膠結(jié)液參數(shù)對微生物加固粉土的影響

趙志峰 彭邦陽 邵光輝

(1南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210037)(2江蘇省建筑設(shè)計研究院, 南京 210019)

利用特定微生物分解尿素的能力在土中誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉積(MICP)來對土體進行膠結(jié)加固,已經(jīng)成為近十幾年巖土領(lǐng)域乃至土木工程的研究熱點.國內(nèi)外很多學(xué)者對該技術(shù)的反應(yīng)菌種、適用土類、加固方法、加固效果等開展了大量試驗研究[1-3],目前在地基處理、裂縫修復(fù)等方面取得了良好的效果.

隨著研究的深入,當前對微生物加固技術(shù)的研究已經(jīng)從初期的探尋處理方法和加固效果,逐漸向探索加固機理、拓展應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生轉(zhuǎn)變.在探索加固機理方面,確定處理方法中各因素對加固效果的影響非常重要.在拓展應(yīng)用領(lǐng)域方面,除了處理粒徑較大的砂性土之外,部分學(xué)者嘗試處理顆粒更細小的粉土和黏性土[4-5].

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的反應(yīng)中要使用產(chǎn)脲酶菌和膠結(jié)液,菌液和膠結(jié)液對加固效果有著直接的影響.目前的方法中,菌種多選用巴氏芽孢桿菌,菌液濃度OD600值大多控制在1.0～2.5之間.膠結(jié)液一般包括尿素(CO(NH2)2)和氯化鈣(CaCl2),但在濃度、輪數(shù)、配比等參數(shù)的選擇上不盡相同.根據(jù)已有研究,膠結(jié)液的濃度對加固效果存在明顯影響[6].文獻[7]認為低濃度有助于獲得較高的加固強度,生成的碳酸鈣晶體尺寸也較大;文獻[8]則認為膠結(jié)液濃度過低會導(dǎo)致生成的碳酸鈣不足并影響加固效果.由此可見,目前對膠結(jié)液參數(shù)的研究還不夠深入.此外,上述結(jié)論多是針對加固砂土,關(guān)于膠結(jié)液參數(shù)對加固細粒土影響方面的研究更加不足.

針對以上研究現(xiàn)狀,本文以海相吹填粉土為研究對象,在前期尋找出有效加固方法的基礎(chǔ)上,通過試驗研究膠結(jié)液參數(shù)對加固粉土效果的影響,為拓展微生物處理土體的范圍、揭示加固機理提供參考.

1 試驗材料與加固方法

1.1 海相粉土

本次試驗用土取自江蘇省鹽城市東臺條子泥吹填工程.根據(jù)級配試驗,粒徑5～75 μm的粉粒占總質(zhì)量的73.3%,黏粒質(zhì)量分數(shù)低于3%.不均勻系數(shù)Cu=3.29,級配不良(見圖1).

通過土工試驗測得重塑土的基本物理指標:相對密度為2.7,含水率(質(zhì)量分數(shù))為27.1%,干密度為1.46 g/cm3,塑限為13.2%,液限為21.2%,滲透系數(shù)為6.6×10-5cm/s.

圖1 粉土的級配曲線

1.2 菌液

選用的巴氏芽孢桿菌(Sporosarcina pasteurii)購買于德國菌種保藏中心(DSMZ).培養(yǎng)液采用DSMZ推薦的培養(yǎng)液.試驗所用菌液為初代菌種擴大培養(yǎng)后所得,將菌種接種至營養(yǎng)液中;然后將盛有菌液的錐形瓶放入振蕩培養(yǎng)箱中(溫度30 ℃、頻率130 r/min)培養(yǎng).根據(jù)試驗結(jié)果,菌液在20～28 h的時間范圍內(nèi)較為穩(wěn)定,脲酶活性處于較高水平[9],故選用24～28 h階段內(nèi)的菌液.將OD600調(diào)整至1.6左右,酶活性控制在7.2 mmol/min左右.

1.3 膠結(jié)液

膠結(jié)液為氯化鈣和尿素的混合溶液,膠結(jié)液的參數(shù)主要包括:濃度、輪數(shù)、配比、體積.

