多輪反應(yīng)溶液用量對微生物加固粉土的影響

趙志峰,王浩然

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 210037)

0 引 言

針對不良地基土進(jìn)行固化處理多采用基于石灰和水泥的化學(xué)加固法、高溫?zé)Y(jié)法等手段[1-2]。利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(MICP)對土體進(jìn)行加固則是一種較為環(huán)保的地基處理方法[3]。該方法依靠產(chǎn)脲酶微生物(巴氏芽孢桿菌)水解尿素產(chǎn)生CO32-和NH4+,然后與加入的Ca2+結(jié)合生成碳酸鈣晶體,碳酸鈣晶體能在土顆粒間形成有效膠結(jié),提高土體的強(qiáng)度和剛度。

目前關(guān)于MICP的研究主要集中在菌種選擇、加固方法、影響因素等方面。在菌種選擇上,巴氏芽孢桿菌具有較高的脲酶分解能力和適應(yīng)性,得到了廣泛使用。經(jīng)過大量試驗研究,采用注入一次菌液后再注入多輪膠結(jié)液的方法可以對砂土進(jìn)行有效加固;且間歇式注入膠結(jié)液的效果優(yōu)于連續(xù)注入[4-5]。采用多輪處理時,除了微生物外,由尿素和鈣鹽(如CaCl2)組成的膠結(jié)液在整個反應(yīng)過程中起到了重要作用。尿素為CaCO3的生成提供CO32-,鈣鹽提供Ca2+。由于微生物的新陳代謝需要時間,因此尿素的水解和碳酸鈣的結(jié)晶是一個動態(tài)過程。膠結(jié)液的成分、濃度、體積、間隔時間等參數(shù)對加固效果有著直接影響[6]。在膠結(jié)液等參數(shù)選擇上,學(xué)術(shù)界存在不同的結(jié)論和看法。例如:有學(xué)者認(rèn)為采用較低膠結(jié)液濃度的加固效果好,有的則認(rèn)為應(yīng)選擇較高濃度的膠結(jié)液[6-7];有些學(xué)者選取注漿間隔時間較短[8],有的則認(rèn)為間隔時間較長有利于反應(yīng)充分進(jìn)行[9]。造成以上分歧的主要原因是試驗土體不同,不同土的孔隙特征和物理性質(zhì)差別很大,因此參數(shù)選擇也不盡相同。

粉土孔隙尺寸小,細(xì)菌難以滲入土體內(nèi)部,給后續(xù)處理帶來了很大困難。根據(jù)之前研究,采用先將菌液和粉土拌合制樣然后入滲多輪膠結(jié)液的方法,可對試樣進(jìn)行整體加固[9]。不論針對何種土體、采用何種處理方法,膠結(jié)加固的均勻性和效果始終是亟待解決的問題。在微生物處理過程中,參與反應(yīng)的溶液為菌液和膠結(jié)液,反應(yīng)液的用量對加固效果存在重要影響。當(dāng)加固方法、菌液濃度、膠結(jié)液濃度等因素不變時,膠結(jié)液用量(即處理輪數(shù))是影響加固效果的主要因素。有學(xué)者認(rèn)為菌液用量會影響碳酸鈣在土中的結(jié)晶位置,土中菌液處于飽和狀態(tài)時的加固效果并不是最佳。因此,筆者重點(diǎn)研究了膠結(jié)液和菌液用量對加固效果的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

粉土取自江蘇鹽城東臺條子泥吹填工程。該重塑粉土干密度ρd=1.46 g/cm3、含水率w=27 %、孔隙比e=0.84、塑性指數(shù)Ip=8、滲透系數(shù)k=6.61×10-5cm/s。根據(jù)級配分析結(jié)果,粒徑0.005～0.075 mm的粉粒占73.3%,黏粒含量低于3%。不均勻系數(shù)Cu=3.29、曲率系數(shù)Cc=1.42,級配不良。

巴氏芽孢桿菌(sporosarcina pasteurii)購買于德國菌種保藏中心,培養(yǎng)液采用推薦的培養(yǎng)液。先將營養(yǎng)液放置于滅菌鍋進(jìn)行滅菌,然后在無菌操作臺上將菌液與營養(yǎng)液體積比按1∶8比例接種于400 mL的營養(yǎng)液中。隨后將接種后菌液放置于30 ℃、130 rpm/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12 h。菌液的OD600值控制在1.6左右,酶活性約為5.8 mm/min;酶活性的測定方法見文獻(xiàn)[10]。

