微生物誘導碳酸鈣沉淀膠結加固泥巖試驗研究

王緒民, 崔 芮, 王 鋮

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院， 武漢 430068)

隨著中國人口增長，經(jīng)濟社會的向前發(fā)展，民用基礎設施的需求量急劇增加。在新建建筑或公路地基施工過程中經(jīng)常會遇到穩(wěn)定性差的泥巖層。泥巖由于水、溫度等環(huán)境因素影響，易發(fā)生風化、開裂、崩解、軟化、膨脹等。目前，應用于泥巖地基層改良技術主要包括兩種，一類是通過摻加硅酸鹽水泥、石灰、粉煤灰等進行化學改良[1]，另一類是通過加入綠砂、砂礫等進行物理改良。

微生物誘導碳酸鈣沉淀(MICP)是將微生物學中生物礦化技術應用到土體加固過程中的一種方法[2]。MICP技術可以改善土壤工程性質，將砂粒黏結在一起，改善砂土的工程性質[3]。MICP方法中發(fā)生生物化學反應的一部分菌種廣泛分布在土壤中，其含有與尿素水解相關的高活性脲酶，在這種情況下巴氏芽孢桿菌(sposcoscina pasteurii)為最佳。Dejong等[4]認為實現(xiàn)微生物誘導方解石膠結，對微生物處理成功至關重要的因素包括微生物濃度、pH、氧氣供應、細菌代謝狀態(tài)、營養(yǎng)液處理沖洗中的Ca2+、定時的注射順序等。研究發(fā)現(xiàn)通過注漿固結2 d后，砂柱樣內(nèi)碳酸鈣生成量最大可達98 kg/m3。Zamani等[5]將MICP技術應用于含有高達35%細粒的粉砂中，進行不排水剪切實驗，結果表明MICP方法對粉砂的影響取決于砂的相對密度、細粒含量和土壤組成結構。大量室內(nèi)試驗表明使用該技術可以使松散的砂顆粒固結在一起，有效提高砂的延展性、抗液化能力、剛度和強度[6]。此外，一些研究表明微生物在各種應用中的有效性，例如微生物去除鉛等重金屬離子[7]，混凝土結構的修復、強度的提高[8]，加固堤壩表層[9]等。

對于泥巖的改良，檀奧龍等[10]將堿渣與泥巖混合改良風化泥巖用于路基填料，研究表明當摻渣率達到40%時，抗壓、抗剪強度增加趨于峰值，此時改良后的泥巖膨脹率下降，且表現(xiàn)為憎水性。顧磊[11]應用石灰改良泥巖風化物，試驗結果表明膨脹性降低，抗壓、抗剪強度有所提高，相關性能得到顯著改善。王智猛[12]通過石灰改良紅層泥巖路基時發(fā)現(xiàn)，改良后的路基沉降變形更小，且相關物理性能更加穩(wěn)定。祝艷波等[13]采用改良劑對泥巖風化物進行改良，發(fā)現(xiàn)泥巖路基土改良效果水泥>石灰>粉煤灰，適當加入粉煤灰更顯著，且膨脹特性、抗壓強度、承載力、水穩(wěn)定性都有較大改良。

以上研究為微生物誘導碳酸鈣改良泥巖這一技術方案提供了理論依據(jù)。為此以泥巖為研究對象，采用多種方案進行膠結試驗，最終試驗確定在單一濃度營養(yǎng)鹽條件下采用一次浸泡菌液的方式對膠結泥巖樣進行處理。通過微觀及宏觀力學室內(nèi)試驗研究微生物膠結泥巖的可行性。

1 微生物膠結試驗

1.1 試驗材料

試樣取自湖北省武漢市某地下工程施工現(xiàn)場，泥巖取土深度為23 m。泥巖的基本物理性質如下：天然密度為2.42 g/cm3，天然含水率為2.43%，液限31.46%，塑限23.76%，塑性指數(shù)7.7，液性指數(shù)-2.77。由于液性指數(shù)IL=-2.77<0，表明泥巖試樣處于堅硬狀態(tài)。泥巖顆粒級配曲線如圖1所示，泥巖顆粒的不均勻系數(shù)Cu=16.36，曲率系數(shù)Cc=1.53，表明泥巖級配良好。

