余 夢，張家銘，周 楊，孫狂飆

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地質(zhì)探測與評估教育部重點實驗室，武漢 430074； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074； 3.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，合肥 230088)

1 研究背景

膨脹土是一種主要由蒙脫石和伊利石等親水性礦物組成的黏性土，在世界范圍內(nèi)分布廣泛，其具有的強脹縮性、易崩解性、多裂隙性往往會對工程建設(shè)產(chǎn)生較大危害。在預(yù)防和處治膨脹土病害方面，目前主要通過物理法或化學(xué)改良法對土體進(jìn)行處理。物理法包括機械施工和混合填料等方式，耗費大量人力物力，施工成本較高；化學(xué)改良法是最常見的土體改良方法，通常以外摻石灰、水泥或其他材料與土體進(jìn)行化學(xué)膠結(jié)，但也存在外加劑拌和質(zhì)量不易控制、污染土壤生態(tài)環(huán)境等問題。傳統(tǒng)的膨脹土改良技術(shù)在實際工程中應(yīng)用廣泛，但很難有一種方法同時滿足時效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等要求，因此，尋找新型膨脹土改良技術(shù)是工程界的現(xiàn)實需求。

表1 土體基本物理力學(xué)性質(zhì)

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation，簡稱MICP)技術(shù)通過反應(yīng)生成具有優(yōu)異膠結(jié)性能的碳酸鈣來填充土體孔隙、膠結(jié)土顆粒，以達(dá)到改善土體性能的效果，因其能耗少、污染小、反應(yīng)可控等優(yōu)點而廣泛用于材料、環(huán)境、巖土工程等領(lǐng)域。早期MICP技術(shù)主要用于粗粒土加固試驗研究，Whiffin等[1]首先提出采用微生物沉淀碳酸鈣技術(shù)膠結(jié)松散砂顆粒，以提高砂土的強度和剛度等宏觀力學(xué)性質(zhì)。Harkes等[2]提出分步注射細(xì)菌液和高鹽含量固定液的方法以增加細(xì)菌的吸附數(shù)量，從而提高碳酸鈣的沉積效率，對工程應(yīng)用有著極為重要的意義。Van Paassen等[3]進(jìn)行現(xiàn)場原位砂基加固試驗研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)灌漿加固后砂基內(nèi)碳酸鈣的生成量達(dá)到110 kg/m3，且砂樣單軸抗壓強度、平均剪切波速均有提高，證明微生物灌漿有效改善了砂基的力學(xué)性能。近年來微生物加固細(xì)粒土研究也有所進(jìn)展，Soon等[4]利用MICP技術(shù)進(jìn)行殘積粉土和砂土的固化試驗，對比研究認(rèn)為粉土比砂土具有更多顆粒間點與點的接觸，更有利于固化土體強度的提高。邵光輝等[5]分析了一維注漿固化粉土試驗中注漿菌液配比、膠結(jié)液濃度對細(xì)菌和反應(yīng)產(chǎn)物沿程分布特性的影響，認(rèn)為細(xì)菌分布均勻性是土體固化均勻性的關(guān)鍵。彭劼等[6]通過對有機質(zhì)黏土進(jìn)行MICP壓力灌漿試驗，分析灌漿前后試樣有機質(zhì)含量、無側(cè)限抗壓強度、滲透系數(shù)的變化，證實MICP技術(shù)加固有機質(zhì)黏土是有效的。沈泰宇等[7]利用MICP技術(shù)對重慶砂質(zhì)黏性紫色土進(jìn)行試驗研究，分析了土體灌漿過程中干密度、無側(cè)限抗壓強度、割線彈性模量、滲透性的變化規(guī)律，認(rèn)為該技術(shù)能有效改善紫色土的力學(xué)性能和滲透性。

上述研究已經(jīng)證實微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀能有效提高土體強度和降低導(dǎo)水率。但目前針對MICP技術(shù)用于膨脹土改性方面的研究應(yīng)用還較少，其可行性、改性效果及機理等仍欠深入研究。