根據(jù)前期試驗結(jié)果,膠結(jié)液濃度低于0.50 mol/L時試樣難以整體加固,而膠結(jié)液濃度過高又會影響細菌活性.本次試驗嘗試了不同膠結(jié)液濃度:0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mol/L.

現(xiàn)有的試驗大多采用膠結(jié)液多遍處理來進行加固,取得了良好的效果.本次試驗采用了3種輪數(shù):4、6、8輪.

膠結(jié)液中尿素和氯化鈣的摩爾濃度比通常為1∶1,這也是生成碳酸鈣所需的配比.有學(xué)者認為提高膠結(jié)液中尿素的配比會使溶液呈堿性,有利于微生物分解脲酶,因此建議尿素的比例高于氯化鈣[10].本次試驗中嘗試了等比例和變比例的方案.

為了在試樣中均勻生成碳酸鈣,每輪膠結(jié)液的體積應(yīng)不小于1.0Vv(Vv為孔隙體積).為分析膠結(jié)液體積的影響,本次試驗除1.0Vv外嘗試了更小的體積.

1.4 加固方法

目前常用的微生物加固土體方法有3種:注漿法、表面入滲法、攪拌法.其中,注漿法使用較多.無論采用何種方法,在土中生成碳酸鈣的均勻性是決定加固效果的主要因素[11].采用注漿法處理粉土?xí)r,注漿口容易發(fā)生堵塞，并且需要使用蠕動泵,設(shè)備和管路連接相對比較復(fù)雜.表面入滲法是利用液體的重力使菌液和膠結(jié)液滲入試樣,方法簡單;但粉土粒徑小,菌液中的細菌很難入滲至土體內(nèi)部.

基于上述考慮,本文采用攪拌法結(jié)合表面入滲法來處理粉土.具體過程為:先將1.0Vv菌液和干土一起拌和制樣,以使細菌在土中均勻分布;靜置12 h后,從試樣頂部入滲多輪膠結(jié)液,入滲間隔時間取12 h[12].

試驗?zāi)＞邽橹睆?0 mm、高150 mm的PVC管,管內(nèi)土樣高度控制在約100 mm.PVC模具下部裝有底座,底座上開有小孔并鋪設(shè)4層紗布,可通過密封小孔來控制液體的排出.將烘干后的粉土用四分法取樣備用.將粉土分層填入模具壓實,干密度控制在1.46 g/cm3.本次試驗共制樣66個.

1.5 加固效果測定

本次試驗處理的粉土水穩(wěn)定性差,易液化、遇水溶解,因此用水穩(wěn)定性來評價試樣的整體加固效果.

通過無側(cè)限抗壓強度試驗評價處理后試樣的強度.處理結(jié)束后,用過量去離子水入滲清洗試樣,以去除試樣中未反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì);然后將試樣取出后兩端切削平整并滿足長徑比2∶1的要求.烘干后進行無側(cè)限抗壓強度測試.

無側(cè)限抗壓強度試驗后,將剪破的試樣盡量均分成上中下3部分.由于海相粉土中含有可溶性鹽,在測定CaCO3前需要對試樣進行洗鹽操作.洗鹽完畢后,采用鹽酸浸泡法確定反應(yīng)生成的CaCO3質(zhì)量,然后除以干土質(zhì)量,得到生成的CaCO3質(zhì)量分數(shù)[12].

2 膠結(jié)液濃度和輪數(shù)的影響

2.1 水穩(wěn)定性

當膠結(jié)液濃度不低于0.50 mol/L時,試樣整體得到膠結(jié)(0.25 mol/L時,試樣大部分泡散).圖2為不同濃度膠結(jié)液處理4輪和6輪后,試樣在水中浸泡超過7 d后的照片(因篇幅未列出1.50 mol/L濃度結(jié)果).除部分試樣上部由于拆樣時造成的部分脫落外,試樣均保持了良好的水穩(wěn)定性.

