營養鹽濃度對膠結重塑泥巖試樣力學特性及微觀結構的影響試驗研究

王緒民，崔芮，王鋮

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院，武漢 430068)

隨著人口增長和社會經濟發展，民用基礎設施的需求急劇增加，然而，在新建建筑或公路地基施工過程中經常會遇到穩定性差的泥巖層。泥巖是一種典型的軟巖，具有組成成分復雜、孔隙較小等特性，由于環境因素影響(干濕循環、溫度等)易發生風化、開裂、崩解、軟化、膨脹等變化，使巖土特性發生強烈變化，如日本大部分滑坡發生在沉積軟巖中，尤其是泥巖地層[1]。目前，應用于泥巖地基層的改良技術主要包括兩類，一類是通過摻加硅酸鹽水泥、石灰、粉煤灰等進行的化學改良，另一類是通過加入綠砂、砂礫等進行的物理改良[2]。傳統的地基改良技術不易控制工程質量，對周圍的環境有較大影響。因此，亟需一種新型的泥巖改良技術，以滿足實際工程需要。

微生物誘導碳酸鈣沉淀是將微生物學中的生物礦化技術應用到土體加固過程中的一種方法[3]。學者們已經驗證了MICP方法可以改善土壤工程性質，例如將松散砂粒粘結在一起，改善砂土的工程性質[4-5]。Gomez等[6]用3種不同濃度的營養鹽(尿素與氯化鈣混合液)處理試驗砂田，發現當兩者濃度過高時，CaCO3沉淀速率反而變慢。Nemati等[7]發現當鈣源濃度大于0.9 mol/L，尿素濃度大于1.5 mol/L后，CaCO3沉淀量不會再增加。趙茜[8]用7種不同等摩爾的營養鹽(氯化鈣與尿素的混合液)進行膠結試驗，經過短時間(5 d)反應后，當營養鹽濃度在1.5 mol/L以下時，可以有效增加碳酸鈣沉淀量，有利于MICP膠結技術的進行。Cui等[9]通過室內試驗發現，生物膠結砂的強度在很大程度上取決于方解石含量，有效摩擦角、內聚力隨著方解石含量的增加顯著提高。大量室內試驗研究表明，使用該技術可以有效提高砂的延展性、抗液化能力、剛度和強度等[10-12]。

對于泥巖的改良，檀奧龍等[13]將堿渣與泥巖混合，改良風化泥巖用于路基填料，研究表明，當摻渣率達到40%時，抗壓、抗剪強度增加趨于峰值，改良后的泥巖膨脹率下降，且表現為憎水性。顧磊[14]、徐鵬等[15]通過石灰改良泥巖，發現泥巖路基膨脹性降低，抗壓、抗剪強度有所提高，相關物理性能得到顯著改善。祝艷波等[16]采用改良劑對泥巖風化物進行改良，研究發現：泥巖路基土改良效果水泥>石灰>粉煤灰，適當加入粉煤灰更顯著，并且膨脹特性、抗壓強度、承載力、水穩定性都有較大改良。劉漢龍等[17]為了促進微生物巖土技術發展，對涉及的幾種主要微生物種類、微生物作用機理、相關巖土工程領域的應用進行分析與總結。彭劼等[18]開展了不同膠結液濃度下MICP壓力灌漿加固有機質黏土，發現微生物處理后的試樣有機質含量、無側限抗壓強度、滲透系數都得到顯著改善，膠結液濃度的變化會直接影響無側限抗壓強度。劉斯鳳等[19]應用多種微生物對巖樣進行處理，發現單一細菌作用時巖樣滲透系數下降最多，填充效果最好。

以上研究結果為微生物誘導碳酸鈣改良泥巖提供了理論依據。筆者以重塑泥巖為研究對象，為改良泥巖的水穩定性，增強泥巖的相關力學性能，將微生物應用到泥巖中，膠結試樣在不同濃度營養鹽條件下采用一次浸泡菌液的方式進行處理，以研究不同營養鹽濃度對膠結試樣力學性能及微觀結構的影響。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