本文通過外加巴氏芽孢八疊球菌并選取不同濃度的膠結(jié)液對膨脹土進(jìn)行微生物灌漿試驗，驗證MICP技術(shù)用于膨脹土改性的可行性，研究膠結(jié)液濃度對灌漿后試樣的鈣離子固定率、力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、膨脹性以及滲透性等方面的影響，揭示MICP技術(shù)改性膨脹土的作用機理。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用土取自安徽省沿江高速公路某路段邊坡，土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1，顆粒級配曲線如圖1所示。試驗結(jié)果表明該土具有中等膨脹性，屬于中高液限黏土。

圖1 試驗土樣顆粒級配曲線

2.2 微生物培育繁殖

試驗選用的脲酶菌種為巴氏芽孢八疊球菌(Sporosarcina pasteurii)，購于美國菌種保藏中心，編號為ATCC11859，該細(xì)菌無毒無害，可在生長代謝過程中產(chǎn)生大量的脲酶，催化促進(jìn)尿素的水解。購置的菌種為凍干粉狀，保存在真空干燥的安甑瓶內(nèi)，使用時需要進(jìn)行打管活化培養(yǎng)。試驗培養(yǎng)液成分如表2所示，調(diào)節(jié)pH值至7.3。通過對巴氏芽孢八疊球菌的活化與培養(yǎng)，得到大量高活性的細(xì)菌菌液，用于后續(xù)灌漿反應(yīng)中。

表2 細(xì)菌培養(yǎng)液成分

2.3 土樣的制備

用于微生物灌漿的試樣為重塑樣，選用直徑為63 mm、高140 mm的透明PVC管進(jìn)行制備。試樣分為7組，制備流程：①將膨脹土風(fēng)干碾碎后過2 mm的篩網(wǎng)以去除粗顆粒；②PVC管底部用帶導(dǎo)管的橡膠塞封堵，并墊上一層土工布；③稱取一定量篩分后的土樣倒入PVC管中，使土樣高度距離管口20 mm左右，再次墊上土工布，頂部也用帶導(dǎo)管的橡膠塞封緊。

2.4 膠結(jié)液的配制

試驗采用的灌漿膠結(jié)液為氯化鈣(CaCl2)-尿素(urea)的混合溶液，試樣編號及對應(yīng)膠結(jié)液濃度如表3所示。其中尿素為微生物的生長提供氮源和能量來源，氯化鈣為反應(yīng)提供鈣源。

表3 試樣編號及膠結(jié)液濃度

3 試驗內(nèi)容

3.1 試驗裝置及灌漿工藝

MICP技術(shù)改性膨脹土的壓力灌漿試驗裝置結(jié)構(gòu)見圖2，實際灌漿情況見圖3。

圖2 試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 試驗灌漿實物

采用從上至下、從下至上交替灌漿的方式，利用透明硅膠管將PVC管兩端進(jìn)出液口與蠕動泵等部分依次連接，然后取等濃度等體積100 mL菌液分別以5 mL/min的速率泵入試樣，菌液加注完成后將PVC管于30 ℃恒溫箱中靜置養(yǎng)護(hù)10 h，以保證菌液的充分固定，接著同方向灌入等體積100 mL不同濃度的膠結(jié)液，同樣進(jìn)行恒溫養(yǎng)護(hù)10 h。第2次灌漿交換進(jìn)出液口連接順序，菌液和膠結(jié)液反方向流經(jīng)土樣，目的是使生成的碳酸鈣在整段試樣中分布較均勻。

