曹光輝,劉士雨,2*,俞 縉,蔡燕燕,胡 洲,毛坤海
1. 華僑大學(xué) 福建省隧道與城市地下空間工程技術(shù)研究中心,廈門 361021;2. 華僑大學(xué) 福建省智慧基礎(chǔ)設(shè)施與監(jiān)測重點實驗室,廈門 361021;3. 南昌鐵路天河建設(shè)有限公司,南昌 330026
近年來,微生物巖土技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注,微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)(MICP)是通過產(chǎn)脲酶細(xì)菌在土壤中促進(jìn)尿素水解(Whiffin et al., 2007; Chou et al., 2011; Chu et al., 2014)生成碳酸鈣沉淀來改良巖土體,該技術(shù)具有替代硅酸鹽水泥的前景(Dejong et al., 2013)。MICP技術(shù)可以解決諸多的巖土工程問題(劉漢龍等, 2019),例如堤壩的滲流(Ivanov and Chu, 2008; Chu et al., 2014),土壤改良(Dejong et al., 2010, 2013),地基加固(Harkes et al., 2010),揚塵控制(Meyer et al., 2011),土樓保護(hù)(劉士雨等, 2020),泥炭土改良(桂躍等, 2020),砂土固化(李昊等, 2020)等。但不可否認(rèn)的是,MICP仍然面臨很多問題,如注漿處理均勻性問題(吳創(chuàng)周等, 2020);引入外源微生物可能有生物入侵的風(fēng)險;對于土木工程師來說,進(jìn)行細(xì)菌的培養(yǎng)繁殖有一定難度;另外MICP研究大多是對粗顆粒土壤,對細(xì)粒土壤(如粉土或粘土)處理的研究較少,因為粉土、黏土等孔隙較小,細(xì)菌可能無法注入,而細(xì)粒土在自然環(huán)境中廣泛存在,微生物膠結(jié)可能致使膠結(jié)效果不均勻,在以往的研究中,尤其是在大尺度的MICP試驗中,發(fā)現(xiàn)了相對不均勻的碳酸鈣分布(Gomez et al., 2015)。考慮到細(xì)菌的主要作用是產(chǎn)生脲酶,若直接采用酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀加固土體,這樣可以克服一些MICP的局限性,于是有學(xué)者提出酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)(EICP)。
在過去幾年間,EICP被認(rèn)為是一種替代微生物誘導(dǎo)碳酸鹽巖沉淀的技術(shù),因為沒有生物體直接參與該過程,所以EICP被認(rèn)為是一種仿生物技術(shù)。EICP技術(shù)為生物巖土領(lǐng)域向前快速發(fā)展提供了新的思路和科學(xué)依據(jù)。EICP是在土壤中混合尿素、氯化鈣和脲酶(Nemati and Voordouw, 2003; Yasuhara et al., 2012),尿素在酶的催化作用下水解生成銨根離子和碳酸根離子,銨根離子在溶液中提供堿性環(huán)境,碳酸根離子和鈣離子結(jié)合生成碳酸鈣沉淀,以此來加固土壤。脲酶廣泛存在于植物(Prakash and Upadhyay, 2003; Barbara Krajewska, 2009; Kumar and Kayastha, 2010)和微生物(細(xì)菌,真菌和酵母)(Mirbod et al., 2002; Geweely, 2006)中,目前使用的游離脲酶大多是從植物中提取,包括大豆,刀豆,西瓜籽,豌豆(Kayastha and Das 1999; Das et al., 2002, Dilrukshi et al., 2018; Neda Javadi et al., 2018; Zusfahair et al., 2018)。刀豆(別名杰克豆)是游離脲酶的常見來源。對酶的分子性質(zhì)進(jìn)行評估,原生酶的分子量(M)為590000±30000,在變性條件下,脲酶與M分解成相同的亞基,亞基的分子量為96600。天然酶由六個相同的亞基組成,這些亞基以正八面體的形式排列,每個亞基包含一個胱氨酸二硫鍵和總共15個半胱氨酸殘基,且每個亞基單位大小為12 nm,可溶于水,便于在土壤孔隙中傳輸(Blakely and Zerner, 1984)。植物提取的脲酶在土壤中應(yīng)用時,脲酶的活性、穩(wěn)定性和動力學(xué)特性隨著時間的延長而下降,并且最后會降解消除(Pettit et al., 1976;Marzadori et al., 1998),這從環(huán)境友好的角度來說,是有利的。盡管使用市場上純度高的脲酶價格比較昂貴,但對于工業(yè)級應(yīng)用來說,自制粗脲酶也可以起到不錯的效果,且設(shè)備簡單,價格低廉(Das et al., 2002; Gao et al., 2019)。
目前對環(huán)境的要求越來越高,從可持續(xù)發(fā)展的角度考慮,一些傳統(tǒng)的地基加固方法越來越難以滿足工程的需求。EICP作為一種環(huán)保的新型的巖土技術(shù),會越來越引起公眾的重視。EICP處理可采用多種方式,包括注射、表面滲濾、土壤混合和表面噴灑等,可應(yīng)用于多種土壤改良,例如增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定,緩和液化,增強(qiáng)地基承載力,抗侵蝕等(Kavazanjian and Hamdan, 2015; Kavazanjian et al., 2017; Cuccurullo et al., 2020)。通過滲透,噴灑等方式,沒有改變土壤結(jié)構(gòu),不需要對土壤進(jìn)行混合,更加適合實際應(yīng)用(Warner, 2004; Bruce et al., 2005)。如果進(jìn)行灌漿處理,還要考慮到土壤的滲透性和漿液的流動性質(zhì)(Karol, 2003),滲透性過小,就不能采用灌漿方式處理。土壤侵蝕是巖土工程的一個重要問題,壩體和斜坡容易受到水流的侵蝕作用(Luo et al., 2013; álvarez-Mozos et al., 2014),需要采取保護(hù)措施,采用MICP技術(shù)來處理也易受到環(huán)境、細(xì)菌代謝等方面問題的影響(Montoya, 2012)。與目前的做法相比,EICP作為地基改良方法擁有一些優(yōu)勢,包括沒有生物入侵,比較小的環(huán)境影響,酶具有降解性等(Hamdan et al., 2013;Kavazanjian and Hamdan, 2015)。因此,采用具有成本效益、環(huán)境友好和可持續(xù)的EICP技術(shù)來控制由水徑流引起的土壤侵蝕應(yīng)是比較可行的。在揚塵控制方面,EICP技術(shù)也顯示出較強(qiáng)的能力(Bang et al., 2009; Hamdan, 2015; Knorr, 2014)。值得學(xué)者注意的是,EICP應(yīng)用中也會面臨低黏度的問題,近似于水,如果進(jìn)行地表處理還需要去增加黏度(Jose and Hamed, 2018)。
