張繼生,劉 偉,管大為,周應(yīng)征,成 亮,鄭金海
(1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098; 3. 江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
如何保證固化土體強度的均勻性是MICP技術(shù)目前所面臨的一大難題。在早期,Stocks-Fischer等[11]采用一相注方法,直接向土體內(nèi)注入細(xì)菌和膠結(jié)液的混合液,但由于細(xì)菌絮凝以及CaCO3迅速沉積的原因,注漿口極易堵塞,最終導(dǎo)致注漿失敗。隨后,Whiffin等[10]提出一種兩相注的方法,即先注入細(xì)菌,靜置一段時間后再注入膠結(jié)液,該方法能夠一定程度上避免注漿口堵塞的問題,獲得較為完好的固化砂體。在此基礎(chǔ)上,Harkes等[12]提出一種改進的兩相注漿方法,該方法先向土體中注入細(xì)菌,隨后注入低濃度的Ca2+作為固定液,最后再注入膠結(jié)液。此方法通過Ca2+的絮凝作用,較大程度上將細(xì)菌固定在砂顆粒孔隙中,以減少細(xì)菌被膠結(jié)液的沖出量,最終得到的試樣CaCO3分布更加均勻。但是,在兩相注工藝中,由于膠結(jié)液在細(xì)菌注射后注入,細(xì)菌會不可避免地被膠結(jié)液帶出,導(dǎo)致無法準(zhǔn)確控制固化區(qū)域內(nèi)的細(xì)菌量。此外,膠結(jié)液對注入細(xì)菌的沖擠作用易使細(xì)菌在土體內(nèi)部分布不均,從而影響CaCO3的均勻沉積。針對以上問題,Cheng等[13]提出了一種低pH一相注方法。在注漿之前,通過降低一相漿液(細(xì)菌、膠結(jié)液的混合液)的pH,抑制前期細(xì)菌的絮凝以及CaCO3的生成,進而將一相漿液順利注入土體內(nèi)。此方法不但能夠避免注漿口堵塞,還能使注漿液在土顆??紫堕g均勻擴散,形成強度均勻的固化土體。
以上研究表明:增大細(xì)菌濃度一定程度上能夠誘導(dǎo)生成更多的CaCO3,進而提高土體的力學(xué)性能。但上述試驗中,細(xì)菌濃度增大本質(zhì)上增加了細(xì)菌總量。在以往的文獻中,細(xì)菌總量一定時,低濃度細(xì)菌和高濃度細(xì)菌對MICP誘導(dǎo)CaCO3沉積的效率以及對固化土體力學(xué)特性的影響還未見報道。
針對以上問題,本文研究了細(xì)菌總量一定的情況下,分次注入低濃度細(xì)菌和一次性注入高濃度細(xì)菌這2種注漿方法對一相注工藝的影響。主要開展了水溶液試驗及砂柱固化試驗,對比并分析了一相注工藝中不同細(xì)菌注漿方法生成的CaCO3總量、細(xì)菌脲酶活性變化及砂柱最終的固化效果。為精確控制注漿過程中細(xì)菌的用量,筆者采用Cheng等[13]的低pH一相注工藝,并在注漿之前進行砂層過濾試驗,確定注漿窗口期,以保證注漿試驗的順利進行。
圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Distribution curve of sand particle size
試驗采用普通石英砂(SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%),其土粒相對密度Gs=2.65。利用去離子水將其洗凈,并在80 ℃的恒溫鼓風(fēng)箱中完全烘干,之后進行顆粒篩分試驗,得到如圖1所示的顆粒級配曲線。該砂中值粒徑D50=0.31 mm,D90=0.35 mm,不均勻系數(shù)Cu=1.35,屬于級配不良的均勻砂。
