MICP技術改性膨脹土試驗研究

余 夢，張家銘，周 楊，孫狂飆

(1.中國地質大學(武漢) 地質探測與評估教育部重點實驗室，武漢 430074； 2.中國地質大學(武漢) 工程學院，武漢 430074； 3.安徽省交通控股集團有限公司，合肥 230088)

1 研究背景

膨脹土是一種主要由蒙脫石和伊利石等親水性礦物組成的黏性土，在世界范圍內(nèi)分布廣泛，其具有的強脹縮性、易崩解性、多裂隙性往往會對工程建設產(chǎn)生較大危害。在預防和處治膨脹土病害方面，目前主要通過物理法或化學改良法對土體進行處理。物理法包括機械施工和混合填料等方式，耗費大量人力物力，施工成本較高；化學改良法是最常見的土體改良方法，通常以外摻石灰、水泥或其他材料與土體進行化學膠結，但也存在外加劑拌和質量不易控制、污染土壤生態(tài)環(huán)境等問題。傳統(tǒng)的膨脹土改良技術在實際工程中應用廣泛，但很難有一種方法同時滿足時效、經(jīng)濟、環(huán)保等要求，因此，尋找新型膨脹土改良技術是工程界的現(xiàn)實需求。

表1 土體基本物理力學性質

微生物誘導碳酸鈣沉淀(Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation，簡稱MICP)技術通過反應生成具有優(yōu)異膠結性能的碳酸鈣來填充土體孔隙、膠結土顆粒，以達到改善土體性能的效果，因其能耗少、污染小、反應可控等優(yōu)點而廣泛用于材料、環(huán)境、巖土工程等領域。早期MICP技術主要用于粗粒土加固試驗研究，Whiffin等[1]首先提出采用微生物沉淀碳酸鈣技術膠結松散砂顆粒，以提高砂土的強度和剛度等宏觀力學性質。Harkes等[2]提出分步注射細菌液和高鹽含量固定液的方法以增加細菌的吸附數(shù)量，從而提高碳酸鈣的沉積效率，對工程應用有著極為重要的意義。Van Paassen等[3]進行現(xiàn)場原位砂基加固試驗研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)灌漿加固后砂基內(nèi)碳酸鈣的生成量達到110 kg/m3，且砂樣單軸抗壓強度、平均剪切波速均有提高，證明微生物灌漿有效改善了砂基的力學性能。近年來微生物加固細粒土研究也有所進展，Soon等[4]利用MICP技術進行殘積粉土和砂土的固化試驗，對比研究認為粉土比砂土具有更多顆粒間點與點的接觸，更有利于固化土體強度的提高。邵光輝等[5]分析了一維注漿固化粉土試驗中注漿菌液配比、膠結液濃度對細菌和反應產(chǎn)物沿程分布特性的影響，認為細菌分布均勻性是土體固化均勻性的關鍵。彭劼等[6]通過對有機質黏土進行MICP壓力灌漿試驗，分析灌漿前后試樣有機質含量、無側限抗壓強度、滲透系數(shù)的變化，證實MICP技術加固有機質黏土是有效的。沈泰宇等[7]利用MICP技術對重慶砂質黏性紫色土進行試驗研究，分析了土體灌漿過程中干密度、無側限抗壓強度、割線彈性模量、滲透性的變化規(guī)律，認為該技術能有效改善紫色土的力學性能和滲透性。

上述研究已經(jīng)證實微生物誘導碳酸鈣沉淀能有效提高土體強度和降低導水率。但目前針對MICP技術用于膨脹土改性方面的研究應用還較少，其可行性、改性效果及機理等仍欠深入研究。

本文通過外加巴氏芽孢八疊球菌并選取不同濃度的膠結液對膨脹土進行微生物灌漿試驗，驗證MICP技術用于膨脹土改性的可行性，研究膠結液濃度對灌漿后試樣的鈣離子固定率、力學性能、微觀結構、膨脹性以及滲透性等方面的影響，揭示MICP技術改性膨脹土的作用機理。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用土取自安徽省沿江高速公路某路段邊坡，土樣基本物理力學性質見表1，顆粒級配曲線如圖1所示。試驗結果表明該土具有中等膨脹性，屬于中高液限黏土。

