徐宏殷，練繼建，閆?玥

多試驗(yàn)因素耦合下MICP固化砂土的試驗(yàn)研究

徐宏殷1, 2，練繼建1, 2，閆?玥1, 2

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350)

為了優(yōu)選MICP(microbial induced carbonate precipitation)固化砂土過程中的試驗(yàn)因素，采用中心注漿法耦合6個(gè)試驗(yàn)因素，以圓形硅質(zhì)砂為試驗(yàn)材料，根據(jù)正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了25種工況的MICP砂柱固化試驗(yàn)．檢測(cè)了砂柱固化過程中反應(yīng)前后Ca2+濃度變化和固化后砂柱各部位的CaCO3晶體含量，并采用SEM觀測(cè)了砂柱內(nèi)部CaCO3晶體的微觀形態(tài)．通過分析各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)Ca2+利用率的影響，發(fā)現(xiàn)影響Ca2+利用率的主要因素有菌液濃度、膠結(jié)液濃度和礦化反應(yīng)時(shí)間，且菌液濃度越高，膠結(jié)液濃度越低，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，Ca2+利用率越高．菌液靜置過程中存在細(xì)菌下沉現(xiàn)象，從而影響CaCO3晶體的生成位置．固化砂柱內(nèi)部CaCO3晶體分布的研究結(jié)果表明，礦化生成的CaCO3會(huì)隨著砂土中的水流遷徙，漿液的流速越大，砂柱內(nèi)部晶體的平均含量越高，且分布越均勻．SEM的觀測(cè)結(jié)果顯示，固化砂柱內(nèi)部CaCO3晶體以方解石為主，但膠結(jié)液濃度會(huì)影響晶體的尺寸大?。?dāng)膠結(jié)液濃度高于750mmol/L時(shí)，CaCO3晶體呈現(xiàn)堆疊式發(fā)展．當(dāng)菌液濃度較高并且膠結(jié)液靜置時(shí)間較短時(shí)，會(huì)出現(xiàn)球霰石的晶體形態(tài)．MICP固化砂土的強(qiáng)度隨CaCO3含量的增加而升高，但同時(shí)會(huì)受到晶體的分布以及大小等因素的影響．MICP固化砂土試驗(yàn)因素的優(yōu)選結(jié)果為：菌液的OD600值0.5～1.0，菌液靜置時(shí)間3h，膠結(jié)液濃度不高于500mmol/L，漿液的流速與傳輸距離相關(guān)，膠結(jié)液的最優(yōu)靜置時(shí)間為使Ca2+完全消耗．

MICP；砂土固化；CaCO3晶體；試驗(yàn)因素優(yōu)選

在工程建設(shè)過程中，經(jīng)常會(huì)遇見地基承載力不足的問題，此時(shí)需要進(jìn)行地基的加固．傳統(tǒng)的地基加固方法包括機(jī)械碾壓、采用水泥或化學(xué)材料進(jìn)行灌漿?等[1]．這些方法在工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但都有其各自的局限性．機(jī)械碾壓的方法只能加固表層土壤，而水泥或化學(xué)灌漿方法一般具有流動(dòng)距離短、消耗時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)[1-2]．近年來，一種微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鹽沉淀(microbial induced carbonate precipitation，MICP)固化砂土的技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注．這項(xiàng)技術(shù)是利用自然界中一些微生物的礦化作用，在砂土內(nèi)部誘導(dǎo)產(chǎn)生CaCO3晶體，提高砂土的密實(shí)性與顆粒間的膠結(jié)性，從而改善其機(jī)械特性．研究表明，MICP砂土固化技術(shù)具有反應(yīng)可控、傳輸距離長(zhǎng)、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的發(fā)展?jié)摿3]．