鑒于EICP的研究越來越多,本文對EICP目前的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理總結(jié),希望推動EICP的深入研究,促進(jìn)該技術(shù)在未來的發(fā)展。
酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的,對其底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質(zhì)或RNA,目前已經(jīng)逐步形成酶學(xué)這一學(xué)科。按照酶所催化的反應(yīng)性質(zhì)的不同,將酶分成六大類:氧化還原酶類、轉(zhuǎn)移酶類、水解酶類、裂合酶類、異構(gòu)物酶類、合成酶類。根據(jù)其作用,脲酶顯然是一種水解酶。酶的主要共同特征是在其活性位點存在金屬中心,其任務(wù)是激活底物和水進(jìn)行反應(yīng)。在幾種金屬酶中,尿素酶是獨一無二的在活性位點擁有Ni(II)離子的酶(Barbara Krajewska, 2009)。Benini等(1999)、裴迪等(2020)提到包括巴氏芽孢桿菌在內(nèi)的大多數(shù)物種脲酶都包含了ureA、B、C、D、E、F、G等7個及7個以上的基因,巴氏芽孢桿菌的脲酶是典型的三聚體結(jié)構(gòu),首先由ureA、B、C 基因分別編碼脲酶的三種亞基(α、β、γ),并由三種亞基構(gòu)成αβγ單聚體,3個單聚體再復(fù)合形成三聚體(αβγ)3結(jié)構(gòu),ureD、E、F、G則分別編碼了降解尿素所必需的幾種輔助蛋白。巴氏芽孢桿菌脲酶三聚體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 巴氏芽孢桿菌脲酶三聚體Fig. 1 Trimer of Bacillus pasteurii urease(Benini et al., 1999)
不同品種的脲酶活性不同(Hammes et al., 2003; Whiffin, 2004),脲酶催化尿素水解生成碳酸鈣沉淀,這個過程需要堿性pH值作為重要的條件,以改變碳酸氫鹽平衡形成碳酸根離子。有水存在時,脲酶能將尿素分解為氨和二氧化碳,且脲酶的專一性較強(qiáng)。一般而言,酶和一般催化劑都是通過降低反應(yīng)活化能的機(jī)制來加快化學(xué)反應(yīng)速度的,一種酶能從成千上萬種反應(yīng)物中找出自己作用的底物,這就是酶的特異性。例如脲酶只能水解尿素,使其分解成二氧化碳和氨。尿素在催化劑脲酶作用下的水解速度非???,大約是化學(xué)(非催化)尿素水解速度的1014倍(Benini et al., 1999),脲酶作用化學(xué)方程式如下:(1)~(2)
提取脲酶方法目前是從植物和動物細(xì)胞中提取,植物細(xì)胞提取主要是從豆類植物種子中獲取,主要原因是豆類植物種子中脲酶含量較高,楊凡(2019)采用洋刀豆提取脲酶,方法是洋刀豆先在研磨機(jī)上研磨,直至粉碎,再過100目的篩網(wǎng),得到豆粉,加入純度為30%的乙醇,搖勻30 min,然后放入4℃冰箱保存24 h,得到一級沉淀,之后兩次冷凍離心去上清液得到尿素酶,轉(zhuǎn)速在離心期間設(shè)定為8000 r/min,并且做了自制脲酶和訂購脲酶的實驗效果比較。Gao等(2019)使用從大豆中提取的脲酶液,提取的方法是首先采用干大豆在研磨機(jī)上研磨,致使豆粉過濾120目的篩網(wǎng),使豆粉粒徑小于0.15 mm,放入4℃冰箱保存,使用時加入去離子水,并用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌,得到懸浮液,再放入4℃冰箱24 h,之后在離心機(jī)上以3000 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)15 min,取上清液即可。Javadi等(2018)用西瓜籽提取脲酶用于改良土壤,先用磷酸緩沖液浸泡西瓜籽,再用攪拌器進(jìn)行攪拌2 min,用紗布過濾,再離心15 min,上清液通過加入體積分?jǐn)?shù)為20%的預(yù)冷卻的丙酮,再使用一層厚厚的玻璃棉過濾來去除過多的脂肪層,得到粗脲酶液。最后,通過加入丙酮離心純化得到純度較高的脲酶液。Zusfahair等(2018)研究從黑眼豌豆(Black-eyed Pea)中分離純化部分脲酶,并對脲酶進(jìn)行鑒定。先使黑眼豌豆發(fā)芽,用pH=7的磷酸緩沖液提取發(fā)芽黑眼豆,離心分離得到尿素酶粗提物。用丙酮在低溫(-12℃),濃度為20%、40%、60%和80%的條件下對脲酶粗提物進(jìn)行進(jìn)一步分離。蛋白沉淀在轉(zhuǎn)速7000 rpm情況下離心30 min。目前,已有文獻(xiàn)脲酶純化基本采用丙酮分離法。
統(tǒng)計近十年發(fā)表在中文核心、ASCE等數(shù)據(jù)庫關(guān)于酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的文獻(xiàn)可以得出圖2的數(shù)據(jù)圖,脲酶來源約有33%的比例來自于個人從大豆、刀豆、西瓜籽等植物種子提取,而對于商業(yè)購買,日本學(xué)者主要是從Kishida Chemical日本公司進(jìn)行購買,美國學(xué)者主要是從Sigma Aldrich公司、Fisher Chemical公司進(jìn)行購買,F(xiàn)isher Chemical公司主要是制造低活性的Jack Bean脲酶,Sigma Aldrich公司主要是制造高活性的Jack Bean脲酶,國內(nèi)也有公司制取脲酶(華中海威(北京)基因科技有限公司)。
圖2 脲酶來源(數(shù)據(jù)來自近十年在中文核心、ASCE等數(shù)據(jù)庫,搜索關(guān)鍵詞:EICP、酶誘導(dǎo)碳酸鈣)Fig. 2 Source of urease(The data were collected from Chinese core database, ASCE and other databases in the past ten years. Keywords: EICP, enzyme induced calcium carbonate)