2.2 碳酸鈣分布與無側(cè)限抗壓強度

不同濃度膠結(jié)液入滲不同輪數(shù)后,試樣中不同部位的CaCO3含量和無側(cè)限抗壓強度見圖3.入滲4輪時,試樣中CaCO3含量隨著膠結(jié)液濃度增加而提高,CaCO3分布也逐漸變得均勻.但當濃度升高至1.50 mol/L時,CaCO3分布的均勻性明顯下降.當膠結(jié)液濃度處于0.50～1.25 mol/L,加固后的無側(cè)限抗壓強度隨濃度顯著增加;1.25 mol/L時強度最高,超過2.8 MPa.當膠結(jié)液濃度為1.50 mol/L時強度明顯下降,這表明CaCO3分布的均勻性對強度有著重要影響.

(a) 膠結(jié)液入滲4輪

(b) 膠結(jié)液入滲6輪

(a) 膠結(jié)液入滲4輪

(c) 膠結(jié)液入滲8輪

入滲6輪時(見圖3(b)),試樣中CaCO3含量有所增加,不同膠結(jié)液濃度下CaCO3分布的特點與入滲4輪時接近.試樣的無側(cè)限抗壓強度仍然在1.25 mol/L時最高;1.50 mol/L時強度明顯下降,僅為1.25 mol/L時的一半左右.入滲輪數(shù)增至8輪后(見圖3(c)),試樣中CaCO3的含量繼續(xù)增加,各濃度下的無側(cè)限抗壓強度相比6輪時有較明顯提高.最高強度仍出現(xiàn)在1.25 mol/L時,超過4.0 MPa.

圖3表明,隨著膠結(jié)液入滲輪數(shù)的增加,試樣中沉積的CaCO3逐漸增多,加固后的強度不僅取決于CaCO3數(shù)量,還與分布的均勻性密切相關(guān).采用低濃度膠結(jié)液(0.50 mol/L)處理的強度較低;但濃度過高(1.50 mol/L)時加固效果也不理想.膠結(jié)液濃度在0.75～1.25 mol/L時加固強度較高.

為進一步了解輪數(shù)對加固效果的影響,對0.75和1.25 mol/L兩種濃度進行了入滲5輪、7輪膠結(jié)液的試驗.圖4為2種膠結(jié)液濃度處理4～8輪的CaCO3分布和無側(cè)限抗壓強度.由圖可見,濃度為0.75 mol/L時,隨著膠結(jié)液入滲輪數(shù)的增加,強度線性上升.濃度為1.25 mol/L時,膠結(jié)液入滲4輪的強度已達到2.846 MPa,明顯高于0.75 mol/L時的強度;隨著輪數(shù)的增加,強度繼續(xù)提高,但增幅低于0.75 mol/L時.

膠結(jié)液的濃度和輪數(shù)會影響CaCO3的分布.如圖4所示,濃度為0.75 mol/L時,試樣下部的CaCO3相對較少;而濃度為1.25 mol/L時,試樣上部的CaCO3相對較少，中下部較多.膠結(jié)液入滲輪數(shù)對CaCO3分布有一定影響,但規(guī)律不明顯,今后可對該方面進行深入研究.

2.3 膠結(jié)液用量與加固效果的關(guān)系

上述試驗結(jié)果表明,膠結(jié)液的濃度和輪數(shù)對加固效果有重要影響.濃度和輪數(shù)會影響膠結(jié)液中化學(xué)物質(zhì)的總量,為了將不同試驗組的結(jié)果進行比較,參考已有學(xué)者的研究[13],引入無量綱系數(shù)Rc:

(1)

式中,C為膠結(jié)液濃度,mol/L;n為膠結(jié)液處理輪數(shù);k=1.0 mol/L.

Rc可定量描述不同試驗中的膠結(jié)液用量,膠結(jié)液的用量與加固效果間存在直接關(guān)系.圖5為Rc與不同試樣中CaCO3質(zhì)量分數(shù)和無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系.如圖所示,CaCO3含量隨著Rc線性增加,相關(guān)系數(shù)達到0.919 7,表明參與反應(yīng)的膠結(jié)液越多,生成的CaCO3越多.但無側(cè)限抗壓強度的數(shù)據(jù)點比較離散,相關(guān)系數(shù)僅為0.539 6.這其中的部分原因是,膠溶液濃度為1.50 mol/L時強度較低,影響了擬合結(jié)果.

