微生物改性水泥土的制備與力學特性研究

曾慶杰，李 悅，黎金杭，林民杰，劉 冬，2，3，王延寧，2，3

(1. 汕頭大學 土木與環(huán)境工程系，廣東 汕頭 515063； 2.廣東省結構安全與監(jiān)測工程技術研究中心，廣東 汕頭 515063； 3.汕頭大學 智能制造技術教育部重點實驗室，廣東 汕頭 515063)

1 研究背景

我國南方地區(qū)包括香港澳門等地花崗巖殘積土分布十分廣泛，主要分布在低山丘陵地帶[1]?；◢弾r殘積土是一種特殊類型的土，在不同區(qū)域其礦物成分有微小差距。廣東地區(qū)，花崗巖殘積土高嶺石含量在70%～94%之間[2]。花崗巖殘積土具有遇水易崩解、易軟化，親水性強等工程性質，Lin等[3]對花崗巖殘積土在不同含水率下強度變化的性質表現，做了系列研究[4-5]，發(fā)現這種性質使得在極端氣候下，特別是暴雨季節(jié)，花崗巖殘積土地基、山坡在地基沉降、邊坡失穩(wěn)等工程問題有很大的安全隱患。目前對花崗巖殘積土的研究主要是通過添加水泥等外摻劑[6-8]來改良其抗剪強度，提高抗崩解能力。趙磊軍[9]采用3種方法對花崗巖殘積土進行改良研究，得出用石灰改良花崗巖殘積土的效果最好也最經濟。劉勝等[10]采用粉煤灰改良花崗巖殘積土，試驗結果表明，在花崗巖殘積土中加入一定量的粉煤灰可以明顯提高其水穩(wěn)性。然而水泥的大規(guī)模應用不僅會增加工程造價而且會造成大氣污染，加劇溫室效應等[11-12]。

微生物誘導碳酸鈣沉積技術(microbially induced carbonate precipitation，MICP)是近年來伴隨著生物學科、化學學科和土木工程學科交叉研究的不斷發(fā)展而形成一項新技術，它是利用微生物在新陳代謝活動中發(fā)生的一系列生化反應，與周圍環(huán)境共同作用產生具有膠結作用的碳酸鈣的過程，該過程不產生有毒物質，綠色環(huán)保高效。MICP技術所使用的溶液和傳統(tǒng)化學漿體相比稠度低，更容易滲入巖土體內部[13]，對處理較深的裂縫或者深部巖土體有明顯效果[14]。Adolphe等[15]首次將MICP技術用于修復石材的裂隙，從而推動了該技術在世界范圍內的研究。Whiffin[16]率先提出利用微生物誘導產生的碳酸鈣膠結砂土，并通過試驗證明該方法切實有效。Van Paassen等[17]利用MICP技術進行100m3的大規(guī)模原位砂土試驗，成功將將近1/2的砂土膠結在一起，并通過無側限抗壓強度(unconfined compressive strength，UCS)試驗證明經MICP技術處理過的砂土其力學強度有大幅度提高。除了在強度[18-20]方面的研究外，在剛度[21-22]、滲透性[23-24]、耐久性[25-26]方面也得到了大量的科研成果。

基于上述成果，本文開展微生物誘導碳酸鈣沉積技術改性水泥加固花崗巖殘積土工程特性的研究，期望能在較短的養(yǎng)護齡期和較低的水泥用量下使水泥土強度等滿足工程特性需要。

2 材料與方法

2.1 試驗土樣

試驗采用的泥土為廣東省汕頭市桑浦山表層以下30 cm處的花崗巖殘積土，土樣實地取樣后在105 ℃進行24 h的烘干，粉碎后用孔徑為2 mm的圓孔篩進行篩分，參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)。取過篩的土作為試驗土樣。測定其物理力學指標，如表1所示。試驗所用水泥為P.O 42.5，所用水為去離子水。

表1 花崗巖殘積土基本物理指標Table 1 Basic physical properties of granite residual soil

2.2 菌種及培養(yǎng)

