吳超傳，鄭俊杰，賴漢江，崔明娟，宋楊

(華中科技大學(xué) 巖土與地下工程研究所，武漢 430074)

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(microbial induced calcite precipitation，簡稱MICP)作為自然界中廣泛存在的生物礦化過程之一，其機(jī)理是通過向特定微生物提供諸如尿素和鈣鹽溶液等膠結(jié)物質(zhì)，利用微生物產(chǎn)生水解酶的催化作用，分解膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生碳酸根離子，并與周圍環(huán)境中的鈣離子結(jié)合生成碳酸鈣晶體[1]。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于修復(fù)石質(zhì)材料、混凝土裂縫自愈以及防風(fēng)治沙和建筑揚(yáng)塵防治[2-4]。微生物固化技術(shù)在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用[5]及其高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢為該技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

學(xué)者們對微生物固化開展大量的試驗研究。趙茜[6]對巴氏芽孢桿菌的培養(yǎng)以及脲酶活性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該菌種最適宜的培養(yǎng)溫度為30 ℃，pH值為8～9。Paassen等[7]、Harkes等[8]、Chu等[9]以及程曉輝等[10]將MICP技術(shù)應(yīng)用于砂土固化，發(fā)現(xiàn)微生物固化可顯著改善砂土的強(qiáng)度、剛度、滲透性以及抗液化性等一系列力學(xué)特性。鄭俊杰等[11]和Xiao等[12]將纖維加筋技術(shù)應(yīng)用于微生物固化中，顯著降低了固化土體的脆性，提高了拉伸強(qiáng)度。以上研究均為微生物固化技術(shù)應(yīng)用于砂土地基處理的可行性提供了依據(jù)。此外，微生物固化過程較為復(fù)雜，涉及生物、物理、化學(xué)等方面，故易受諸多因素影響，如菌液注射方式[13]、砂土顆粒粒徑[14]、鈣源的種類[15-16]、環(huán)境因素[17](雨水沖刷、凍融循環(huán))等。故深入分析多因素對微生物固化土體工程力學(xué)特性的影響及其強(qiáng)度增長的內(nèi)在機(jī)理是目前微生物固化技術(shù)應(yīng)用于實際巖土工程的關(guān)鍵。

筆者基于微生物固化砂土試樣開展固結(jié)排水(CD)三軸試驗，研究不同因素(包括：膠結(jié)液濃度、砂土密實度以及膠結(jié)液濃度配比)對微生物固化砂土剪切強(qiáng)度的影響；分析不同膠結(jié)水平固化砂土試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)等指標(biāo)，并結(jié)合掃描電鏡圖所示的微觀結(jié)構(gòu)特征，探究固化砂土試樣強(qiáng)度增長的內(nèi)在機(jī)理。

1 微生物固化及測試

1.1 試驗材料

試驗用砂為廈門ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗用菌為巴氏芽孢桿菌(Sporosarcinapasteurii，編號ATCC 11859)，細(xì)菌的培養(yǎng)基成分為：酵母提取物20 g/L，(NH4)2SO410 g/L，Tris緩沖液(用以調(diào)節(jié)液體培養(yǎng)基的pH值，pH=9.0)0.13 mol/L。對培養(yǎng)基各單一成分高溫滅菌以及紫外滅菌后，于無菌操作臺上均勻混合，并將活化后的細(xì)菌接種至培養(yǎng)基中，最后移至轉(zhuǎn)速為150 r/min的搖床中，在30 ℃條件下培養(yǎng)至出現(xiàn)渾濁。利用分光光度計測定細(xì)菌光密度(OD600)值為1.0。試驗用膠結(jié)液為尿素氯化鈣混合溶液，濃度和配比按表1中的試驗方案選用。

1.2 試驗方案及試樣制備

表1給出了不同工況的試驗方案。試驗采用聚氯乙烯預(yù)制對開模(如圖1)制備直徑×高度為39.1 mm×80.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣。

