陳 欣,安 然,,汪亦顯,陳 昶

(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430081;2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

花崗巖殘積土是我國南方地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)中最常見的一種土體,其成土過程主要受制于亞熱帶和熱帶氣候條件與母巖性質(zhì)的影響?；◢弾r殘積土具有從黏土到礫石的特殊顆粒分布以及復(fù)雜的原生孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)[1-3]。壓實殘積土是公路、地基和擋土墻等工程中常用的一種填料,其工程特性對工程穩(wěn)定性具有重要作用。物理化學(xué)風(fēng)化過程在很大程度上影響了殘積土的微觀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致壓實殘積土具有強度低、孔隙度高、滲透性強和遇水易軟化崩解等特征[4-5]。傳統(tǒng)工藝是通過添加水泥、石灰等無機材料用于加固土體,雖然取得了一定效果,但隱藏著污染工程環(huán)境的潛在危害[6-7]。因此,找到一種兼顧加固效果、工程經(jīng)濟與環(huán)境效應(yīng)的固化方法,從而對殘積土進行生態(tài)、經(jīng)濟和高效改性具有重要意義。

微生物礦化是一種存在于自然界的普遍現(xiàn)象,是指微生物通過其新陳代謝功能將無機物轉(zhuǎn)化為礦物晶體的過程。將微生物培養(yǎng)基置于含有尿素和鈣源的膠結(jié)液中,利用自身的尿素分解能力產(chǎn)生碳酸根離子,與鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達到快速析出碳酸鈣晶體沉淀的目的,此方法通常被稱為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)[8]。MICP主要化學(xué)反應(yīng)過程如下:

CO(NH2)2+ 2H2O →2NH4++ CO32-

(1)

Ca2++ Cell → Cell-Ca2+

(2)

Cell-Ca2++ CO32-→Cell-CaCO3

(3)

MICP技術(shù)早期多被用于填補多孔材料孔洞、裂隙修復(fù)、污水治理以及粉塵穩(wěn)定等研究方向[9-13]。后期隨著灌漿技術(shù)深度發(fā)展,MICP在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用才逐步得到推廣。MICP可對不同土體進行固化改良試驗,其原理是微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣可以將土顆粒包裹、黏結(jié)或填充孔隙,從而達到固化土體的作用。彭劼等[14]采用壓力灌漿方法對有機質(zhì)黏土進行MICP固化處理,通過開展無側(cè)限抗壓強度試驗和滲透試驗,并結(jié)合對有機質(zhì)含量以及鈣離子濃度的測定結(jié)果,全面評價了壓力灌漿法的效果,研究表明MICP能夠顯著提高固化黏土的作用。楊司盟等[15]將海水原料作為膠結(jié)液用于砂土的MICP固化處理,從細菌注入方式、尿素濃度和注漿速率等角度,綜合分析各因素對加固效果的影響規(guī)律。Soon等[16]對粉土素試樣和MICP固化試樣進行了電鏡掃描分析,根據(jù)SEM圖像觀測出MICP處理后粉土顆粒接觸更為緊密,方解石晶體主要沉淀在顆粒接觸點和表面處,多為葉片式的棱柱狀形貌。

在MICP固化土體過程中,膠結(jié)液是產(chǎn)生大量碳酸鈣沉淀的前提,為微生物營造了鈣源和氮源環(huán)境。最佳的膠結(jié)液濃度不僅為微生物提供良好的生存條件,還在一定程度上對微生物礦化、晶體成形、細菌活性產(chǎn)生顯著的影響。因此確定最佳的膠結(jié)液濃度,不僅能夠減少試驗成本,還可以提高MICP在土體中的固化效果。Qabany and Soga[17]基于不同濃度的膠結(jié)液條件下觀察了固化石英砂內(nèi)部方解石晶體的大小和分布。Dejong等[18]采用巴氏芽孢桿菌作為試驗菌種,通過SEM試驗研究了土體內(nèi)部方解石沉淀分布特征,結(jié)合剪切波試驗分析了膠結(jié)液濃度對固化土的加固效果,發(fā)現(xiàn)較高的CaCl2濃度有助于方解石沉淀更加密集,土體剛度更大。Soon等[19]通過SEM圖像觀察了不同膠結(jié)液濃度處理的試樣中方解石晶體形態(tài)和分布,發(fā)現(xiàn)方解石主要集聚在土顆粒間的接觸區(qū),尤其在0.5 mol/L膠結(jié)液處理時分布最為密集。

