許鵬旭， 冷勐， 彭劼， 衛(wèi)仁杰

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 南京 210098)

近年來，南海群島的開發(fā)是中國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略中的核心環(huán)節(jié)。在實(shí)際島礁工程的建造過程中，地基土體的顆粒形狀、建材的運(yùn)輸費(fèi)用、海域環(huán)境影響等問題都值得關(guān)注[1-3]。傳統(tǒng)的地基固化技術(shù)中，真空預(yù)壓和化學(xué)灌漿等固化方法較為常用[4-5]，但普遍存在工期長(zhǎng)、能耗大、成本高、污染環(huán)境等不足[6-7]，環(huán)境污染問題較為嚴(yán)重。其中，化學(xué)灌漿技術(shù)應(yīng)用廣泛，主要以水泥作為材料，20世紀(jì)70年代日本福岡中毒事件以后，化學(xué)漿體的毒性不容忽視。南海珊瑚島礁遠(yuǎn)離大陸，建造開發(fā)人工島中，大面積使用化學(xué)漿體會(huì)對(duì)周圍海域的生物、地質(zhì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。考慮到南海海域生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性、安全性等因素，需要研究和發(fā)展毒性較小的土體加固方法，而微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(microbially induced carbonate precipitation，MICP)由于具有污染小、能耗低、環(huán)境友好等特點(diǎn)，受到了中外學(xué)者的廣泛的關(guān)注[8-10]。

MICP是一種由特定細(xì)菌的代謝產(chǎn)物與周圍環(huán)境中的物質(zhì)合成碳酸鈣晶體的過程，本質(zhì)上是微生物的礦化作用[11-13]。在MICP加固砂土的過程中，主要通過生成的沉淀物與砂顆粒之間發(fā)生反應(yīng)，最終使整體砂樣膠結(jié)成型。將MICP技術(shù)用于加固南海珊瑚砂時(shí)，首先要考慮加固后土體強(qiáng)度的問題。目前，眾多學(xué)者研究了MICP技術(shù)加固珊瑚砂后試樣的強(qiáng)度，加固后的強(qiáng)度不盡相同。鄭俊杰等[14]通過對(duì)3種粒徑級(jí)配的鈣質(zhì)砂進(jìn)行微生物固化，測(cè)定了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、比重和碳酸鈣含量等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂土骨架差異性以及碳酸鈣分布均勻性是微生物固化鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度離散性主要決定因素。朱紀(jì)康等[15]研究了不同鈣源和膠結(jié)液濃度等變量對(duì)MICP加固過程的影響，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到3.42 MPa。劉家明等[16]在不同濃度的鹽溶液環(huán)境下進(jìn)行了MICP的細(xì)菌加固試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加固后砂樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨NaCl濃度的提高而降低。張國城等[17]引入鎂離子，在不同鈣鎂離子濃度比下進(jìn)行了MICP加固試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在鈣離子與鎂濃度比為0.1∶0.4時(shí),砂樣的強(qiáng)度獲得最大值，試樣的最高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.26 MPa。方祥位等[18]經(jīng)過多輪固化珊瑚砂后，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)到14 MPa。還有學(xué)者針對(duì)MICP在島礁工程的應(yīng)用方面開展了一系列研究。李昊等[19]在模擬海水環(huán)境中開展了珊瑚砂加固試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MICP技術(shù)能夠適應(yīng)海水環(huán)境并且加固效果得到了成倍的提高。楊司盟等[20]考慮將濃縮海水作為原料應(yīng)用于MICP加固島礁地基技術(shù)，將3倍濃縮海水作為鈣源溶液，加固后砂柱無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)653 kPa。劉漢龍等[21]進(jìn)行了人工吹填島礁鈣質(zhì)砂地基現(xiàn)場(chǎng)微生物加固試驗(yàn)，最終獲得了70 cm加固深度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)821 kPa的加固效果。同時(shí)，也有眾多學(xué)者深入研究了關(guān)于珊瑚砂水泥砂漿的材料配比、強(qiáng)度等特性[22-24]，但其與MICP試樣的對(duì)比研究需要進(jìn)一步研究。由于MICP試樣的強(qiáng)度主要依靠反應(yīng)過程中碳酸鈣晶體的膠結(jié)作用，碳酸鈣晶體與土顆粒間的連接形式與水泥砂漿相似，因此對(duì)MICP技術(shù)加固珊瑚砂和傳統(tǒng)水泥加固珊瑚砂進(jìn)行力學(xué)特性對(duì)比研究具有一定的理論價(jià)值和工程意義。為此，根據(jù)試樣中不同的碳酸鈣/水泥含量，對(duì)MICP試樣與水泥固化砂柱進(jìn)行了對(duì)比，分析了兩者的破壞形式和應(yīng)力應(yīng)變曲線，并通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)技術(shù)，從微觀角度比較了兩種砂樣微觀結(jié)構(gòu)的差異性，為MICP技術(shù)加固砂樣與水泥膠結(jié)砂樣的強(qiáng)度特性研究提供了參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 砂樣制備