圖 1 預(yù)制對開模具

表1 試驗方案Table 1 Test plan

MICP試樣制備過程：1)模具內(nèi)放入1張油膜紙貼壁，并用一透水石置底；為保證試樣的初始狀態(tài)，采用落雨法在模具內(nèi)裝入高度為80.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)砂(根據(jù)試樣密實度裝填相應(yīng)質(zhì)量的砂土)，并以另一透水石封頂。2)從試樣頂端注入超過1倍試樣初始孔隙體積的蒸餾水以排除試樣中的多余氣泡。3)為提高試樣固化的均勻性，采用純/混注射方式[13]進(jìn)行注菌，即將細(xì)菌懸浮液與濃度為0.05 mol/L的CaCl2溶液混合(以下簡稱混合菌液)，采用蠕動泵以5 mL/min的速率從試樣頂端先注入0.4倍孔隙體積的純菌液，隨后立即注射0.6倍孔隙體積的混合菌液，靜置4～6 h。4)用蠕動泵以10 mL/min的速率從試樣頂端注入1倍孔隙體積的膠結(jié)液，間隔12 h灌漿一次，達(dá)到預(yù)定灌漿次數(shù)后(見表1)停止注漿，并向試樣中多次注入自來水以終止MICP過程。

1.3 固結(jié)排水試驗

取真空飽和后微生物固化砂土試樣，采用GDS三軸儀，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[18]進(jìn)行三軸壓縮固結(jié)排水(CD)試驗。試驗過程為：1)利用儀器的反壓系統(tǒng)，對試樣進(jìn)行水頭飽和；2)待步驟1)完成后，利用儀器的圍壓與反壓系統(tǒng)，對試樣進(jìn)行反壓飽和(B≥0.9)；3)根據(jù)試驗方案將圍壓加至預(yù)定值對試樣進(jìn)行固結(jié)，并確保孔隙水壓力消散95%以上；4)以0.033 mm/min的加載速率[19]進(jìn)行加載，至軸向應(yīng)變達(dá)到20%(即16 mm)停止試驗，并取峰值偏應(yīng)力作為該試樣的剪切強(qiáng)度。

1.4 碳酸鈣含量測定

取CD試驗破壞后試樣，放入烘箱中烘干至恒重(記為M1)，并通過酸洗法測定碳酸鈣含量。使用過量的、濃度為1 mol/L的鹽酸進(jìn)行溶解，而后采用過量的蒸餾水進(jìn)行多次沖洗，并再次放入烘箱中烘干至恒重(記為M2)。通過溶酸前后試樣的質(zhì)量，可計算出試樣中碳酸鈣含量CCaCO3。

(1)

2 強(qiáng)度增長機(jī)理分析

2.1 破壞模式及應(yīng)力-應(yīng)變特性

微生物固化技術(shù)在土顆粒間孔隙引入了具有膠結(jié)與填充作用的碳酸鈣晶體[1,14]，從而改善了土體的強(qiáng)度等工程特性；由于孔隙間堆積的碳酸鈣含量不同，不同膠結(jié)水平試樣的破壞模式及應(yīng)力-應(yīng)變特性必然存在差異。

圖2為微生物固化砂土試樣CD試驗典型破壞模式圖。

圖2 圍壓100 kPa微生物固化砂土試樣破壞模式

從圖2可知，隨著膠結(jié)水平的提高，試樣的破壞模式從鼓脹型破壞(灌漿0次試樣)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐?灌漿10次試樣)；且膠結(jié)水平越高，發(fā)生剪切破壞的范圍越小。

各圍壓條件下，不同膠結(jié)水平試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(q-εa)變化規(guī)律基本一致，故以圍壓100 kPa條件下的q-εa曲線為例進(jìn)行分析(圖3)。

圖3 不同膠結(jié)水平試樣偏應(yīng)力q與軸向應(yīng)變εa關(guān)系曲線

從圖3可見，純砂試樣(灌漿0次)的q-εa曲線呈現(xiàn)出弱應(yīng)變軟化特性；而對于微生物固化試樣，隨著膠結(jié)水平的提高，q-εa曲線的應(yīng)變軟化現(xiàn)象呈逐漸顯著趨勢。此外，還可發(fā)現(xiàn)：隨著灌漿次數(shù)的提高，峰值偏應(yīng)力(即峰值強(qiáng)度)越高；而峰值強(qiáng)度所對應(yīng)的軸向應(yīng)變越小。這也說明了隨著膠結(jié)水平的提高，微生物固化砂土試樣強(qiáng)度提高，試樣的脆性也越顯著。