圖1 泥巖試樣顆粒級配曲線Fig.1 Particle gradation curve of mudstone sample

菌種為巴氏生孢八疊球菌(編號CGMCC1.3687)，購自中國普通微生物菌種保藏管理中心。采用體積為100 mL的液體培養(yǎng)基(培養(yǎng)基內(nèi)固體配方為20 g/L酵母浸粉、10 g/L NH4Cl、10 mg/L MnSO4·H2O及24 mg/L NiCl2·6H2O)進行菌種復蘇，其中液體培養(yǎng)基pH用1 mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)制至8.4。培養(yǎng)基經(jīng)過115 ℃、高壓蒸汽滅菌20 min，冷卻至常溫后放入無菌操作臺中進行菌種接種，隨后放入溫度為30 ℃、轉速為200 r/min的搖床中培養(yǎng)48 h，當液體培養(yǎng)基出現(xiàn)渾濁后停止培養(yǎng)。采用紫外可見分光光度計測試菌液密度(OD600)，控制OD600=1.0。為了保障試驗菌株的準確性，吸取少量培養(yǎng)好的菌液在顯微鏡下進行鏡鑒，由巴氏生孢八疊球菌鏡鑒圖2可知，菌液經(jīng)草酸銨、碘液、95%乙醇乙醚處理后，顯微鏡下的細菌為紫色短桿狀，符合試驗菌種要求。菌種復蘇至膠結試樣成型共需11 d，期間主要包括菌種復蘇、擴大培養(yǎng)及試樣制備等過程。

圖2 巴氏生孢八疊球菌顯微鏡下鏡鑒圖Fig.2 Microscopic view of the bacterium of the genus

1.2 試樣方案

1.2.1 試驗目的

為研究不同試樣粒徑、制備方式及MICP處理方式對微生物膠結重塑泥巖的力學性能影響，如表1所示。本研究對微生物處理試樣營養(yǎng)鹽溶液濃度及菌液濃度進行控制，其中營養(yǎng)鹽溶液濃度為0.5 mol/L，菌液濃度稀釋至1.0 mol/L，模具采用聚氯乙烯管(PVC管)、特制的扁平狀圓柱形玻璃鋼試樣筒(FRP筒)和鋼環(huán)刀。最后確定以13號試樣鋼環(huán)刀為模具，采用一次浸泡菌液的方式對膠結重塑泥巖樣進行處理。

表1 不同試驗方案

1.2.2 試樣制作

試樣采用φ61.8 mm20 mm的環(huán)刀樣進行制備，制作過程：①在鋼環(huán)刀底部放置一塊直徑為79.8 mm10 mm的透水石；②稱取95 g重塑泥巖樣(初始孔隙率為0.54)，其中直徑為0.25～1 mm，混合攪拌均勻后傾倒入內(nèi)壁涂有凡士林的環(huán)刀中，用千斤頂壓實控制試樣高度為20 mm，取出后并在泥巖頂部放置濾紙和另一塊透水石；③將配好的2.5 L菌液傾倒入容器內(nèi)并淹沒透水石頂部，靜置2 h后隨即將等量0.05 mol/L的CaCl2溶液換入；④再次靜置2 h使菌株有足夠的時間吸附在泥巖顆粒表面，之后將2.5 L的營養(yǎng)鹽(等物質的量的CaCl2+尿素混合溶液)換入；⑤間隔48 h后，換一次營養(yǎng)鹽溶液，試樣放入溫度為30 ℃的恒溫箱進行培養(yǎng)；⑥之后每隔48 h換一次營養(yǎng)鹽溶液，營養(yǎng)鹽溶液浸泡進行到第7天后停止。

隨著反應時間的增加，吸附在泥巖顆粒表面的微生物以營養(yǎng)鹽中的氯化鈣為鈣源，基于MICP方法便會在泥巖顆粒與顆粒接觸處或孔隙中生成碳酸鈣沉淀，減少孔隙空間，有效地使泥巖膠結成一個整體。試驗過程如圖3所示?？芍厮軜幽鄮r顆粒通過MICP方法膠結效果顯著。