膠結(jié)液為摩爾濃度比1∶1的尿素與氯化鈣混合溶液。根據(jù)之前試驗結(jié)果,濃度1.25 mol/L的效果較好,故濃度選擇為1.25 mol/L。

1.2 試驗方法

將菌液與干土拌和制樣,然后采用表面入滲膠結(jié)液的方法來進(jìn)行加固。試驗裝置為內(nèi)徑47.5 mm、高150 mm的PVC管,PVC管底部設(shè)開有小孔的底座,底座上方鋪設(shè)多層紗布以防止土粒流失。將烘干的粉土(265 g)與1.2倍孔隙體積(Vv)菌液充分拌和,均勻裝入PVC管中,裝樣高度為10 cm左右,控制干密度為1.46 g/cm3。選用1.2Vv的菌液是為了保證試樣處于飽和狀態(tài)(裝置底部小孔密封)。

菌液靜置12 h后,打開底部孔洞,然后從試樣頂部入滲1.0Vv膠結(jié)液(約82 mL)。每輪處理的膠結(jié)液用量和濃度不變,因此膠結(jié)液總用量僅取決于膠結(jié)液入滲輪數(shù)。入滲輪數(shù)取1～6輪;每輪膠結(jié)液入滲間隔時間為12 h;設(shè)置兩組平行試樣。全部膠結(jié)液入滲完成后,試樣靜置12 h,用過量去離子水沖洗以去除土中未反應(yīng)的雜質(zhì),拆樣后將試樣置于烘箱中烘干至質(zhì)量不變。

將烘干后的試樣在水中浸泡3 d以上觀察水穩(wěn)定性,并測定CaCO3生成量。用純水浸泡試樣使其中的可溶鹽充分溶解,用真空抽濾裝置將試樣中溶液過濾,將過濾后的試樣烘干,然后用濃度1 mol/L的鹽酸浸泡,處理前后干土的質(zhì)量差即為CaCO3生成量[11];除以干土質(zhì)量得到CaCO3生成百分比。將其余試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗,測試前將試樣兩端切削平整并滿足長徑比2∶1要求;然后將試樣放置于傳壓板中央進(jìn)行加壓,加載速率為1 mm/min。用破壞崩解后的試塊進(jìn)行收集以測定上、中、下不同部分的CaCO3生成量。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水穩(wěn)定性

不同入滲輪數(shù)的試樣水穩(wěn)定性如圖1。入滲不同輪數(shù)膠結(jié)液的試樣整體都得到了加固。入滲第1輪時,試樣高度相對較低(9.6 cm);入滲第2、3輪時,試樣僅底部有少量缺損;入滲第4輪后,試樣在水中保持完整,水穩(wěn)性好。

圖1 不同入滲輪數(shù)試樣的水穩(wěn)定性

2.2 CaCO3生成百分比與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

對試樣進(jìn)行CaCO3生成百分比和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試,其結(jié)果如圖2。試樣中的CaCO3生成百分比和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著膠結(jié)液處理輪數(shù)的增加而明顯提高。膠結(jié)液入滲第1輪時,CaCO3生成百分比僅為1.1%,強(qiáng)度為59 kPa,與處理前基本相同;當(dāng)入滲第3輪時,CaCO3生成百分比增加至5.9%,強(qiáng)度也提高至712 kPa;當(dāng)入滲第6輪時,CaCO3生成百分比為19.9%,強(qiáng)度達(dá)到2 659 kPa。

圖2 不同入滲輪數(shù)的CaCO3生成百分比和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

值得注意的是,膠結(jié)液入滲輪數(shù)在第2～5輪時,增加1輪膠結(jié)液使CaCO3生成百分比增加3.4%左右,增幅比較穩(wěn)定;當(dāng)入滲輪數(shù)從第5輪增至第6輪后,CaCO3生成百分比增加了6.5%,強(qiáng)度相比第5輪時提高了81.5%。這表明CaCO3生成百分比和強(qiáng)度的增幅并沒有隨著處理輪數(shù)的增加而下降。

