模擬海水環(huán)境下MICP固化濱海粉細(xì)砂的試驗(yàn)研究

劉 淵，張友良，胡晉寧，張亞軍

（海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 海口 570228）

濱海地區(qū)地表往往覆蓋有厚層狀粉細(xì)砂，不同濱海區(qū)域所形成的粉細(xì)砂地層在空間分布、物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征等方面往往存在著顯著差異.在修建路基、地基等相關(guān)海岸工程的基礎(chǔ)建設(shè)中，粉細(xì)砂得到廣泛的應(yīng)用.國內(nèi)學(xué)者對粉細(xì)砂及其力學(xué)特性展開了大量的研究：黃茂松等［1］對粉細(xì)砂進(jìn)行了真三軸試驗(yàn)，并系統(tǒng)地分析了粉細(xì)砂強(qiáng)度特性的影響因素.楊舉明［2］對粉細(xì)砂的液化進(jìn)行了研究并得到粉細(xì)砂抗液化強(qiáng)度隨干密度增大而增大；隨排水條件的不同而不同.王兆祥等［3］利用高壓低溫三軸儀對粉細(xì)砂進(jìn)行剪切試驗(yàn)，分析了粉細(xì)砂與水合物膠結(jié)對剪切行為的影響.沈素平等［4］考慮粉細(xì)砂的干密度和飽和度，通過正交試驗(yàn)研究了粉細(xì)砂的可壓縮性.綜上，粉細(xì)砂在原位狀態(tài)下密實(shí)度高、壓縮性好等特點(diǎn)，但當(dāng)受到荷載后，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變而發(fā)生較大變形，從而引起砂土層的坍塌和變形.

近些年來，中國加快對濱海地區(qū)的建設(shè)尤其加快對海南自貿(mào)港的基礎(chǔ)建設(shè)，然而在濱海地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)最棘手的問題即為不良粉細(xì)砂地層覆蓋范圍廣，有必要對粉細(xì)砂進(jìn)行加固以提高結(jié)構(gòu)的承載力及耐久性.傳統(tǒng)的加固措施有物理加固和化學(xué)加固，采用強(qiáng)夯法或者灌注水泥漿和化學(xué)膠結(jié)液對粉細(xì)砂進(jìn)行加固，此類方法往往存在加固深度有限、造價(jià)高、能耗大、污染嚴(yán)重等缺陷，這與我國提倡的綠色發(fā)展理念相違背.因此，尋找符合濱海地區(qū)綠色可持續(xù)發(fā)展的粉細(xì)砂加固方法越來越受到相關(guān)單位的重視.

CO(NH2)2+H2O→H2COOH+2NH3微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（microbial induced calcium carbonate precipitation，簡稱MICP）作為一種新興的環(huán)境友好型的土體加固技術(shù)受到了眾多學(xué)者的關(guān)注［5-6］.MICP固化原理是尿素為微生物提供氮源，微生物在生命活動中產(chǎn)生一種可以加速水解尿素的脲酶，脲酶催化尿素水解為碳酸根和銨根，當(dāng)環(huán)境中存在游離的鈣離子時，便會生成碳酸鈣結(jié)晶將砂顆粒膠結(jié)在一起［7］.MICP固化原理如下［8］：

DeJong等［9-11］對微生物固化土的三軸強(qiáng)度進(jìn)行了一系列的研究，發(fā)現(xiàn)砂柱的強(qiáng)度與微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣的含量有關(guān).劉漢龍等［12］通過三軸試驗(yàn)和SEM電鏡試驗(yàn)，研究了MICP膠結(jié)鈣質(zhì)砂的動力特性和微觀膠結(jié)機(jī)理.結(jié)果表明，MICP膠結(jié)作用改變了土壤的性質(zhì)，增加了土壤的粘聚力和內(nèi)摩擦角.彭劼［13］模擬海水環(huán)境中對珊瑚砂砂柱進(jìn)行微生物加固浸泡試驗(yàn)，表明隨著浸泡時間的增長，珊瑚砂具有更大的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.王鋮［14］通過二次注菌的方式膠結(jié)標(biāo)準(zhǔn)砂，開展了不同鈣源和培養(yǎng)液濃度對MICP膠結(jié)效果的影響，找出了其中的最優(yōu)鈣源和其對應(yīng)的最佳培養(yǎng)液濃度.李洋洋［15］通過固化過程中珊瑚砂試樣的滲透性變化和單軸壓縮試驗(yàn)，表明了微生物固化珊瑚砂實(shí)驗(yàn)中膠結(jié)液濃度對膠結(jié)效果有影響并確定了膠結(jié)液濃度的最佳配比.歐益希［16］設(shè)置了不同濃度的NaCl溶液，經(jīng)過測試膠結(jié)后的珊瑚砂砂柱無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，對MICP固化珊瑚砂的力學(xué)性能進(jìn)行分析，但是并沒有研究在鹽性環(huán)境膠結(jié)液中尿素濃度對固化效果的影響.