試驗所用細菌為巴氏芽孢桿菌(購買自中國普通微生物菌種保藏管理中心，編號CGMCC 1.3687)，按表2配制培養(yǎng)基，通過添加氫氧化鈉溶液將培養(yǎng)基的pH值調至8.0，然后將培養(yǎng)基放到高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌8 h，放進無菌操作臺冷卻備用。在無菌環(huán)境中將巴氏芽孢桿菌菌種接種至250 mL錐形瓶中，瓶中取200 mL培養(yǎng)液，密封處理后將含有菌種的培養(yǎng)液放置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱(30 ℃，150 r/min)36 h得到細菌懸濁液測定其懸濁液在600 nm波長處的吸光值OD600=1.0。

表2 0907巴氏芽孢桿菌培養(yǎng)基Table 2 0907 Sporosarcina pasteurii medium

2.3 改性方法

細菌、尿素和鈣源是水泥土改性過程需要的材料。處理液是按照細菌懸濁液:尿素:鈣源溶液體積比=2∶1∶1混合的液體，處理液中包括2 mol/L的尿素和試驗所需濃度的鈣源。菌液與尿素-鈣源溶液混合后立刻加入處理試樣，避免過早產生碳酸鈣而導致無法有效對試樣進行改性。

2.4 試樣制備

試塊制備流程如圖1所示。試樣在高80 mm、直徑39.1 mm的圓柱形模具中制作完成。取經過篩分后的土和水泥，按試驗所需比例將土與水泥進行拌合，往土和水泥的混合料中加入菌液與尿素-鈣源溶液，攪拌至水泥土與溶液完全混合。裝好模具，墊透水石，再墊濾紙，然后將水泥土分4次(每次裝1/4)裝入圓柱體模具中，保證每一次取得土的量差不多，而且每次落槌都在相同的高度落下，落了一定的次數(本試驗取5次)后對模具里的土進行搗爛之后再加土，最后對高出模具的水泥土進行刮去處理，并要保證頂部平整，進行抹平至邊緣沒有空隙，墊上濾紙和透水石，裝好模具。靜置6 h后拆模(圖2)，拆模后將試驗放進養(yǎng)護箱養(yǎng)護，對養(yǎng)護了7、14、28 d每種濃度各制備3個平行試樣。

圖1 試塊制備流程Fig.1 Flow chart ofsample preparation圖2 拆模后的水泥土試塊Fig.2 Soil samplesafter demolding

2.5 無側限抗壓試驗

為了研究微生物對水泥加固花崗巖殘積土工程性質的提升，本研究通過對不同水泥摻量、鈣離子濃度和鈣源種類加固后的試件進行無側限抗壓強度(UCS)試驗，獲取試件的無側限抗壓強度隨上述影響因素的變化規(guī)律。試驗設備為Byes3100微機控制電液伺服萬能試驗機(見圖3)，最大試驗力1 000 kN，試驗力分辨率0.01 kN，變形測量精度0.01 mm，滿足試驗需求。

圖3 微機控制電子萬能試驗機Fig.3 Servo testing machine

3 結果與討論

3.1 水泥摻量的影響

黃小滿[27]和王賢昆等[28]的研究表明，水泥土強度隨水泥摻量的增加而增大，而在實際工程中，水泥摻量一般控制在8%～20%以內較為合理。嵇曉雷等[29]研究表明，由淤泥質粉質黏土制作的水泥土試塊，水泥摻入量在10%～25%范圍時，水泥摻量為15%時強度增幅最大。本節(jié)設計了不同水泥摻量(10%、15%、20%)下的微生物改性水泥土試驗。以無菌水泥土作為空白對照組，試驗方法如前所述，Ca2+濃度與尿素濃度為1 mol/L，鈣源為氯化鈣。

圖4給出了養(yǎng)護齡期為28 d下，不同水泥摻量試件典型的應力-應變曲線。由圖4可知，對照組與試驗組的應力-應變曲線在初始階段都經歷了孔隙的壓密階段、彈性階段和塑性階段，隨后達到峰值，試件開始破壞。試驗中取3個平行試件平均值作為強度值。當水泥摻入量提高時，試樣的峰值應力都得到了明顯的提高，說明水泥的摻入量可以明顯增強試樣峰值應力。