以往研究多集中在MICP改良砂土或黏土性能,并且取得了豐碩的成果。而花崗巖殘積土兼顧從黏粒到礫石的顆粒組成,具有特殊的粒徑分布和孔隙尺寸,與碳酸鈣晶體的兼容性較為復(fù)雜,這為開展MICP技術(shù)帶來一定的難度。因此,本研究嘗試對花崗巖殘積土進行MICP固化處理,以膠結(jié)液濃度作為試驗變量,制備不同固化程度的MICP改良土,開展宏微觀試驗分析MICP對殘積土力學(xué)特性的改良效果以及作用機制,并且探究膠結(jié)液濃度對MICP固化效果的影響規(guī)律。研究成果旨在評價MICP固化花崗巖殘積土的可行性,為壓實殘積土的固化改性提供了一種新思路。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 花崗巖殘積土

試驗采用的花崗巖殘積土取自廣西桂林的某公路邊坡。參照《土工試驗方法標準》[20](GB/T 50123—2019),開展相關(guān)的物理試驗和微觀試驗,得出土體基本物理指標和礦物成分,如表1所示。在不同取樣點隨機選擇三組,進行篩分試驗,得出粒徑分布曲線,如圖1所示,可見花崗巖殘積土級配分布極其不均勻,主要含有大量的砂粒和粉粒。

圖1 花崗巖殘積土粒徑分布曲線

表1 土體基本物理參數(shù)及礦物成分

1.1.2 菌液

試驗選用細菌為巴氏芽孢桿菌(Sporosarcina pasteurii,CC11859),是一種普遍存在于自然界土壤的菌種,具有較高的尿素分解能力和穩(wěn)定性。細菌培養(yǎng)基制備過程如下:將 15 g胰蛋白胨、5 g蛋白胨、5 g氯化鈉溶于900 mL的蒸餾水中,用1 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH為7.3,在1 121℃高溫滅菌20 min,待上述混合液滅菌后溫度降至60℃左右后加入經(jīng)過紫外線滅菌的20 g/L尿素溶液100 mL,制成1 L細菌培養(yǎng)基。然后在無菌、有氧、恒溫的條件下,將巴氏芽孢桿菌甘油保種液以1∶100的體積比接種于配置好的培養(yǎng)基中,并在30℃和130 rpm的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中振蕩36 h。將細菌培養(yǎng)基以4 000 rpm離心兩次,每次30 min,棄去懸浮液。保留新鮮培養(yǎng)基。通過檢測溶液中NH4+濃度間接得出細菌活性為29 U/mL,利用分光光度計測出菌液在 600 nm波長處吸光度OD600=0.91,細菌溶液儲存在4℃的冰箱中,在一周內(nèi)使用。

1.1.3 膠結(jié)液

膠結(jié)液為氯化鈣和尿素以摩爾比1∶1配制的混合液,在MICP過程中為微生物提供鈣源和氮源。尿素可被細菌產(chǎn)生的脲酶水解產(chǎn)生碳酸根離子,碳酸根離子與氯化鈣提供的鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3沉淀。本研究中,制備膠結(jié)液濃度分別為 0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L、2.5 mol/L共5組不同的MICP固化土試樣,并設(shè)置不經(jīng)處理的素土樣作為對照組。

1.2 試樣制備

試驗采用的注漿裝置示意圖如圖2所示,裝樣模具是內(nèi)徑為40 mm,高為150 mm的有機玻璃管。模具外部用止水膠帶纏繞,起到固定有機玻璃、防止液體滲漏的作用,同時在上下兩端用具有調(diào)節(jié)內(nèi)徑大小功能的PVC套箍進行固定。模具上口通過橡膠管與蠕動泵相連,蠕動泵為液體輸送提供動力源,在泵吸作用下,將菌液或膠結(jié)液注入到土樣內(nèi)部;模具下口與燒杯相連,用于收集注漿過程中溢出的廢液,防止污染。試驗中先稱量烘干的土料,分三層裝入模具中,以含水率為20%、壓實度為95%進行土樣壓實,隨后開啟注漿過程。注漿中以10 mL/min速率先向土樣注入50 mL菌液,靜置6 h后以相同速率注入等體積的膠結(jié)液,此為一輪灌漿過程。每組試樣共進行6輪灌漿,每輪灌漿間隔12 h。最后一輪灌漿結(jié)束后,將試樣脫模,并放入標準養(yǎng)護室內(nèi)進行養(yǎng)護,養(yǎng)護7 d后開展后續(xù)試驗。