在MICP固化砂土的過程中，需要將礦化所需的菌液和膠結(jié)液(一般為尿素和鈣鹽的混合溶液)注入砂土內(nèi)部，試驗(yàn)因素的改變會(huì)對(duì)砂土的固化產(chǎn)生不同影響．菌液為礦化反應(yīng)提供脲酶，并為CaCO3晶體的形成提供成核位點(diǎn)[4]．高濃度的菌液具有較高的活性，能夠快速水解尿素進(jìn)行結(jié)晶，但容易造成CaCO3晶體在注漿口處的堵塞，影響漿液的滲入[5-6]．膠結(jié)溶液為礦化反應(yīng)提供尿素和Ca2+．理論上，高濃度的膠結(jié)溶液會(huì)提供更多的反應(yīng)物質(zhì)，但Whiffin[2]的研究結(jié)果表明，過高濃度的尿素溶液會(huì)抑制脲酶的活性．而Al Qabany等[7]利用不同濃度的膠結(jié)液進(jìn)行砂柱固化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低濃度的膠結(jié)液更有利于固化砂土內(nèi)部CaCO3晶體的均勻分布，且生成CaCO3晶體的顆粒更?。疂{液的注入流速直接關(guān)系到菌體在砂土內(nèi)部的固著和生成CaCO3晶體的分布．Martinez等[6]認(rèn)為過高流速的漿液會(huì)將細(xì)菌細(xì)胞沖出，不利于礦化反應(yīng)進(jìn)行．另外一些學(xué)者也認(rèn)為，以較低流速注入膠結(jié)液，能夠得到較高的固化效率[4,8]．但也有研究[5,9]證實(shí)，較低流速會(huì)造成CaCO3分布的集中，這種情況多發(fā)生在大體積砂土固化過程中．此外，環(huán)境pH?值[10]、膠結(jié)溶液中鈣鹽的種類[10]以及膠結(jié)溶液中尿素與鈣鹽的濃度比[11]同樣影響MICP對(duì)砂土的固化.

目前對(duì)MICP固化砂土的試驗(yàn)研究雖然涉及諸多因素，但大多是對(duì)單一因素進(jìn)行研究，而對(duì)多種試驗(yàn)因素耦合作用下的砂土固化試驗(yàn)研究較少，且未能優(yōu)選出各因素的合理取值．另外，現(xiàn)有的砂土固化試驗(yàn)一般采用縱向注漿方法．在工程中，成層土的橫向滲透性一般高于其縱向滲透性[12]，若采用橫向注漿方式，將有可能緩解CaCO3晶體在注入口堵塞的現(xiàn)象，提高漿液的傳輸距離．因此，本文采用中心注漿法，選擇影響MICP固化砂土的6個(gè)試驗(yàn)因素，采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行25種工況的砂土固化試驗(yàn)，分析試驗(yàn)因素對(duì)Ca2+利用率、CaCO3晶體分布和微觀形態(tài)的影響，并對(duì)固化砂土的強(qiáng)度進(jìn)行研究．根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與分析，優(yōu)選出MICP固化砂土的試驗(yàn)因素，為此項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)．

1?試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1?試驗(yàn)材料

1.1.1?試驗(yàn)用砂

本文試驗(yàn)采用的砂土材料為天然圓形硅質(zhì)砂，粒徑范圍為0.075～0.600mm(粒徑級(jí)配曲線如圖1所示)，表觀密度為2.65g/cm3，最大和最小孔隙率分別為0.479和0.405．

圖1?試驗(yàn)用砂的粒徑級(jí)配曲線

1.1.2?細(xì)菌

本文試驗(yàn)采用的微生物是一種發(fā)現(xiàn)于土壤中的巴氏芽孢桿菌()，購(gòu)買于美國(guó)菌種保藏中心(American Type Culture Collection)，編號(hào)為ATCC11859．試驗(yàn)前首先采用液體YE培養(yǎng)基進(jìn)行細(xì)菌的培養(yǎng)，培養(yǎng)基的物質(zhì)成分為酵母提取物(yieast extract)20g/L，硫酸銨10g/L，Tris試劑17.5g/L．將菌種按照1∶100的體積比接種于滅菌后的YE培養(yǎng)基，然后在溫度為30℃、轉(zhuǎn)速為220r/min的搖床內(nèi)培養(yǎng)24h，使細(xì)菌達(dá)到其生長(zhǎng)的穩(wěn)定期，然后將培養(yǎng)好的菌液放置于4℃冰箱內(nèi)備用．

培養(yǎng)好的細(xì)菌需在3d內(nèi)使用，以免影響菌液的質(zhì)量．使用前先在搖床內(nèi)將菌液搖動(dòng)20min，使其恢復(fù)至室溫．然后采用9g/L的NaCl溶液將菌液稀釋至所需的濃度．菌液的濃度采用OD600值表示，利用紫外線分光計(jì)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)[13]．