按上述步驟進(jìn)行連續(xù)灌漿，直至灌漿過程中菌液和膠結(jié)液無法灌入即停止試驗，試驗共計灌漿12次。

3.2 鈣離子含量測定及微觀結(jié)構(gòu)測試

試驗采用鹽酸滴定法測定灌漿處理后各試樣生成碳酸鈣的含量。取各組灌漿后的試樣進(jìn)行烘干，壓碎并研磨成粉末，用去離子水反復(fù)沖洗若干次，烘干并稱重。然后加入過量鹽酸進(jìn)行滴定反應(yīng)至完全無氣泡產(chǎn)生。再次用去離子水沖洗，目的是洗去新生成的氯化鈣。最后再次進(jìn)行烘干、稱重，2次稱重的差值即為生成的碳酸鈣質(zhì)量。

采用Phenom Pro臺式掃描電子顯微鏡對灌漿處理后的試樣進(jìn)行SEM電鏡掃描，分析各試樣的微觀結(jié)構(gòu)特性。

3.3 主要土工試驗

主要土工試驗包括無側(cè)限抗壓強度試驗、膨脹力試驗、滲透性試驗，均按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[8]進(jìn)行測定。

通過無側(cè)限抗壓強度試驗得出灌漿處理后各土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并分析其力學(xué)性能的變化情況。膨脹力是反映黏性土膨脹特性的量化指標(biāo)之一，對灌漿處理后的各試樣進(jìn)行膨脹力測試。對灌漿處理后的各試樣進(jìn)行變水頭滲透試驗，通過測量并計算得到各土樣的滲透系數(shù)。

4 試驗結(jié)果

4.1 鈣離子固定率

巴氏芽孢八疊球菌主要通過誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀來加固土體，因此碳酸鈣生成量是評價微生物固化效果的重要指標(biāo)之一。

圖4 灌漿后試樣鈣離子固定率

試驗以各試樣碳酸鈣的生成量與灌漿后各試樣質(zhì)量的比值為鈣離子固定率，不同濃度膠結(jié)液灌漿處理后試樣鈣離子固定率如圖4所示。

圖4中試樣1未發(fā)現(xiàn)碳酸鈣的存在，試樣2—試樣7均生成碳酸鈣，且鈣離子固定率依次為2.44%、4.03%、6.48%、7.62%、8.52%、8.92%，由此可見隨著膠結(jié)液濃度增加，鈣離子固定率增大；當(dāng)濃度增加到一定程度時，鈣離子固定率變化趨于平緩，說明微生物灌漿反應(yīng)固定碳酸鈣的能力有限。

4.2 力學(xué)性能

圖5為灌漿后試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中未膠結(jié)的膨脹土試樣1無側(cè)限抗壓強度峰值為42.2 kPa，經(jīng)膠結(jié)反應(yīng)后的膨脹土試樣2—試樣7的無側(cè)限抗壓強度峰值分別為100.3、152.1、162.2、181.5、196.4、202.3 kPa，相較未膠結(jié)的膨脹土樣分別提高了137.6%、260.4%、284.4%、330.0%、365.4%、379.4%。

圖5 灌漿后各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖5可知，當(dāng)膠結(jié)液濃度較低時，試樣的無側(cè)限抗壓強度增幅相對較大，隨著膠結(jié)液濃度的增加，試樣無側(cè)限抗壓強度增幅逐漸變小。另一方面，隨著膠結(jié)液濃度的增加，試樣的峰值強度對應(yīng)應(yīng)變大致呈減小的趨勢，試樣的割線彈性模量增大，土體的剛度提高。

4.3 微觀形貌分析

圖6為灌漿處理前后各試樣的電鏡掃描(Scanning Electron Microscope，SEM)圖像。

圖6 灌漿前后試驗土樣的微觀結(jié)構(gòu)