Hoang等(2020)采用超聲裂解法裂解巴氏芽孢桿菌,將150 mL巴氏芽孢桿菌原始菌種直接放入超聲浴中進(jìn)行6輪循環(huán)處理,每輪循環(huán)是打開超聲波10 min,然后關(guān)閉冷卻10 min,采用循環(huán)加工方式,最后裂解液在相對離心力(RCF)5500中離心20 min,從提取的可溶性脲酶中分離出殘留的細(xì)胞碎片和固體。Jiang等(2020)利用細(xì)菌酶(來自巴氏芽孢桿菌)誘導(dǎo)沉淀來減少水蝕影響,其是采用18輪次的聲波處理,每輪次持續(xù)2 min的聲波,停1 min,結(jié)束后,懸浮液在20℃,離心力(RCF)8000的情況下,離心5 min,之后上清液再通過0.2 um的過濾器進(jìn)行過濾,分離蛋白質(zhì)和完整細(xì)胞,將得到的蛋白提取液進(jìn)行透析以降低氨本底濃度,獲得的蛋白質(zhì)提取物儲存在冰箱中,直到進(jìn)一步使用。Cui等(2020)采用超聲波法從細(xì)菌中提取脲酶,探討低pH下單相注入EICP膠結(jié)液對土壤的改善。從目前已有文獻(xiàn)可以得出,細(xì)菌細(xì)胞提取脲酶主要是通過細(xì)胞裂解的方法,且主要是通過裂解巴氏芽孢桿菌提取細(xì)菌。細(xì)胞裂解是通過一些外力條件進(jìn)行,比如化學(xué)反應(yīng)、電解、超聲波、滲透壓、機(jī)械力等;細(xì)胞裂解經(jīng)常用于細(xì)胞中成分的提取、純化,像一些細(xì)胞器、細(xì)胞酶等結(jié)構(gòu)。一般細(xì)菌脲酶的分子量為190~300 KDa,植物脲酶的分子量為480~545 KDa,而典型的細(xì)菌細(xì)胞,通常有幾微米大小,這可以反映出細(xì)菌和脲酶處理土壤顆粒大小的程度,脲酶可以處理顆粒更細(xì)的土壤。
酶誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鹽沉淀這一過程受很多因素的影響,脲酶的來源及濃度,反應(yīng)產(chǎn)物的濃度及配比,反應(yīng)環(huán)境的溫度及pH值都會對反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生影響。
Gao等(2019)、楊豐等(2019)通過大豆提取脲酶,利用電導(dǎo)率法測出脲酶活性,得到脲酶活性值和豆粉濃度近似在線性關(guān)系上。也可利用吲哚酚法測量脲酶活性(Dilrukshi et al., 2018; Lee et al., 2020),通過銨的生成速率,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為脲酶活性。Lee等(2020)給出了一個大豆脲酶活性的簡單轉(zhuǎn)化公式,是由于1mg碾磨黃豆粉的脲酶活性為6.535U,大豆溶液濃度下的脲酶活性可通過公式計算:脲酶活性(U/ml)=6.535(U/mg)×大豆液濃度(mg/mL),考慮到豆粉的種類批次,反應(yīng)時的溫度不一樣等,此公式應(yīng)該具有一定的局限性,最后得出對于給定的尿素和氯化鈣溶液的量濃度,沉淀速率由脲酶溶液的濃度和溶液中脲酶的活性控制。Jiang等(2020)通過細(xì)菌裂解的方法配置四種細(xì)菌酶溶液(0 mg/mL, 0.3 mg/mL, 0.7 mg/mL, 1.5 mg/mL)用于抗水侵蝕實驗,得出酶濃度越高,水侵蝕速率越慢,重量損失率越少的結(jié)果。Wen等(2020)做了不同濃度的脲酶和細(xì)菌對碳酸鈣的沉淀動力學(xué)和晶體形態(tài)的影響實驗研究,通過加入脲酶粉的量控制脲酶濃度,在定量的鈣離子情況下(0.25 mol/L),得出脲酶濃度越高,反應(yīng)速率越快,且反應(yīng)更可能進(jìn)行完全。綜上,脲酶對EICP結(jié)果基本是正向反饋。
4.2.1 尿素
Neupane等(2013)做了試管沉淀實驗,利用兩種濃度0.5 mol/L和1.0 mol/L的尿素和氯化鈣,分別與不同濃度的脲酶溶液(0.5~4.0 g/L)混合,24 h后測定碳酸鈣總含量,對脲酶濃度與沉淀率關(guān)系分析得出,當(dāng)氯化鈣尿素濃度一定時,脲酶濃度越高,沉淀率也越高。若尿素氯化鈣濃度偏低時,脲酶有最優(yōu)含量,可以使沉淀率達(dá)到最大值,接近100%,當(dāng)脲酶濃度再增加時,沉淀率略有下降,猜測這可能是由于過高濃度的脲酶抑制了沉淀反應(yīng)。實驗還得出在脲酶濃度一定的情況下,氯化鈣尿素的濃度越低,碳酸鈣的沉淀率也就越高,可能是脲酶濃度一定時,高濃度的尿素和氯化鈣反而抑制了脲酶的活性。Ahenkorah等(2020)做了EICP的優(yōu)化實驗,探討了尿素濃度不同,脲酶活性一定的情況下,溶液電導(dǎo)率(EC)的變化,可以看出脲酶活性一定的情況下,尿素濃度越高,尿素水解速率越快,電導(dǎo)率增值也越快,雖然前期電導(dǎo)率變化不是很明顯,但后期電導(dǎo)率變化很大。尿素在脲酶的催化作用下,快速水解生成銨根離子和碳酸根離子,脲酶足量的情況下,尿素濃度越高,水解效率越快。
4.2.2 鈣源
鈣源的種類有很多:氯化鈣,硝酸鈣、醋酸鈣,乳酸鈣、工業(yè)鈣源等,在EICP中目前最常用的是氯化鈣,Neupane等(2013)、Almajed(2017)、Dilrukshi等(2018)探討了氯化鈣的濃度的變化對EICP的影響,過高濃度的氯化鈣往往可能會抑制脲酶的活性,但隨著氯化鈣、尿素的濃度增加,一般而言膠結(jié)效果更好,獲得更大的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。Ahenkorah等(2020)探討了氯化鈣、尿素與脲酶參數(shù)的最優(yōu)配比,以達(dá)到膠結(jié)的最好效果。盡管氯化鈣具有高溶性,但也有局限性,氯離子應(yīng)用到混凝土中,會對鋼筋產(chǎn)生腐蝕作用。在MICP中探究鈣源對碳酸鈣沉淀和晶型的影響的實驗研究較多(Gorospe et al., 2013; Xu et al., 2015; Zhang et al., 2015),EICP相對較少一些。Phua等(2018)探究了不同鈣源對EICP的影響,研究了白堊溶液、氯化鈣溶液和乳酸鈣溶液對固結(jié)試樣的晶體實時成核、生長、晶體形態(tài)和力學(xué)強(qiáng)度的影響,白堊鈣源(DCS)是通過將粉狀石灰石(白堊)溶解在乳酸溶液中,形成溶解的白堊溶液,過濾掉未溶解物,獲得鈣源。通過顯微鏡觀測,可以看出在所有溶液中,碳酸鈣都發(fā)生了快速的沉淀,加入試劑后約10 min后溶液中出現(xiàn)可見晶體,在CaCl2溶液中,大量菱形方解石晶體在初始階段析出,在前4 h快速增長,之后增長速度減慢到非常低,在剩下的幾個小時內(nèi)幾乎保持穩(wěn)定;在Calact(乳酸鈣)和DCS溶液中,成核速度較慢,2 h后結(jié)晶率下降,4 h后仍有新晶體出現(xiàn),生長速率隨時間的變化比CaCl2溶液慢,在Calact溶液中形成菱形晶體和球狀晶體的混合物,而在DCS溶液中主要是球狀晶體,結(jié)果表明沉淀碳酸鈣晶體的形態(tài)與鈣源有關(guān)。綜上,鈣源的濃度會對脲酶活性產(chǎn)生影響,高濃度鈣離子會抑制脲酶活性;鈣源的種類不同,則碳酸鈣的晶體形態(tài)也會不同。