本試驗(yàn)采用中國南海珊瑚砂進(jìn)行砂柱加固試驗(yàn)，珊瑚砂主要化學(xué)成分為碳酸鈣，砂樣顆粒級(jí)配如圖1所示。根據(jù)圖1計(jì)算得到該砂樣不均勻系數(shù)為4.06，曲率系數(shù)為1.50。由于珊瑚砂存在較多小孔隙，砂樣初始干密度約為1.45 g/cm3。

圖1 砂樣的顆粒級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)?zāi)＞?/h3>

為了對(duì)比珊瑚砂水泥砂漿試樣和MICP固化后的試樣的強(qiáng)度區(qū)別，試驗(yàn)采用相同尺寸的有機(jī)玻璃模具。形狀為圓柱筒體，內(nèi)徑50 mm，高130 mm，壁厚5 mm，筒體中間開縫，由兩塊對(duì)稱的瓣膜組成，底部用底座固定。底座高60 mm，內(nèi)徑60 mm，壁厚5 mm，底座中部橫有3 mm厚的隔板，板上設(shè)有用于排水的圓形孔洞，小孔孔徑4 mm。

1.3 細(xì)菌的培育生長(zhǎng)

試驗(yàn)選用的細(xì)菌為巴氏芽孢桿菌(美國國家菌種庫編號(hào)：ATCC11859)，接種細(xì)菌后，將培養(yǎng)基混合液置于震蕩培養(yǎng)箱中(35 ℃，121 r/min)培養(yǎng)12 h，測(cè)定細(xì)菌濃度及脲酶活性后使用。菌液的OD600值(即600 nm波長(zhǎng)處吸光值，反映菌液的濃度)為1.120；將細(xì)菌菌液與1.1 mol/L尿素溶液按照體積比為1∶9進(jìn)行混合后，測(cè)得其5 min電導(dǎo)率變化為0.35 ms/cm，即7.7 mmol/L urea hydrolysed/min(每分鐘尿素水解的濃度)。

1.4 膠結(jié)液的配置

1.5 水泥材料

本試驗(yàn)水泥為馬鞍山海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)42.5，其物理力學(xué)性能如表1所示。

表1 P·O 42.5等級(jí)硅酸鹽水泥物理力學(xué)性能

2 試驗(yàn)方法

2.1 MICP注漿試驗(yàn)

本試驗(yàn)選用相同級(jí)配的珊瑚砂進(jìn)行MICP砂柱加固試驗(yàn)。砂樣使用砂雨法制樣，砂樣初始干密度為1.45 g/cm3。砂樣制好后，先向砂樣中注入適量的0.05 mol/L CaCl2固定液，靜置6 h后將培養(yǎng)好的菌液通過蠕動(dòng)泵泵入砂樣，再靜置6 h后泵入配置好的膠結(jié)液，之后每隔大約12 h泵入一次膠結(jié)液，注入8次膠結(jié)液為一輪注漿結(jié)束，用適量的去離子水沖洗砂樣，重復(fù)上述步驟，開始新一輪灌漿。前三輪注入的膠結(jié)液濃度為0.5 mol/L，之后灌注的膠結(jié)液濃度為1.0 mol/L，直至達(dá)到極限灌漿次數(shù),每次灌注的溶液體積均為90 mL。為消除偶然誤差,同組條件下均設(shè)置三組平行試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。