本試驗采用的細(xì)菌為巴氏芽孢桿菌(SporsacinapasteuriiDSM 33),微生物培養(yǎng)在無菌好氧性培養(yǎng)基中(將200 mL培養(yǎng)基置于1 L燒瓶中,以170 r/min的速度在28 ℃的條件下進行恒溫振蕩),其中包括20 g/L的酵母粉、15 g/L的NH4Cl以及0.1 mol/mL NiCl2,并采用10 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH為9.25。
本研究中,培養(yǎng)好的細(xì)菌濃度OD為3.6±0.2,活性為(24±2)U/mL(1 U/mL指的是每毫升細(xì)菌中所含的脲酶每分鐘能水解1 μmol的尿素)。將細(xì)菌采用去離子水稀釋,得到4組不同濃度的菌液,濃度OD由高到低分別為3.6、1.8、0.9、0.45,對應(yīng)的細(xì)菌活性分別為24 U/mL、12 U/mL、6 U/mL、3 U/mL。為方便對比分析,本文中濃度OD為3.6的細(xì)菌定義為高濃度細(xì)菌,而濃度OD為0.45的細(xì)菌定義為低濃度細(xì)菌。
采用的膠結(jié)液(cementation solution, CS)為等濃度的氯化鈣(CaCl2)/尿素(urea)混合液。試驗過程中控制注漿液中膠結(jié)液的濃度為1 mol/L。
低pH一相漿液(以下簡稱一相漿液)的配制方法與Cheng等[13]的方法相同,具體配制過程如下:(a)用2 mol/L的鹽酸將菌液pH調(diào)至5.0左右;(b)向該pH為5.0的菌液中加入等體積的CS(2 mol/L);(c)用2 mol/L的鹽酸將混合液的pH進一步降低至4.0左右。配制4種不同細(xì)菌濃度的一系列一相漿液,最終的pH約為4,CS濃度為1 mol/L,細(xì)菌濃度OD分別為0.225、0.45、0.9、1.8,相應(yīng)的活性分別為 1.5 U/mL、3 U/mL、 6 U/mL、12 U/mL。值得注意的是,此處的細(xì)菌濃度(活性)特指細(xì)菌和CS混合后一相漿液中的細(xì)菌濃度(活性),由于細(xì)菌和CS等體積混合,故一相漿液中細(xì)菌濃度(活性)為混合前細(xì)菌本身濃度(活性)的一半。除非特殊指出,本文中所提及的細(xì)菌濃度(活性)均指的是未和CS混合前細(xì)菌本身的濃度(活性)。
圖2 注漿裝置示意圖Fig.2 Grouting device in experiment
制備2種砂樣,分別用于微生物過濾試驗和砂柱固化試驗,模具采用內(nèi)徑為29 mm的50 mL聚丙烯針管,并采用飽和夯砂法[23]將砂進行分層夯實,控制干密度為1.60 g/cm3。在針管底部放置一層濾網(wǎng),墊一層厚度為5 mm的粗砂(D50=0.8 mm)作為反濾層。對于每一層待夯砂樣,先加入1.1倍孔隙體積的去離子水,再加入相應(yīng)質(zhì)量的細(xì)砂(通過干密度1.60 g/cm3計算),輕輕振蕩夯實,直到夯實到計算高度,此時水面高度略高于砂面高度,說明砂樣內(nèi)部孔隙趨于完全飽和。
用于微生物過濾試驗的砂樣分2層夯實,總高度為30 mm;固化試驗的砂樣分5層夯實,總高度為80 mm(包含底層5 mm的粗砂)。砂樣頂部采用針管推壓器壓實并固定,針管的底部注射口通過橡膠管與蠕動泵相連。注漿裝置見圖2。
采用一相注方法進行MICP處理時,細(xì)菌能否順利通過砂體內(nèi)部的孔隙通道,很大程度上決定著固化土體強度的均勻性。因此,在注漿之前對含有不同濃度細(xì)菌的一相漿液進行了微生物過濾試驗,以確定注漿窗口期。將已配制好的4組不同細(xì)菌濃度(特指一相漿液中的細(xì)菌濃度,其OD在0.225~1.8之間,定義為M1~M4組)的一相漿液(1.5倍砂層孔隙體積)分別靜置0 min、2 min、4 min、6 min、8 min后,采用蠕動泵以20 mL/min的速率將其從上往下注入30 mm厚的砂層中。收集流出液,立即測量其OD值,以此表征含有不同細(xì)菌濃度的一相漿液靜置不同時間后微生物通過砂層的能力。