酶保存條件比較苛刻,要想獲得最佳的EICP效果,對反應(yīng)環(huán)境的溫度及pH影響的研究必不可少,為了確定最優(yōu)的溫度,Dilrukshi等(2018)檢測了溫度對脲酶活性的影響,實驗所用脲酶由西瓜籽提取,溫度變化范圍25~70℃,得出脲酶活性最大時溫度大約在50℃左右,隨著溫度的進(jìn)一步升高,活性迅速下降。Zusfahair等(2018)研究了從黑眼豌豆提取的脲酶的純化及特性分析,為了確定酶產(chǎn)生最佳活性的溫度,對脲酶進(jìn)行了溫度影響試驗。使用的溫度分別為25℃、30℃、35℃、40℃和45℃(圖3a)。從圖A的數(shù)據(jù)可以看出,25℃下的脲酶活性較低。在30℃時,脲酶的活性增加,最大活性在30℃和35℃之間,接下來溫度的升高反而降低了脲酶的活性。從圖3b的數(shù)據(jù)可以看出,黑眼豌豆脲酶在pH值為7時的活性最佳。由此可以得出黑眼豌豆脲酶屬于中性pH脲酶,且pH對脲酶活性影響影響較大,過酸過堿都會導(dǎo)致酶活性有大的降低。吳林玉等(2020)從大豆中提取脲酶,研究了溫度及pH對大豆脲酶活性的影響,得出大豆脲酶最適pH值為8,且在15~75℃范圍內(nèi),大豆脲酶活性隨溫度的升高而增大。綜上,酶的差異性比較大,每一種酶的最佳pH和溫度都不同,即使是同一種酶,在實驗條件不同時,得到的酶的活性可能都不同,我們在應(yīng)用的時候應(yīng)加以判別。
圖3 溫度及pH的影響Fig. 3 Effects of temperature and pH (Zusfahair et al., 2018)
溫度不僅影響著脲酶的活性,而且對碳酸鈣的晶型和形貌也有影響。趙麗娜等(2017)以硝酸鉍Bi(NO3)3為添加劑調(diào)節(jié)碳酸鈣晶體的形狀和大小,制備了海螺形碳酸鈣顆粒。在其它條件不變的前提下,只改變反應(yīng)溫度,分別在20℃,40℃,60℃,80℃下制備碳酸鈣。隨著反應(yīng)溫度的變化,碳酸鈣粒子的晶型也發(fā)生了變化,反應(yīng)溫度為20℃時,碳酸鈣是典型的球霰石型,40℃時,碳酸鈣是球霰和方解石混合型,60℃時,方解石和球霰石混合型,但方解石型主導(dǎo),80℃時,變?yōu)槲氖汀5切枰f明的是,此實驗沒有脲酶的參與,是CaCl2和NaCO3在Bi(NO3)3等條件下,制備的碳酸鈣。
目前在EICP應(yīng)用中,大部分都會加入脫脂奶粉(Dakhane et al., 2018; Almajed et al., 2019; Martin et al., 2020; Woolley et al., 2020),Dakhane等(2018)將脫脂奶粉用作穩(wěn)定劑,因為它有穩(wěn)定的糖蛋白與酶協(xié)調(diào)(不是結(jié)合),不會干擾酶的活性部位。Almajed等(2019)猜測在EICP處理溶液中加入奶粉可以穩(wěn)定酶,并可以通過為碳酸鹽沉淀提供成核點和降低沉淀速率來促進(jìn)沉淀(這可能有利于沉淀的形態(tài)),于是采用三種不同的EICP處理溶液對土壤進(jìn)行處理,溶液1稱為基線EICP溶液,由1.0 M尿素、0.67 M氯化鈣和3 g /L的酶組成;溶液2,即改性后的EICP溶液,由1.0 M尿素、0.67 M氯化鈣、3 g/L酶和4 g/L脫脂奶粉組成;溶液3即低濃度改性EICP溶液,由0.37 M尿素、0.25 M氯化鈣、0.85 g/L酶和4 g/L脫脂奶粉組成。土壤處理采用渥太華20/30砂,結(jié)果出人意料,溶液2相對于溶液1僅僅多加了4 g/L的脫脂奶粉,UCS卻有很大的提高,不加脫脂奶粉UCS為145 kPa,而加入的接近1.5 MPa,可見脫脂奶粉的作用比較大。而且比較溶液1和溶液3的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在氯化鈣尿素脲酶普遍都處于低濃度的情況下,僅是多加入了脫脂奶粉,其得到的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值就提升不止一個數(shù)量級。通過SEM觀測進(jìn)行分析,推測含奶粉的處理液試樣中析出較大的方解石晶體,可能是由于沉淀速度較慢的原因?qū)е隆D蛩孛负腿榈鞍字g的分子相互作用降低了酶對于尿素的活性,從而降低沉淀率,牛奶中的酪蛋白也可以作為螯合劑,降低沉淀速度。另外在EICP溶液中,酪蛋白可能會沉淀,提供有利于方解石晶體形成和生長的成核位點。當(dāng)然目前如果想要更詳細(xì)的去了解奶粉在EICP中的作用,可能需要更多的實驗研究。
EICP處理最常用的是注漿法和滲濾法,實驗室級別注漿法采用的較多,因為實驗室級別的規(guī)模較小,采用注漿法可以讓膠結(jié)溶液和砂土混合均勻,可以得到更好的實驗結(jié)果;而考慮到野外實驗的條件狀況、實際情況,野外實驗采用滲濾法的較多。無論室內(nèi)還是室外實驗通常都會對EICP處理過的土壤進(jìn)行強(qiáng)度檢測,作為評價處理效果的一個重要方法。Refaei等(2020)利用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗檢測EICP結(jié)合海藻酸鈉(SA)的試驗結(jié)果,得出EICP濃度一定時,隨著海藻酸鈉的增加,其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也在增加。強(qiáng)度的增加可以歸因于鈣離子與來自SA的鈉離子交換時形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),形成凝膠。鈣離子能夠交聯(lián)海藻酸鹽聚合物是因為它們可以形成兩個鍵,而不是像鈉離子只能形成一個鍵,海藻酸鹽與氯化鈣溶液接觸的時間越長,凝膠就會變得越硬,因為會形成更多的交聯(lián),最終會導(dǎo)致硅砂無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值升高。而且也可以得出當(dāng)海藻酸鈉含量一定時,膠結(jié)濃度越高,生成的碳酸鈣含量越多,其對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也越高。而對于Almajed等(2018)EICP與劍麻纖維(Sisal fibers)結(jié)合實驗研究,雖然添加劍麻纖維對EICP抗壓強(qiáng)度的增量很大,甚至劍麻纖維在最優(yōu)含量(0.3%)的情況下,其UCS值可以達(dá)到不添加纖維的四倍左右,但是可能由于其所用的EICP溶液濃度偏低,導(dǎo)致UCS值偏低,在劍麻纖維最優(yōu)值的情況下才達(dá)到289 kPa,遠(yuǎn)小于Refaei等(2020)所做的EICP與海藻酸鈉結(jié)合可以達(dá)到的1.8 Mpa。