1.1.3?膠結(jié)液

1.2?MICP固化砂土試驗(yàn)裝置

本文MICP固化砂土試驗(yàn)采用中心注漿法，試驗(yàn)裝置如圖2所示．整個(gè)裝置分為3個(gè)部分：注漿系統(tǒng)、固化系統(tǒng)和排出液收集系統(tǒng)．注漿系統(tǒng)的作用是將MICP所需的漿液(菌液和膠結(jié)溶液)注入固化系統(tǒng)中，由錐形瓶、蠕動(dòng)泵和軟管組成．固化系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)砂土的固化，包括注漿管、砂室和出漿孔．砂室的大小為50mm×100mm，在砂室中間設(shè)置一根直徑為6mm的注漿管，與注漿系統(tǒng)相連．在注漿管的管壁上，開鑿多個(gè)直徑為1mm的小孔，小孔交叉布置，間距為10mm，稱為注漿孔．在砂室外壁均勻布置6排直徑為3mm的小孔，作為漿液的出漿孔，縱向間距為20mm．在注漿管外側(cè)和砂室內(nèi)側(cè)均布置一層網(wǎng)布，用于防止砂子滲漏．整個(gè)固化系統(tǒng)布置在一個(gè)鐵架臺(tái)上．排出液收集系統(tǒng)包括一個(gè)燒杯和一個(gè)漏斗．漏斗同樣固定在鐵架臺(tái)上，用于收集從出漿口流出的液體，并將其導(dǎo)入燒杯中．

圖2?試驗(yàn)裝置

1.3?試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)與砂土固化步驟

1.3.1?試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)選擇影響MICP固化砂土的6個(gè)試驗(yàn)因素(見表1)，旨在進(jìn)行多試驗(yàn)因素耦合下砂土固化試驗(yàn)．為此，根據(jù)已有研究成果[6-8,11]，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[14]，對(duì)每個(gè)因素選取5個(gè)合適的水平(見表1)，參照L25(56)正交表設(shè)計(jì)了25種工況．

表1?正交設(shè)計(jì)因素水平

Tab.1?Values of the six test factors

1.3.2?砂柱固化步驟

砂柱固化的試驗(yàn)步驟如下：①將300g試驗(yàn)用砂分3次裝入圖2所示的試驗(yàn)裝置中，每次振搗密實(shí)，最終使砂柱的孔隙率達(dá)到0.423；②采用蠕動(dòng)泵向砂柱中緩緩注入80mL蒸餾水(體積稍大于一個(gè)砂柱的孔隙體積65mL)，用來清洗砂土顆粒并且使砂土飽和；③采用蠕動(dòng)泵以流速b注入65mL濃度為b的菌液，然后靜置一段時(shí)間(b)；④以流速c先后3次注入65mL濃度為c的膠結(jié)溶液，每次注入后均靜置一段時(shí)間(c)．本文中將注入一次膠結(jié)溶液的過程稱為一次膠結(jié)，而膠結(jié)液的靜置時(shí)間c即為一次膠結(jié)的反應(yīng)時(shí)間；⑤重復(fù)步驟③和步驟④，直至砂柱被完全固化，漿液不能再注入砂柱為止．

1.4?測(cè)定方法

1.4.1?Ca2+濃度的測(cè)定

在砂柱固化過程中，需對(duì)膠結(jié)液在每一次注入砂柱前和排出砂柱后均進(jìn)行Ca2+濃度測(cè)定，測(cè)定方法為EDTA滴定法[15]．

1.4.2?固化砂柱無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)定

砂柱固化后，將砂柱從模具中取出，在30℃的烘箱中烘干48h后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定．由于砂柱中心有注漿管，所以首先將中心的注漿管沿試件的上下表面切斷，并用熱風(fēng)機(jī)將注漿管烤至試件表面以下，然后在注漿管內(nèi)裝入密實(shí)的試驗(yàn)用砂．砂柱的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照水利水電工程土工試驗(yàn)規(guī)程(DL/T5355—2006)中的方法進(jìn)行，測(cè)定時(shí)在砂柱的上下表面均布置一些松散的試驗(yàn)用砂，以使試件與試驗(yàn)機(jī)之間的接觸面更加平整，如圖3所示．