試樣取自湖北省武漢市某地下工程施工現場，泥巖取土深度為23 m左右。泥巖的基本物理性質見表1。由于IL=-2.77<0，表明泥巖試樣處于堅硬狀態。為研究泥巖的成分，將原狀試樣通過瑙研缽碾碎過0.075篩，然后放入溫度為110 ℃的烘干箱中烘干24 h，冷卻后取8 g粉末進行X射線衍射分析，物相分析發現，試樣主要成分為石英、伊利石、鈉長石、白云石和斜綠泥石，其中，石英含量最高為33.3%，積分強度為1 620 cm-1(2θ=26.5°)，伊利石和鈉長石含量次之，分別為27.1%和21.47%，白云石和斜綠泥石含量較少。

表1 泥巖的基本物理性質Table 1 Physical properties of mudstone

泥巖顆粒級配曲線如圖1所示，泥巖d60為1.8 mm，d10為0.11 mm，d30為0.55 mm，不均勻系數Cu為16.36，曲率系數Cc值為1.53，表明泥巖級配良好。

圖1 泥巖試樣顆粒級配曲線Fig.1 Particle gradation curve of mudstone sample

試驗菌種為巴氏生孢八疊球菌(編號為CGMCC1.3687)，購自中國普通微生物菌種保藏管理中心。采用體積為100 mL的液體培養基(培養基內固體配方為20 g/L酵母浸粉、10 g/L NH4Cl、10 mg/L MnSO4·H2O及24 mg/L NiCl2·6H2O)進行菌種復蘇，其中，液體培養基pH值用1 mol/L的氫氧化鈉溶液調制至8.4。培養基經過121 ℃高壓蒸汽滅菌桶中滅菌20 min，冷卻至常溫后放入無菌操作臺中進行菌種接種，隨后放入溫度為30 ℃、轉速為200 r/min的搖床培養箱中培養48 h，當液體培養基出現渾濁后停止培養。采用紫外可見分光光度計測試菌液密度(OD600)，控制OD600值為1.0。為了保障試驗菌株的準確性，將培養好的菌液吸取少量在顯微鏡下進行鏡鑒，由巴氏生孢八疊球菌鏡鑒圖2可知，菌液經草酸銨、碘液、95%乙醇乙醚處理后，顯微鏡下的細菌為紫色短桿狀，因此符合試驗菌種要求。

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗目的 為探討不同營養鹽濃度對膠結重塑泥巖的力學性能影響，對微生物處理的試樣營養鹽濃度進行控制，分別采用濃度為0、0.3、0.5、0.7 mol/L的同體積營養鹽溶液(2.5 L)對試樣采用一次浸泡菌液的方式進行膠結處理。

圖2 巴氏生孢八疊球菌顯微鏡下鏡鑒圖Fig.2 Microscopic view of the bacterium of the genus

1.2.2 試樣制作 試樣采用φ61.8 mm(20 mm的鋼環刀進行制備，制作過程：1)在鋼環刀底部放置一塊直徑為79.8 mm×10 mm的透水石。2)稱取95 g重塑泥巖樣(初始孔隙率為0.54)，其中，直徑為1.00～0.25 mm，混合攪拌均勻后傾倒入內壁涂有凡士林的鋼環刀中，用千斤頂壓實控制試樣高度為20 mm，取出后并在泥巖頂部放置濾紙和另一塊透水石。3)將配好的2.5 L菌液傾倒入容器內并淹沒透水石頂部，靜置2 h后隨即將等量的0.05 mol/L的CaCl2溶液換入。4)再次靜置2 h使菌株有足夠的時間吸附在泥巖顆粒表面，之后將2.5 L的營養鹽(等摩爾的氯化鈣+尿素混合溶液)換入。5)間隔48 h后，換一次營養鹽溶液，試樣放入溫度為30 ℃的恒溫箱進行培養。6)之后，每隔48 h換一次營養鹽溶液，營養鹽溶液浸泡進行到第7 d后停止。