由圖6(a)可見，未經(jīng)處理的土樣呈單粒結(jié)構(gòu)，黏土礦物顆粒表面呈卷曲狀，為蒙脫石、伊利石的典型特征。此外，黏土礦物顆粒間孔隙發(fā)育，未見碳酸鈣晶體的存在。觀察灌漿反應(yīng)后的土樣發(fā)現(xiàn)有碳酸鈣生成(見圖6(b))，進(jìn)一步驗證了MICP用于膨脹土的可行性。試驗過程中發(fā)現(xiàn)生成的碳酸鈣在土體中分布并不均勻，其中一部分碳酸鈣存在于土體孔隙內(nèi)，起到充填孔隙的作用，另一部分以碳酸鈣晶體的形式附著在黏土礦物顆粒表面，起到膠結(jié)土顆粒的作用。由圖6(c)和圖6(d)可以看出碳酸鈣晶體呈規(guī)則的球狀和棱柱狀，并具有片狀的斜六方晶格結(jié)構(gòu)(圖6(e))。同時，在圖6(f)新生成的方解石晶體中可以看到明顯的孔洞，這些孔洞可能是由于微生物占位殘留而形成的。

4.4 膨脹性

圖7為灌漿后各試樣的膨脹力時程變化曲線。

圖7 各試樣的膨脹力隨時間變化曲線

由圖7可知，隨著時間增加，各試樣的膨脹力均呈先陡增后緩增最后逐漸穩(wěn)于定值的趨勢。其中試樣1膨脹力最大，隨著膠結(jié)液濃度的增加，試樣的膨脹力逐漸減小，膨脹力最高可減少25.3 kPa。當(dāng)膠結(jié)液濃度達(dá)到0.8 mol/L(試樣5)后膨脹力變化甚小，說明膠結(jié)液達(dá)到一定濃度時，膠結(jié)反應(yīng)對改善土體膨脹性的效果不明顯。此外，丁振洲等[9]曾將膨脹土膨脹過程分為2部分：晶格擴張與顆粒(集聚體)間擴大。只有當(dāng)晶格擴張完成后，才進(jìn)行顆粒間擴大，且前者往往在膨脹力中占比較大。因此，可以認(rèn)為膨脹力曲線陡增部分為晶格擴張膨脹力，緩增部分為顆粒間擴張膨脹力。將試驗在0～400 min內(nèi)土體膨脹力變化作為其晶格膨脹力，400 min后至土體膨脹力基本穩(wěn)定這一階段土體膨脹力變化作為其顆粒間膨脹力。

圖8 膨脹力隨膠結(jié)液濃度變化曲線

圖8上方和下方2條虛線分別代表晶格膨脹力pj與顆粒間膨脹力pk隨膠結(jié)液濃度變化關(guān)系，實線代表試驗測得的自然膨脹力ps，其大小為晶格膨脹力pj與顆粒間膨脹力pk之和。由圖8可知膠結(jié)液濃度一定時，試樣的膨脹力以晶格膨脹力為主，隨著濃度的增加，晶格膨脹力的主導(dǎo)地位明顯減弱，但始終存在晶格膨脹力大于顆粒間膨脹力的現(xiàn)象。

4.5 滲透性

對灌漿膠結(jié)后的試樣進(jìn)行變水頭滲透試驗，利用達(dá)西公式計算得到各試樣滲透系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 不同膠結(jié)液濃度下試樣滲透系數(shù)及變化

由表4可知較高濃度膠結(jié)液灌漿的試樣相比低濃度灌漿試樣滲透系數(shù)變化更小，試樣1—試樣7最終滲透系數(shù)依次為10.32×10-7、4.21×10-7、2.78×10-7、0.95×10-7、0.12×10-7、0.03×10-7、0.01×10-7m/s，試樣滲透系數(shù)最大降低了3個數(shù)量級。該膨脹土室內(nèi)土工試驗得到的滲透系數(shù)為1.96×10-7m/s，當(dāng)膠結(jié)液濃度達(dá)到0.6 mol/L，試樣滲透系數(shù)開始小于膨脹土室內(nèi)土工試驗測得的滲透系數(shù)，說明微生物膠結(jié)試驗降低了膨脹土的滲透性。