圖1 試驗土樣顆粒級配曲線

2.2 微生物培育繁殖

試驗選用的脲酶菌種為巴氏芽孢八疊球菌(Sporosarcina pasteurii)，購于美國菌種保藏中心，編號為ATCC11859，該細菌無毒無害，可在生長代謝過程中產(chǎn)生大量的脲酶，催化促進尿素的水解。購置的菌種為凍干粉狀，保存在真空干燥的安甑瓶內(nèi)，使用時需要進行打管活化培養(yǎng)。試驗培養(yǎng)液成分如表2所示，調(diào)節(jié)pH值至7.3。通過對巴氏芽孢八疊球菌的活化與培養(yǎng)，得到大量高活性的細菌菌液，用于后續(xù)灌漿反應中。

表2 細菌培養(yǎng)液成分

2.3 土樣的制備

用于微生物灌漿的試樣為重塑樣，選用直徑為63 mm、高140 mm的透明PVC管進行制備。試樣分為7組，制備流程：①將膨脹土風干碾碎后過2 mm的篩網(wǎng)以去除粗顆粒；②PVC管底部用帶導管的橡膠塞封堵，并墊上一層土工布；③稱取一定量篩分后的土樣倒入PVC管中，使土樣高度距離管口20 mm左右，再次墊上土工布，頂部也用帶導管的橡膠塞封緊。

2.4 膠結液的配制

試驗采用的灌漿膠結液為氯化鈣(CaCl2)-尿素(urea)的混合溶液，試樣編號及對應膠結液濃度如表3所示。其中尿素為微生物的生長提供氮源和能量來源，氯化鈣為反應提供鈣源。

表3 試樣編號及膠結液濃度

3 試驗內(nèi)容

3.1 試驗裝置及灌漿工藝

MICP技術改性膨脹土的壓力灌漿試驗裝置結構見圖2，實際灌漿情況見圖3。

圖2 試驗裝置結構示意圖

圖3 試驗灌漿實物

采用從上至下、從下至上交替灌漿的方式，利用透明硅膠管將PVC管兩端進出液口與蠕動泵等部分依次連接，然后取等濃度等體積100 mL菌液分別以5 mL/min的速率泵入試樣，菌液加注完成后將PVC管于30 ℃恒溫箱中靜置養(yǎng)護10 h，以保證菌液的充分固定，接著同方向灌入等體積100 mL不同濃度的膠結液，同樣進行恒溫養(yǎng)護10 h。第2次灌漿交換進出液口連接順序，菌液和膠結液反方向流經(jīng)土樣，目的是使生成的碳酸鈣在整段試樣中分布較均勻。

按上述步驟進行連續(xù)灌漿，直至灌漿過程中菌液和膠結液無法灌入即停止試驗，試驗共計灌漿12次。

3.2 鈣離子含量測定及微觀結構測試

試驗采用鹽酸滴定法測定灌漿處理后各試樣生成碳酸鈣的含量。取各組灌漿后的試樣進行烘干，壓碎并研磨成粉末，用去離子水反復沖洗若干次，烘干并稱重。然后加入過量鹽酸進行滴定反應至完全無氣泡產(chǎn)生。再次用去離子水沖洗，目的是洗去新生成的氯化鈣。最后再次進行烘干、稱重，2次稱重的差值即為生成的碳酸鈣質量。

采用Phenom Pro臺式掃描電子顯微鏡對灌漿處理后的試樣進行SEM電鏡掃描，分析各試樣的微觀結構特性。

3.3 主要土工試驗

主要土工試驗包括無側限抗壓強度試驗、膨脹力試驗、滲透性試驗，均按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[8]進行測定。

通過無側限抗壓強度試驗得出灌漿處理后各土樣的應力-應變曲線，并分析其力學性能的變化情況。膨脹力是反映黏性土膨脹特性的量化指標之一，對灌漿處理后的各試樣進行膨脹力測試。對灌漿處理后的各試樣進行變水頭滲透試驗，通過測量并計算得到各土樣的滲透系數(shù)。

