模拟海水环境下MICP固化滨海粉细砂的试验研究

刘 渊，张友良，胡晋宁，张亚军

（海南大学土木建筑工程学院，海南 海口 570228）

滨海地区地表往往覆盖有厚层状粉细砂，不同滨海区域所形成的粉细砂地层在空间分布、物质成分、结构构造特征等方面往往存在着显著差异.在修建路基、地基等相关海岸工程的基础建设中，粉细砂得到广泛的应用.国内学者对粉细砂及其力学特性展开了大量的研究：黄茂松等［1］对粉细砂进行了真三轴试验，并系统地分析了粉细砂强度特性的影响因素.杨举明［2］对粉细砂的液化进行了研究并得到粉细砂抗液化强度随干密度增大而增大；随排水条件的不同而不同.王兆祥等［3］利用高压低温三轴仪对粉细砂进行剪切试验，分析了粉细砂与水合物胶结对剪切行为的影响.沈素平等［4］考虑粉细砂的干密度和饱和度，通过正交试验研究了粉细砂的可压缩性.综上，粉细砂在原位状态下密实度高、压缩性好等特点，但当受到荷载后，应力状态发生改变而发生较大变形，从而引起砂土层的坍塌和变形.

近些年来，中国加快对滨海地区的建设尤其加快对海南自贸港的基础建设，然而在滨海地区进行基础建设最棘手的问题即为不良粉细砂地层覆盖范围广，有必要对粉细砂进行加固以提高结构的承载力及耐久性.传统的加固措施有物理加固和化学加固，采用强夯法或者灌注水泥浆和化学胶结液对粉细砂进行加固，此类方法往往存在加固深度有限、造价高、能耗大、污染严重等缺陷，这与我国提倡的绿色发展理念相违背.因此，寻找符合滨海地区绿色可持续发展的粉细砂加固方法越来越受到相关单位的重视.

CO(NH2)2+H2O→H2COOH+2NH3微生物诱导碳酸钙沉积（microbial induced calcium carbonate precipitation，简称MICP）作为一种新兴的环境友好型的土体加固技术受到了众多学者的关注［5-6］.MICP固化原理是尿素为微生物提供氮源，微生物在生命活动中产生一种可以加速水解尿素的脲酶，脲酶催化尿素水解为碳酸根和铵根，当环境中存在游离的钙离子时，便会生成碳酸钙结晶将砂颗粒胶结在一起［7］.MICP固化原理如下［8］：

DeJong等［9-11］对微生物固化土的三轴强度进行了一系列的研究，发现砂柱的强度与微生物诱导生成碳酸钙的含量有关.刘汉龙等［12］通过三轴试验和SEM电镜试验，研究了MICP胶结钙质砂的动力特性和微观胶结机理.结果表明，MICP胶结作用改变了土壤的性质，增加了土壤的粘聚力和内摩擦角.彭劼［13］模拟海水环境中对珊瑚砂砂柱进行微生物加固浸泡试验，表明随着浸泡时间的增长，珊瑚砂具有更大的无侧限抗压强度.王铖［14］通过二次注菌的方式胶结标准砂，开展了不同钙源和培养液浓度对MICP胶结效果的影响，找出了其中的最优钙源和其对应的最佳培养液浓度.李洋洋［15］通过固化过程中珊瑚砂试样的渗透性变化和单轴压缩试验，表明了微生物固化珊瑚砂实验中胶结液浓度对胶结效果有影响并确定了胶结液浓度的最佳配比.欧益希［16］设置了不同浓度的NaCl溶液，经过测试胶结后的珊瑚砂砂柱无侧限抗压强度，对MICP固化珊瑚砂的力学性能进行分析，但是并没有研究在盐性环境胶结液中尿素浓度对固化效果的影响.