圖3為不同入滲輪數(shù)試樣在無側(cè)限抗試驗中的破壞形態(tài)。當(dāng)入滲第1輪時,試樣強(qiáng)度低,試樣下部先發(fā)生破壞,呈現(xiàn)下軟上硬的特征;隨著入滲輪數(shù)增加,剪切破壞面貫穿整個試樣,呈現(xiàn)出劈裂破壞特征,表明試樣整體加固效果較好。

圖3 不同入滲輪數(shù)下的破壞形態(tài)

不同入滲輪數(shù)下的CaCO3分布如圖4。不同輪數(shù)下CaCO3在土中含量分布規(guī)律為:上部>中部>下部。試樣下部的CaCO3增長幅度小于上部和中部。這主要是因為膠結(jié)液從試樣表面往下入滲,因此中上部反應(yīng)比較充分,CaCO3含量較高。

圖4 不同入滲輪數(shù)下的CaCO3分布

2.3 膠結(jié)液鈣離子利用率

用CaCO3實際生成量除以CaCO3理論生成量,即可得到不同輪數(shù)時的鈣離子利用率[12]。鈣離子利用率隨入滲輪數(shù)變化如圖5。當(dāng)入滲輪數(shù)較少時,膠結(jié)液中鈣離子利用率較低;隨著入滲輪數(shù)增加,鈣離子利用率逐漸提高,當(dāng)入滲第6輪時可達(dá)到90%左右。這與砂土試驗結(jié)果有所不同,砂土試驗中前幾輪效率較高,強(qiáng)度增長較快[11]。此次處理的粉土在后幾輪加固效率較高,這說明該加固方法能有效產(chǎn)生CaCO3沉積。

圖5 不同入滲輪數(shù)的鈣離子利用率

2.4 掃描電鏡SEM結(jié)果

對微生物的沉積物(膠結(jié)物)進(jìn)行X射線衍射分析,結(jié)果表明膠結(jié)物主要為方解石型CaCO3[13]。筆者選取有代表性的2、4、6輪試樣拍攝了掃描電鏡(SEM)照片(圖6)。由圖6可知:顆粒之間分布著大量的CaCO3晶體;入滲第2輪時的晶體尺寸相對較小,為2～10 μm;入滲輪數(shù)增至第4輪時,晶體尺寸有所增大;輪數(shù)為第6輪時,CaCO3晶體多為六面體并互相疊加生長,晶體尺寸也達(dá)到20 μm。隨著膠結(jié)液處理輪數(shù)增多,顆粒間沉積的晶體尺寸逐漸增大,顆粒間形成了有效的碳酸鈣膠結(jié),試樣強(qiáng)度會明顯提高[14-15],無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果也證明了這點(diǎn)。

圖6 不同入滲輪數(shù)下的SEM照片

當(dāng)膠結(jié)液參數(shù)選取合理時,多輪處理會使得膠結(jié)液主要用于已有晶體的生長而不是新晶體的生成,更多大體積的晶體沉積才能將土顆粒膠結(jié)在一起,提高強(qiáng)度。本次試驗結(jié)果也基本驗證了這一觀點(diǎn)。對不同的處理對象和方法,合理的膠結(jié)液參數(shù)并不相同。用注漿法處理砂土?xí)r,膠結(jié)液濃度較低、間隔時間較短時的效果較好;對于粉土這類細(xì)粒土,膠結(jié)液濃度較低時則效果不佳,且多輪次間隔時間不宜低于12 h[16]。

3 菌液體積對加固效果影響

菌液與干土拌和制樣并入滲多輪膠結(jié)液可取得良好的加固效果。CHENG Liang等[17]通過加固砂土試驗認(rèn)為:非飽和試樣加固效果好于飽和試樣。這是由于在非飽和條件下,菌液更易吸附在土顆粒接觸點(diǎn),更易在顆粒之間形成有效的CaCO3膠結(jié)。

3.1 試驗方案

試驗用材料和參數(shù)與1.1節(jié)相同,此處不再贅述。取烘干后的粉土分別與0.6、0.8、1.0Vv的菌液攪拌均勻,分層擊實后裝入PVC模具。

菌液在密封狀態(tài)下靜置12 h,打開模具底蓋孔洞,在試樣表面入滲1.0Vv膠結(jié)液,膠結(jié)液濃度仍為1.25 mol/L。膠結(jié)液分別入滲1～6輪,膠結(jié)液入滲間隔時間取12 h。