圖2 MICP注漿裝置示意圖

1.3 無側(cè)限壓縮試驗

測試試驗儀器采用的是YYW-Ⅱ無側(cè)限壓力儀。將直徑為39.1 mm、高為80 mm試樣放在下加壓板上,升高下加壓板使試樣與上加壓板剛好接觸,將千分表讀數(shù)調(diào)至零位?？刂萍虞d速度為1.0 mm/min,使試驗在8 min～10 min內(nèi)完成。最終根據(jù)測力計與位移千分表讀數(shù),得出每組土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.4 三軸固結(jié)不排水剪切試驗

試驗儀器使用全自動應(yīng)力路徑控制三軸儀。儀器主要技術(shù)參數(shù):最大軸向位移為±50 mm,試樣尺寸為Φ39.1 mm×80 mm圓柱樣。測試前,將圓柱樣置于壓力室中24 h,通入蒸餾水進行反壓飽和,等土樣飽和度達到95%以上,然后在不同圍壓下等向固結(jié),固結(jié)壓力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 kPa,待固結(jié)完成后,取剪切速率0.01 mm/min,在不排水條件下,對試樣進行剪切,當軸向變形超過15%時,試驗停止。

2 結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)無側(cè)限壓縮試驗得出應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖3所示。可以看出,所有試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出典型的應(yīng)變軟化特性:首先應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而逐漸增大,直到達到峰值,之后隨著應(yīng)變繼續(xù)增加而降低。MICP固化試樣的峰值應(yīng)力明顯高于素土樣,其中當膠結(jié)液濃度為2 mol/L,峰值應(yīng)力最高。這表明,MICP固化處理對殘積土強度具有一定的提升效果,且在2 mol/L膠結(jié)液條件下,MICP增強效果最為顯著。

圖3 無側(cè)限壓縮試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,計算得出土體的無側(cè)限抗壓強度Su以及彈性模量E,并分析出膠結(jié)液濃度對這兩個指標的影響,如圖4所示。由圖可知,與素土樣相比,MICP固化土樣的強度和彈性模量均有所提高,膠結(jié)液濃度不同,提高幅度有所差異。當膠結(jié)液濃度為0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L時,試樣的Su分別提高了10.59%、27.15%、37.74%,E分別提高了14.29%、39.86%、62.51%;當濃度為2 mol/L時,土樣的Su和E提高程度最大,分別增加了47.15%和82.08%;隨著濃度繼續(xù)增大至2.5 mol/L,Su和E提高幅度稍微下降,分別為47.17%和66.44%。這是因為,當膠結(jié)液濃度從0增大至2 mol/L,固化反應(yīng)所需鈣源含量逐漸增多,保證菌液和膠結(jié)液能夠得到充分反應(yīng),從而提升碳酸鈣沉淀量,增大膠結(jié)作用。然而隨著膠結(jié)液濃度繼續(xù)升高至2.5 mol/L時,其中鈣離子濃度會引起堿性環(huán)境增強,從而阻礙了細菌正常的代謝活動,抑制尿素水解酶的生成[21-22]。

圖4 不同膠結(jié)液濃度的強度和彈性模量

圖5顯示了單軸壓縮后土樣的破壞模式。總體而言,經(jīng)過MICP的固化處理,殘積土由原本的局部壓裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檎w剪切破壞。如圖5(a)、圖5(b)所示,膠結(jié)程度較低的素土樣和0.5 mol/L 固化樣在破壞時出現(xiàn)多條壓縮裂縫,且伴有碎塊掉落現(xiàn)象,表現(xiàn)出局部壓裂破壞。如圖5(c)和圖5(d)所示,當濃度增加至1 mol/L和1.5 mol/L時,試樣破壞時產(chǎn)生的裂隙數(shù)量有所減少,破壞裂隙增長變寬。如圖5(e)和圖5(f)所示,當膠結(jié)液濃度增至2.0 mol/L和2.5 mol/L時,試樣呈現(xiàn)出明顯整體剪切破壞特征,破壞裂隙從土樣頂部沿與軸向荷載成30°～ 45°方向延伸至底部。試樣破壞模式的變化主要歸因于碳酸鈣沉淀的膠結(jié)作用。由于MICP固化作用形成了大量碳酸鈣,增強了土體的整體黏結(jié)效應(yīng),從而使其具有較高的強度和均勻性,破壞時容易發(fā)生整體斷裂,并伴隨著貫穿裂隙的形成。