為研究細(xì)菌注漿方法在一相注工藝中對微生物加固砂柱效果的影響,試驗基于低pH一相注工藝,在細(xì)菌總量一定的情況下,采用2種不同的細(xì)菌注入方式對砂樣進行了MICP加固處理。如表1所示(砂柱孔隙體積為22 mL),2種不同注菌方式分別指分批次注入低濃度細(xì)菌和CS(A組)和首次注入高濃度細(xì)菌和CS,隨后只注入CS(B~D組)。本試驗設(shè)置一組平行樣以減少偶然誤差,砂樣處理次數(shù)最高為8次,8次處理后,消耗的細(xì)菌和CS量保持一致。
表1 注漿方案Table 1 Grouting methods
注: 一相漿液A:22 mL細(xì)菌和CS混合液,其中細(xì)菌濃度OD為0.225, CS濃度為1 mol/L;一相漿液B:22 mL細(xì)菌和CS混合液,其中細(xì)菌濃度OD為0.45, CS濃度為1 mol/L;一相漿液C:22 mL細(xì)菌和CS混合液,其中細(xì)菌濃度OD為0.9, CS濃度為1 mol/L;一相漿液D:22 mL細(xì)菌和CS混合液,其中細(xì)菌濃度OD為1.8, CS濃度為1 mol/L。以上細(xì)菌濃度特指一相漿液中的細(xì)菌濃度。
試驗過程中,采用蠕動泵將MICP處理液(一相漿液或1 mol/L的CS)從上而下注入砂樣中,并控制注漿速率為20 mL/min。注漿完成24 h后開始下一輪的注漿,待到最后一次注漿結(jié)束,等待24 h并拆模。以上整個過程控制室溫為(25±1)℃。
將拆模得到的固化砂柱采用去離子水沖洗10 min,并靜置20 min,隨后放入60 ℃的恒溫鼓風(fēng)烘箱內(nèi)烘干至質(zhì)量不變?yōu)橹埂ι爸舷聝啥诉M行磨平,制成長徑比為2∶1的樣品。依據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對砂樣進行無側(cè)限抗壓強度(unconfined compression strength, UCS)測試,控制加載速率為1 mm/min,并取峰值應(yīng)力為該試樣的無側(cè)限抗壓強度值。
CaCO3含量的測試采用酸洗法,將壓碎后的試塊分為上、中、下3個部分,分別測量其CaCO3含量,并由此計算整體的CaCO3含量。用4 mol/L的鹽酸溶解樣品,至無氣泡產(chǎn)生為止。酸洗前后砂樣質(zhì)量差即為經(jīng)微生物誘導(dǎo)生成的CaCO3質(zhì)量,試樣CaCO3含量為CaCO3質(zhì)量與酸洗前試樣質(zhì)量的比值,即
(1)
式中:WCaCO3——CaCO3含量;M1——試樣酸洗前的質(zhì)量;M2——試樣酸洗后的質(zhì)量。
一般而言,CS轉(zhuǎn)化效率越高,意味著土體內(nèi)部孔隙被CaCO3填充得更充分,土體最終表現(xiàn)出的力學(xué)性能(強度、抗?jié)B性等)也將更優(yōu)越[24]。圖3統(tǒng)計了不同濃度的細(xì)菌在失活前轉(zhuǎn)化CS的效率。對于S1組,低濃度細(xì)菌(OD為0.45,活性為3 U/mL)能消耗2.23批次1 mol/L的CS(1 mol/L是指MICP處理液中CS的濃度)。當(dāng)細(xì)菌濃度增大至其2倍、4倍和8倍時,分別能消耗4.17、6.07和6.2批次1 mol/L的CS,這說明細(xì)菌濃度的提高能夠誘導(dǎo)生成更多的CaCO3,這與趙茜[17]和Okwadha等[18]的結(jié)論相吻合。試驗中還發(fā)現(xiàn)S1組第二次加入細(xì)菌后,能消耗2.32批次CS,與首批次細(xì)菌消耗的CS總量基本相同,這意味著溶液中前一批次細(xì)菌產(chǎn)生的CaCO3對后一批次細(xì)菌的成礦能力影響不大。