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 CaCO3生成百分比

由不同菌液體積下的CaCO3生成百分比(圖7)可看出:當(dāng)膠結(jié)液入滲輪數(shù)相同時,3種菌液體積下的CaCO3生成百分比相差不大,0.8、1.0Vv的CaCO3生成百分比略高于0.6Vv。有的輪數(shù)下0.8Vv時的CaCO3生成百分比略高,這主要是由于測量不同部分CaCO3質(zhì)量時存在一定誤差。

圖7 不同菌液體積時的CaCO3生成百分比

3.2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖8為不同菌液體積下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分布。圖8中:同一菌液體積下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著入滲輪數(shù)增加而逐漸提高,菌液體積對強(qiáng)度有顯著影響。當(dāng)入滲輪數(shù)不超過3輪時,0.6Vv菌液體積試樣強(qiáng)度明顯低于0.8Vv、1.0Vv;當(dāng)入滲第4、5輪時,菌液體積對強(qiáng)度影響不大,仍為1.0Vv時的強(qiáng)度最高,其次是0.8Vv;當(dāng)入滲輪數(shù)為第6輪時,1.0Vv試樣強(qiáng)度有了明顯提高。

由圖7、圖8可知:在干土與菌液拌和時,菌液體積低于1.0Vv(即試樣處于非飽和狀態(tài))對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響大于對CaCO3生成量的影響;減少菌液體積不能提高對粉土的加固效果。

為進(jìn)一步分析不同菌液體積下的加固效果,筆者整理了幾種情況下的CaCO3生成百分比和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系,如圖9。圖9中:幾種菌液體積下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨CaCO3變化趨勢較接近,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨CaCO3生成量的增加而不斷提高。1.0Vv時,曲線在最上方;這說明當(dāng)CaCO3含量相同時的強(qiáng)度最高,加固效率也最高。

4 討 論

與加固砂土?xí)r膠結(jié)液濃度通常較低(小于0.5 mol/L)不同,加固粉土的膠結(jié)液濃度可適當(dāng)提高(本次取1.25 mol/L)。在入滲的前幾輪,CaCO3生成量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增長較慢,鈣離子利用率不高;鈣離子利用率隨著入滲輪數(shù)逐漸提高,加固效果也明顯提升。入滲輪數(shù)較多時生成的CaCO3晶體尺寸較大,能更有效地起到膠結(jié)作用。

改變拌合時的菌液體積可改變試樣初始飽和度,并影響加固效果。當(dāng)菌液體積減少至0.6、0.8Vv,加固效果有不同程度的下降。0.8Vv強(qiáng)度和CaCO3生成量與1.0Vv相差不大;菌液體積減小至0.6Vv后,試樣強(qiáng)度有較明顯降低。

圖10為不同菌液體積試樣入滲第1輪膠結(jié)液拆樣后的照片。菌液體積在0.6Vv時,試樣整體未有效加固、強(qiáng)度很低;菌液體積提高至0.8Vv后,試樣完整性有了明顯提高;菌液體積提高至1.0Vv后,試樣完整性較好。故對于微生物加固粉土,菌液體積應(yīng)不低于1.0Vv。

圖10 不同菌液體積入滲第1輪膠結(jié)液時的試樣

5 結(jié) 論

采用將菌液與粉土拌合制樣、然后入滲多輪膠結(jié)液來加固粉土,重點(diǎn)研究了反應(yīng)溶液用量對加固效果的影響,主要結(jié)論如下:

1)膠結(jié)液選取較高濃度1.25 mol/L可對試樣進(jìn)行整體加固,加固后試樣具體良好的水穩(wěn)性;

2)當(dāng)膠結(jié)液入滲輪數(shù)為1～6輪時,試樣中生成的CaCO3和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨入滲輪數(shù)不斷增加,且后續(xù)幾輪增幅更大,鈣離子利用率也隨著入滲輪數(shù)而逐漸增加;

3)掃描電鏡結(jié)果表明:處理后的試樣在土顆粒之間生成了大量的碳酸鈣晶體;晶體尺寸隨著入滲輪數(shù)增加而增大,試樣強(qiáng)度也更高;

4)減少菌液體積不會帶來加固效果的提升。相比1.0Vv菌液用量,采用0.6Vv菌液用量的試樣加固效果不佳,當(dāng)入滲輪數(shù)較少時更為明顯。