PET為聚乙烯薄膜

2.2 鈣離子濃度測(cè)定

本試驗(yàn)通過測(cè)定流出液的鈣離子濃度變化來直觀反映珊瑚砂試樣的固化過程，主要依據(jù)《水質(zhì) 鈣的測(cè)定 EDTA滴定法》(ISO 6058—1984)，將待測(cè)溶液稀釋至量程范圍內(nèi)后，測(cè)定膠結(jié)液及流出液中鈣離子濃度。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定

將拆模后清洗干凈的砂樣放入烘箱烘干后取出，用銼刀將砂樣局部不平整的部分進(jìn)行整平。本試驗(yàn)采用無側(cè)限壓力儀器(TKA-WXY-5)，試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式，速率設(shè)定為1 mm/min，壓力范圍設(shè)置為0～50 kN，砂樣直徑D和高度H分別為：D=5.0 cm，H=10.0 cm。

2.4 碳酸鈣含量測(cè)定

珊瑚砂無法使用酸洗法測(cè)定砂樣的碳酸鈣含量，試驗(yàn)中采用稱重差值法測(cè)定珊瑚砂砂柱的碳酸鈣生成量。

2.5 珊瑚砂水泥砂漿試驗(yàn)

本試驗(yàn)根據(jù)不同的灰砂比，按照水泥和珊瑚砂分別為1∶4、1∶5、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14的比例稱取相應(yīng)的水泥和珊瑚砂，各組試樣的總用水量為水泥和珊瑚砂總質(zhì)量的15%。將攪拌好的砂漿倒入有機(jī)玻璃模具后振搗，排出水泥砂漿內(nèi)的氣體，減少砂漿中的孔隙，以清除水泥砂漿內(nèi)部的空洞，保證其密實(shí)度。隨后將試樣置于養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，靜置一天后進(jìn)行拆模，拆模后的試樣繼續(xù)養(yǎng)護(hù)直至28 d。養(yǎng)護(hù)箱的條件為溫度(25±2) ℃，濕度不小于95%。同樣為消除偶然誤差，每種配比均設(shè)置三組平行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 試樣破壞形態(tài)

MICP加固成型后的試樣在抗壓試驗(yàn)中的破壞形態(tài)如圖3所示。各砂柱表面均較為光滑，上下部較為平整，整體成型較好，顆粒之間粘結(jié)較為均勻。如圖3(a)所示，當(dāng)注漿次數(shù)較少(碳酸鈣生成量為5.3%)時(shí)，砂樣中下部分的外表面較為光滑，上部砂顆粒未被碳酸鈣完全包裹，呈現(xiàn)出較多的孔隙，最終MICP砂柱試樣破壞形態(tài)呈現(xiàn)弱面剪切破壞。隨著注漿次數(shù)的增多，試樣內(nèi)部生成的碳酸鈣含量也隨之增多，砂柱內(nèi)部孔隙逐漸減少，直至完全被白色碳酸鈣晶體填充，外表面趨近于光滑。如圖3(b)所示，當(dāng)碳酸鈣含量較高(碳酸鈣含量為17.8%)時(shí)，破壞形態(tài)呈現(xiàn)劈裂破壞。

圖3 MICP試樣破壞圖像

珊瑚砂水泥砂漿試樣的破壞形態(tài)如圖4所示。當(dāng)水泥摻量較低時(shí)，砂樣表面趨近于珊瑚砂的白色，外表面較為粗糙，蜂窩、麻面數(shù)量較多。如圖4(a)所示，灰砂比(1∶14)較小時(shí)，試樣底部出現(xiàn)豎向裂縫較少，砂顆粒與水泥之間粘結(jié)較差，在持續(xù)荷載作用下中上部砂樣容易剝落，裂縫集中在試樣中上部，達(dá)到極限荷載時(shí)砂樣整體抗壓強(qiáng)度較低，砂顆粒破壞形態(tài)呈現(xiàn)松散狀態(tài)，試樣上表面易形成破壞面。隨著水泥摻量的增多，砂顆粒能有效被水泥包裹，兩者緊密結(jié)合，試樣顏色呈現(xiàn)為深灰色，外表面較光滑，孔隙、蜂窩麻面數(shù)量減少。圖4(b)為灰砂比為1∶4的水泥砂漿試樣。當(dāng)灰砂比較大時(shí)，試驗(yàn)過程中抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)，水泥砂漿試樣沒有呈現(xiàn)明顯的脆性破壞，下部出現(xiàn)豎向裂縫較多，底部接觸面明顯壓碎。試樣在受壓時(shí)下部先出現(xiàn)微小的細(xì)裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐漸貫穿至試樣中上部，達(dá)到極限荷載時(shí)，裂縫逐漸增多，砂樣下部呈現(xiàn)壓碎破壞，容易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，相較于灰砂比較小的試樣，砂顆粒整體粘結(jié)性較好，未出現(xiàn)明顯的松散砂顆粒。