由于實驗所用的固體材料不同,且Almajed等(2018)并沒有比較在不同濃度下的EICP的UCS情況,所以無法對海藻酸鈉和劍麻纖維的優(yōu)越性加以比較。楊凡(2019)用EICP做西北土遺址加固,不同溶質(zhì)濃度,不同滴滲次數(shù)下試樣單軸強(qiáng)度變化,無論滴滲次數(shù)還是溶質(zhì)濃度的增加都會導(dǎo)致試樣單軸抗壓強(qiáng)度呈線性增加,而且最大值可以達(dá)到1837 kPa,可以看出遺址土通過EICP滴滲加固有較好的固化效果。Zhao等(2014)在文獻(xiàn)中描述巴氏芽孢桿菌和脲酶(植物)固化砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,得出細(xì)菌處理后的樣品的UCS高于相同脲酶活性下的脲酶處理樣品的UCS,脲酶活性為6.0 mM時,細(xì)菌固化砂的UCS(約1.79~1.94 MPa)幾乎是5倍的脲酶處理樣品(約0.33~0.43 MPa)。Hoang等(2020)卻得到了不同的結(jié)果,與MICP比較,在鈣沉淀量相似的情況下,采用BEICP(細(xì)菌酶)方法可以獲得明顯更高的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。在2%~4%和5%~8%的碳酸鈣水平下,BEICP處理的沙子的UCS大約是MICP處理的兩倍。兩者結(jié)果不同,可能是由于酶的種類差異和處理方法的不同導(dǎo)致的。另外,對于強(qiáng)度檢測,還有三軸試驗(Gao et al., 2019)和貫穿阻力檢測(Martin et al., 2020; Almajed et al., 2020)方法,貫穿阻力檢測操作比較簡單方便,對不同位置進(jìn)行針貫試驗,也可以比較直觀的顯示膠結(jié)的均勻程度,并與UCS結(jié)果可以相互驗證。
碳酸鈣的形成是EICP效果的直接表現(xiàn)形式,是該過程的最終產(chǎn)物,對碳酸鈣含量的檢測就顯得尤為重要,因為據(jù)此可以分析反應(yīng)的進(jìn)行程度、碳酸鈣分布的均勻程度等問題。對于EICP中碳酸鈣含量的測定,最常用的方法是酸洗法,測定Ca2+濃度通常是采用EDTA滴定法,故用EDTA滴定法也可以側(cè)面反映出碳酸鈣的生成量(楊豐等, 2019; 劉陽等, 2019)。Woolley等(2020)、Martin等(2020)用鈣測儀進(jìn)行測量,其中Martin等(2020)使用Eijkelkamp calcimeter檢測碳酸鈣含量。在這種方法中,土壤與鹽酸在一個封閉的系統(tǒng)中混合,可以測量碳酸鈣溶解產(chǎn)生的二氧化碳釋放所產(chǎn)生的壓力。根據(jù)校準(zhǔn)試驗,當(dāng)時釋放的壓力與消耗的碳酸鈣的質(zhì)量相關(guān),由此可得出碳酸鈣的含量。Dakhane等(2018)在做EICP關(guān)于裂縫響應(yīng)的定量分析時利用碳酸鹽解析度對應(yīng)的峰值,定量分析了碳酸鹽的析出量,得出了樣品的碳酸鈣含量和處理時間的關(guān)系。
X射線衍射(XRD)是一種生化分析方法,掃描電子顯微鏡(SEM)則是結(jié)合系統(tǒng)中酶誘導(dǎo)生成碳酸鹽晶體的虛擬可視化。X射線衍射(XRD)廣泛應(yīng)用于相的定性和定量分析已有60多年的歷史。定性XRD分析用于確定樣品中的相,而定量XRD分析則確定多相樣品中不同相的數(shù)量,SEM可以通過對試樣放大不同的倍數(shù)來觀察其形貌,更形象具體。Hamdan等(2015)應(yīng)用EICP進(jìn)行土壤加固試驗,對膠結(jié)砂柱樣品做了XRD分析,XRD分析結(jié)果如圖4所示,證實方解石礦物相是存在于膠結(jié)土塊體中的,其中標(biāo)準(zhǔn)方解石、石英顯示在中圖和底圖。
圖4 膠結(jié)砂樣的XRD結(jié)果(上圖),方解石、石英分別顯示在中、底部圖中Fig. 4 XRD results from a cemented sand sample (top plot). Calcite and quartz are shown in the middle & bottom plots, respectively(Hamdan, 2015)
Wen等(2020)用SEM展示了細(xì)菌和脲酶產(chǎn)生的沉淀的晶型差異,細(xì)菌誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶型主要是球霰石型,脲酶誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶型主要是方解石型。圖5為不同濃度的細(xì)菌溶液在不同反應(yīng)時間下的SEM圖像,可以看出在12 h時,所有細(xì)菌濃度都生成了球粒狀的晶體,并且隨著時間的延長,晶體也在生長,致密性在加大。而對于高濃度的細(xì)菌,12 h的沉淀晶體的SEM圖像比低濃度的致密,且在后期形成了具有紋狀表面的大棱柱狀晶體,表明該晶體為球霰石和方解石相構(gòu)成。圖6為不同濃度的脲酶溶液在不同反應(yīng)時間下的SEM圖像,當(dāng)脲酶濃度偏低時(1.0 g/L),在12 h觀察到表面隆起的小晶體,在晶體表面似乎出現(xiàn)了一些球晶,晶體相隨時間變化不明顯。在高濃度脲酶(8.0 g/L)下,開始形成了方解石相,在脲酶濃度處于中下時,隨著時間的延長,可以看出球晶逐漸消失,最后變成方解石相??傮w而言,在脲酶誘導(dǎo)體系中,碳酸鈣晶體主要由方解石相組成。
圖5 不同細(xì)菌濃度下碳酸鈣晶體的SEM圖像(A: OD 600 = 0.1, B: OD 600 = 0.3, C: OD 600 = 0.6, D: OD 600 = 1.0)Fig. 5 SEM images of calcium carbonate crystals at different bacterial concentrations (A: OD 600 = 0.1, B: OD 600 = 0.3, C: OD 600 = 0.6, D: OD 600 = 1.0; Wen et al., 2020)
圖6 不同脲酶濃度下碳酸鈣晶體的SEM圖像(A’urease 1.0 g/L, B’urease 2.5 g/L, C’urease 5.0 g/L, D’urease 8.0 g/L)Fig. 6 SEM images of calcium carbonate crystals at different urease concentrations (Aurease 1.0 g/L, B’urease 2.5 g/L, C’urease 5.0 g/L, D’urease 8.0 g/L; Wen et al., 2020)