鑒于目前在濱海地區(qū)海水環(huán)境下用微生物固結(jié)法處理濱海粉細(xì)砂的研究較少，本文采用尿素水解巴氏芽孢桿菌（CGMCC 1.3687），依據(jù)現(xiàn)實(shí)海水的鹽度及pH值，模擬了海水環(huán)境下對濱海地區(qū)粉細(xì)砂進(jìn)行了MICP固化處理，研究了海水環(huán)境微生物固化濱海粉細(xì)砂的影響.進(jìn)行一系列無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)、碳酸鈣含量試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)分析，研究了淡水、海水環(huán)境及尿素濃度對MICP固化效果的影響，分析了微生物誘導(dǎo)碳酸鈣與粉細(xì)砂相互之間的作用機(jī)制，驗(yàn)證在海水環(huán)境下MICP技術(shù)固結(jié)濱海粉細(xì)砂的可行性.研究成果對濱海地區(qū)路基修筑，海岸開發(fā)、邊坡防護(hù)等工程設(shè)計(jì)及研究提供參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 濱海粉細(xì)砂試驗(yàn)粉細(xì)砂取自海南省?？谑泻０哆?，密度為2.72 g·cm-3，滲透系數(shù)為3.617×10-4k·m-1·s-1，混有貝殼等雜質(zhì).將粉細(xì)砂清洗干凈，放入105℃烘箱中烘至衡量并冷卻到常溫，進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得到濱海粉細(xì)砂試樣顆粒級配曲線如圖1所示，通過內(nèi)插法計(jì)算可以得到此粉細(xì)砂的不均勻系數(shù)Cu為1.73，曲率系數(shù)Cc為1.12，不能滿足Cu＞5和Cc=1-3的要求，屬于級配不良砂.

圖1 濱海粉細(xì)砂試樣顆粒級配曲線圖

1.1.2 細(xì)菌的活化和培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)使用的細(xì)菌為巴氏芽孢桿菌，它可以利用尿素為原料通過本身的代謝活動形成大批高活性脲酶，該酶可以快速水解尿素.實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)基成分為（每100 mL）：2 g葡萄糖，2 g細(xì)菌學(xué)蛋白胨，1 g氯化鈉，將上述培養(yǎng)基放入高壓蒸汽滅菌鍋升溫至125℃，冷卻至室溫拿出培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH至9.0，注入菌株，放入30℃，160 r·min-1恒溫?fù)u箱震蕩培育，27 h后取出并用分光計(jì)測OD600用來表征細(xì)菌的濃度，測得OD600值為0.689.用電導(dǎo)率儀來測試菌液脲酶活性，測得其脲酶活性約為1.32 mmol·L-1·min-1.

1.1.3 營養(yǎng)鹽溶液營養(yǎng)鹽溶液分為鹽度為3.5%的海水環(huán)境和無鹽的淡水環(huán)境，加入1 mol·L-1的CaCl2和不同濃度的尿素溶液組成，其中模擬海水環(huán)境的營養(yǎng)液含有35 g·L-1的NaCl.營養(yǎng)液主要為菌株提供營養(yǎng)物質(zhì)，鈣離子和CO32-，在脲酶催化作用下尿素快速水解，更快地生成碳酸鈣結(jié)晶.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 壓力注漿法加固粉細(xì)砂實(shí)驗(yàn)試樣共分為6組，按照A-F編號，其中對照組A號組為淡水環(huán)境，膠結(jié)液中尿素濃度和CaCl2濃度均為1 mol·L-1.B-F組為海水環(huán)境下加固粉細(xì)砂.具體分組參數(shù)如表1所示.