圖3?砂柱無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)定

1.4.3?砂柱中CaCO3含量的測(cè)定

對(duì)固化后的砂柱進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)定后，按圖4將沙柱分為6個(gè)部分，然后進(jìn)行CaCO3含量的測(cè)定．測(cè)定方法為鹽酸溶解法[15]．

式中、、、和分別表示一個(gè)砂柱內(nèi)圈、外圈、上部、中部和下部的CaCO3含量的部位偏差值，%．偏差值為正，說明該部位的CaCO3含量高于該砂柱的平均值，反之說明低于平均值．

1.4.4?CaCO3晶體微觀形態(tài)的觀測(cè)

采用掃描電子顯微鏡(德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)的LEO1530VP型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡)對(duì)固化后砂柱進(jìn)行觀測(cè)，以研究砂柱內(nèi)部生成CaCO3晶體的微觀形態(tài)．

2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?固化過程中Ca2+的利用率

極差值的大小反映了一個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)結(jié)果指標(biāo)的影響程度．值越大，說明這個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)結(jié)果指標(biāo)的影響程度就越大．根據(jù)表2，6個(gè)試驗(yàn)因素值的大小順序?yàn)閏＞c＞b＞c＞b＞b，且前3個(gè)試驗(yàn)因素的值遠(yuǎn)大于后3個(gè)試驗(yàn)因素，說明在所選擇的因素水平范圍內(nèi)，影響微生物灌漿中Ca2+利用率的主要因素為c、c和b．

表2中每個(gè)試驗(yàn)因素值隨因素水平的變化如圖5所示，從中可見該因素對(duì)結(jié)果指標(biāo)的影響規(guī)律．c、c和b這3個(gè)因素值的變化幅度較大，說明這3個(gè)因素對(duì)Ca2+利用率的影響較大．當(dāng)b＝0.25～1.50時(shí)，值隨b的增大逐漸增大，說明菌液濃度的提高有利于Ca2+利用率的提高．這是因?yàn)檩^高濃度的細(xì)菌細(xì)胞能夠?yàn)镃aCO3晶體形成提供更多的脲酶和成核位點(diǎn)[17]．當(dāng)c＝250～1500mmol/L時(shí)，值隨c的增大而逐漸降低，說明膠結(jié)液濃度的提高不利于Ca2+利用率的提高．這一方面是因?yàn)槟z結(jié)液濃度較高時(shí)Ca2+的數(shù)量較多，另一方面較多的Ca2+吸附于細(xì)菌細(xì)胞的表面，會(huì)抑制細(xì)菌的活性[15].在c＝1～12h的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，值隨c值的增大逐漸增大，但增長(zhǎng)速率逐漸變慢，而在8h后又稍有提高．這說明反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)有利于Ca2+利用率的提高，但反應(yīng)時(shí)間超過5h之后，一些工況的Ca2+利用率達(dá)到90%以上，Ca2+已基本被消耗，c對(duì)Ca2+利用率的提高作用逐漸減弱．而8h后，對(duì)于個(gè)別礦化反應(yīng)仍在進(jìn)行的工況，環(huán)境中的Ca2+濃度與起始時(shí)刻相比有較大程度下降，Ca2+對(duì)細(xì)菌活性的抑制作用也會(huì)降低，導(dǎo)致礦化反應(yīng)加快．所以，當(dāng)c超過8h后，值的增長(zhǎng)速率有小幅上升．

表2?Ca2+利用率的正交分析表

Tab.2?Orthogonal analysis table of Ca2+ utilization

圖5?試驗(yàn)因素對(duì)Ca2+利用率的影響

2.2?固化砂柱中CaCO3晶體的分布

本文中共選擇6個(gè)試驗(yàn)因素，其中菌液濃度(b)、膠結(jié)液濃度(c)和膠結(jié)液的靜置時(shí)間(c)這3個(gè)因素會(huì)影響礦化反應(yīng)中Ca2+的利用率，而其他3個(gè)因素會(huì)對(duì)固化砂柱內(nèi)部CaCO3晶體分布產(chǎn)生影響.