目前在EICP中應(yīng)用較多的是進(jìn)行砂土方面的研究,尤其是在砂土防風(fēng)蝕方面,過去人們已經(jīng)開發(fā)了多種技術(shù)來控制風(fēng)蝕,包括潤濕土壤和在土壤表面施用鹽、海水或合成聚乙二醇來增加土壤的凝聚力。但是在干旱和半干旱環(huán)境中,用水作為一種防塵方法受到限制,因為水蒸發(fā)較快且干旱地區(qū)一般缺水,而使用海水控制揚塵會產(chǎn)生對植被、地下水、道路、設(shè)備和車輛等的不利影響。在過去的二十年里,生物技術(shù)作為傳統(tǒng)方法的替代品被積極地研究,EICP技術(shù)進(jìn)行土壤處理可以構(gòu)成一個可持續(xù)的方法用來替代傳統(tǒng)的風(fēng)蝕緩解技術(shù)。通過在土壤表面噴灑EICP溶液,在氯化鈣等鈣源存在的情況下,利用游離尿素酶催化尿素的水解,迅速生成碳酸鈣,鈣鹽在土壤孔隙中形成,有助于將土壤顆粒結(jié)合在一起,從而提高處理后土壤的巖土力學(xué)性能。國內(nèi),吳林玉等(2020)研究了植物酶在固化砂土方面的試驗研究,他們從大豆中提取脲酶,研究了溫度及pH對大豆脲酶活性的影響,然后進(jìn)行了誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀試驗,用超聲波檢測,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試等實驗檢測效果。Gao等(2019)采用大豆酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的方式來加固粉質(zhì)土壤,實驗結(jié)果表明粉質(zhì)土沒有出現(xiàn)淤塞的現(xiàn)象,強(qiáng)度得到較大提升;楊凡(2019)從洋刀豆中提取脲酶加固西北地區(qū)的遺址土,實驗結(jié)果表明遺址土的強(qiáng)度、耐久性、抗凍等性能都有提高,證明了EICP用來加固遺址土的有效性。蔣耀東等(2017)利用脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀研制新型環(huán)保的揚塵抑制劑,確定了脲酶抑塵劑的最佳成分配比為脲酶30 g/L,尿素0.8 mol/L,氯化鈣0.8 mol/L,高分子吸水樹脂1 g/L。其測試性能顯示抗蒸發(fā)性、保水性、抗風(fēng)性、抑塵效率都優(yōu)于其它的幾種抑塵劑。
國外關(guān)于EICP的應(yīng)用研究較多,在防風(fēng)固沙,揚塵治理,加強(qiáng)軟弱地基,加固邊坡,土釘墻,裂縫修補(bǔ)等很多方面進(jìn)行研究。Kavazanjian等(2015)利用兩種不同級別的硅砂來進(jìn)行砂柱實驗,證明了利用EICP膠結(jié)砂柱進(jìn)行土壤改良的可行性,其結(jié)果顯示砂柱的抗壓強(qiáng)度可以超過500 kPa。Ossai等(2020)評估了使用EICP控制坡耕地沙土徑流侵蝕的可行性。Dakhane等(2018)進(jìn)行了植物源脲酶催化尿素水解反應(yīng)進(jìn)行砂漿裂縫愈合實驗,先預(yù)制混凝土裂縫,加入EICP溶液進(jìn)行修復(fù),采用一系列數(shù)字圖像技術(shù)生動形象的展示了裂縫的修復(fù)情況,證實了EICP在裂縫修復(fù)方面的可行性,且具有明顯的優(yōu)勢。也有學(xué)者在EICP中采用化學(xué)計量模型進(jìn)行預(yù)測,O’Donnell等(2016)建立了一種化學(xué)計量模型,用于預(yù)測兩種不同的生物土工改良土壤技術(shù)(酶催化尿素水解和微生物反硝化)的碳酸鹽沉淀量和氣體產(chǎn)量,根據(jù)實驗室測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了校準(zhǔn),這將有助于實施具有成本效益、非入侵式的和可持續(xù)的地面改善。這種批次反應(yīng)器(無流動條件)的數(shù)學(xué)模型,是分析大型生物巖土地基改良工程的比較重要的一步。Nafisi等(2019)得出了在不同粒徑(三種類型的砂)、不同膠結(jié)程度(未膠結(jié)、輕、中、重)的情況下生物膠結(jié)砂的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。Yasuhara等(2012)預(yù)測了EICP膠結(jié)砂土后的導(dǎo)水率和孔隙度物理特性的變化,其UCS值可達(dá)到400 kpa到1.6 MPa,在透水性能方面改進(jìn)后的樣品的滲透率降低了一個數(shù)量級以上。
Kavazanjian等(2017)做了大尺寸的EICP試驗,用于基礎(chǔ)支撐和土釘支護(hù),柱狀膠結(jié)實驗在6個5加侖(≈19 L)桶中進(jìn)行,3桶干燥土壤和3桶注水土壤,在EICP溶液全部注入后,這些桶用保鮮膜包裹,放置26 d。結(jié)果顯示,干桶中巖土體(桶1~3)在注射管周圍膠結(jié)不連續(xù),而在注射管上附著膠結(jié)效果較好的連續(xù)的環(huán)狀形膠結(jié),如圖7a。濕桶(桶4~6)中的膠結(jié)土壤以球狀形式附著在注入管上,如圖7b。除去事故原因沒有測試的2#桶,剩余五個樣品的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值是從64 kPa到125 kPa。垂直柱膠結(jié)試驗也在大約1.3 m的木箱中進(jìn)行,箱置于內(nèi)襯二次容器中,灌裝自來水約230 L,在箱子里裝上約1000公斤的原生土壤。先向注射管中加入約33 L的EICP溶液,14 d后第二次注射EICP溶液40 L,數(shù)天后結(jié)果顯示,土壤大致呈現(xiàn)出鞍狀、輕度膠結(jié)的柱狀形態(tài),見圖7C。結(jié)果表明,EICP有希望作為一種地基改進(jìn)技術(shù),在無粘性土壤中創(chuàng)造穩(wěn)定的垂直柱和土釘。
圖7 a,b:19 L桶測試 c:1 m3土箱拆卸后的土Fig. 7 a and b: 19 L drum test; c: 1 m3 of soil after disassembly of soil box (Kavazanjian et al., 2017)
Jiang等(2020)利用細(xì)菌酶誘導(dǎo)產(chǎn)生沉淀來減少水侵蝕,通過自提取的細(xì)菌酶,注漿技術(shù)通過噴灑方式應(yīng)用于粉砂土試樣表面。利用四種不同濃度的酶溶液(0-對照、0.3 mg/mL、0.7 mg/mL和1.5 mg/mL)處理標(biāo)本,在水流速度23.2 cm/s下,測定其抗侵蝕性(圖8)。通過樣品重量損失來評價抗侵蝕性,結(jié)果表明,高濃度酶處理的樣本,重量損失率幾乎為零,而對于低濃度酶處理的樣本,濃度越低則重量損失率越嚴(yán)重,最高損失達(dá)到44 g,損失率是15.5%。本研究的結(jié)果表明,BEICP技術(shù)通過在材料表面噴施,有可能成為減少砂土侵蝕的有效解決方案。