(a) 膠結(jié)液濃度0.75 mol/L

(b) 膠結(jié)液濃度1.25 mol/L

(a) Rc與平均CaCO3含量的關(guān)系

(b) Rc與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

將膠結(jié)液濃度1.50 mol/L時的數(shù)據(jù)剔除,整理濃度為0.50～1.25 mol/L時的結(jié)果.如圖6所示,CaCO3含量與Rc的相關(guān)系數(shù)從0.919 7增至0.959 3;而無側(cè)限抗壓強度與Rc的相關(guān)系數(shù)有顯著提升,從0.539 6增至0.86.這表明,當膠結(jié)液濃度處于一定范圍時,膠結(jié)液用量與CaCO3生成量和加固強度有較好的對應(yīng)關(guān)系.但膠結(jié)液濃度過高,會影響加固效果和材料的使用效率.

(a) Rc與平均CaCO3含量的關(guān)系

(b) Rc與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

3 膠結(jié)液配比的影響

有研究認為增加膠結(jié)液中尿素的比例會取得更好的加固效果,但也有研究表明膠結(jié)液采用等比例配比更合理[14].為了研究膠結(jié)液配比的影響,進行了3組對比試驗:① 尿素與氯化鈣濃度之比為0.50 mol/L∶0.50 mol/L和0.75 mol/L∶0.50 mol/L;② 尿素與氯化鈣濃度之比為0.75 mol/L∶0.75 mol/L和1.00 mol/L∶0.75 mol/L;③ 尿素與氯化鈣濃度之比為1.00 mol/L∶1.00 mol/L和1.25 mol/L∶1.00 mol/L.

試驗中膠結(jié)液的入滲輪數(shù)為6、7、8,每輪膠結(jié)液的體積均為1.0Vv.本文重點考查3組不同配比對CaCO3生成量和無側(cè)限抗壓強度的影響.

圖7為不同配比下膠結(jié)液入滲6輪和8輪時的CaCO3分布.改變膠結(jié)液配比或增加尿素比例對試樣中CaCO3分布有一定影響,但影響不大.增加尿素比例后試樣中CaCO3分布更均勻.

(a) 膠結(jié)液入滲6輪

(b) 膠結(jié)液入滲8輪

改變膠結(jié)液配比后,無側(cè)限抗壓強度略有增加,如圖8所示.當膠結(jié)液中鈣離子濃度增至1.00 mol/L時,改變配比后的無側(cè)限抗壓強度略低于等比例配比.因此,不能簡單認為改變配比可改善加固效果.當濃度較高時,改變配比不能提高加固強度,這也與國外類似研究的結(jié)論一致[14].

圖8 不同膠結(jié)液配比下的無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)圖7和圖8的結(jié)果,增加膠結(jié)液中的尿素比例對該粉土碳酸鈣和強度的影響不大.相比膠結(jié)液配比,膠結(jié)液濃度和入滲輪數(shù)對加固效果的影響更顯著.

4 膠結(jié)液體積的影響

采用多輪入滲膠結(jié)液處理粉土?xí)r,每輪膠結(jié)液的體積都為1.0Vv,結(jié)果表明可使試樣整體得到有效膠結(jié).若減少每輪膠結(jié)液用量,是否能取得相同的效果還不能確定.選擇濃度1.00 mol/L的膠結(jié)液,入滲6輪,每輪體積分別取0.25Vv、0.5Vv、1.0Vv.

當入滲體積減少后,試樣的水穩(wěn)定性明顯下降(見圖9).膠結(jié)液體積為0.25Vv時,試樣僅上部約2.5 cm保持完整;膠結(jié)液體積為0.5Vv時,試樣上部基本完整,下部有部分脫落,但強度很低,無法進行無側(cè)限抗壓試驗.