2.2 碳酸鈣含量與峰值強(qiáng)度

現(xiàn)有研究表明，當(dāng)砂土中的碳酸鈣含量達(dá)到一定水平時，砂土試樣的強(qiáng)度可以得到顯著提高[20]。圖4給出了不同膠結(jié)水平試樣的碳酸鈣含量。

圖4 不同膠結(jié)水平試樣碳酸鈣含量

從圖4中看出，微生物固化試樣的碳酸鈣含量隨灌漿次數(shù)增加呈線性規(guī)律增長；從各組試樣中的碳酸鈣含量來看，每組3個試樣碳酸鈣含量離散性較小，最大、最小碳酸鈣含量之間僅相差0.58%。由此可見，研究中的微生物固化試樣的均勻性較好。

現(xiàn)有研究表明，碳酸鈣含量是影響微生物固化砂土強(qiáng)度的重要因素，固化土體的強(qiáng)度隨碳酸鈣含量的增加而增加[21]。圖5給出不同圍壓條件下試樣的峰值強(qiáng)度與碳酸鈣含量的關(guān)系。從圖5可以看出，試樣的峰值強(qiáng)度隨碳酸鈣含量的增加呈指數(shù)關(guān)系曲線增長?？梢?，隨著膠結(jié)水平的提高，強(qiáng)度發(fā)展的效率越高，強(qiáng)度增長也越顯著。強(qiáng)度增長非線性的現(xiàn)象將結(jié)合抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖5 不同膠結(jié)水平試樣峰值強(qiáng)度隨碳酸鈣含量的變化

2.3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與微觀結(jié)構(gòu)分析

圖6為不同膠結(jié)水平試樣的p-q曲線。從圖6可看出，各試樣在不同圍壓條件下的p-q值基本上呈線性關(guān)系。因此，可采用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則計算各組試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ。

圖6 不同膠結(jié)水平試樣p-q曲線

圖7、圖8分別給出不同膠結(jié)水平試樣的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c隨碳酸鈣含量變化情況。從圖中可看出，隨著碳酸鈣含量的增加，微生物固化砂土試樣的內(nèi)摩擦角基本上呈線性規(guī)律增長，且增長幅度較??；而黏聚力則呈指數(shù)形式增長?？梢?，微生物固化砂土黏聚強(qiáng)度的提高是其剪切強(qiáng)度提高的主要原因。

基于掃描電鏡測試，觀察微生物固化砂土試樣的微觀結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

從圖9可看出，分布在砂顆粒表面的碳酸鈣晶體出現(xiàn)多顆粒簇狀集中和單顆粒分散的現(xiàn)象；此外，還可發(fā)現(xiàn)碳酸鈣晶體多分布在顆粒間接觸部位，這與Dejong等[1]的發(fā)現(xiàn)相一致?，F(xiàn)有研究表明，細(xì)菌的電負(fù)性是影響細(xì)菌吸附的重要因素[13]，吸附于顆粒表面與顆粒間接觸的細(xì)菌以自身為成核位點(diǎn)[1]生成碳酸鈣晶體，并在其基礎(chǔ)上不斷累積產(chǎn)生新晶體，