圖8 水槽實驗Fig. 8 Flume experiment (Jiang et al., 2020)
Martin等(2020)在一個0.6 m×0.6 m×1.2 m的模型箱中采用EICP技術(shù)膠結(jié)了一個直徑為0.3 m,長度為0.9 m的砂柱,砂柱的尺寸小于模型箱,是因為注漿管的特性所致,且砂柱尺寸跟目標(biāo)尺寸直徑誤差在10%之內(nèi),長度比預(yù)期增加20%,長度的增加可能是灌入過多的處理液所致。通過貫入度試驗表明,砂柱的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值可以達(dá)到500 kPa。但下部的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值偏低,平均為150 kPa,可能是由于注射的膠結(jié)液分布不均勻所致。結(jié)果表明EICP可作為地基加固技術(shù),可以減少松散砂體的沉降,圖9是膠結(jié)砂柱示意圖。
圖9 大規(guī)模膠結(jié)砂柱示意圖Fig. 9 Schematic diagram showing large-scale cemented sand column
繆林昌等(2019)進(jìn)行了EICP與聚丙烯酰胺(PAM)的協(xié)同作用的現(xiàn)場試驗研究,測試地點位于騰格里沙漠,距離中國寧夏中衛(wèi)市30公里。四種固化沙漠工藝總占地面積200 m2,分為A、B、C、D四個試驗區(qū)(圖10),A區(qū)是0.5 mol/L的EICP混合液,B區(qū)是0.5 mol/L的EICP混合液+0.6 g/L的PAM,C區(qū)是0.75 mol/L的EICP混合液,D區(qū)0.75 mol/L的EICP混合液+0.6 g/L的PAM,每個試驗區(qū)寬5 m,長10 m,每兩個試驗區(qū)之間有間隙1 m,起到分割和空白對照作用,每個試驗區(qū)噴灑EICP混合溶液100 L。實驗結(jié)果得出7天左右固化基本完成,硬度值都能超過300 kPa,接近原始沙漠的20倍。同濃度的EICP混合液中,EICP+PAM的硬度值高于EICP 6%~7%。現(xiàn)場試驗表明,EICP是一種較好的固化沙漠沙的方法,可用來治理風(fēng)沙災(zāi)害。
圖10 騰格里沙漠現(xiàn)場實驗區(qū)域Fig. 10 Field experimental area of the Tengger Desert (Miao et al., 2019)
Hamdan等(2016)使用黃原膠(Xanthan gum)、瓜爾膠生物聚合物(Guar gum)及多元纖維素(Polyolcellulose)水凝膠來評估通過保留土壤顆粒周圍的反應(yīng)產(chǎn)物來增強(qiáng)EICP的能力,對實驗中使用的三種水凝膠的保水性進(jìn)行了理論評價,并通過實驗室實驗進(jìn)行了驗證。從結(jié)果可以看出,在所有的水凝膠輔助EICP測試中都出現(xiàn)了尿素溶解和碳酸鈣沉淀,這表明該研究中使用的水凝膠不會干擾EICP。此外,水凝膠輔助的EICP可以在較長時間內(nèi)保持水分,降低EICP溶液對土壤的滲透,延長反應(yīng)時間,提高沉淀效率,并促進(jìn)結(jié)殼的形成。?
微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鹽沉淀(MICP)中,以巴氏芽孢桿菌為例,巴氏芽孢桿菌能夠誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀,主要是由于其兩大特征,一是巴氏芽孢桿菌能夠分泌高活性的脲酶,脲酶催化周圍的尿素水解,迅速提高周圍環(huán)境的碳酸根離子濃度和銨根離子濃度;二是有研究證明,巴氏芽孢桿菌菌面(包括細(xì)胞壁、胞外聚合物)帶有更多的負(fù)電荷,對陽離子有更強(qiáng)的吸附作用,于是帶有正電的Ca2+被大量吸附于巴氏芽孢桿菌表面,在碳酸根離子和堿性條件下,就會以細(xì)胞為核心,生成碳酸鈣沉淀。直接以酶進(jìn)行誘導(dǎo)就會缺少細(xì)胞這種結(jié)晶核,缺乏成核位點,可能導(dǎo)致碳酸鈣沉淀形態(tài)紊亂。目前已經(jīng)很多學(xué)者在嘗試解決這個問題,比如引進(jìn)成核位點,或者土壤中的一些細(xì)小的顆??赡茏鳛槌珊宋稽c。 Khodadadi等(2017)提到礦物學(xué)的沉淀中方解石晶體是碳酸鈣最穩(wěn)定的礦物相,與其他碳酸鈣礦物形式的沉淀相比,方解石晶體的耐久性更好。在EICP中,高的析出率和缺乏成核位點促進(jìn)了CaCO3的非晶態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的形成,這些非晶態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的溶解度高于菱形方解石。降低沉淀速度,采用適當(dāng)?shù)墓袒椒?,提供成核位置,例如通過向土壤中引入碳酸鈣“種子”作為成核位點,改善析出物的形態(tài)。目前研究發(fā)現(xiàn)有的細(xì)菌雖然沒有產(chǎn)脲酶的功能,但是卻能起到成核位點的作用(Wei et al., 2020)。
盡管純化脲酶在市場上比較容易獲得,但其價格高昂,用在工業(yè)級上顯然不經(jīng)濟(jì),自制脲酶價格低廉,以大豆制取脲酶為例,大豆價格便宜,制取脲酶液步驟也比較簡單,制取的脲酶液可以滿足實驗室級別和工業(yè)級別的需求。Cuccurullo等(2020)認(rèn)為酶比較嬌貴,要注意保存,粗大豆提取物的樣品暴露在實驗室的空氣中(溫度25℃,相對濕度40%左右),持續(xù)72 h后,脲酶基本失活,而且提取物在數(shù)小時后pH呈現(xiàn)下降,新鮮大豆的提取液才能更有效的催化尿素的水解。此外,Miao等(2019)也提到盡管EICP在短期內(nèi)處理風(fēng)沙侵蝕的效果比較好,但是其長期的效果沒有進(jìn)行檢驗,需要進(jìn)一步的驗證。因此,為了保證脲酶的活性和穩(wěn)定性,脲酶需要在低溫密封條件下保存,否則容易引起脲酶失活變質(zhì),且由脲酶活性在溫度不是過高時,一般具有隨溫度的升高而升高的特性可知(Dilrukshi et al., 2018; 吳林玉等, 2020),在應(yīng)用時為了提高脲酶的活性,可選擇在環(huán)境溫度相對較高的條件下進(jìn)行。