2.2.1?菌液靜置時(shí)間對(duì)CaCO3分布的影響

為研究菌液靜置時(shí)間(b)對(duì)砂柱固化的影響，設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)：按照?qǐng)D2裝置布置3個(gè)未固化砂柱，并用去離子水清洗至飽和；然后向3個(gè)砂柱中均注入65mL菌液，并分別靜置0h、3h和12h；靜置完成后將砂柱從裝置中取出，并沿縱向?qū)⑸爸袨閮砂?，在剖面?個(gè)測(cè)點(diǎn)處(如圖6所示)分別取樣，測(cè)定每個(gè)砂樣的尿素水解速率大小，據(jù)此來比較該位置處細(xì)菌濃度高低．尿素水解速率是采用包含有1mL菌液的砂樣按照脲酶活性的電導(dǎo)率檢測(cè)法[2]進(jìn)行檢測(cè)．得到9個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)定結(jié)果后，采用等高線的表現(xiàn)方法繪制出每種工況細(xì)菌濃度分布，如圖6所示．

由圖6可見，隨著菌液的的靜置時(shí)間從0h延長(zhǎng)到12h，注入到砂柱的細(xì)菌逐漸向砂柱下部移動(dòng)．當(dāng)菌液剛注入砂柱時(shí)，砂柱上部的細(xì)菌活性最高，而下部幾乎沒有細(xì)菌存在，這說明細(xì)菌主要集中在砂柱上部．可見，在中心注漿條件下，菌液主要從注漿管的上部注漿孔流出．菌液注入3h后，細(xì)菌的下沉使整個(gè)砂柱剖面的脲酶活性分布趨于均勻，但對(duì)于同一高度，內(nèi)圈的活性高于外圈．當(dāng)菌液的靜置時(shí)間達(dá)到12h時(shí)，砂柱下部的菌液濃度達(dá)到最大值，而上部幾乎沒有細(xì)菌存在．所以，在MICP砂土固化過程中，菌液的靜置時(shí)間會(huì)影響細(xì)菌在砂土內(nèi)部的分布，進(jìn)而影響所生成CaCO3晶體的均勻性．

圖6?不同靜置時(shí)間下細(xì)菌在砂柱內(nèi)的分布

2.2.2?膠結(jié)液流速對(duì)CaCO3分布的影響

膠結(jié)液流速(c)對(duì)CaCO3晶體分布的影響如圖7所示，從中可見其對(duì)CaCO3晶體分布位置、固化砂柱整體CaCO3含量以及CaCO3均勻程度的影響．

圖7?膠結(jié)液流速對(duì)CaCO3晶體分布的影響

(3) 固化砂柱在不同c下的平均CaCO3含量和砂柱的平均不均勻度如圖7(c)所示．可以看出，隨著c的增大，砂柱的平均CaCO3含量逐漸增加．當(dāng)c為1mL/min時(shí)，固化砂柱的平均CaCO3含量為9.32%，當(dāng)c達(dá)到15mL/min時(shí)，固化砂柱的平均CaCO3含量升至11.58%，提高24.2%，說明較高流速有利于固化砂柱內(nèi)部CaCO3晶體的積累．同時(shí)，隨著c增大，砂柱不均勻度逐漸降低，可見較高流速有利于固化砂柱內(nèi)部CaCO3晶體的均勻分布．

2.3?固化砂柱中CaCO3晶體的微觀形態(tài)

2.4?MICP固化砂土的強(qiáng)度

圖9 MICP固化砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與CaCO3含量的關(guān)系

3?討?論

3.1?試驗(yàn)因素的優(yōu)選

本文MICP固化砂土試驗(yàn)共選擇了6個(gè)試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)了25種工況．根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)6個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果如下．