圖7 內(nèi)摩擦角φ隨碳酸鈣含量變化

圖8 黏聚力c隨碳酸鈣含量變化

圖9 灌漿8次試樣SEM圖

相鄰晶體由于體積擴(kuò)大而合并，從而產(chǎn)生多顆粒簇狀集中形態(tài)的晶體。

下面結(jié)合膠結(jié)過程示意圖(見圖10)探討微生物固化砂土試樣剪切強(qiáng)度提高的原因。

圖10 膠結(jié)過程示意圖

從宏觀上，起膠結(jié)與填充作用的碳酸鈣提高了砂土試樣的密實度，并將松散的砂顆粒黏結(jié)成一個整體[1,14]，從而提高了試樣的剪切強(qiáng)度。從抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析，起膠結(jié)與填充作用的碳酸鈣提高了砂土顆粒表面的粗糙程度，碳酸鈣晶體的嵌入與砂土顆粒間的聯(lián)鎖作用提高了咬合力，從而提高了試樣的內(nèi)摩擦角(見圖7)；此外，顆粒間起膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體提供的膠結(jié)力顯著提高了試樣的黏聚力(見圖8)。從微觀結(jié)構(gòu)分析，空間上相互接觸的砂土顆粒(見圖10(a))，在二維平面上存在著不接觸的地方，此處產(chǎn)生的碳酸鈣晶體僅起到填充的作用(見圖10(b))。當(dāng)碳酸鈣不斷累積，不接觸處的晶體不斷擴(kuò)大，從而相互接觸，轉(zhuǎn)而起到了膠結(jié)的作用(見圖10(c))。由于這一轉(zhuǎn)變過程極短，故黏聚力和峰值強(qiáng)度隨碳酸鈣含量的變化呈現(xiàn)出非線性特征(見圖5、圖8)。

綜上可知，碳酸鈣晶體的膠結(jié)作用對試樣剪切強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)較大[14]。隨著碳酸鈣含量的提高，顆粒間起膠結(jié)作用的碳酸鈣不斷增加，試樣的膠結(jié)強(qiáng)度越大。

3 影響因素分析

3.1 密實度的影響

圖11給出不同初始密實度固化砂土試樣的碳酸鈣含量與峰值強(qiáng)度。從碳酸鈣含量來看，初始密實度30%試樣的碳酸鈣含量最高，50%的次之，80%的最低；而從峰值強(qiáng)度來看，各初始密實度試樣的峰值強(qiáng)度相差不大。

圖11 不同密實度試樣的碳酸鈣含量與峰值強(qiáng)度

可從兩方面解釋上述現(xiàn)象：1)碳酸鈣含量與注入的膠結(jié)液體積有關(guān)，砂土初始密實度越小、試樣孔隙體積越大，因此，在相同灌漿次數(shù)條件下的碳酸鈣沉積量越多；2)微生物固化砂土的強(qiáng)度主要由砂土顆粒構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和碳酸鈣晶體的膠結(jié)強(qiáng)度組成；砂土初始密實度小、骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，盡管碳酸鈣含量高(即膠結(jié)強(qiáng)度較高)，但其整體強(qiáng)度仍可能較低，如試驗中初始密實度30%的試樣；同理，砂土密實度大、骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，但因碳酸鈣含量較低(即膠結(jié)強(qiáng)度較低)，其整體強(qiáng)度仍可能較低，如試驗中初始密實度為80%的試樣。

3.2 膠結(jié)液濃度的影響

圖12為不同膠結(jié)液濃度條件下，各微生物固化試樣的碳酸鈣含量與峰值強(qiáng)度。

圖12 不同膠結(jié)液濃度處理試樣碳酸鈣含量與峰值強(qiáng)度

為進(jìn)一步量化膠結(jié)液濃度對碳酸鈣含量及試樣峰值強(qiáng)度的影響，如圖13所示，分別采用膠結(jié)液濃度及碳酸鈣含量，對碳酸鈣含量及峰值強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理。

圖13 不同膠結(jié)液濃度處理試樣的qpeak/CCaCO3、CCaCO3/n膠結(jié)液

從圖12可以看出，膠結(jié)液濃度越高，試樣的碳酸鈣含量及峰值強(qiáng)度均越高。從圖13可以看出，膠結(jié)液濃度越高，微生物固化試樣的單位碳酸鈣含量對峰值強(qiáng)度的貢獻(xiàn)(qpeak/CCaCO3)越高；而消耗單位膠結(jié)液濃度產(chǎn)生的碳酸鈣含量(CCaCO3/n膠結(jié)液)越低。這是因為，提高膠結(jié)液濃度，細(xì)菌可以產(chǎn)生更多的碳酸鈣，原先僅起填充作用的碳酸鈣晶體，由于新產(chǎn)生晶體的不斷累積，而逐漸承擔(dān)起膠結(jié)的作用，故試樣的單位碳酸鈣含量對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)變高；而當(dāng)濃度較高時，由于高濃度的膠結(jié)液對酶的活性起抑制作用[6]，試樣的碳酸鈣轉(zhuǎn)化效率(CCaCO3/n膠結(jié)液)則不高。