當(dāng)細(xì)菌總量相同時,不同細(xì)菌注入方法產(chǎn)生的CaCO3總量S1組>S2組>S3組>S4組(圖4),其中S1組CaCO3生成量約為S4組的2.9倍。這說明相比于高濃度細(xì)菌(OD為3.6,活性為24 U/mL)一次注入的方法,低濃度細(xì)菌(OD為0.45,活性為3 U/mL)分次注入時,單個細(xì)菌體的成礦能力更強,能誘導(dǎo)生成生成更多的CaCO3。
圖3 不同濃度細(xì)菌轉(zhuǎn)化CS的能力Fig.3 Conversion efficiency of CS by different concentration of bacterial
圖4 不同細(xì)菌注漿方法CaCO3總生成量Fig.4 Total CaCO3 productions by different bacterial grouting methods
圖5 不同濃度細(xì)菌脲酶活性變化曲線Fig.5 Curves of urease activity at different concentrations
圖5給出了不同濃度細(xì)菌反應(yīng)過程中脲酶活性與CaCO3沉積量的關(guān)系。從圖5可以看出,在礦化反應(yīng)初期,水溶液中細(xì)菌的脲酶活性與細(xì)菌濃度呈正相關(guān)。由于脲酶活性反映著溶液中的尿素的水解速率,故細(xì)菌濃度越高,溶液中MICP反應(yīng)速率越快,這與Okwadha等[18]得到的結(jié)論一致。試驗結(jié)果進一步顯示:反應(yīng)初期的CaCO3沉積對細(xì)菌活性影響不大,但是在反應(yīng)中后期,當(dāng)沉積的CaCO3達到某一定量時,隨著CaCO3的生成,反應(yīng)速率呈線性下降的趨勢。值得關(guān)注的是,溶液中細(xì)菌濃度越高,該階段反應(yīng)速率下降得越快,這意味著細(xì)菌脲酶活性損失得更多,其成礦能力在迅速減弱。這也是圖4中采用高濃度細(xì)菌注入1次時CaCO3總生成量較低濃度細(xì)菌分次注入時少的原因。
對于研究中產(chǎn)脲酶菌所表現(xiàn)的活性變化規(guī)律,其主要原因是:在礦化反應(yīng)初期,生成的CaCO3附著在細(xì)菌表面,但細(xì)菌未被完全包裹,營養(yǎng)物質(zhì)的輸送基本不受影響,故脲酶活性變化不大。后期隨著CaCO3沉積量的增加,細(xì)菌因被CaCO3完全包裹而死亡,最終失去活性[25]。有研究表明,相比于低濃度細(xì)菌,高濃度的細(xì)菌易集聚或絮凝形成更大尺寸的CaCO3晶體簇[26]。當(dāng)團簇的細(xì)菌被CaCO3完全包裹失活時,其損失的細(xì)菌量更大,這將導(dǎo)致反應(yīng)體系內(nèi)脲酶活性下降得更快。因此,在相同細(xì)菌量的條件下,相比于分次注入低濃度細(xì)菌,一次性注入高濃度細(xì)菌會導(dǎo)致生成的CaCO3總量減小。值得注意的是,試驗中高濃度細(xì)菌(OD為3.6,活性為24 U/mL)在前期反應(yīng)速率出現(xiàn)了一個驟減(圖5中圈出點)再回升的過程,這可能是由于微生物濃度過高,在反應(yīng)過程中細(xì)菌短暫集聚(此時被包裹的細(xì)菌不提供活性)后又分散引起的,這需要后期更為微觀的檢測才能確定。