表1 試樣編號及其膠結(jié)液濃度

為了研究海水環(huán)境對MICP技術(shù)加固濱海粉細(xì)砂的影響，通過MICP壓力注漿法加固粉細(xì)砂砂柱.實(shí)驗(yàn)所用模具為三塊塑料軟管組成的厚度2 mm、高80 mm、內(nèi)徑35 mm的圓筒，圓筒上部為厚度4 mm，直徑42 mm的圓片，中央留有的注漿孔，與蠕動泵膠管連接，底部留有出液口，試驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D2，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖2 試件模具主視圖和俯視圖

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖

具體固化步驟：①將95.5 g干密度為2.72 g·cm-3的濱海粉細(xì)砂裝入磨具，并用分層壓實(shí)法壓實(shí)，在砂土上方鋪上一層濾紙，防止注漿時造成上部砂土不均勻.②蠕動泵以10 mL·min-1的速率注入濃度為1 mol·L-1的CaCl2固定液，放置3 h后以5 mL·min-1的速率注入100 mL菌液，使細(xì)菌與砂土混合在一起.③注入菌液靜止8小時后，以10 mL·min-1的速率注入膠結(jié)液，膠結(jié)液為1 mol·L-1的CaCl2溶液和不同濃度梯度的尿素溶液各1 L.④注漿完成后，放置24小時，待細(xì)菌反應(yīng)充分后，然后放入65℃鼓風(fēng)烘箱中烘干拆模.

1.2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)為研究MICP技術(shù)加固濱海粉細(xì)砂的力學(xué)特性，試驗(yàn)采用儀器為南京土壤儀器廠的型號為YYW-2的無側(cè)限壓力儀.微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣填充粉細(xì)砂顆粒并彼此膠結(jié)一塊，經(jīng)過烘干拆模后形成具有一定強(qiáng)度的試件，試件直徑35 mm，高80 mm，對粉細(xì)砂砂柱試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率為1 mm·min-1至試件破壞.

1.2.3 碳酸鈣生成量測定試件中碳酸鈣的含量是MICP固化效果的重要指標(biāo)［17］，取破壞后的砂柱試件，依據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范［18］用酸洗法測定試件碳酸鈣的生成量.用蒸餾水浸泡破壞后的砂柱溶解試件中殘留的可溶性鹽，烘干并稱重.將試件放入過量鹽酸中溶解CaCO3，直至無氣泡產(chǎn)生且粉細(xì)砂顆粒分離.反應(yīng)結(jié)束后，用蒸餾水清洗砂顆粒，將清洗干凈的砂顆粒烘干稱重，試件酸洗反應(yīng)前后的質(zhì)量損失即為碳酸鈣的生成量.

1.2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)為觀測砂柱試樣中粉細(xì)砂顆?？障吨刑妓徕}分布填充情況，采用日本Hitachi公司生產(chǎn)的S-3000N型掃描電子顯微鏡，取破壞后砂柱試樣截面上一小塊進(jìn)行SEM掃描試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

MICP加固的本質(zhì)是微生物誘導(dǎo)碳酸鈣和粉細(xì)砂膠結(jié)在一起，填充并彌合砂顆粒之間的空隙，形成具有一定強(qiáng)度的整體.通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了尿素濃度和模擬海水環(huán)境對MICP固化結(jié)果的影響.

2.1 尿素濃度對MICP固化效果的影響在MICP加固試驗(yàn)中，尿素為微生物提供氮源，是微生物加固中最重要的營養(yǎng)鹽原料.通過大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，尿素的濃度對微生物加固有一定的影響，適量的尿素可以促進(jìn)巴氏芽孢桿菌產(chǎn)生脲酶并促進(jìn)尿素的水解，從而加快碳酸鈣結(jié)晶效率.