隨著反應時間的增加，吸附在泥巖顆粒表面的微生物以營養鹽中的氯化鈣為鈣源，基于MICP方法便會在泥巖顆粒與顆粒接觸處或孔隙中生成碳酸鈣沉淀，減少孔隙空間，有效地使泥巖膠結成一個整體。最終如圖3鎖死松散泥巖顆粒被膠結成具有一定力學性能的整體。

圖3 通過MICP方法生成膠結物試驗過程Fig.3 Test procedure for the formation of cement by the MICP method

1.2.3 直接剪切試驗 采用不同濃度營養鹽對泥巖試樣進行微生物處理，對培養7 d后的膠結試樣及未固化的重塑樣進行直接剪切試驗。試驗采用應變控制式直剪儀，一共做4組試驗，每組有4個試樣，共計16個樣，其中，垂直壓力取100、200、300、400 kPa，依次施加各級垂直壓力。為了保證試驗的順利進行，試驗前對膠結試樣和未固化重塑樣進行抽真空飽和(真空抽氣時間為4 h、浸水時間為24 h)，然后將試樣分別裝于應變控制式直剪儀進行直接剪切試驗，最后需向剪切盒內四周加水保證試樣飽和，剪切速率取0.8 mm/min，每15 s讀取數據一次，剪切位移達到6 mm視為該試樣剪損。

1.2.4 碳酸鈣質量試驗 直接剪切試驗后，將破壞后的整個未固化重塑泥巖試樣與膠結試樣收集起來放入容量為1 L的燒杯中，每組取4個平行試樣進行平均值測試，通過酸洗試驗測定膠結試樣中的CaCO3質量。首先，將分析純鹽酸稀釋成濃度為2 mol/L的稀鹽酸，然后，將整個試樣置于其中進行溶解反應，待試樣完全溶解無氣泡產生為止。用純水將溶解后的重塑泥巖樣進行多次水洗，由于泥巖遇水易渾濁，每次水洗后靜置一段時間，待上部水清澈后，倒出上清液。純水洗完后放入110 ℃的烘箱中烘干，烘干時間為12 h。酸洗試驗前后試樣的質量差即為MICP方法誘導產生的CaCO3質量。

1.2.5 掃描電鏡 為了觀察經過4種不同營養鹽濃度處理后試樣的微觀形貌。將3種不同膠結試樣通過直接剪切試驗破壞后各取一部分用小刀切成1 cm×1 cm×1 cm塊狀，再將原狀泥巖試樣也用小刀切成1 cm×1 cm×1 cm塊狀，隨即抽取真空后放入110 ℃烘箱中進行烘干，冷卻后對試樣進行噴金處理，放入掃描電鏡中進行SEM測試，觀察試樣微觀結構。

2 試驗結果分析

2.1 直接剪切試驗結果分析

為了更好地體現膠結泥巖的力學性能，對試樣進行直接剪切試驗。一組4個試樣，分別在不同垂直壓力下，施加水平剪切力進行剪切，測得剪切破壞時的剪應力，然后根據庫侖理論確定試樣的抗剪強度指標(黏聚力、內摩擦角)。圖4為同垂直壓力下不同試樣的剪應力-剪切位移關系曲線。從圖4可知，隨著垂直壓力的增大，標準泥巖和膠結試樣在各級垂直壓力下達到剪應力峰值后漸漸趨于穩定，可見標準泥巖和膠結泥巖均屬于應變硬化的特征。當垂直壓力為200 kPa時，可以看出試樣抗剪強度0.5 mol/L>0.3 mol/L>0.7 mol/L>標準泥巖。營養鹽濃度從0.3 mol/L增到0.5 mol/L時，膠結試樣的剪應力也在增加，抗剪強度0.5 mol/L>0.3 mol/L，但濃度增至為0.7 mol/L時，膠結試樣抗剪強度反而比0.3 mol/L低。崔明娟等[20]選用濃度為1.0 mol/L的營養鹽處理標準砂，發現標準砂試樣宏觀上表現為無側限抗壓強度較低。說明隨著營養鹽濃度的增加能有效改善試樣的強度，但營養鹽濃度過高試樣的膠結效果反而降低，因此，進行膠結試驗必須合理選用營養鹽濃度。