圖4 不同水泥摻量試件典型應力-應變曲線Fig.4 Typical stress-strain curves of test pieces with different amounts of cement

圖5給出了試件UCS隨養(yǎng)護時間的變化曲線。由圖5可知，在相同齡期下，微生物增強水泥土的UCS值均比普通水泥土的UCS值大，且養(yǎng)護齡期為7 d時增長率分別為51.85%、87.5%、47.37%；14 d時增長率分別為19.77%、50.3%、23.26%；28 d時增長率分別為22.81%、64.46%、41%。由圖5可以得出：①在養(yǎng)護齡期為7 d時增長率最大，說明除水泥水化作用外微生物的新陳代謝活動最旺盛。②在水泥摻入量為15%時，7、14、28 d的增長率分別為87.5%、50.3%、64.46%，都是最大的，說明15%的水泥摻入量是確保一定強度下，更為經濟的水泥摻入量。

圖5 UCS隨養(yǎng)護齡期變化線Fig.5 Change of unconfined compressive strength with curing age

圖6給出了試件UCS隨水泥摻入比的變化曲線。由圖6可知：①在相同水泥摻入比下，兩組試驗的水泥土UCS值均隨養(yǎng)護齡期的增加而增大，且試驗組水泥土UCS值大于對照組。當水泥摻入量為15%時2組試驗的組內差距并不大，隨著水泥摻入量的增加差值逐漸增大。②對照組試驗的UCS由水泥摻入量10%提高到15%時增長率明顯小于試驗組。這一現象與高松鶴[30]、肖桃李等[31]研究基本一致，而土質不同導致水泥土無側限抗壓強度的變化規(guī)律有微小差異。

圖6 試塊UCS隨水泥摻入量的變化曲線Fig.6 Change of unconfined compressive strength with cement dosage

3.2 鈣離子濃度的影響

由于鈣離子濃度的多少會影響巴氏芽孢桿菌的活性，從而會影響到巴氏芽孢桿菌產生的脲酶量，而脲酶作為MICP過程中重要原料，脲酶量又會影響到CaCO3的生成量，進而影響試件的無側限抗壓強度。本節(jié)設計了以氯化鈣為鈣源下，不同鈣離子濃度(0.5、1.0、1.5 mol/L)下的微生物改性水泥土試驗。以無菌水泥土作為空白對照組，尿素濃度為1 mol/L，水泥摻入量為15%，試驗方法如前所述。

圖7給出了養(yǎng)護齡期為28 d的不同鈣離子濃度下試件典型的應力-應變曲線。從圖7可以看出，如前所述2組試驗的水泥土典型應力-應變曲線的試樣都經歷了壓密階段、線彈性階段、塑性階段、到達峰值、試樣破壞階段。試驗組的峰值應力都得到了提高。

圖7 不同鈣離子濃度下試樣典型應力-應變曲線Fig.7 Typical stress-strain curves of samples with different calcium ion concentrations

從圖7還可看出，試樣應力、應變變化的總體趨勢是：①控制組鈣離子濃度為0.5、1.0、1.5 mol/L時試樣的峰值應力分別為4 393.92、5 267.65、5 106.92、4 473.13 kPa，說明低濃度的鈣離子濃度更有利于提高水泥土的強度。②試驗組的應變增長率分別為17.21%、48.36%、43.44%，說明隨著鈣離子濃度的提高，試樣的峰值應力所對應的應變也跟著提高。當鈣離子的濃度達到一定濃度后，峰值應力下的應變不再提高，則說明加入氯化鈣溶液后，試樣的韌性得到了改善，而最適宜用于改善水泥土韌性的鈣離子濃度應在1～1.5 mol/L這個區(qū)間及附近。

3.3 變量為鈣源

由于鈣源的不同則在試樣中加入含鈣離子的溶液后，試樣中所含有的離子也會有所不同，而不同的離子構成會影響到巴氏芽孢桿菌誘導CaCO3這一過程，從而影響到CaCO3生成量，進而影響到試樣的無側限抗壓強度。本節(jié)設計了三大組試驗，即3組鈣離子濃度分別為0.5、1.0、1.5 mol/L，僅以鈣源(氯化鈣、乙酸鈣)為自變量，尿素濃度為2 mol/L，并設置無菌水泥土作為空白對照組，試驗方法如前所述。