5 機理分析

試驗表明，微生物灌漿后膨脹土的力學(xué)性能和水理特性等方面有明顯改善，其改性機理分析如下。

5.1 反應(yīng)原理

試驗利用產(chǎn)脲酶菌分泌脲酶使尿素發(fā)生水解，在堿性環(huán)境里產(chǎn)生NH4+和CO32-，微生物表面帶負(fù)電荷，吸引環(huán)境中的Ca2+，反應(yīng)生成具有膠結(jié)性能的碳酸鈣晶體。較高的脲酶活性有利于尿素的迅速水解，進(jìn)而有利于膠結(jié)產(chǎn)物的迅速生成。脲酶分解尿素的基本反應(yīng)方程式為：

(1)

式中Cell為細(xì)胞，在整個反應(yīng)過程中，產(chǎn)脲酶菌一方面產(chǎn)生脲酶促進(jìn)尿素水解，另一方面為碳酸鈣晶體提供成核位點。反應(yīng)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體能夠填充土體內(nèi)部孔隙和膠結(jié)土顆粒，進(jìn)而達(dá)到改善土體性能的效果。

5.2 影響因素機理分析

通過對膨脹土試樣進(jìn)行微生物灌漿試驗，反應(yīng)生成碳酸鈣使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而對灌漿后試樣的強度、微觀結(jié)構(gòu)、膨脹性及滲透性等方面產(chǎn)生影響。

改性膨脹土力學(xué)性能方面，一般認(rèn)為MICP固化過程中碳酸鈣含量與土體強度呈正相關(guān)[10]，提高土體碳酸鈣含量認(rèn)為是改善土體力學(xué)性能的有效方法。土體剛度方面，在壓力作用下土體原有的孔隙逐漸減小甚至閉合，結(jié)構(gòu)變得密實，進(jìn)而使土體的次生結(jié)構(gòu)開始發(fā)揮作用[11]，由于碳酸鈣的剛度比土骨架的剛度更大，隨著碳酸鈣含量的增加，土體的剛度增大。

土體膨脹性方面，由于細(xì)菌固定鈣離子的能力有限，膠結(jié)液中存在的一部分Ca2+作為高價陽離子可置換膨脹土顆粒所吸附的低價陽離子K+、Na+等，減小土顆粒擴散層厚度，使土顆粒之間的黏結(jié)力增大(阻礙了顆粒間擴張)，以此來降低膨脹土的親水性、分散性和脹縮性。另一方面,生成的碳酸鈣使得土體蒙脫石、伊利石等強親水性礦物的相對含量降低，同時由于碳酸鈣對土顆粒的包裹作用，影響了土顆粒與水的接觸(阻礙了晶格擴張)，而碳酸鈣本身對水的作用不敏感，由此抑制了土體的膨脹性。

土體滲透性方面，已有研究認(rèn)為膨脹土浸水過程可以分為3個階段：①土體浸水使水分子填充土顆粒之間的孔隙，體積減小;②水的進(jìn)一步滲入引起土粒膨脹，體積增大;③當(dāng)膨脹達(dá)到峰值點后試樣發(fā)生壓縮變形。Hill等[11]發(fā)現(xiàn)MICP固化過程中生成的方解石晶體，能有選擇性地聚集或膠結(jié)周圍環(huán)境的顆粒物，填塞具有滲透性的有孔介質(zhì)，提高其防滲性能。一方面反應(yīng)生成碳酸鈣的包裹作用可以減少土-水之間的接觸，從而使膨脹土浸水入滲過程的第①、②階段減緩；另一方面，碳酸鈣的充填可以降低土樣孔隙的尺寸，使得膨脹土的孔喉半徑減小，滲透性降低，且碳酸鈣的生成使膨脹土中的黏粒含量降低，土粒膨脹引起的土體滲透系數(shù)變化減小。隨著膠結(jié)液濃度的增大，試樣碳酸鈣的含量增加，前述效應(yīng)越發(fā)明顯。在碳酸鈣含量較低的情況下，土體吸水膨脹充分，水分子進(jìn)入引起土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響相對較大，土體的滲透系數(shù)及其變化更大。而對碳酸鈣含量較高的試樣來說，其黏粒含量相對較低，水分子的進(jìn)入引起土體結(jié)構(gòu)變化較小，更多的是碳酸鈣的包裹和膠結(jié)作用引起滲流通道堵塞，土體滲流通道減少，試樣滲透系數(shù)及其變化相應(yīng)更小。

