EICP-木質素聯合固化粉土的試驗研究

張建偉　王小鋸　李貝貝　韓一　邊漢亮

微生物誘導碳酸鈣沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）是通過在土壤顆粒接觸處和土壤顆粒表面生成碳酸鈣沉淀來改善土壤巖土工程性質的一種方法，目前對MICP的研究眾多。近幾年來，酶誘導碳酸鈣沉淀技術（Enzyme Induced Carbonate Precipitation，EICP）被廣泛用于土體改良等方面，EICP技術是利用脲酶將尿素水解成NH+4和CO2-3，CO2-3和Ca2+結合生成CaCO3沉淀，碳酸鈣的膠結作用將土體連接在一起，能提高土體強度。在EICP技術中，礦化會產生大量碳酸鈣，但是，在EICP技術中沒有給碳酸鈣提供成核位點[1]，生成的碳酸鈣聚集形式雜亂無章，固化后的試樣脆性較高，容易發生脆性破壞。為了改善這個性質，考慮向EICP技術中添加木質素，用來調節碳酸鈣的晶型。

目前，把木質素和EICP結合起來改良土體的研究幾乎沒有，為了彌補這一空白，改良EICP技術中碳酸鈣的聚集方式，利用木質素EICP聯合技術，對粉土進行改良，通過三軸試驗、無側限抗壓強度試驗、SEM掃描電鏡試驗和XRD分析，研究EICP–木質素聯合技術對土體宏觀和微觀特性的影響，試驗結果表明：在EICP技術中添加木質素，可以提高土體的黏聚力和內摩擦角，無側限抗壓強度也有所提高。從微觀上，添加木質素可以為EICP技術生成的碳酸鈣提供成核位點，且生成的碳酸鈣晶型都是穩定的方解石。

采取不同摻量的木質素對EICP固化土加以改良，進行三軸固結不排水剪切試驗。取烘干后的土樣過篩，取不同摻量的木質素與土樣攪拌均勻，將EICP溶液代替水溶液加入粉土中進行攪拌和處理制樣，然后進行三軸試驗，其中，反應液濃度為0.75 mol/L，氯化鈣與尿素1∶1混合。結果發現：與未摻木質素的EICP改良土相比，EICP-木質素改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角都更高。

采用無側限抗壓強度試驗對不同的改良土試件進行對比試驗，其中，木質素摻量都為5%，試驗過程嚴格按照規范進行，計算試驗數據得到不同改良土的應力應變關系曲線，如圖1所示，不同改良土的應力都隨著應變的增加先增大后減小，這是由于試件應力達到最高點后開始產生破壞，試件產生屈服，不同的改良土試件在彈性階段內的斜率要大于素土的斜率，說明改良土彈性階段持續時間短，素土破壞時應變在4.5%左右，EICP改良土的試件破壞時的應變在3%左右，木質素摻量為5%的改良土試件破壞時的應變在2.3%左右，而EICP木質素試件破壞時的應變在1.6%左右，說明在EICP技術中添加木質素可以有效改善粉土的力學性能。

為了進一步研究木質素在EICP改良土中的作用機理，取試驗后的土樣進行放大500、2 000倍的掃描電鏡實驗。結果如圖2所示，圖2（a）是木質素處理過的粉土樣微觀圖，圖2（b）是EICP技術處理過的粉土樣微觀圖，圖2（c）是用EICP木質素聯合固化技術處理過的土樣微觀圖。

從圖2放大500倍的微觀對比圖可以看到：圖2（a）、（b）雖然也形成了聯結土顆粒的膠結物質，但是與圖2（c）相比，生成的膠結物質明顯減少很多。從圖2放大2 000倍的微觀圖可以看到：圖2（a）生成的有填充土顆粒孔隙的絲狀結構，圖2（b）生成的有塊狀碳酸鈣，但分布雜亂，沒有成核點，圖2（c）的土顆粒之間相互聯結最好，紅圈標出的是木質素和碳酸鈣聯結在一起形成的花瓣狀的膠結物，填充了土顆粒之間的孔隙，說明木質素為碳酸鈣提供了成核位點，彌補了EICP技術中沒有成核位點的缺陷，在宏觀上可以體現為提高抗剪強度和黏聚力，改善土體的工程性質。

EICP技術中生成的碳酸鈣有同質多象體，同質多象體是具有相同的化學組分，在不同的物理化學環境中，能形成結構不同的幾種晶體。碳酸鈣的同質多象體分別為方解石（calcite）、文石（aragonite）和球霰石（vaterite）。其中，方解石是熱力學最穩定的礦物相，具有較高的機械強度;文石在地表呈亞穩定相;通常情況下球霰石是熱力學最不穩定的晶型，結構松散，穩定性差，很難被保存，作為加固用的碳酸鈣晶型，本身具有短板。圖3是用EICP-木質素改良粉土（木質素摻量為0%、3%、5%）進行XRD試驗得到的物質分析圖，碳酸鈣的晶型只有方解石，沒有球霰石，說明使用該技術加固土體可以從內部消除工程隱患。

EICP-木質素聯合固化技術能提高土體的抗剪強度和粘聚力，通過微觀試驗可以看出，木質素的作用機理主要是改變了EICP產生分散碳酸鈣的方式，為碳酸鈣提供成核位點，在土顆粒間隙中將無規律的碳酸鈣聚攏成型。

參考文獻：

[1] CHANDRA A， RAVI K. Effect of magnesium incorporation in enzyme-induced carbonate precipitation （EICP） to improve shear strength of soil[M]//Lecture Notes in Civil Engineering. Singapore： Springer Singapore， 2020： 333-346.

（編輯 胡玲）