圖5 不同固化液濃度的土樣破壞模式

2.2 抗剪強度特征

分析不同土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,當應(yīng)變在0～3%時,應(yīng)力隨應(yīng)變增加而迅速上升;應(yīng)變超過3%時,應(yīng)力緩慢增大,增大幅度逐漸降低,直到應(yīng)變超過5%時,應(yīng)力基本保持穩(wěn)定。經(jīng)過MICP處理后,殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系未發(fā)生變化,表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征。固結(jié)圍壓越大,應(yīng)變硬化效應(yīng)越顯著。

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征,繪制莫爾圓如圖6所示,由摩爾-庫侖理論計算得出抗剪強度參數(shù)(c和φ)列入表2。不難發(fā)現(xiàn),經(jīng)過MICP固化處理,殘積土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均在不同程度上有所提高。膠結(jié)液濃度為0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L、2.5 mol/L時,黏聚力分別提高了29.15%、66.36%、94.85%、127.62%和106.98%,內(nèi)摩擦角則分別增加了9.97%、19.01%、26.53%、36.50%和31.49%。顯然,采用2 mol/L膠結(jié)液進行MICP處理的殘積土抗剪強度增強效果最為明顯,這與前文的抗壓強度試驗所得結(jié)果一致。

圖6 應(yīng)力莫爾圓與包絡(luò)線

表2 土樣的強度特性參數(shù)

為了進一步研究MICP固化殘積土在不同膠結(jié)液濃度下的抗剪強度變化規(guī)律,選取軸向應(yīng)變15%所對應(yīng)的主應(yīng)力差作為破壞應(yīng)力,在歸一化偏應(yīng)力-平均主應(yīng)力(p-q)平面上繪制了強度包線。其中,偏應(yīng)力q和平均主應(yīng)力p計算公式如下:

q=σ1-σ3

(4)

(5)

(6)

式中:σ1和σ3分別是大主應(yīng)力和小主應(yīng)力;Pa是大氣壓,為101 kPa;k為擬合系數(shù),即式(6)線性方程的斜率。

p/Pa-q/Pa平面內(nèi)強度包線如圖7所示,q/Pa隨p/Pa增加呈線性增長趨勢,即強度包線始終上升,說明土樣具有應(yīng)變硬化特征[23]。此外,對于不同膠結(jié)液濃度的固化土樣,其斜率k有所不同。對于素土樣,由擬合曲線得出k=1.02,隨著濃度的增加,強度包線向上移動,表明在平均主應(yīng)力增加幅度相同時,試樣的抗剪強度增加速度更快。當膠結(jié)液濃度為2 mol/L時,MICP固化土試樣的k最高,為1.37,表明其抗剪強度最大。

圖7 p/Pa-q/Pa平面內(nèi)強度包線

2.3 微觀形態(tài)特征

為了觀察MICP固化殘積土的微觀形貌,選取0.0 mol/L、0.5 mol/L和2.0 mol/L濃度的試樣進行SEM分析。如圖8(a)所示,未固化處理的殘積土結(jié)構(gòu)松散且其表面發(fā)育大量的內(nèi)孔隙。從圖8(b)可以看出,當膠結(jié)液濃度較小時,土體內(nèi)形成的碳酸鈣沉晶體數(shù)量較少。這種類型的晶體沉淀可能不足以承受很高的剪切強度,這是因為土顆粒之間的膠結(jié)較為薄弱,孔隙較多,導(dǎo)致低濃度膠結(jié)液的固化效果不夠理想。如圖8(c)和圖8(d)所示,當采用2 mol/L膠結(jié)液進行固化時,生成的碳酸鈣晶體尺寸明顯增大,孔隙數(shù)量減少。究其原因,當膠結(jié)液濃度較低時,用于反應(yīng)的鈣源不足,難以供應(yīng)細菌發(fā)揮固化作用,因此生成的碳酸鈣晶體尺寸小、數(shù)量少。而合理的膠結(jié)液濃度有利于細菌水解生成的碳酸根離子與鈣源充分結(jié)合,生成的碳酸鈣沉淀數(shù)量也會隨之增多。

圖8 MICP固化殘積土的SEM圖像

此外,根據(jù)微觀圖像與前人的研究結(jié)果,可以看出碳酸鈣晶體集中分布于土顆粒表面、孔隙以及顆粒接觸點,分別發(fā)揮著包裹、填充和膠結(jié)作用[24]。包裹作用是指沉淀在土顆粒表面的CaCO3晶體,能夠提高土體顆粒表面粗糙程度從而增加其內(nèi)摩擦角;填充作用是指集聚在孔隙內(nèi)的CaCO3晶體,使試樣整體更加密實;膠結(jié)作用則表明接觸點上分布的碳酸鈣能夠擴大顆粒聯(lián)結(jié)面積,提高了土顆粒間的黏聚強度。