圖3 通過MICP方法處理前后的試樣Fig.3 Sample before and after processing by MICP method

1.2.3 X射線衍射物相分析試驗

MICP技術處理試樣后，能在泥巖內(nèi)產(chǎn)生一種膠結物，這種膠結物填充到孔隙中使重塑泥巖膠結成整體。為定性分析巴氏生孢八疊球菌在泥巖中的作用，將處理前后的試樣分別通過瑙研缽碾碎過0.075篩，然后放入溫度為110 ℃的烘干箱中烘干24 h，冷卻后取8 g左右粉末進行X射線衍射分析。

1.2.4 掃描電鏡及X射線能譜分析試驗

為觀察膠結前后試樣的微觀形貌和膠結后試樣所含元素分布。將膠結試樣進行直接剪切試驗破壞后取小部分用小刀切成1 cm×1 cm×1 cm塊狀。隨即放入真空干燥箱內(nèi)進行烘干，控制溫度為110 ℃，時間為12 h，冷卻后對試樣進行噴金處理，放入掃描電鏡中進行掃描電鏡(SEM)和X射線能譜分析(EDS)測試，觀察試樣微觀結構。

1.2.5 直接剪切試驗

采用濃度為0.5 mol/L的營養(yǎng)鹽溶液對泥巖試樣進行微生物處理。將培養(yǎng)7 d后的膠結試樣及未固化的重塑樣進行直接剪切試驗，試驗采用應變控制式直剪儀，一共做4組試驗，其中垂直壓力取100、200、300、400 kPa，依次施加各級垂直壓力。為了保證試驗的順利進行，試驗前對膠結試樣和未固化的重塑樣進行抽真空飽和2 d(真空抽氣時間為4 h、浸水時間為24 h)，隨后將兩種試樣裝于應變控制式直剪儀進行直接剪切試驗，其中直剪儀四周加水保證試樣飽和，剪切速率取0.8 mm/min，每15 s讀取數(shù)據(jù)一次，剪切位移達到6 mm視為該試樣剪損。

2 試驗結果分析

2.1 方案確定分析

最初選用內(nèi)徑為38 mm的PVC管進行制備，采用蠕動泵以5 mL/min的速率將菌液與營養(yǎng)鹽溶液從試樣下端或上下端交替的注入?？紤]到標準泥巖樣孔隙較小，菌液可能無法完全進入泥巖孔隙中，因此選用不同重塑泥巖試樣粒徑、處理方式進行處理。為保證不同制備方式下試樣初始孔隙體積一致，控制環(huán)刀樣及圓柱樣質量分別為95 、105 g。通過改變試樣粒徑和處理方式，7 d膠結試驗后發(fā)現(xiàn)無法形成尺寸為φ38 mm×80 mm的膠結試樣，一些試樣如表1中1、3、8、9號，只有下端少許膠結，高度為12 mm，其余部分均為松散狀；5、6、7號試樣開管后有少許塊狀膠結，大部分為松散狀，無膠結效果；但2號試樣加大粒徑1 mm和0.25 mm的含量，可在下端膠結成高度為5.3cm的圓柱樣，如圖4(a)所示。因此認為由于泥巖孔隙小、遇水軟化的特性，采用較小壓力的蠕動泵制備試樣無法達到要求高度的膠結效果。對于是否可以使用圍壓的方式進行加壓注入菌液與營養(yǎng)鹽溶液進行膠結還需進一步研究。

鋼環(huán)刀試樣為圓餅狀，高度只有20 mm，為此本研究改用特制FRP筒[14]或鋼環(huán)刀進行制備。當選用特制FRP筒制備時，將試樣各粒徑混合攪拌均勻后自然放入試樣筒內(nèi)，上部加濾紙和透水石。4、12號試樣，浸泡7 d后膠結效果比用PVC管顯著，拆模后可以觀察到大塊的膠結物，如圖4(b)、圖4(c)所示，但膠結試樣并不完整，且中部、邊緣松散較嚴重。通過改變粒徑后，發(fā)現(xiàn)10、11號試樣試驗成功，這兩組試樣通過增加粒徑1、0.25 mm的含量來增大泥巖的孔隙。但考慮到特制FRP筒在后期研究泥巖遇水軟化性能的局限性(開模后無法使原狀重塑泥巖試樣形成一個整體)，因此最后選用鋼環(huán)刀進行制作，制作粒徑為13號樣粒徑，制作方法見上文。