圖8為養(yǎng)護齡期為28 d時的典型應力-應變曲線，從圖8可知，如前所述試樣經歷了壓密階段、線彈性階段、塑性階段、到達峰值、試樣破壞階段。由圖8還可知：①以乙酸鈣為鈣源的試驗組的試樣應力峰值增強幅度不明顯，而鈣源為氯化鈣的試驗組試樣的應力峰值比空白對照組和鈣源為乙酸鈣的試驗組大。②鈣離子濃度為0.5、1.0、1.5 mol/L時，氯化鈣試驗組的試樣的峰值應力下的應變增長率分別為17.21%、48.36%、43.44%；而乙酸鈣試驗組的試樣的峰值應力下的應變增長率分別為26.63%、54.92%、69.67%，通過比較得出，峰值應力下的應變增長率：乙酸鈣>氯化鈣，說明以氯化鈣和乙酸鈣為鈣源都可以改善試樣的韌性，而乙酸鈣改善試樣韌性的效果更好。

圖8 不同鈣源下試樣典型應力-應變曲線Fig.8 Typical stress-strain curves of samples with different calcium sources

3.4 加固機理分析

圖9是水泥摻量15%、養(yǎng)護齡期7 d時試驗組和對照組的掃描電鏡(SEM)結果對比。對比圖9(a)、圖9(b)可知，7 d時對照組水泥土表面的孔隙多、孔洞大，而試驗組水泥土表面在該倍率下孔洞數量已經大幅減少，表面比對照組更加致密。圖9(a)中水泥土的土顆粒之間已經有膠凝物質產生但仍有一部分土顆粒未被膠結，水泥土整體呈現較為松散的狀態(tài)；圖9(b)中土顆粒之間有更多的膠結物，水泥土整體上呈現較為致密的形態(tài)。

圖9 養(yǎng)護齡期7 d時水泥土掃描電鏡照片Fig.9 SEM images of cement soil at curing age 7 d

圖10是水泥摻量15%、養(yǎng)護齡期28 d時試驗組和對照組的掃描電鏡(SEM)結果對比。圖10(a)中水泥土的土顆粒之間已經有大量膠凝物質產生但仍有少部分土顆粒未被膠結，水泥土整體較為致密，但仍有較多小孔隙；圖10(b)中水泥土的土顆粒之間的孔隙基本消失，水泥土整體上呈現致密的形態(tài)。因為MICP技術是通過微生物附著在土顆粒表面，以自身為成核位點不斷沉積出碳酸鈣，從而使土顆粒空隙被填滿，孔隙率進一步降低。由微生物沉積的碳酸鈣具有膠結作用將土顆粒進一步聯結，從而提高水泥土強度。

圖10 養(yǎng)護齡期28 d時水泥土掃描電鏡照片Fig.10 SEM images of cement soil at curing age 28 d

4 結 論

(1)巴氏芽孢桿菌改性水泥土可以有效加固水泥土的UCS，與普通水泥土相比，添加巴氏芽孢菌菌液的水泥土的UCS有大幅度提高。通過比較不同水泥摻入量對試樣的UCS的增長率，15%是更為經濟的水泥摻入量。

(2)當以氯化鈣為鈣源時，鈣離子濃度為0.5 mol/L時，水泥土的UCS提升最大。濃度區(qū)間在0.5～1.5 mol/L時，高濃度的鈣離子濃度有利于改善水泥土的韌性。

(3)鈣源為乙酸鈣的試驗組中水泥土試樣的UCS增加不明顯，但可以改善水泥土的韌性，最大應變增長率可達69.67%。而鈣源為氯化鈣的試驗組，可較大程度提高水泥土的強度同時改善水泥土的韌性，最大應變增長率為48.36%，且氯化鈣較為廉價，因此氯化鈣更適合作微生物改性水泥土的鈣源。