膠結試樣抗剪強度的提高，是由于微生物誘導產生的方解石晶體填充到試樣孔隙中形成“膠結橋”，增強膠凝力，積聚晶體沉積在顆粒接觸處包裹著顆粒，從而改變顆粒的粒徑大小，對黏聚力和內摩擦角都有一定的影響，膠結泥巖試樣黏聚力、內摩擦角的增加是其力學性能改善的直觀表現。試驗中低濃度的營養鹽(0.3、0.5 mol/L)在浸泡過程中會產生較小的碳酸鈣晶體，一方面可以較為均勻地分布在泥巖顆粒表面，另一方面不易堵塞試樣內的孔隙，確保了后續浸泡過程中吸附于泥巖顆粒表面的細菌能夠充分汲取營養鹽誘導產生碳酸鈣晶體，并使碳酸鈣晶體均勻地沉積在泥巖顆粒表面。因此，0.3、0.5 mol/L試樣整體性較好，抗剪強度較高。由于0.5 mol/L試樣內碳酸鈣含量比0.3 mol/L試樣多，故0.5 mol/L試樣抗剪強度要高于0.3 mol/L試樣。

圖4 試樣剪應力-剪切位移關系曲線Fig.4 Shear stress-shear displacement curve of sample

從表2可以看到，當垂直壓力為400 kPa時，營養鹽濃度從0增加至0.7 mol/L，標準泥巖樣抗剪強度為127 kPa，而膠結試樣抗剪強度最大值為149 kPa，增加了22 kPa。通過抗剪強度與垂直壓力的關系曲線計算得出，標準試樣黏聚力和內摩擦角分別為4 kPa、17.33°，0.7 mol/L試樣的黏聚力和內摩擦角稍低分別為6 kPa、17.80°，0.5 mol/L試樣黏聚力和內摩擦角最高，黏聚力和內摩擦角分別增長了288%、8.66%，說明采用濃度為0.5 mol/L的營養鹽時泥巖膠結效果最佳，這與郭偉等[21]的研究結果基本一致。

2.2 碳酸鈣含量分析

試驗研究發現，試樣中碳酸鈣含量的增加將影響試樣的孔隙率大小，碳酸鈣含量的高低與試樣力學性能有關，力學性能的好壞又與微生物膠結效果有直接關系，因此，可以將CaCO3沉淀量作為一個重要的參考指標。從表2可以看出，碳酸鈣含量隨著營養鹽濃度的增加而增加，其中，0.7 mol/L試樣與0.5 mol/L試樣平均碳酸鈣含量較接近，分別為9.99%、9.85%，0.3 mol/L試樣平均碳酸鈣含量最低為5.66%。雖然濃度為0.7 mol/L的試樣生成的平均碳酸鈣含量最高，但由于高濃度營養鹽不均勻性的影響[22-23]，濃度為0.5 mol/L的試樣膠結效果反而更好，這與直接剪切試驗抗剪強度規律基本一致。碳酸鈣含量與孔隙率減少也有關，圖5為不同試樣孔隙比與壓力關系曲線，從圖5可知，隨著垂直壓力從0增大到1 600 kPa時，4種試樣的孔隙比都隨之減小，其中3種膠結試樣的孔隙比比標準泥巖試樣都小，說明膠結試樣更密實，強度性能更好。3種不同營養鹽濃度處理下，孔隙率都有所減少，其中，0.7 mol/L試樣碳酸鈣含量比0.5 mol/L試樣高，孔隙率0.7 mol/L試樣比0.5 mol/L試樣小，這符合實際情況，但0.3 mol/L試樣碳酸鈣含量最低，反而孔隙率最小，是因為低濃度的營養鹽更易在孔隙中流動，促進方解石沉淀從而填充到孔隙中減小試樣的孔隙率，與0.3 mol/L試樣的力學性能大于0.7 mol/L試樣一致。