4 試驗結果

4.1 鈣離子固定率

巴氏芽孢八疊球菌主要通過誘導碳酸鈣沉淀來加固土體，因此碳酸鈣生成量是評價微生物固化效果的重要指標之一。

圖4 灌漿后試樣鈣離子固定率

試驗以各試樣碳酸鈣的生成量與灌漿后各試樣質量的比值為鈣離子固定率，不同濃度膠結液灌漿處理后試樣鈣離子固定率如圖4所示。

圖4中試樣1未發(fā)現(xiàn)碳酸鈣的存在，試樣2—試樣7均生成碳酸鈣，且鈣離子固定率依次為2.44%、4.03%、6.48%、7.62%、8.52%、8.92%，由此可見隨著膠結液濃度增加，鈣離子固定率增大；當濃度增加到一定程度時，鈣離子固定率變化趨于平緩，說明微生物灌漿反應固定碳酸鈣的能力有限。

4.2 力學性能

圖5為灌漿后試樣進行無側限抗壓強度試驗得到的應力-應變曲線，其中未膠結的膨脹土試樣1無側限抗壓強度峰值為42.2 kPa，經(jīng)膠結反應后的膨脹土試樣2—試樣7的無側限抗壓強度峰值分別為100.3、152.1、162.2、181.5、196.4、202.3 kPa，相較未膠結的膨脹土樣分別提高了137.6%、260.4%、284.4%、330.0%、365.4%、379.4%。

圖5 灌漿后各試樣的應力-應變曲線

由圖5可知，當膠結液濃度較低時，試樣的無側限抗壓強度增幅相對較大，隨著膠結液濃度的增加，試樣無側限抗壓強度增幅逐漸變小。另一方面，隨著膠結液濃度的增加，試樣的峰值強度對應應變大致呈減小的趨勢，試樣的割線彈性模量增大，土體的剛度提高。

4.3 微觀形貌分析

圖6為灌漿處理前后各試樣的電鏡掃描(Scanning Electron Microscope，SEM)圖像。

圖6 灌漿前后試驗土樣的微觀結構

由圖6(a)可見，未經(jīng)處理的土樣呈單粒結構，黏土礦物顆粒表面呈卷曲狀，為蒙脫石、伊利石的典型特征。此外，黏土礦物顆粒間孔隙發(fā)育，未見碳酸鈣晶體的存在。觀察灌漿反應后的土樣發(fā)現(xiàn)有碳酸鈣生成(見圖6(b))，進一步驗證了MICP用于膨脹土的可行性。試驗過程中發(fā)現(xiàn)生成的碳酸鈣在土體中分布并不均勻，其中一部分碳酸鈣存在于土體孔隙內(nèi)，起到充填孔隙的作用，另一部分以碳酸鈣晶體的形式附著在黏土礦物顆粒表面，起到膠結土顆粒的作用。由圖6(c)和圖6(d)可以看出碳酸鈣晶體呈規(guī)則的球狀和棱柱狀，并具有片狀的斜六方晶格結構(圖6(e))。同時，在圖6(f)新生成的方解石晶體中可以看到明顯的孔洞，這些孔洞可能是由于微生物占位殘留而形成的。

4.4 膨脹性

圖7為灌漿后各試樣的膨脹力時程變化曲線。

圖7 各試樣的膨脹力隨時間變化曲線

由圖7可知，隨著時間增加，各試樣的膨脹力均呈先陡增后緩增最后逐漸穩(wěn)于定值的趨勢。其中試樣1膨脹力最大，隨著膠結液濃度的增加，試樣的膨脹力逐漸減小，膨脹力最高可減少25.3 kPa。當膠結液濃度達到0.8 mol/L(試樣5)后膨脹力變化甚小，說明膠結液達到一定濃度時，膠結反應對改善土體膨脹性的效果不明顯。此外，丁振洲等[9]曾將膨脹土膨脹過程分為2部分：晶格擴張與顆粒(集聚體)間擴大。只有當晶格擴張完成后，才進行顆粒間擴大，且前者往往在膨脹力中占比較大。因此，可以認為膨脹力曲線陡增部分為晶格擴張膨脹力，緩增部分為顆粒間擴張膨脹力。將試驗在0～400 min內(nèi)土體膨脹力變化作為其晶格膨脹力，400 min后至土體膨脹力基本穩(wěn)定這一階段土體膨脹力變化作為其顆粒間膨脹力。