鉴于目前在滨海地区海水环境下用微生物固结法处理滨海粉细砂的研究较少，本文采用尿素水解巴氏芽孢杆菌（CGMCC 1.3687），依据现实海水的盐度及pH值，模拟了海水环境下对滨海地区粉细砂进行了MICP固化处理，研究了海水环境微生物固化滨海粉细砂的影响.进行一系列无侧限抗压强度的试验、碳酸钙含量试验和微观结构分析，研究了淡水、海水环境及尿素浓度对MICP固化效果的影响，分析了微生物诱导碳酸钙与粉细砂相互之间的作用机制，验证在海水环境下MICP技术固结滨海粉细砂的可行性.研究成果对滨海地区路基修筑，海岸开发、边坡防护等工程设计及研究提供参考.

1 试验概况

1.1 试验材料

1.1.1 滨海粉细砂试验粉细砂取自海南省海口市海岸边，密度为2.72 g·cm-3，渗透系数为3.617×10-4k·m-1·s-1，混有贝壳等杂质.将粉细砂清洗干净，放入105℃烘箱中烘至衡量并冷却到常温，进行筛分试验，得到滨海粉细砂试样颗粒级配曲线如图1所示，通过内插法计算可以得到此粉细砂的不均匀系数Cu为1.73，曲率系数Cc为1.12，不能满足Cu＞5和Cc=1-3的要求，属于级配不良砂.

图1 滨海粉细砂试样颗粒级配曲线图

1.1.2 细菌的活化和培养实验使用的细菌为巴氏芽孢杆菌，它可以利用尿素为原料通过本身的代谢活动形成大批高活性脲酶，该酶可以快速水解尿素.实验所用培养基成分为（每100 mL）：2 g葡萄糖，2 g细菌学蛋白胨，1 g氯化钠，将上述培养基放入高压蒸汽灭菌锅升温至125℃，冷却至室温拿出培养基，调节pH至9.0，注入菌株，放入30℃，160 r·min-1恒温摇箱震荡培育，27 h后取出并用分光计测OD600用来表征细菌的浓度，测得OD600值为0.689.用电导率仪来测试菌液脲酶活性，测得其脲酶活性约为1.32 mmol·L-1·min-1.

1.1.3 营养盐溶液营养盐溶液分为盐度为3.5%的海水环境和无盐的淡水环境，加入1 mol·L-1的CaCl2和不同浓度的尿素溶液组成，其中模拟海水环境的营养液含有35 g·L-1的NaCl.营养液主要为菌株提供营养物质，钙离子和CO32-，在脲酶催化作用下尿素快速水解，更快地生成碳酸钙结晶.

1.2 实验方法

1.2.1 压力注浆法加固粉细砂实验试样共分为6组，按照A-F编号，其中对照组A号组为淡水环境，胶结液中尿素浓度和CaCl2浓度均为1 mol·L-1.B-F组为海水环境下加固粉细砂.具体分组参数如表1所示.

表1 试样编号及其胶结液浓度

为了研究海水环境对MICP技术加固滨海粉细砂的影响，通过MICP压力注浆法加固粉细砂砂柱.实验所用模具为三块塑料软管组成的厚度2 mm、高80 mm、内径35 mm的圆筒，圆筒上部为厚度4 mm，直径42 mm的圆片，中央留有的注浆孔，与蠕动泵胶管连接，底部留有出液口，试验模具如图2，实验装置如图3所示.

图2 试件模具主视图和俯视图

图3 试验装置示意图

具体固化步骤：①将95.5 g干密度为2.72 g·cm-3的滨海粉细砂装入磨具，并用分层压实法压实，在砂土上方铺上一层滤纸，防止注浆时造成上部砂土不均匀.②蠕动泵以10 mL·min-1的速率注入浓度为1 mol·L-1的CaCl2固定液，放置3 h后以5 mL·min-1的速率注入100 mL菌液，使细菌与砂土混合在一起.③注入菌液静止8小时后，以10 mL·min-1的速率注入胶结液，胶结液为1 mol·L-1的CaCl2溶液和不同浓度梯度的尿素溶液各1 L.④注浆完成后，放置24小时，待细菌反应充分后，然后放入65℃鼓风烘箱中烘干拆模.

1.2.2 无侧限抗压强度试验为研究MICP技术加固滨海粉细砂的力学特性，试验采用仪器为南京土壤仪器厂的型号为YYW-2的无侧限压力仪.微生物诱导生成的碳酸钙填充粉细砂颗粒并彼此胶结一块，经过烘干拆模后形成具有一定强度的试件，试件直径35 mm，高80 mm，对粉细砂砂柱试件进行无侧限抗压强度试验，加载速率为1 mm·min-1至试件破坏.