圖6為含不同濃度細(xì)菌的一相漿液靜置不同時間后通過砂層的情況。從圖6可知,對于低濃度細(xì)菌的一相漿液(M1組,細(xì)菌OD為0.225,活性為1.5 U/mL),靜置0~8 min后注入砂層,其流出液中細(xì)菌剩余量變化不大,約占細(xì)菌總量的40%~80%。當(dāng)細(xì)菌濃度增至其2倍(OD為0.45)和4倍(OD為0.9)時,同樣表現(xiàn)出此規(guī)律。這說明一相漿液中細(xì)菌濃度OD未超過0.9時,pH降至4至少能夠提供8 min的注漿窗口期,在此期間細(xì)菌絮凝現(xiàn)象并不明顯,且MICP反應(yīng)比較緩慢,細(xì)菌能夠順利通過砂體內(nèi)部的孔隙通道。當(dāng)一相漿液(M4組,細(xì)菌OD為1.8,活性為12 U/mL)細(xì)菌濃度增至M1組的8倍時,流出液中細(xì)菌剩余量呈現(xiàn)“基本不變-急劇減小-穩(wěn)定在極小值-激增”的規(guī)律,急劇減少的原因是由于高濃度細(xì)菌前期大量絮凝,無法通過砂體孔隙通道,但是一段時間后,MICP反應(yīng)開始變得劇烈,流出液中含大量CaCO3微晶,導(dǎo)致流出液OD值激增,此時的OD值已無法表征細(xì)菌濃度。圖7是含低濃度細(xì)菌(OD為0.225,活性為1.5 U/mL)和高濃度細(xì)菌(OD為1.8,活性為12 U/mL)的一相漿液靜置8 min后流出液的對比圖,可看出前者流出液依然澄清,而后者由于含CaCO3微晶的緣故,已十分渾濁。這說明對于8倍濃度的細(xì)菌,其窗口期只能夠達到2 min。
圖6 流出液中細(xì)菌剩余量隨靜置時間的變化Fig.6 Residual bacteria in effluent with different waiting time
圖7 M1組和M4組靜置8 min后流出液濁度對比Fig.7 Comparison of turbidity of effluent from group M1 and group M4 after 8-minute waiting
本研究的砂柱固化試驗,在一相漿液配制完成后(0 min)立即開始進行注漿,故對于含各濃度細(xì)菌的一相漿液,不會發(fā)生因細(xì)菌絮凝而使微生物無法通過砂體孔隙通道的現(xiàn)象。值得注意的是:本節(jié)中細(xì)菌濃度(活性)特指一相漿液中的細(xì)菌濃度(活性)。
4.3.1 CaCO3含量分布
在MICP實際工程應(yīng)用中,CaCO3在土體內(nèi)分布是否均勻是評估注漿可行性及固化效果好壞的重要指標(biāo),圖8給出了采用不同細(xì)菌注漿方法固化形成的砂柱(處理次數(shù)為4、6、8)其CaCO3的分布情況??梢钥闯?,在細(xì)菌總量一定的情況下,相比于D組(即細(xì)菌OD為3.6,活性為24 U/mL,一次注入細(xì)菌),A組(即細(xì)菌OD為0.45,活性為3 U/mL,分次注入細(xì)菌)砂柱其CaCO3分布更為均勻,砂柱沿高度方向CaCO3含量的差異基本不超過1%。Qabany等[27]采用濃度為0.1~1 mol/L的CS對砂柱進行膠結(jié)時,發(fā)現(xiàn)高濃度CS(1 mol/L)處理后的砂柱同樣會表現(xiàn)出CaCO3分布不均的現(xiàn)象。這是由于反應(yīng)前期,在高濃度細(xì)菌或CS環(huán)境下,過快的尿素水解速率會導(dǎo)致CaCO3晶體大量沉積,使得砂體內(nèi)部孔隙通道發(fā)生局部堵塞,影響注漿液的正常滲流,進而使得后續(xù)反應(yīng)生成的CaCO3無法均勻沉積。因此,采用高濃度菌液或CS溶液處理土體時,易導(dǎo)致土體內(nèi)CaCO3分布不均,對MICP固化效果產(chǎn)生不利的影響。
4.3.2 無側(cè)限抗壓強度
