05 mol/L的CaCl2固定液,靜置5 h,再以同樣速率灌入80 mL菌液,讓細(xì)菌充分吸附在珊瑚砂顆粒上。試驗(yàn)前測(cè)定OD600為0.714,5 min電導(dǎo)率變化為0.24 mS/cm。③灌入菌液后靜置5 h,將試樣放入模擬海水環(huán)境和模擬淡水環(huán)境的膠結(jié)液反應(yīng)容器中,用氣泵連接發(fā)泡石,為反應(yīng)過(guò)程中細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖提供氧氣。④反應(yīng)到達(dá)7 d、8 d和9 d時(shí),取出試樣,用去離子水將珊瑚砂砂柱孔隙間殘留的鈣離子沖洗干凈,靜置24 h,隨后放入80℃恒溫鼓風(fēng)烘箱中烘干脫模,烘干后試樣如圖2(b)所示。

圖2 浸泡法試驗(yàn)裝置示意圖及加固后試樣

2.4 碳酸鈣生成量的測(cè)定

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣的生成量是鑒定固化效果的重要指標(biāo),Victoria等[19]認(rèn)為微生物固化土體后試樣內(nèi)生成的碳酸鈣超過(guò)60 kg/m3即可顯著改善土體的強(qiáng)度。由于珊瑚砂為典型的鈣質(zhì)砂,碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)90%,常規(guī)酸洗法會(huì)使整個(gè)砂柱都溶于稀鹽酸,因此將固化后的砂柱質(zhì)量與固化前的砂柱質(zhì)量差作為碳酸鈣生成量的值。

2.5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

松散的珊瑚砂顆粒經(jīng)MICP技術(shù)加固成具有一定強(qiáng)度的固化體,其強(qiáng)度來(lái)源主要是微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣與珊瑚砂顆粒膠結(jié)而成的結(jié)合體。理論上講,相同試驗(yàn)條件下碳酸鈣的生成量與固化體強(qiáng)度正相關(guān)。由于砂柱試樣是將松散的珊瑚砂顆粒裝在全柔性土工布模具中,且試樣完全浸泡在膠結(jié)液中進(jìn)行加固,故而取樣時(shí),直接將土工布拆除,再用去離子水沖洗干凈,靜置2 h后放入80℃的烘箱中烘干,對(duì)烘干脫模的砂柱進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試件直徑4.5 cm,高9.7 cm,加載為應(yīng)變控制式,以1.5 mm/min的加載速率加載至試樣破壞,取峰值應(yīng)力作為該試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 MICP水溶液試驗(yàn)

圖3 反應(yīng)過(guò)程中兩組水溶液中碳酸鈣生成量

由上述分析可得,海水環(huán)境下仍能生成碳酸鈣,但是在其他條件相同時(shí),海水環(huán)境中生成的碳酸鈣質(zhì)量為24.8 g,明顯小于淡水環(huán)境中的61.6 g,碳酸鈣生成量低了59.74%,即海水環(huán)境明顯會(huì)抑制MICP過(guò)程中碳酸鈣的最終生成量。

3.2 浸泡法加固珊瑚砂砂柱試驗(yàn)

在前述的浸泡法MICP加固砂柱試驗(yàn)中生成固化砂柱后,分別進(jìn)行碳酸鈣含量測(cè)定以及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。兩種環(huán)境下生成的碳酸鈣如圖4所示。

圖4 珊瑚砂固化體中生成的碳酸鈣

由圖4中可以看出,各組試樣內(nèi)生成的碳酸鈣均遠(yuǎn)超60 kg/m3,,隨著膠結(jié)時(shí)間的增加,珊瑚砂試樣內(nèi)生成的碳酸鈣也隨著增加。7 d時(shí),淡水環(huán)境中微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣多于海水環(huán)境;8 d和9 d時(shí),淡水環(huán)境與海水環(huán)境中生成的碳酸鈣含量差距進(jìn)一步增大。分析原因是:海水中的高鹽分使微生物細(xì)胞膜皺縮,抑制了微生物的生長(zhǎng),且隨時(shí)間的增加,微生物的活性進(jìn)一步降低。

各試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值如表1所示,由表1可知:相同浸泡時(shí)間下,淡水環(huán)境下加固的珊瑚砂試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于海水環(huán)境下加固的珊瑚砂試樣;相同環(huán)境下,海水和淡水環(huán)境中試樣固化后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)而增大。

表1 各試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度 kPa

3.3 討論

MICP加固本質(zhì)是通過(guò)微生物作用析出具有膠結(jié)作用的碳酸鈣沉淀,填充土顆粒空隙并膠結(jié)相鄰?fù)令w粒,使松散土體黏結(jié)成具有一定強(qiáng)度的固化體。表2為各試樣碳酸鈣生成量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的對(duì)比,可明顯看出:在同一環(huán)境下,試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨碳酸鈣生成量的增加而提高,但兩者并非呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,具體原因可能與浸泡法處理后試樣中碳酸鈣的分布及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞機(jī)理有關(guān)。

表2 各試樣碳酸鈣生成量與抗壓強(qiáng)度對(duì)比

由表2可知,MICP水溶液試驗(yàn)中,碳酸鈣在海水環(huán)境下的生成量比淡水環(huán)境低;砂柱試驗(yàn)中,碳酸鈣在海水環(huán)境下的生成量也低于淡水環(huán)境,與MICP水溶液試驗(yàn)結(jié)論一致。

4 結(jié) 論

a. 通過(guò)MICP水溶液試驗(yàn)可得,相比淡水環(huán)境,海水環(huán)境對(duì)微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣的量有明顯的抑制作用。前210 h觀測(cè)到海水環(huán)境中碳酸鈣的生成量較少且生成碳酸鈣的速度較慢,補(bǔ)充鈣源后,淡水環(huán)境中的微生物迅速生成碳酸鈣而海水環(huán)境中的碳酸鈣生成量趨于穩(wěn)定,海水環(huán)境中微生物的活性幾乎已喪失而淡水環(huán)境中的微生物活性較高,試驗(yàn)接近300 h時(shí),淡水環(huán)境中鈣離子濃度也趨于穩(wěn)定。

b. 通過(guò)砂柱試驗(yàn)可知,相同條件下,海水和淡水環(huán)境中試樣固化后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣生成量均隨膠結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng)而增加。試樣加固完成后,海水環(huán)境中試樣的碳酸鈣生成量少于淡水環(huán)境;海水環(huán)境中試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度低于淡水環(huán)境,故海水環(huán)境會(huì)抑制MICP的加固效果,砂柱試驗(yàn)結(jié)果與MICP水溶液試驗(yàn)一致。