EICP-木質(zhì)素聯(lián)合固化粉土的試驗(yàn)研究

張建偉　王小鋸　李貝貝　韓一　邊漢亮

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）是通過(guò)在土壤顆粒接觸處和土壤顆粒表面生成碳酸鈣沉淀來(lái)改善土壤巖土工程性質(zhì)的一種方法，目前對(duì)MICP的研究眾多。近幾年來(lái)，酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)（Enzyme Induced Carbonate Precipitation，EICP）被廣泛用于土體改良等方面，EICP技術(shù)是利用脲酶將尿素水解成NH+4和CO2-3，CO2-3和Ca2+結(jié)合生成CaCO3沉淀，碳酸鈣的膠結(jié)作用將土體連接在一起，能提高土體強(qiáng)度。在EICP技術(shù)中，礦化會(huì)產(chǎn)生大量碳酸鈣，但是，在EICP技術(shù)中沒(méi)有給碳酸鈣提供成核位點(diǎn)[1]，生成的碳酸鈣聚集形式雜亂無(wú)章，固化后的試樣脆性較高，容易發(fā)生脆性破壞。為了改善這個(gè)性質(zhì)，考慮向EICP技術(shù)中添加木質(zhì)素，用來(lái)調(diào)節(jié)碳酸鈣的晶型。

目前，把木質(zhì)素和EICP結(jié)合起來(lái)改良土體的研究幾乎沒(méi)有，為了彌補(bǔ)這一空白，改良EICP技術(shù)中碳酸鈣的聚集方式，利用木質(zhì)素EICP聯(lián)合技術(shù)，對(duì)粉土進(jìn)行改良，通過(guò)三軸試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、SEM掃描電鏡試驗(yàn)和XRD分析，研究EICP–木質(zhì)素聯(lián)合技術(shù)對(duì)土體宏觀(guān)和微觀(guān)特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：在EICP技術(shù)中添加木質(zhì)素，可以提高土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也有所提高。從微觀(guān)上，添加木質(zhì)素可以為EICP技術(shù)生成的碳酸鈣提供成核位點(diǎn)，且生成的碳酸鈣晶型都是穩(wěn)定的方解石。

采取不同摻量的木質(zhì)素對(duì)EICP固化土加以改良，進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。取烘干后的土樣過(guò)篩，取不同摻量的木質(zhì)素與土樣攪拌均勻，將EICP溶液代替水溶液加入粉土中進(jìn)行攪拌和處理制樣，然后進(jìn)行三軸試驗(yàn)，其中，反應(yīng)液濃度為0.75 mol/L，氯化鈣與尿素1∶1混合。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與未摻木質(zhì)素的EICP改良土相比，EICP-木質(zhì)素改良土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角都更高。

采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)不同的改良土試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其中，木質(zhì)素?fù)搅慷紴?%，試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，如圖1所示，不同改良土的應(yīng)力都隨著應(yīng)變的增加先增大后減小，這是由于試件應(yīng)力達(dá)到最高點(diǎn)后開(kāi)始產(chǎn)生破壞，試件產(chǎn)生屈服，不同的改良土試件在彈性階段內(nèi)的斜率要大于素土的斜率，說(shuō)明改良土彈性階段持續(xù)時(shí)間短，素土破壞時(shí)應(yīng)變?cè)?.5%左右，EICP改良土的試件破壞時(shí)的應(yīng)變?cè)?%左右，木質(zhì)素?fù)搅繛?%的改良土試件破壞時(shí)的應(yīng)變?cè)?.3%左右，而EICP木質(zhì)素試件破壞時(shí)的應(yīng)變?cè)?.6%左右，說(shuō)明在EICP技術(shù)中添加木質(zhì)素可以有效改善粉土的力學(xué)性能。

為了進(jìn)一步研究木質(zhì)素在EICP改良土中的作用機(jī)理，取試驗(yàn)后的土樣進(jìn)行放大500、2 000倍的掃描電鏡實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖2所示，圖2（a）是木質(zhì)素處理過(guò)的粉土樣微觀(guān)圖，圖2（b）是EICP技術(shù)處理過(guò)的粉土樣微觀(guān)圖，圖2（c）是用EICP木質(zhì)素聯(lián)合固化技術(shù)處理過(guò)的土樣微觀(guān)圖。

從圖2放大500倍的微觀(guān)對(duì)比圖可以看到：圖2（a）、（b）雖然也形成了聯(lián)結(jié)土顆粒的膠結(jié)物質(zhì)，但是與圖2（c）相比，生成的膠結(jié)物質(zhì)明顯減少很多。從圖2放大2 000倍的微觀(guān)圖可以看到：圖2（a）生成的有填充土顆粒孔隙的絲狀結(jié)構(gòu)，圖2（b）生成的有塊狀碳酸鈣，但分布雜亂，沒(méi)有成核點(diǎn)，圖2（c）的土顆粒之間相互聯(lián)結(jié)最好，紅圈標(biāo)出的是木質(zhì)素和碳酸鈣聯(lián)結(jié)在一起形成的花瓣?duì)畹哪z結(jié)物，填充了土顆粒之間的孔隙，說(shuō)明木質(zhì)素為碳酸鈣提供了成核位點(diǎn)，彌補(bǔ)了EICP技術(shù)中沒(méi)有成核位點(diǎn)的缺陷，在宏觀(guān)上可以體現(xiàn)為提高抗剪強(qiáng)度和黏聚力，改善土體的工程性質(zhì)。

EICP技術(shù)中生成的碳酸鈣有同質(zhì)多象體，同質(zhì)多象體是具有相同的化學(xué)組分，在不同的物理化學(xué)環(huán)境中，能形成結(jié)構(gòu)不同的幾種晶體。碳酸鈣的同質(zhì)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(xué)最穩(wěn)定的礦物相，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度;文石在地表呈亞穩(wěn)定相;通常情況下球霰石是熱力學(xué)最不穩(wěn)定的晶型，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)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(zhì)素改良粉土（木質(zhì)素?fù)搅繛?%、3%、5%）進(jìn)行XRD試驗(yàn)得到的物質(zhì)分析圖，碳酸鈣的晶型只有方解石，沒(méi)有球霰石，說(shuō)明使用該技術(shù)加固土體可以從內(nèi)部消除工程隱患。

EICP-木質(zhì)素聯(lián)合固化技術(shù)能提高土體的抗剪強(qiáng)度和粘聚力，通過(guò)微觀(guān)試驗(yàn)可以看出，木質(zhì)素的作用機(jī)理主要是改變了EICP產(chǎn)生分散碳酸鈣的方式，為碳酸鈣提供成核位點(diǎn)，在土顆粒間隙中將無(wú)規(guī)律的碳酸鈣聚攏成型。

參考文獻(xiàn)：

[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）