圖8 膨脹力隨膠結液濃度變化曲線

圖8上方和下方2條虛線分別代表晶格膨脹力pj與顆粒間膨脹力pk隨膠結液濃度變化關系，實線代表試驗測得的自然膨脹力ps，其大小為晶格膨脹力pj與顆粒間膨脹力pk之和。由圖8可知膠結液濃度一定時，試樣的膨脹力以晶格膨脹力為主，隨著濃度的增加，晶格膨脹力的主導地位明顯減弱，但始終存在晶格膨脹力大于顆粒間膨脹力的現(xiàn)象。

4.5 滲透性

對灌漿膠結后的試樣進行變水頭滲透試驗，利用達西公式計算得到各試樣滲透系數(shù)，結果如表4所示。

表4 不同膠結液濃度下試樣滲透系數(shù)及變化

由表4可知較高濃度膠結液灌漿的試樣相比低濃度灌漿試樣滲透系數(shù)變化更小，試樣1—試樣7最終滲透系數(shù)依次為10.32×10-7、4.21×10-7、2.78×10-7、0.95×10-7、0.12×10-7、0.03×10-7、0.01×10-7m/s，試樣滲透系數(shù)最大降低了3個數(shù)量級。該膨脹土室內(nèi)土工試驗得到的滲透系數(shù)為1.96×10-7m/s，當膠結液濃度達到0.6 mol/L，試樣滲透系數(shù)開始小于膨脹土室內(nèi)土工試驗測得的滲透系數(shù)，說明微生物膠結試驗降低了膨脹土的滲透性。

5 機理分析

試驗表明，微生物灌漿后膨脹土的力學性能和水理特性等方面有明顯改善，其改性機理分析如下。

5.1 反應原理

試驗利用產(chǎn)脲酶菌分泌脲酶使尿素發(fā)生水解，在堿性環(huán)境里產(chǎn)生NH4+和CO32-，微生物表面帶負電荷，吸引環(huán)境中的Ca2+，反應生成具有膠結性能的碳酸鈣晶體。較高的脲酶活性有利于尿素的迅速水解，進而有利于膠結產(chǎn)物的迅速生成。脲酶分解尿素的基本反應方程式為：

(1)

式中Cell為細胞，在整個反應過程中，產(chǎn)脲酶菌一方面產(chǎn)生脲酶促進尿素水解，另一方面為碳酸鈣晶體提供成核位點。反應產(chǎn)生的碳酸鈣晶體能夠填充土體內(nèi)部孔隙和膠結土顆粒，進而達到改善土體性能的效果。

5.2 影響因素機理分析

通過對膨脹土試樣進行微生物灌漿試驗，反應生成碳酸鈣使土體結構發(fā)生變化，進而對灌漿后試樣的強度、微觀結構、膨脹性及滲透性等方面產(chǎn)生影響。

改性膨脹土力學性能方面，一般認為MICP固化過程中碳酸鈣含量與土體強度呈正相關[10]，提高土體碳酸鈣含量認為是改善土體力學性能的有效方法。土體剛度方面，在壓力作用下土體原有的孔隙逐漸減小甚至閉合，結構變得密實，進而使土體的次生結構開始發(fā)揮作用[11]，由于碳酸鈣的剛度比土骨架的剛度更大，隨著碳酸鈣含量的增加，土體的剛度增大。

土體膨脹性方面，由于細菌固定鈣離子的能力有限，膠結液中存在的一部分Ca2+作為高價陽離子可置換膨脹土顆粒所吸附的低價陽離子K+、Na+等，減小土顆粒擴散層厚度，使土顆粒之間的黏結力增大(阻礙了顆粒間擴張)，以此來降低膨脹土的親水性、分散性和脹縮性。另一方面,生成的碳酸鈣使得土體蒙脫石、伊利石等強親水性礦物的相對含量降低，同時由于碳酸鈣對土顆粒的包裹作用，影響了土顆粒與水的接觸(阻礙了晶格擴張)，而碳酸鈣本身對水的作用不敏感，由此抑制了土體的膨脹性。