圖4 珊瑚砂水泥砂漿試樣破壞形態(tài)

3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5為碳酸鈣生成量較低時(shí)，MICP試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試樣的碳酸鈣含量分別為5.3%、7.1%、9.1%，試樣的粘結(jié)性隨碳酸鈣含量的增加而提高，峰值強(qiáng)度逐漸上升，達(dá)到破壞時(shí)的強(qiáng)度分別為3.28、6.17、7.97 MPa。曲線(圖5)破壞階段為：當(dāng)應(yīng)變小于1%時(shí)，試樣應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較為緩慢，隨后應(yīng)變?cè)黾?，曲線斜率的增加較快，迅速達(dá)到峰值應(yīng)力，試樣裂縫明顯，應(yīng)力緩慢下降，直至試樣完全破壞。

圖5 低碳酸鈣含量時(shí)MICP試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

碳酸鈣含量較高時(shí)MICP試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。試樣的碳酸鈣生成量分別為16.4%、17.8%、19.8%、21.03%，碳酸鈣含量增加僅為1.4%、2%及1.5%，峰值強(qiáng)度分別為11.63、16.06、18.24、20.55 MPa，強(qiáng)度分別提高了38.06%、13.56%和12.67%。當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，曲線中應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，斜率近似線彈性；應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而逐漸上升，曲線斜率的增加較快，直至達(dá)到峰值應(yīng)力后，試樣迅速破壞，殘余強(qiáng)度較低，整體曲線形狀呈現(xiàn)三角形。

圖6 高碳酸鈣含量時(shí)MICP試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7為灰砂比較低時(shí)，珊瑚砂水泥砂漿試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線。試樣的灰砂比分別為1∶8、1∶10、1∶12、1∶14，對(duì)應(yīng)的水泥含量各為10.17%、8.75%、7.14%、6.25%。水泥用量較少，試樣黏結(jié)性較差，達(dá)到破壞時(shí)的強(qiáng)度分別為3.29、2.38、1.63、1.23 MPa，峰值強(qiáng)度較低。和低碳酸鈣含量時(shí)MICP試樣的破壞形態(tài)類似，由于相互粘結(jié)不均勻，整體性較差，應(yīng)力應(yīng)變曲線圖呈現(xiàn)近似對(duì)稱形狀，達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)變值逐漸增大。

圖7 低灰砂比試樣的應(yīng)力-應(yīng)變圖

灰砂比較高時(shí)水泥砂漿試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖8所示，試樣的灰砂比分別為1∶4、1∶5、1∶6、，對(duì)應(yīng)的水泥含量各為21.71%、17.14%、14.29%。隨著灰砂比的逐漸加大，水泥能有效包裹住珊瑚砂顆粒，增加砂樣粘結(jié)性。砂樣達(dá)到破壞時(shí)的強(qiáng)度為20.37、15.84、8.21 MPa，強(qiáng)度分別提高了147.9%和28.5%，水泥用量的增多，試樣均勻性和整體性顯著提升，峰值強(qiáng)度增加顯著。曲線形狀呈現(xiàn)三角形，和高碳酸鈣含量時(shí)MICP試樣的破壞形態(tài)類似。

圖8 高灰砂比試樣的應(yīng)力-應(yīng)變圖

3.3 MICP試樣與珊瑚砂水泥砂漿試樣力學(xué)特性對(duì)比

表2為MICP砂柱與水泥砂漿試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣/水泥含量之間的關(guān)系。