3.3 膠結(jié)液濃度配比的影響

圖14給出不同CaCl2和尿素濃度配比的膠結(jié)液處理試樣的碳酸鈣含量與峰值強(qiáng)度。

圖14 不同濃度配比處理試樣碳酸鈣含量與峰值強(qiáng)度

從圖14可見，CaCl2和尿素濃度配比為1∶2試樣的碳酸鈣含量及峰值強(qiáng)度最高；濃度配比為1∶1的次之，濃度配比為2∶1的最低。可見，膠結(jié)液中尿素濃度占比越高，試樣的碳酸鈣含量及峰值強(qiáng)度越高。

為進(jìn)一步量化CaCl2和尿素濃度配比對碳酸鈣含量及試樣峰值強(qiáng)度的影響，分別采用CaCl2和尿素濃度總和以及碳酸鈣含量對碳酸鈣含量及峰值強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，如圖15所示。

圖15 不同濃度配比試樣qpeak/CCaCO3、CCaCO3/(nCaCl2+n尿素)

從圖15可見，膠結(jié)液中尿素濃度占比越高，微生物固化試樣的單位碳酸鈣含量對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)(qpeak/CCaCO3)越高。

現(xiàn)有研究表明，適量提高尿素濃度可以增強(qiáng)細(xì)菌脲酶活性[6,22]，而CaCl2濃度越高對脲酶的抑制作用越明顯[6,20]。因此，膠結(jié)液中較高的尿素濃度，促進(jìn)了細(xì)菌分泌脲酶的活性，可以水解產(chǎn)生較多的碳酸根離子，用以結(jié)合鈣離子產(chǎn)生碳酸鈣晶體，具有膠結(jié)作用的碳酸鈣含量也越高，單位碳酸鈣含量對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越大。相反，當(dāng)溶液中尿素濃度較低，而CaCl2濃度較高，抑制了脲酶的活性，脲酶水解產(chǎn)生的碳酸根離子濃度低，因而結(jié)合產(chǎn)生的碳酸鈣晶體量較少，單位碳酸鈣含量對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越低。

此外，從圖15可見，在濃度配比為1∶1時，CCaCO3/(nCaCl2+n尿素)(即碳酸鈣轉(zhuǎn)化效率)最高。其結(jié)果是在(nCaCl2+n尿素)一定的條件下，根據(jù)MICP固化方程式(2)得出。

(2)

作為生成碳酸鈣原料的尿素和Ca2+在方程中的系數(shù)均為1，故濃度配比為1∶1時，碳酸鈣轉(zhuǎn)化效率最高。

4 結(jié)論

針對微生物固化過程中涉及的極為復(fù)雜的生、理、化等過程，基于固結(jié)排水三軸剪切試驗和電鏡掃描測試，探究多因素對微生物固化砂土工程力學(xué)特性的影響及其強(qiáng)度增長內(nèi)在機(jī)理。得出以下主要結(jié)論：

1)MICP處理可以提高砂土試樣的剪切強(qiáng)度。隨著碳酸鈣含量的增加，試樣的峰值強(qiáng)度qpeak呈指數(shù)關(guān)系曲線增長，試樣的脆性也越顯著。

2)MICP處理主要通過提高試樣的黏聚力來提高試樣的剪切強(qiáng)度。隨著膠結(jié)水平的提高，僅起填充作用的碳酸鈣晶體轉(zhuǎn)而起到膠結(jié)的作用，碳酸鈣的膠結(jié)強(qiáng)度越大。

3)微生物固化砂土試樣的峰值強(qiáng)度qpeak主要由砂土顆粒構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和碳酸鈣晶體的膠結(jié)強(qiáng)度組成。采用30%砂土初始密實度，適當(dāng)提高膠結(jié)液濃度或膠結(jié)液中的尿素濃度占比，均可提高試樣的膠結(jié)強(qiáng)度。