土體滲透性方面，已有研究認為膨脹土浸水過程可以分為3個階段：①土體浸水使水分子填充土顆粒之間的孔隙，體積減小;②水的進一步滲入引起土粒膨脹，體積增大;③當膨脹達到峰值點后試樣發(fā)生壓縮變形。Hill等[11]發(fā)現(xiàn)MICP固化過程中生成的方解石晶體，能有選擇性地聚集或膠結周圍環(huán)境的顆粒物，填塞具有滲透性的有孔介質，提高其防滲性能。一方面反應生成碳酸鈣的包裹作用可以減少土-水之間的接觸，從而使膨脹土浸水入滲過程的第①、②階段減緩；另一方面，碳酸鈣的充填可以降低土樣孔隙的尺寸，使得膨脹土的孔喉半徑減小，滲透性降低，且碳酸鈣的生成使膨脹土中的黏粒含量降低，土粒膨脹引起的土體滲透系數(shù)變化減小。隨著膠結液濃度的增大，試樣碳酸鈣的含量增加，前述效應越發(fā)明顯。在碳酸鈣含量較低的情況下，土體吸水膨脹充分，水分子進入引起土體內(nèi)部結構調(diào)整的影響相對較大，土體的滲透系數(shù)及其變化更大。而對碳酸鈣含量較高的試樣來說，其黏粒含量相對較低，水分子的進入引起土體結構變化較小，更多的是碳酸鈣的包裹和膠結作用引起滲流通道堵塞，土體滲流通道減少，試樣滲透系數(shù)及其變化相應更小。

土體微觀結構方面，菌液中存在大量細菌體及其新陳代謝產(chǎn)生的有機質，有機質表面的兩性基團以及細菌表面可作為晶體生長位點。巴氏芽孢八疊球菌在新陳代謝過程中產(chǎn)生的脲酶能將尿素分解，生成NH4+和CO32-，由于細菌表面帶負電荷，會吸引溶液中的Ca2+在其表面進行吸附，細菌作為反應的成核位點，在其周圍形成具有膠結作用的碳酸鈣結晶。碳酸鈣晶體形態(tài)的差異主要是由于方解石晶體在生長過程中的環(huán)境不同而形成的，已有研究表明碳酸鈣晶體的形貌受多方面因素調(diào)控，菌液濃度和膠結液濃度對碳酸鈣晶體的形貌起主要作用。本試驗控制菌液濃度適宜且相同，對碳酸鈣晶型變化無明顯影響，膠結液濃度對碳酸鈣晶型的影響為：當尿素濃度較高時，形成的主要是球霰石和無定型碳酸鈣；當尿素濃度較低時，生成的多為方解石。晶體表面產(chǎn)生的孔洞主要是由于反應過程中碳酸鈣圍繞菌體包裹生長的微生物占位殘留導致的。

由上述反應原理可知，隨著膠結液濃度的增大，反應分解的尿素越多，試樣生成和固定的碳酸鈣量越大，對膨脹土試樣的力學性能、膨脹性和滲透性改善效果越好。而后續(xù)膠結液濃度繼續(xù)增大，改善效果不明顯，可能是由于土體固定細菌數(shù)量有限，導致參與反應的脲酶數(shù)量有限；另一方面可能是由于較高濃度膠結液引起微生物礦化反應迅速發(fā)生，土顆粒間接觸處形成碳酸鈣薄層，導致后續(xù)生成的碳酸鈣無法進入顆粒間孔隙，影響其在土粒間的進一步固定，引起灌漿效果改善不明顯。

6 結 論

(1)MICP技術用于膨脹土改性是有效的，其反應明顯生成了碳酸鈣，灌漿試驗對膨脹土的力學性質、微觀結構及水理特性有顯著影響，且一定范圍內(nèi)膨脹土的改性效果與試驗膠結液濃度呈正相關關系。

(2)灌漿膠結后試樣力學性能有所提高，一定范圍內(nèi)隨著膠結液濃度的增大，試樣的無側限抗壓強度、剛度增加，無側限抗壓強度最高可達202.3 kPa，隨著膠結液濃度繼續(xù)增大，試樣單軸抗壓強度的增幅逐漸減小。

(3)灌漿使試樣的膨脹性有所改善，隨膠結液濃度的增加，膨脹土的膨脹力逐漸減弱，膨脹力最高可減少25.3 kPa，膠結液濃度較高時膨脹力增幅較小。

(4)土體滲透性隨膠結液濃度的增大而降低，試驗過程中土體的滲透系數(shù)最大減少3個數(shù)量級，且隨著膠結液濃度增加，土體由于土粒膨脹引起的滲透系數(shù)變化越小。