將各組固化程度CaCO3含量相近(13%±1%)的砂柱進行無側(cè)限抗壓強度對比(圖9)。由圖9可知,在CaCO3含量基本相同的情況下,各組砂柱無側(cè)限抗壓強度值從大到小為:A組、B組、C組、D組。這說明當(dāng)細(xì)菌注入的總量一定時,低濃度細(xì)菌分次注入固化形成的砂柱其土力學(xué)抗壓性能要優(yōu)于其他組,且首次注入的細(xì)菌濃度越大,砂柱的無側(cè)限抗壓強度越低。例如:A組(即細(xì)菌OD為0.45,活性為3 U/mL,分次注入細(xì)菌)砂柱無側(cè)限抗壓強度達到D組(即細(xì)菌OD為3.6,活性為24 U/mL,一次注入細(xì)菌)的2.5倍。
圖9 不同注漿方法下砂柱無側(cè)限抗壓強度對比Fig.9 Comparison of UCS of sand columns with different grouting methods
Cheng等[28]通過SEM觀測結(jié)果指出:在CaCO3晶體形成的過程中,低濃度的細(xì)菌由于成核位點少,在CaCO3晶體成核-生長的競爭當(dāng)中,晶體生長占主要優(yōu)勢,因此易生成顆粒較大的CaCO3晶體,并填充在砂顆??紫懂?dāng)中;而高濃度的細(xì)菌由于細(xì)菌量大,成核位點多,CaCO3晶體成核占主要優(yōu)勢,反應(yīng)易生成大量微小的CaCO3晶體顆粒,并附著在砂顆粒表面,形成薄薄的CaCO3晶體層,且難以填充砂顆粒間的孔隙。因此,低濃度細(xì)菌誘導(dǎo)生成的CaCO3晶體顆粒在砂顆粒間能夠起到更有效的連接作用,進而使砂體表現(xiàn)出更優(yōu)的力學(xué)性能。試驗結(jié)果表明:在工程實踐中,采用低濃度細(xì)菌(OD為0.45,活性為3 U/mL)分次注入的方法能夠更加高效地提高土體的無側(cè)限抗壓強度。這能一定程度上減少注漿液的用量,節(jié)約經(jīng)濟成本。值得注意的是,用于處理土體的細(xì)菌其濃度不能過低,這會使得CS無法完全轉(zhuǎn)化為CaCO3,造成反應(yīng)物(尿素和氯化鈣)的浪費。
a. 在細(xì)菌總量一定的條件下,探究了分次注入低濃度細(xì)菌和一次性注入高濃度細(xì)菌對MICP一相注工藝的影響。主要從CaCO3生成量、脲酶活性變化、注漿窗口期及砂柱固化特性幾個方面綜合評價了2種注漿方法的可行性及加固效果。試驗結(jié)果表明:相比于高濃度細(xì)菌(OD為3.6,活性為24 U/mL)一次注入的方法,將低濃度細(xì)菌(OD為0.45,活性為3 U/mL)分次注入效果更好,其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點:(a)低濃度細(xì)菌(OD為0.45,活性為3 U/mL)在反應(yīng)過程中活性下降更慢,當(dāng)細(xì)菌總量相同時,低濃度細(xì)菌分次注入能夠產(chǎn)生更多的CaCO3;(b)低濃度細(xì)菌(OD為0.45,活性為3 U/mL)不易發(fā)生絮凝,能夠提供更長的注漿窗口期;(c)在CaCO3含量接近的情況下,相對于高濃度細(xì)菌(OD為3.6,活性為24 U/mL),低濃度細(xì)菌(OD為0.45,活性為3 U/mL)在反應(yīng)過程中能夠形成顆粒更大的CaCO3晶體,且更為有效地填充在砂顆粒孔隙中。因此分批次注入低濃度細(xì)菌(OD為0.45,活性為3 U/mL)能夠顯著提高固化砂柱的無側(cè)限抗壓強度。
b. 在保證固化效果的情況下,能夠有效減少細(xì)菌和膠結(jié)液的用量,降低經(jīng)濟成本,這為今后MICP技術(shù)在地基加固領(lǐng)域中的實際應(yīng)用提供了一定的參考價值。但是細(xì)菌濃度過低可能會出現(xiàn)膠結(jié)液殘留和反應(yīng)速率過慢等現(xiàn)象,因此,在以后的研究和實際工程當(dāng)中,需要確定最低細(xì)菌濃度,從而在滿足工程應(yīng)用的同時獲得較好的固化效果和經(jīng)濟效益。