表2 MICP砂柱試樣與水泥砂漿試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9為各試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣/水泥含量之間的關(guān)系圖。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)碳酸鈣/水泥含量較低的情況下(低于15%)，MICP試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于水泥砂漿試樣；當(dāng)碳酸鈣/水泥含量高于15%時(shí)，兩者的強(qiáng)度較為接近。由此可見MICP試樣整體粘結(jié)性較好，生成的碳酸鈣能較好包裹珊瑚砂顆粒，尤其是在碳酸鈣低的情況下，碳酸鈣含量分布的均勻性較好，MICP試樣的強(qiáng)度明顯高于水泥砂漿試樣的；而水泥砂漿試樣中低灰砂比的試樣，珊瑚砂和水泥之間不能很好的粘結(jié)，尤其是灰砂比為1∶14時(shí)，白色珊瑚砂顆粒暴露明顯，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低。工程中水泥砂漿最低強(qiáng)度等級(jí)M5的配合比為1∶5，此時(shí)水泥含量為17.1%，與相同碳酸鈣含量下MICP試樣的強(qiáng)度大致相近，但在低水泥含量下，MICP試樣優(yōu)于水泥砂漿試樣。

圖9 試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣/水泥含量的關(guān)系

4 微觀結(jié)構(gòu)討論

微觀粘結(jié)形式一定程度上決定了宏觀上強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)，因此研究珊瑚砂水泥砂漿試樣內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)大有裨益。圖10和圖11分別為珊瑚砂水泥珊瑚砂漿在低灰砂比和高灰砂比的內(nèi)部微觀孔隙圖。

WD為工作距離，指樣品成像表面到物鏡的距離；EHT為加速電壓，下同

圖11 高灰砂比試樣的SEM圖

圖12為MICP試樣和珊瑚砂水泥砂漿試樣內(nèi)部粘結(jié)形式的對(duì)比圖，兩者的微觀結(jié)構(gòu)存在著一定的差異性。如圖12(a)所示，MICP反應(yīng)生成的碳酸鈣晶體吸附在珊瑚砂顆粒表面，由于是兩者從成分上是屬于同一種介質(zhì)，因此得到的方解石礦物晶體(碳酸鈣)主要起到包裹作用，附著在砂粒表面，隨著注漿反應(yīng)次數(shù)的增多，沉積在砂顆粒表面的方解石數(shù)量逐漸增多，能夠均勻填充珊瑚砂的內(nèi)部孔隙；尤其是碳酸鈣含量較少時(shí)，整體連接效果優(yōu)于水泥砂漿的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密。從圖12(b)可以看出，由于水泥和珊瑚砂為兩種不同的介質(zhì)，水泥水化后的產(chǎn)物如同“觸手”般不斷延伸，在砂顆粒與砂顆粒之間起到“橋梁”的作用。在低灰砂比下，這種連接分布十分不均勻，“橋梁”作用并不理想，明顯弱于微生物處理的效果。當(dāng)水泥用量較多時(shí)，能夠有效將內(nèi)部孔隙堵塞，試樣均勻性和整體性加強(qiáng)，表現(xiàn)在宏觀上，強(qiáng)度有較大提高。

5 結(jié)論

根據(jù)試樣中不同的碳酸鈣/水泥含量，進(jìn)行了MICP和水泥固化珊瑚砂對(duì)比試驗(yàn)，分析了各自的破壞形態(tài)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及強(qiáng)度和碳酸鈣/水泥含量之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論。

(1)當(dāng)MICP試樣和水泥砂漿試樣各自的碳酸鈣/水泥含量較低時(shí)(約小于10%)，試樣破壞形態(tài)呈現(xiàn)弱面剪切破壞；當(dāng)碳酸鈣/水泥含量較高(大于10%)時(shí)，破壞形態(tài)大致呈現(xiàn)劈裂破壞。

(2)當(dāng)碳酸鈣/水泥含量少于15%時(shí)，MICP試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要顯著高于水泥砂漿試樣，碳酸鈣含量為5.3%、7.7%、9.1%時(shí)MICP砂柱試樣的無側(cè)限強(qiáng)度為相應(yīng)水泥含量水泥砂漿試樣的200%以上；當(dāng)碳酸鈣/水泥含量高于15%并小于22%時(shí)，二者強(qiáng)度相接近，差值在5%以內(nèi)。

(3)MICP試樣和珊瑚砂水泥砂漿試樣微觀結(jié)構(gòu)存在明顯差異性。由于MICP試樣內(nèi)部的方解石晶體與材料成分相同，當(dāng)碳酸鈣/水泥含量較少時(shí)，MICP試樣加固效果更優(yōu)；而隨著內(nèi)部介質(zhì)含量的增多，兩種產(chǎn)物在砂顆粒之間都起到填充作用。