(1) 漿液的濃度．菌液濃度b值越高，Ca2+利用率越高，但也會(huì)引起礦化反應(yīng)速度過快，使生成的CaCO3晶體在漿液的注入口堵塞，從而造成固化砂土的不均勻，影響其強(qiáng)度．而且，根據(jù)SEM觀測(cè)結(jié)果，過高的菌液濃度會(huì)產(chǎn)生球霰石，而球霰石與砂土顆粒的機(jī)械咬合力要低于方解石，不利于砂土強(qiáng)度的提高．所以，在保證Ca2+利用率的情況下，不宜選擇較高的菌液濃度．根據(jù)圖5，b值應(yīng)取0.5～1.0．膠結(jié)液濃度c越低，Ca2+利用率越高，且生成的CaCO3晶體尺寸較小(見圖8)，越有利于固化砂土強(qiáng)度的提高[20]，所以，膠結(jié)液濃度不宜過高．根據(jù)SEM觀測(cè)結(jié)果，膠結(jié)液濃度應(yīng)不高于500mmol/L．

(2) 漿液的流速．漿液的流速會(huì)影響固化砂柱內(nèi)部CaCO3晶體分布的均勻性．漿液的流速越大，CaCO3晶體隨漿液遷徙的距離越遠(yuǎn)．對(duì)于本文試驗(yàn)，b和c取15mL/min為最優(yōu)，而對(duì)于不同體積的砂土固化工程，漿液流速可根據(jù)漿液傳輸距離確定．假設(shè)漿液的最優(yōu)流速與傳輸距離成正比，則可根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出確定漿液的最優(yōu)流速為

式中：為漿液最優(yōu)流速，mL/min；表示漿液的傳輸距離，cm(本文試驗(yàn)中2.5cm)．

(3) 漿液的靜置時(shí)間．菌液靜置時(shí)間會(huì)影響細(xì)菌在砂柱內(nèi)部的分布，根據(jù)圖6，當(dāng)b＝3h時(shí)，細(xì)菌的分布最均勻，所以菌液的靜置時(shí)間取3h為最優(yōu)．膠結(jié)液靜置時(shí)間為一次膠結(jié)的礦化反應(yīng)時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)，Ca2+利用率越高，但c過長(zhǎng)會(huì)造成時(shí)間的浪費(fèi)，所以c的選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為使膠結(jié)液中的Ca2+完全消耗為最優(yōu)．在不同的菌液和膠結(jié)液濃度下，Ca2+完全消耗的時(shí)長(zhǎng)并不相同，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇．

綜上所述，MICP固化砂土試驗(yàn)因素的優(yōu)選結(jié)果為：菌液濃度(OD600)0.5～1.0，菌液靜置時(shí)間3h，膠結(jié)液濃度不高于500mmol/L，漿液的流速與傳輸距離相關(guān)，膠結(jié)液的最優(yōu)靜置時(shí)間為使Ca2+完全消耗．

應(yīng)該指出，本文試驗(yàn)采用的是圓形硅質(zhì)砂，當(dāng)試驗(yàn)材料特性發(fā)生改變時(shí)，試驗(yàn)因素的優(yōu)選結(jié)果會(huì)有所不同．如當(dāng)砂土孔隙率增大時(shí)，材料對(duì)CaCO3晶體的阻礙作用減弱，不易造成晶體堵塞，此時(shí)可采用較低流速．另外，砂土的顆粒形態(tài)和材質(zhì)會(huì)影響細(xì)菌細(xì)胞在砂土顆粒表面的吸附作用，也會(huì)對(duì)CaCO3晶體的生成位置產(chǎn)生影響，這些問題有待進(jìn)一步研究．

3.2?中心注漿法對(duì)CaCO3分布均勻性的影響

本文試驗(yàn)MICP固化砂柱采用的是中心注漿法，與傳統(tǒng)縱向注漿法不同，中心注漿法的注漿管沿縱向貫穿整個(gè)砂柱，且漿液沿橫向穿過砂土．為了對(duì)比兩者對(duì)固化砂柱中CaCO3晶體分布的影響，將本文試驗(yàn)中25種工況的固化砂柱的不均勻度與同課題組采用傳統(tǒng)縱向注漿方法得到的固化砂柱[22]進(jìn)行對(duì)比(砂柱尺寸相同)，如圖10所示．可以看出，中心注漿法與傳統(tǒng)縱向注漿法相比，固化砂柱的不均勻度有所改善．而且，此次對(duì)比砂柱的尺寸較小，對(duì)于大尺寸的砂土固化工程，中心注漿相比縱向注漿在固化深度上的優(yōu)勢(shì)更加明顯．