圖4 不同方案下膠結試樣圖Fig.4 Bonding samples under different schemes

2.2 微生物膠結泥巖成分分析

為了研究微生物膠結前后試樣所含成分變化情況，做了X射線衍射(XRD)圖譜分析，如圖5所示。經(jīng)過物相分析，從圖5(b)中可以看出該試樣主要成分為石英、伊利石、鈉長石、白云石和斜綠泥石，而晶體的含量與特征峰的衍射強度成正相關[15]。從而，石英含量最高為33.3%，峰值強度為1 620 cm-1，衍射角2θ26.5°；伊利石和鈉長石含量次之，分別為27.1%和21.47%；而白云石和斜綠泥石含量較少。從圖5(c)中膠結試樣看出除了石英、伊利石、鈉長石、白云石和斜綠泥石特征峰以外，還含有大量的未知紅色峰值物質，含量最高為44.67%，峰值強度為2 280 cm-1，衍射角2θ29.2°。對比圖5(b)和圖5(c)兩者XRD圖譜還發(fā)現(xiàn)，膠結前后衍射角大小和衍射峰強度除了石英以外(衍射峰有所增加)并無明顯變化。說明7 d浸泡反應并沒有使晶面之間的距離增大，短時間內(nèi)泥巖中的礦物顆粒沒有遇水發(fā)生相關反應。

圖5 微生物膠結前后試樣及純方解石XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of samples and pure calcite before and after microbial cementation

由圖5(c)中XRD圖譜數(shù)據(jù)分析可知，紅色峰值物質晶胞參數(shù)a4.989，與標準方解石的晶胞參數(shù)一致，且由圖5(a)方解石的標準圖譜(標準方解石PDF卡號：05-0586)與圖5(c)紅色峰值對比可知，在衍射角2θ20°60°內(nèi)峰值變化與數(shù)量基本一致，說明圖5(c)紅色峰值物質為方解石型碳酸鈣晶體。在自然界中，碳酸鈣無水晶體通常以方解石、霰石及球霰石存在，其中方解石在熱力學上是三者中最為穩(wěn)定的晶相。因此微生物巴氏生孢八疊球菌在泥巖中誘導生成的產(chǎn)物主要為碳酸鈣。碳酸鈣是一種很強的黏結劑，能讓重塑泥巖樣膠結成圖3(c)所示泥巖圓餅狀樣。

2.3 微生物膠結泥巖微觀分析

形成有效的碳酸鈣沉淀晶體大致可分為兩種：①顆粒接觸膠結(由顆粒-顆粒接觸處沉淀的碳酸鈣晶體引起)；②碳酸鈣-碳酸鈣膠結(由相鄰顆粒之間的碳酸鈣晶簇引起)[16-19]。

圖6(a)和圖6(b)SEM圖像表明，未經(jīng)處理的試樣放大100倍可以觀察到泥巖表面顯示出較差的光滑度，孔隙和裂縫在試樣中普遍存在，且具有圓形、矩形和不規(guī)則尺寸的可見微孔。泥巖整體呈現(xiàn)不規(guī)則結構，孔隙主要存在于結構完整性差的顆粒中。當試樣放大到2 000倍時發(fā)現(xiàn)泥巖中存在許多小碎屑和較大的礦物顆粒，顆粒尺寸范圍從幾微米到幾百微米，其中礦物顆粒有塊、片狀，圓度均勻，主要接觸在泥巖表面，呈絮凝狀結構。礦物與礦物顆粒之間是線對線或點對線連接，有明顯的間隙。試樣在膠結過程中，孔隙減小，強度的提高與微觀結構的內(nèi)部變化緊密相關。圖6(c)和圖6(d)表示在不同放大倍數(shù)條件下膠結試樣顆粒表面微觀形貌，可以看出通過MICP方法處理后生成了菱形、薄片狀的方解石晶體(菱形是方解石的典型特征)。由于營養(yǎng)鹽溶液填充在整個試樣孔隙中或吸附在試樣顆粒表面，晶體可以自由沉淀而不受尺寸和位置的限制，試樣被碳酸鈣晶體包裹著，大量的碳酸鈣晶體沉積在顆粒接觸處形成積聚晶體，產(chǎn)生膠凝力。