土體微觀結(jié)構(gòu)方面，菌液中存在大量細(xì)菌體及其新陳代謝產(chǎn)生的有機質(zhì)，有機質(zhì)表面的兩性基團(tuán)以及細(xì)菌表面可作為晶體生長位點。巴氏芽孢八疊球菌在新陳代謝過程中產(chǎn)生的脲酶能將尿素分解，生成NH4+和CO32-，由于細(xì)菌表面帶負(fù)電荷，會吸引溶液中的Ca2+在其表面進(jìn)行吸附，細(xì)菌作為反應(yīng)的成核位點，在其周圍形成具有膠結(jié)作用的碳酸鈣結(jié)晶。碳酸鈣晶體形態(tài)的差異主要是由于方解石晶體在生長過程中的環(huán)境不同而形成的，已有研究表明碳酸鈣晶體的形貌受多方面因素調(diào)控，菌液濃度和膠結(jié)液濃度對碳酸鈣晶體的形貌起主要作用。本試驗控制菌液濃度適宜且相同，對碳酸鈣晶型變化無明顯影響，膠結(jié)液濃度對碳酸鈣晶型的影響為：當(dāng)尿素濃度較高時，形成的主要是球霰石和無定型碳酸鈣；當(dāng)尿素濃度較低時，生成的多為方解石。晶體表面產(chǎn)生的孔洞主要是由于反應(yīng)過程中碳酸鈣圍繞菌體包裹生長的微生物占位殘留導(dǎo)致的。

由上述反應(yīng)原理可知，隨著膠結(jié)液濃度的增大，反應(yīng)分解的尿素越多，試樣生成和固定的碳酸鈣量越大，對膨脹土試樣的力學(xué)性能、膨脹性和滲透性改善效果越好。而后續(xù)膠結(jié)液濃度繼續(xù)增大，改善效果不明顯，可能是由于土體固定細(xì)菌數(shù)量有限，導(dǎo)致參與反應(yīng)的脲酶數(shù)量有限；另一方面可能是由于較高濃度膠結(jié)液引起微生物礦化反應(yīng)迅速發(fā)生，土顆粒間接觸處形成碳酸鈣薄層，導(dǎo)致后續(xù)生成的碳酸鈣無法進(jìn)入顆粒間孔隙，影響其在土粒間的進(jìn)一步固定，引起灌漿效果改善不明顯。

6 結(jié) 論

(1)MICP技術(shù)用于膨脹土改性是有效的，其反應(yīng)明顯生成了碳酸鈣，灌漿試驗對膨脹土的力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)及水理特性有顯著影響，且一定范圍內(nèi)膨脹土的改性效果與試驗?zāi)z結(jié)液濃度呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)灌漿膠結(jié)后試樣力學(xué)性能有所提高，一定范圍內(nèi)隨著膠結(jié)液濃度的增大，試樣的無側(cè)限抗壓強度、剛度增加，無側(cè)限抗壓強度最高可達(dá)202.3 kPa，隨著膠結(jié)液濃度繼續(xù)增大，試樣單軸抗壓強度的增幅逐漸減小。

(3)灌漿使試樣的膨脹性有所改善，隨膠結(jié)液濃度的增加，膨脹土的膨脹力逐漸減弱，膨脹力最高可減少25.3 kPa，膠結(jié)液濃度較高時膨脹力增幅較小。

(4)土體滲透性隨膠結(jié)液濃度的增大而降低，試驗過程中土體的滲透系數(shù)最大減少3個數(shù)量級，且隨著膠結(jié)液濃度增加，土體由于土粒膨脹引起的滲透系數(shù)變化越小。