1.2.3 碳酸钙生成量测定试件中碳酸钙的含量是MICP固化效果的重要指标［17］，取破坏后的砂柱试件，依据土工试验规范［18］用酸洗法测定试件碳酸钙的生成量.用蒸馏水浸泡破坏后的砂柱溶解试件中残留的可溶性盐，烘干并称重.将试件放入过量盐酸中溶解CaCO3，直至无气泡产生且粉细砂颗粒分离.反应结束后，用蒸馏水清洗砂颗粒，将清洗干净的砂颗粒烘干称重，试件酸洗反应前后的质量损失即为碳酸钙的生成量.

1.2.4 微观结构分析试验为观测砂柱试样中粉细砂颗粒空隙中碳酸钙分布填充情况，采用日本Hitachi公司生产的S-3000N型扫描电子显微镜，取破坏后砂柱试样截面上一小块进行SEM扫描试验.

2 试验结果与讨论

MICP加固的本质是微生物诱导碳酸钙和粉细砂胶结在一起，填充并弥合砂颗粒之间的空隙，形成具有一定强度的整体.通过无侧限抗压强度试验，研究了尿素浓度和模拟海水环境对MICP固化结果的影响.

2.1 尿素浓度对MICP固化效果的影响在MICP加固试验中，尿素为微生物提供氮源，是微生物加固中最重要的营养盐原料.通过大量的试验研究发现，尿素的浓度对微生物加固有一定的影响，适量的尿素可以促进巴氏芽孢杆菌产生脲酶并促进尿素的水解，从而加快碳酸钙结晶效率.

图4为海水环境下不同浓度的尿素溶液的滨海粉细砂试件的无侧限抗压强度的应力应变曲线对比图.从图中可以清晰地看出，海水环境下试件的无侧限抗压强度在一定程度上随着尿素浓度的增大而增大，在尿素浓度为1 mol·L-1时强度达到最大，尿素浓度超过1 mol·L-1时，试件的无侧限抗压强度有所下降.

图4 海水环境下注浆后各试件的应力-应变曲线

试验得出，尿素浓度为1.5 mol·L-1的试件固化效果不够理想，内部胶结较好，但表面有松散的粉细砂颗粒.过量的尿素浓度大于细菌细胞液的浓度，会抑制细菌的新陈代谢，从而抑制产生脲酶的活性.随着尿素浓度的降低，试件的完整度和固化效果逐渐变好，主要是因为脲酶活性逐渐变高，反应速率加快和反应产物增多，因此提升了固化效果.尿素浓度为1 mol/L时，试件完整度且固化效果是最佳的，可以在试件表面看到一层5～8 mm的白色碳酸钙结晶.尿素浓度降至0.5 mol·L-1的试件，虽然可以看到外表有白色的固化层，但是内部固结不够理想.这主要是因为尿素浓度过低时，微生物固化过程尿素供应不足，产生脲酶的速率大大降低，不利于试件的固化，导致强度下降.

2.2 海水环境对MICP固化效果的影响取上述最佳尿素浓度的试件，做淡水环境的对比组.图5为相同的尿素浓度下淡水环境和海水环境的无侧限抗压强度对比图，强度有显著的差异.

图5 相同尿素浓度海水组与淡水组应力-应变曲线对比

海水环境下的MICP技术加固滨海粉细砂，其无侧限抗压强度为502.1 kPa，淡水环境下其无侧限抗压强度为234.3 kPa，显然，海水环境下砂柱的强度是淡水环境下的2.14倍，从海水环境下砂柱应力-应变曲线能够看出砂柱受压经过三个阶段：一为压实阶段，无侧限抗压强度随应变缓慢增加，应变区间为0～0.9%；二为塑性变形阶段，试件出现裂缝，无侧限抗压强度达到最大，应变区间为0.9%～2.3%；三为破坏阶段，继续加压，裂缝进一步扩大，试件发生破坏.试件破坏前后对比如图6.