無論是EICP還是MICP,不可否認(rèn)的是都會面臨氯化銨(NH4Cl)副產(chǎn)物的干擾,NH4Cl作為一種公認(rèn)的地下水污染物,致使EICP技術(shù)不處理掉氯化銨,在城市大規(guī)模應(yīng)用是不可能的。目前也有不少的方法在嘗試解決污染問題,Zhao等(2016)開發(fā)了一種新的方法,在土壤基質(zhì)上合成超支化仿生水凝膠(Biomimetic hydrogel)網(wǎng)絡(luò),以提高松散土壤的機(jī)械強(qiáng)度,同時減輕過量銨可能造成的污染。PAA(聚丙烯酸)聯(lián)合EICP有較多優(yōu)勢,包括延長水供應(yīng)的時間,去除有害的副產(chǎn)品銨,實現(xiàn)較高的土壤強(qiáng)度。膠結(jié)的土壤外殼可承受4.8×103kPa的壓力,氨的去除率達(dá)到96%。這些結(jié)果證明了水凝膠聯(lián)合EICP在防治風(fēng)蝕、減緩副產(chǎn)品銨的污染方面起到好的效果。圖11是仿生水凝膠作用的示意圖。
圖11 仿生水凝膠Fig. 11 Biomimetic hydrogels (Zhao et al., 2016)
Martin等(2020)對EICP做了環(huán)境影響評估,目的是評估EICP環(huán)境效益和成本,并盡力識別EICP過程中可能出現(xiàn)的潛在的后果。主要考慮了幾種主要的成分(尿素、鈣,脲酶,脫脂奶粉),結(jié)果表明,尿素占能源消耗的63%、CO2空氣排放量的37%,脫脂奶粉占CO2空氣排放量的38%,EICP過程的副產(chǎn)物銨對EICP富營養(yǎng)化潛力的貢獻(xiàn)率為97%。減少這些影響的方法,包括尋找更環(huán)保的尿素來源、使用廢牛奶作為脫脂奶粉的來源、以及在完成EICP處理后從地下提取氯化銨。
應(yīng)用于土木工程的數(shù)值分析計算軟件有很多,例如常見的ANSYS、MIDAS、MATLAB、FLAC3D、ABAQUS等軟件,很受歡迎。盡管大型計算機(jī)建立的數(shù)學(xué)分析模型越來越貼合實際,分析精度越來越高,但不可否認(rèn)的是由于各種原因?qū)е律飵r土在數(shù)值軟件方面發(fā)展緩慢。Yasuhara等(2012)通過一套計算方法和數(shù)學(xué)公式,對EICP膠結(jié)后的樣品進(jìn)行導(dǎo)水率及孔隙變化的預(yù)測,模擬EICP過程中的平流—擴(kuò)散傳播過程的數(shù)值分析,并加以考慮鈣質(zhì)沉淀動力學(xué)的化學(xué)反應(yīng),預(yù)測滲透率的變化。預(yù)測結(jié)果顯示,與實際測量值進(jìn)行比較明顯高估了滲透率的值,但與測量到的孔隙度變化吻合較好。Dakhane等(2018)在利用EICP進(jìn)行裂縫修補(bǔ)時,基于裂縫結(jié)構(gòu)運用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了定量分析,數(shù)字圖像相關(guān)是一種非接觸光學(xué)方法,利用在機(jī)械測試期間不同時間拍攝的數(shù)字圖像提供樣品的全場表面位移。橫梁表面被隨機(jī)的布上斑點,可以提供與圖像相關(guān)的足夠的對比效果(圖12a),電荷耦合器件(CCD)照相機(jī)在測試期間每5秒記錄一次圖像,一個大約120 mm×60 mm的矩形區(qū)域在切口上方處成像(圖12b)。測試結(jié)束后,使用VIC-2D軟件,對數(shù)字圖像進(jìn)行后處理。對應(yīng)于不同位置的圖像子集之間的相關(guān)性確定CMOD圖,計算位移區(qū)域變化。圖13分別顯示了從DIC獲得的用于control和LC-14砂漿試件的二維(2D)位移場和砂漿水平位移的三維(3D)表面圖。
圖12 (a) CMOD控制模式下缺口梁三點彎曲試驗裝置; (b) 峰前區(qū)域DIC的水平(u)位移場Fig. 12 (a) Three-point bending test device for notched beam under the CMOD control mode; (b) The horizontal (u) displacement field of DIC in the pre-peak region (Dakhane et al., 2018)
圖13 (a) 和 (b) 二維水平 (u) 位移場; (c) 和 (d) 位移場三維圖Fig. 13 (a) and (b) 2D horizontal (u) displacement field ; (c) and (d) 3D displacement field diagrams (Dakhane et al., 2018)
綜上,數(shù)值模擬技術(shù)與EICP結(jié)合,應(yīng)用前景廣闊,應(yīng)用背景也比較契合,但是考慮到自然土壤的復(fù)雜性,不確定性,多樣性,土壤的各種物理、化學(xué)和生物特性可能會影響脲酶的活性,還有軟件開發(fā)的難度,生物巖土領(lǐng)域研究的不夠深入,這些問題都給參數(shù)的設(shè)置,模型的建立等,提供比較大的難度。
巖土處理的均勻性至關(guān)重要,總結(jié)文獻(xiàn)得出,EICP用于巖土加固的均勻性,受較多因素的影響,尤其是注漿方式影響較大(Kavazanjian et al., 2017; Martin et al., 2020),注漿液分布不均,導(dǎo)致生成的碳酸鈣分布不均,各處的UCS值不同。Paassen等(2010)、Yasuhara等(2012)給出了UCS和碳酸鈣沉淀的數(shù)據(jù)關(guān)系圖,得出當(dāng)能很好的控制碳酸鈣的產(chǎn)量時,加固體的UCS及滲透率也就能得到控制,但這還需要進(jìn)一步的試驗研究。從EICP機(jī)理上來說,酶相對于細(xì)菌具有更小的尺寸,可以到達(dá)細(xì)菌無法到達(dá)的區(qū)域(Almajed, 2017; Gao et al., 2019),因此在加固細(xì)顆粒土?xí)r其均勻性相較于MICP有優(yōu)勢。
本文從EICP機(jī)理、脲酶的制取方法、EICP的影響因素、檢測方法、應(yīng)用等方面展示了EICP的研究進(jìn)展,闡述了EICP在地基基礎(chǔ)加固,提高砂土強(qiáng)度,裂縫修復(fù),防水侵蝕,防止風(fēng)沙災(zāi)害,揚塵治理等眾多巖土領(lǐng)域的應(yīng)用,顯示EICP在不久的將來可以突破傳統(tǒng)方法的局限性,作為一種可持續(xù)的、較環(huán)保的、多功能性的技術(shù)大范圍應(yīng)用于工程實踐。然而,從實際來看,EICP應(yīng)用于工程中仍然要克服許多挑戰(zhàn): (1)工程現(xiàn)場條件的復(fù)雜性、不確定性;(2)EICP應(yīng)用中成核位點的缺失,難以保證膠結(jié)的質(zhì)量和均勻程度;(3)氯化銨副產(chǎn)物的污染問題??偟膩碚f,我們目前還需要進(jìn)行大量的實驗,研究在現(xiàn)場使用EICP的最佳方法,以求達(dá)到最好的效果。報告最后顯示未來EICP也會面臨信息化施工的可能性,我們應(yīng)在這方面多做工作,以期更好的推動EICP的進(jìn)步。