表2 試驗結果Table 2 Results of tests

圖5 試樣孔隙比與壓力關系曲線Fig.5 sample void ratio versus pressure curve

2.3 膠結泥巖微觀分析

有效CaCO3沉淀晶體的形成大致可分為兩種：顆粒接觸膠結(由顆粒-顆粒接觸處沉淀的碳酸鈣晶體引起)；碳酸鈣-碳酸鈣膠結(由相鄰顆粒之間的碳酸鈣晶簇引起)[24-25]。

從圖6(a)、(b)試樣SEM圖可以看出，未經處理的試樣放大800倍可以觀察到泥巖的表面顯示出較差的光滑度，孔隙和裂縫在試樣中普遍存在，并且具有圓形、矩形和不規則尺寸的可見微孔。泥巖整體呈現不規則結構，孔隙主要存在于結構完整性差的顆粒中。放大試樣到2 000倍可以發現，泥巖中存在許多小碎屑和較大的礦物顆粒，顆粒尺寸范圍從幾μm到幾百μm，其中，礦物顆粒有塊、片狀，圓度均勻，主要接觸在泥巖表面，呈絮凝狀結構。礦物與礦物顆粒之間是線對線或點對線連接，有明顯的間隙。從圖6(c)～(h)膠結試樣可以清晰地看到碳酸鈣沉淀晶體，晶體顆粒形貌、尺寸大小不一。其中，通過MICP方法處理后生成菱形、薄片狀的方解石晶體(菱形是方解石的典型特征)為主。由于營養鹽溶液填充到整個孔隙空間，晶體可以自由沉淀而不受尺寸和位置的限制。

圖6(c)、(d)為0.3 mol/L膠結試樣，從圖中可以看出，方解石晶體顆粒粒徑尺寸較小、分布較分散且以積聚晶體的形式沉積在顆粒接觸處或孔隙內。圖6(g)、(h)為0.7 mol/L膠結試樣，此時的方解石晶體顆粒主要為薄片狀，且方解石晶體分布較分散，方解石晶體沉積在顆粒表面處。與其他兩組膠結試樣相比，圖6(e)、(f)為0.5 mol/L膠結試樣，圖中方解石晶體顆粒分布較均勻且粒徑尺寸較小，重塑試樣被碳酸鈣晶體包裹著，方解石晶體沉積在顆粒接觸處形成積聚晶體，或填充在重塑泥巖孔隙空間中形成“膠結橋”，產生膠凝力。

圖6 試樣SEM圖Fig.6 SEM images of specimens

3 結論

1)原狀試樣與膠結試樣均表現為應變硬化特征，黏聚力c與內摩擦角φ都有所增加。膠結試樣的強度與生成CaCO3晶體含量及分布形態有關，控制其他反應條件不變，隨著營養鹽濃度的增加，其抗剪強度0.5 mol/L試樣>0.3 mol/L試樣>0.7 mol/L試樣>標準泥巖。

2)經過物相分析，晶體可以自由沉淀而不受尺寸和位置的限制，碳酸鈣晶體沉積在顆粒孔隙中形成“膠結橋”，或吸附在試樣顆粒表面，被碳酸鈣晶體包裹著形成積聚晶體。

3)膠結試樣的強度依賴于試樣內產生的CaCO3晶體量及其分布形態，其中，0.5 mol/L試樣方解石晶體顆粒分布較均勻且粒徑大小相差不大，故膠結效果最好。