圖4為海水環(huán)境下不同濃度的尿素溶液的濱海粉細(xì)砂試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比圖.從圖中可以清晰地看出，海水環(huán)境下試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在一定程度上隨著尿素濃度的增大而增大，在尿素濃度為1 mol·L-1時強(qiáng)度達(dá)到最大，尿素濃度超過1 mol·L-1時，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所下降.

圖4 海水環(huán)境下注漿后各試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)得出，尿素濃度為1.5 mol·L-1的試件固化效果不夠理想，內(nèi)部膠結(jié)較好，但表面有松散的粉細(xì)砂顆粒.過量的尿素濃度大于細(xì)菌細(xì)胞液的濃度，會抑制細(xì)菌的新陳代謝，從而抑制產(chǎn)生脲酶的活性.隨著尿素濃度的降低，試件的完整度和固化效果逐漸變好，主要是因?yàn)殡迕富钚灾饾u變高，反應(yīng)速率加快和反應(yīng)產(chǎn)物增多，因此提升了固化效果.尿素濃度為1 mol/L時，試件完整度且固化效果是最佳的，可以在試件表面看到一層5～8 mm的白色碳酸鈣結(jié)晶.尿素濃度降至0.5 mol·L-1的試件，雖然可以看到外表有白色的固化層，但是內(nèi)部固結(jié)不夠理想.這主要是因?yàn)槟蛩貪舛冗^低時，微生物固化過程尿素供應(yīng)不足，產(chǎn)生脲酶的速率大大降低，不利于試件的固化，導(dǎo)致強(qiáng)度下降.

2.2 海水環(huán)境對MICP固化效果的影響取上述最佳尿素濃度的試件，做淡水環(huán)境的對比組.圖5為相同的尿素濃度下淡水環(huán)境和海水環(huán)境的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比圖，強(qiáng)度有顯著的差異.

圖5 相同尿素濃度海水組與淡水組應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比

海水環(huán)境下的MICP技術(shù)加固濱海粉細(xì)砂，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為502.1 kPa，淡水環(huán)境下其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為234.3 kPa，顯然，海水環(huán)境下砂柱的強(qiáng)度是淡水環(huán)境下的2.14倍，從海水環(huán)境下砂柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠看出砂柱受壓經(jīng)過三個階段：一為壓實(shí)階段，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變緩慢增加，應(yīng)變區(qū)間為0～0.9%；二為塑性變形階段，試件出現(xiàn)裂縫，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，應(yīng)變區(qū)間為0.9%～2.3%；三為破壞階段，繼續(xù)加壓，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，試件發(fā)生破壞.試件破壞前后對比如圖6.

圖6 試件加載破壞前后對比

造成這種區(qū)別的主要原因與MICP固化環(huán)境中的pH值有關(guān).試驗(yàn)所用的巴氏芽孢桿菌的最佳生長環(huán)境的pH為9.0左右［19］.Stocks-Fischer等［20］對適宜MICP加固常用的高脲酶菌的最適生長pH值進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)pH值會對微生物新陳代謝產(chǎn)生的脲酶活性產(chǎn)生影響.海水的pH通常為8.1，淡水pH一般為7，海水呈弱堿性環(huán)境，更適宜巴氏芽孢桿菌的新陳代謝，反應(yīng)初期細(xì)菌體內(nèi)脲酶水解尿素產(chǎn)生了一定濃度的CO32-和NH+，然而CO32-的水解能力強(qiáng)于NH4+，菌體內(nèi)部pH值進(jìn)一步提升，反應(yīng)中后期CO32-由于生成碳酸鈣而被消耗，NH4+的水解會產(chǎn)生氫離子導(dǎo)致溶液pH略有下降，淡水溶液呈弱酸性環(huán)境，但海水溶液仍為弱堿性環(huán)境.海水溶液中脲酶表現(xiàn)出更高的水解效率和更強(qiáng)的對尿素的親和力，從而進(jìn)一步促進(jìn)了由脲酶催化的尿素反應(yīng)生成的碳酸鈣晶體覆蓋在砂柱的表面，并填補(bǔ)粉砂柱內(nèi)部粉細(xì)砂顆粒的縫隙，提高了砂柱的強(qiáng)度，由此可見海水環(huán)境下微生物固化技術(shù)對濱海粉細(xì)砂的加固強(qiáng)度優(yōu)于淡水環(huán)境.