圖6 不同放大倍數(shù)試樣SEM圖譜Fig.6 SEM spectra of different magnification samples

為了探究膠結后試樣所含元素分布，對膠結試樣進行EDS測試，如圖7所示?？芍?，將放大1 000倍的試樣隨機選擇一個點進行EDS測試，發(fā)現(xiàn)該點所含元素主要為Ca、C、O，其中C和O含量較高，可以推測出從試樣中獲得的沉淀物清楚地顯示為鈣質碳酸鹽形式的礦物物質。隨后將整個面作為一個基準面進行EDS測試，從圖7(c)和圖7(d)可知，圖7(d)中含有的元素主要有Ca、C、O、K、Mg、Al、Si，其中通過電子圖像發(fā)現(xiàn)Ca、O、C含量最高，說明SEM-EDS也證實了微生物誘導的礦物晶體主要為CaCO3，和上文XRD分析結果一致。

圖7 試樣EDS圖譜Fig.7 Sample EDS map

2.4 直接剪切試驗結果分析

為了更好地體現(xiàn)膠結泥巖的力學性能，對試樣進行直接剪切試驗。一組4個試樣，分別在不同垂直壓力下，施加水平剪切力進行剪切，測得剪切破壞時的剪應力，然后根據(jù)庫侖定律確定試樣的抗剪強度指標(黏聚力、內(nèi)摩擦角)。圖8為膠結前后泥巖試樣剪應力-剪切位移關系曲線。從圖8中可知，經(jīng)過MICP方法處理的試樣剪應力顯著提高，隨著垂直壓力的增大，標準泥巖和膠結試樣在各級垂直壓力下試樣達到剪應力峰值后均趨于穩(wěn)定，可見標準泥巖和膠結泥巖均屬于應變硬化特征。當垂直壓力為400 kPa時，標準樣剪應力最大值為127 kPa，而膠結樣剪應力最大值為149 kPa，增長了22 kPa。其次通過剪切強度與垂直壓力的關系曲線計算得出標準試樣黏聚力為4.0 kPa，內(nèi)摩擦角為17.33°，而膠結試樣黏聚力為15.50 kPa，內(nèi)摩擦角為18.83°，黏聚力和內(nèi)摩擦角分別增長了288%、8.66%。膠結泥巖試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加是其力學性能改善的直觀表現(xiàn)。膠結試樣抗剪強度的增加，是由于微生物誘導產(chǎn)生的方解石晶體填充到試樣孔隙中形成“膠結橋”，增強膠凝力。大量積聚晶體沉積在顆粒接觸處包裹著顆粒，從而改變了顆粒的粒徑大小，對黏聚力和內(nèi)摩擦角都有一定的影響。這與前文分析SEM-EDS圖有較顯著的體現(xiàn)。

圖8 膠結前后泥巖試樣剪應力-剪切位移關系曲線Fig.8 Curve of shear stress-shear displacement of mudstone specimens before and after cementation

3 結論

(1)巴氏生孢八疊球菌(編號CGMCC1.3687)在泥巖樣中沉淀的晶體為方解石型碳酸鈣晶體。碳酸鈣晶體沉積在顆?？紫吨g形成“膠結橋”，產(chǎn)生膠結效果而增強試樣的力學性能。

(2)經(jīng)過物相分析及SEM-EDS試驗結果證實了該礦物晶體為碳酸鈣。微生物誘導形成的方解石晶體呈菱形、薄片狀。由于營養(yǎng)鹽溶液填充在整個試樣孔隙中或吸附在試樣顆粒表面，晶體可以自由沉淀而不受尺寸和位置的限制，試樣被碳酸鈣晶體包裹著，大量的碳酸鈣晶體沉積在顆粒接觸處形成積聚晶體。

(3)不同垂直壓力條件下標準試樣及膠結試樣均表現(xiàn)為應變硬化的特征。其中黏聚力與內(nèi)摩擦角分別提高288%、8.66%，具有較為顯著的膠結效果。其試驗結果證明了微生物處理泥巖具有較好的應用價值。