2.4 礦物成分

在MICP固化處理過程中,微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣主要以三種類型呈現(xiàn),分別為方解石、球霰石和文石[25]。這三類晶體在自然中穩(wěn)定性各異,其中以方解石最為穩(wěn)定,文石次之,球霰石最差。為進一步確定本試驗中碳酸鈣晶體類型以及膠結(jié)液濃度對它的影響,故選取素土樣、0.5 mol/L-MICP以及2.0 mol/L-MICP固化土試樣進行XRD試驗,得出XRD圖譜如圖9所示?？梢郧逦闯鏊赝翗雍惺?、高嶺石、伊利石和赤鐵礦衍射峰,而經(jīng)過MICP固化處理的殘積土的衍射圖譜除了土體本身存在的石英、高嶺石、伊利石和赤鐵礦外,出現(xiàn)了方解石晶型的特征衍射峰。隨著膠結(jié)液濃度的增加,方解石的衍射峰數(shù)量明顯增多。礦物分析結(jié)果說明在花崗巖殘積土中采用MICP固化技術(shù),得到的碳酸鈣為穩(wěn)定的方解石結(jié)晶。膠結(jié)液濃度是方解石晶體生成量的重要影響因素,合理的膠結(jié)液濃度能確保碳酸鈣沉淀量達到最佳,對固化效果至關(guān)重要。

圖9 MICP固化殘積土的X射線衍射圖譜

綜合微觀形貌與礦物成分試驗結(jié)果來看,經(jīng)過MICP處理后,以方解石為主要形式的碳酸鈣晶體在殘積土內(nèi)部產(chǎn)生包裹、填充和膠結(jié)作用,是提高土體內(nèi)摩擦角和黏聚力的內(nèi)驅(qū)因素。花崗巖殘積土的顆粒級配呈黏粒與砂礫混合分布特點,細菌與膠結(jié)液的反應(yīng)使得殘積土內(nèi)的粗砂和黏粒形成混合體系,而碳酸鈣晶體的固化效果受膠結(jié)液濃度的影響顯著。本研究通過多尺度的試驗結(jié)果證明了MICP技術(shù)在殘積土中的適宜性。

3 結(jié) 論

采用不同濃度的膠結(jié)液對花崗巖殘積土開展MICP固化改性,通過開展力學(xué)和微觀試驗,對比分析了不同膠結(jié)液濃度對試樣力學(xué)特性的影響及固化機理。得到了如下主要結(jié)論:

(1) 無側(cè)限壓縮試驗結(jié)果表明MICP固化技術(shù)能大幅提高土體的抗壓強度和彈性模量,當膠結(jié)液濃度為2 mol/L時,強度的增益效果達到最佳。經(jīng)過MICP處理后,花崗巖殘積土壓縮破壞特征由局部壓裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檎w剪切破壞,這是碳酸鈣晶體固化作用的外在表現(xiàn)。

(2) 三軸剪切試驗結(jié)果表明在膠結(jié)液為2 mol/L條件下,MICP固化土的抗剪強度提高程度最顯著,黏聚力和內(nèi)摩擦角提升幅度最大,分別為127.62%和36.50%。究其原因,MICP處理形成的碳酸鈣晶體在殘積土內(nèi)部產(chǎn)生了包裹作用,提高土顆粒的表面粗糙程度,從而提升內(nèi)摩擦角。同時,碳酸鈣晶體在土顆粒間發(fā)揮膠結(jié)能力,達到增強黏聚力目的。

(3) 由MICP固化作用產(chǎn)生的碳酸鈣晶體生成量與膠結(jié)液濃度密切相關(guān)。碳酸鈣沉淀主要分布土顆粒表面、孔隙和接觸點位上,在土體內(nèi)部分別發(fā)揮著包裹、填充和膠結(jié)作用,這是固化后土樣力學(xué)性能提高的內(nèi)在原因。

(4) 花崗巖殘積土內(nèi)部形成的碳酸鈣沉淀為方解石晶體,且方解石的含量與膠結(jié)液濃度有關(guān),膠結(jié)液濃度為2 mol/L時,方解石衍射峰出現(xiàn)次數(shù)最多,進一步證明了膠結(jié)液濃度是影響MICP整體固化效果的重要因素。