2.3 碳酸鈣含量表2為MICP固化不同試件的碳酸鈣含量，由表2可以看出對照組淡水環(huán)境A組試件的碳酸鈣含量遠(yuǎn)低于海水環(huán)境D組碳酸鈣含量.海水環(huán)境下，碳酸鈣含量隨著尿素濃度的增大先增加后減小，尿素濃度為0.5 mol·L-1時碳酸鈣含量僅為9.36%，尿素濃度為1 mol·L-1時碳酸鈣含量達(dá)到最大為24.39%.尿素濃度大于1 mol·L-1時碳酸鈣含量有所下降.尿素濃度過高導(dǎo)致細(xì)菌活性受到影響，新陳代謝速率下降，因此微生物誘導(dǎo)碳酸鈣的含量也有所降低.

表2 MICP固化不同試件的碳酸鈣含量

通過MICP加固粉細(xì)砂試件生成的碳酸鈣填充并膠結(jié)砂顆粒之間孔隙，直接影響加固粉細(xì)砂試件的力學(xué)特性.圖7為不同碳酸鈣含量的試件對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度圖，由圖7得到試件的碳酸鈣含量越高，試件加固效果就越好，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之變大.可以看出，微生物加固的固化效果與加固環(huán)境、尿素濃度和碳酸鈣含量密切相關(guān)［21］.

圖7 不同碳酸鈣含量對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度圖

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析取破壞后各試件的一小塊進(jìn)行SEM掃描試驗(yàn)，圖8所示為A-F各組試樣放大1 500倍后的微觀照片.可以看到白色的碳酸鈣結(jié)晶包裹在粉細(xì)砂顆粒表面，海水環(huán)境D組砂顆粒表面被碳酸鈣晶體包裹并膠結(jié)在一起，形成具備一定力學(xué)強(qiáng)度的整體，其對照的淡水環(huán)境A組有碳酸鈣晶體包裹砂顆粒，但砂顆粒之間仍存在較大的孔隙.由B-F組可以看出海水環(huán)境下砂顆?？紫峨S著尿素濃度的增加先減小后變大，在尿素濃度為1 mol·L-1時加固效果最好，得到固化環(huán)境和尿素濃度對MICP固化濱海粉細(xì)砂有著重要的影響，這與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和碳酸鈣含量試驗(yàn)得到的結(jié)論一致.

圖8 不同試件固化后的微觀結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

本文在模擬海水環(huán)境下利用巴氏芽孢桿菌對MICP技術(shù)固化濱海粉細(xì)砂的可行性試驗(yàn)研究，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、碳酸鈣含量試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)分析，研究了不同濃度的尿素在海水環(huán)境下對MICP加固粉細(xì)砂的固化效果，同時對比分析了海水和淡水環(huán)境下對固化效果的差異，得到結(jié)論如下：

（1）在海水環(huán)境下MICP技術(shù)固化濱海粉細(xì)砂是有效的，通過微觀結(jié)構(gòu)分析得到反應(yīng)生成了碳酸鈣結(jié)晶填充了粉細(xì)砂顆粒的空隙，并將松散的粉細(xì)砂粒膠結(jié)成為具備一定力學(xué)強(qiáng)度的整體，為濱海地區(qū)的路基和地基處理、邊坡防護(hù)等提供了一種綠色解決方案.

（2）MICP技術(shù)使用的尿素濃度對固化濱海粉細(xì)砂顆粒有著至關(guān)重要的影響，本文對尿素濃度的影響做了一個試驗(yàn)對比，CaCl2濃度一定時，發(fā)現(xiàn)砂柱試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣含量隨著尿素濃度的增加先上升后下降，得到海水環(huán)境下1mol·L-1尿素處理試件的加固效果最好.

（3）經(jīng)過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和碳酸鈣含量試驗(yàn)可以得到，海水環(huán)境粉細(xì)砂砂柱的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是淡水環(huán)境下的2.14倍且生成的碳酸鈣含量更高.海水環(huán)境的弱堿性促進(jìn)了巴氏芽孢桿菌的生長和繁衍，進(jìn)而形成大量高活性脲酶，大大提高了微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的效率.