(a) 膠結(jié)液體積為0.25Vv

將各試樣拆樣后切分成3部分進行CaCO3含量測定.從圖10可看出,膠結(jié)液體積的減少對生成CaCO3的數(shù)量和分布存在明顯影響.膠結(jié)液體積為0.25Vv時,試樣中部和下部的CaCO3很少;膠結(jié)液體積為0.5Vv時,試樣下部的CaCO3明顯低于上部和中部.這也解釋了試樣水穩(wěn)定性差和強度低的原因.當膠結(jié)液體積低于1.0Vv時,試樣難以得到整體加固.在使用膠結(jié)液進行多輪加固時,每輪膠結(jié)液的體積應(yīng)不低于1.0Vv.

圖10 不同膠結(jié)液體積下的CaCO3分布

5 討論

從以上結(jié)果可看出,采用菌液與粉土拌合制樣然后入滲多輪膠結(jié)液的方法加固效果較好.膠結(jié)液用量對生成碳酸鈣的數(shù)量和加固強度有重要影響.當每輪膠結(jié)液入滲體積為1.0Vv時,膠結(jié)液的濃度和輪數(shù)的組合會影響加固效果.以圖11為例,3個試樣的膠結(jié)液濃度和輪數(shù)分別為:0.75 mol/L、8輪,1.00 mol/L、6輪和1.50 mol/L、4輪.3個試樣使用的膠結(jié)液總量相同,但CaCO3的分布和無側(cè)限抗壓強度相差較大.膠結(jié)液濃度為1.00 mol/L時強度最高,1.50 mol/L時強度最低.

圖11 膠結(jié)液參數(shù)對CaCO3生成量和強度的影響

采用掃描電鏡(SEM)對以上試樣強度測試后的碎塊進行了觀察.如圖12所示,土中都生成大量CaCO3晶體,將相鄰顆粒膠結(jié)在一起,因此處理后的強度有顯著提高.不同膠結(jié)液濃度下產(chǎn)生的晶體形態(tài)和尺寸有所不同.膠結(jié)液濃度為1.00 mol/L時晶體呈現(xiàn)出明顯的六面體,且尺寸較大;0.75 mol/L時六面型晶體也較明顯;1.50 mol/L時晶體形態(tài)不十分規(guī)則,尺寸也較小.

(a) 膠結(jié)液濃度0.75 mol/L

(c) 膠結(jié)液濃度1.50 mol/L

盡管微觀觀察具有一定的隨機性,但綜合其他學(xué)者的研究成果,規(guī)則CaCO3晶體尺寸越大,試樣的強度越高[14-15].本次試驗發(fā)現(xiàn),膠結(jié)液的濃度會影響CaCO3在土中分布的均勻性以及微觀尺寸.目前對影響的機理尚不清楚,今后可通過微觀試驗進行分析.

本次采用的加固方法和膠結(jié)液參數(shù)的影響規(guī)律均是針對該海相粉土,而土的種類與性質(zhì)對加固方法、試驗參數(shù)有重要影響.本文結(jié)論是否適用于其他種類土的處理需要進一步研究.

6 結(jié)論

1) 采用菌液與粉土拌合制樣然后從入滲多輪膠結(jié)液的方法可以對試樣進行有效加固.采用膠結(jié)液濃度不低于0.50 mol/L處理的試樣具有良好的水穩(wěn)定性.

2) 膠結(jié)液濃度和輪數(shù)對CaCO3的分布和無側(cè)限抗壓強度產(chǎn)生影響.CaCO3數(shù)量隨膠結(jié)液相對用量增加呈線性增加的趨勢;但濃度過高(1.50 mol/L)時CaCO3均勻性和強度明顯下降.

3) 增加膠結(jié)液中尿素的比例對加固本次試驗海相粉土的影響不大,等比例配比的膠結(jié)液更加實用.

4) 減少每輪膠結(jié)液體積對加固的整體性會造成明顯不利影響,因此每輪入滲體積不應(yīng)小于1.0Vv.

5) 膠結(jié)液對加固效果的影響不僅局限于膠結(jié)液的總用量.膠結(jié)液濃度對CaCO3的分布和生成CaCO3晶體大小等形態(tài)產(chǎn)生影響.