圖10 中心注漿法與傳統(tǒng)縱向注漿法固化砂柱不均勻度的對(duì)比

4?結(jié)?論

(1) 影響Ca2+利用率的主要因素為菌液濃度、膠結(jié)液濃度和礦化反應(yīng)時(shí)間．菌液濃度越高，膠結(jié)液濃度越低，礦化反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，Ca2+利用率越高．

(2) 菌液在砂柱內(nèi)靜置過程中存在細(xì)菌下沉現(xiàn)象，當(dāng)菌液的靜置時(shí)間為3h時(shí)，細(xì)菌在砂柱內(nèi)的分布最均勻．漿液流速會(huì)影響固化砂柱中CaCO3晶體的數(shù)量和分布，當(dāng)漿液流速達(dá)到15mL/min時(shí)，CaCO3晶體的數(shù)量最多，且均勻性最好．

(3) 固化砂土的強(qiáng)度隨著內(nèi)部CaCO3晶體含量的增多而升高，但同時(shí)會(huì)受到晶體的分布以及大小等因素的影響．

(4) MICP固化砂土試驗(yàn)因素的優(yōu)選結(jié)果為：菌液濃度(OD600)0.5～1.0，菌液靜置時(shí)間3h，膠結(jié)液濃度不高于500mmol/L，漿液的流速與傳輸距離相關(guān)，膠結(jié)液的最優(yōu)靜置時(shí)間為使Ca2+完全消耗．

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Experimental Study of MICP Solidified Sand Under the Coupling of Multiple Test Factors

Xu Hongyin1, 2，Lian Jijian1, 2，Yan Yue1, 2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

To optimize the test factors in the process of solidifying sand through the microbial induced carbonate precipitation(MICP)method，25sand column tests，which used round siliceous sands as the test material，were conducted on the basis of the orthogonal design of the central grouting method with 6 test factors that were coupled．The Ca2+concentrations before and after the reaction in the MICP process were detected，and the CaCO3crystal contents in different parts of the solidified sand columns were measured．Moreover，the microstructure of the crystals was observed through the scanning electron microscopy(SEM)method．The analysis of the influence of the test factors on Ca2+utilization showed that the major factors affecting Ca2+utilization were the concentration of the bacterial suspension，concentration of the cementing solution，and reaction time．In addition，high concentration of the bacterial suspension，low concentration of the cementing solution and long reaction time result in high Ca2+utilization．Bacterial cells sink during the retention time of the bacterial suspension，which affects the formation position of CaCO3crystals．CaCO3produced in the MICP process migrates with the flow in sands，affecting the distribution of crystals in the sand columns．A high flow rate of the solutions can result in a high average CaCO3content and a uniform CaCO3distribution．The SEM images illustrate that the CaCO3crystals in the solidified sand were mainly calcite and the concentration of the cementing solution can affect the crystal size．When the concentration of the cementing solution was higher than 750 mmol/L，the crystalsshowed stacking-type structures．Moreover，vaterite were detected in the test cases with high bacterial concentration and short retention time of the cementing solution．The strength of the MICP solidified sand increases with the increase in the CaCO3content；however，it is also influenced by other factors，such as the distribution and size of the crystals．The optimization results of the six test factors are as follows：the OD600value of the bacterial suspension is 0.5—1.0，the retention time of the bacterial suspension is 3 h，the concentration of the cementing solution is lower than 500 mmol/L，the flow rate of the solutions is related to the transport distance，and the retention time of the cementing solution ensures that Ca2+is completely consumed and utilized．

microbial induced carbonate precipitation(MICP)；sand solidification；CaCO3crystal；test factors optimization

Supported by the National Key R&D Program of China(No.2016YFC0401905)，the National Natural Science Foundation of China (No.51709198)，the Natural Science Foundation of Tianjin，China(No.16JCQNJC07900).

TU526

A

0493-2137(2020)05-0517-10

10.11784/tdxbz201908006

2019-08-04；

2019-09-24.

徐宏殷（1990—??），男，博士研究生，xuhongyin@tju.edu.cn.

閆?玥，yue.yan@tju.edu.cn.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0401905)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51709198)；天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(16JCQNJC07900).

(責(zé)任編輯：劉文革，樊素英)