图6 试件加载破坏前后对比

造成这种区别的主要原因与MICP固化环境中的pH值有关.试验所用的巴氏芽孢杆菌的最佳生长环境的pH为9.0左右［19］.Stocks-Fischer等［20］对适宜MICP加固常用的高脲酶菌的最适生长pH值进行了测定，发现pH值会对微生物新陈代谢产生的脲酶活性产生影响.海水的pH通常为8.1，淡水pH一般为7，海水呈弱碱性环境，更适宜巴氏芽孢杆菌的新陈代谢，反应初期细菌体内脲酶水解尿素产生了一定浓度的CO32-和NH+，然而CO32-的水解能力强于NH4+，菌体内部pH值进一步提升，反应中后期CO32-由于生成碳酸钙而被消耗，NH4+的水解会产生氢离子导致溶液pH略有下降，淡水溶液呈弱酸性环境，但海水溶液仍为弱碱性环境.海水溶液中脲酶表现出更高的水解效率和更强的对尿素的亲和力，从而进一步促进了由脲酶催化的尿素反应生成的碳酸钙晶体覆盖在砂柱的表面，并填补粉砂柱内部粉细砂颗粒的缝隙，提高了砂柱的强度，由此可见海水环境下微生物固化技术对滨海粉细砂的加固强度优于淡水环境.

2.3 碳酸钙含量表2为MICP固化不同试件的碳酸钙含量，由表2可以看出对照组淡水环境A组试件的碳酸钙含量远低于海水环境D组碳酸钙含量.海水环境下，碳酸钙含量随着尿素浓度的增大先增加后减小，尿素浓度为0.5 mol·L-1时碳酸钙含量仅为9.36%，尿素浓度为1 mol·L-1时碳酸钙含量达到最大为24.39%.尿素浓度大于1 mol·L-1时碳酸钙含量有所下降.尿素浓度过高导致细菌活性受到影响，新陈代谢速率下降，因此微生物诱导碳酸钙的含量也有所降低.

表2 MICP固化不同试件的碳酸钙含量

通过MICP加固粉细砂试件生成的碳酸钙填充并胶结砂颗粒之间孔隙，直接影响加固粉细砂试件的力学特性.图7为不同碳酸钙含量的试件对应的无侧限抗压强度图，由图7得到试件的碳酸钙含量越高，试件加固效果就越好，无侧限抗压强度随之变大.可以看出，微生物加固的固化效果与加固环境、尿素浓度和碳酸钙含量密切相关［21］.

图7 不同碳酸钙含量对应的无侧限抗压强度图

2.4 微观结构分析取破坏后各试件的一小块进行SEM扫描试验，图8所示为A-F各组试样放大1 500倍后的微观照片.可以看到白色的碳酸钙结晶包裹在粉细砂颗粒表面，海水环境D组砂颗粒表面被碳酸钙晶体包裹并胶结在一起，形成具备一定力学强度的整体，其对照的淡水环境A组有碳酸钙晶体包裹砂颗粒，但砂颗粒之间仍存在较大的孔隙.由B-F组可以看出海水环境下砂颗粒孔隙随着尿素浓度的增加先减小后变大，在尿素浓度为1 mol·L-1时加固效果最好，得到固化环境和尿素浓度对MICP固化滨海粉细砂有着重要的影响，这与无侧限抗压强度试验和碳酸钙含量试验得到的结论一致.

图8 不同试件固化后的微观结构图

3 结论

本文在模拟海水环境下利用巴氏芽孢杆菌对MICP技术固化滨海粉细砂的可行性试验研究，通过无侧限抗压强度试验、碳酸钙含量试验和微观结构分析，研究了不同浓度的尿素在海水环境下对MICP加固粉细砂的固化效果，同时对比分析了海水和淡水环境下对固化效果的差异，得到结论如下：

（1）在海水环境下MICP技术固化滨海粉细砂是有效的，通过微观结构分析得到反应生成了碳酸钙结晶填充了粉细砂颗粒的空隙，并将松散的粉细砂粒胶结成为具备一定力学强度的整体，为滨海地区的路基和地基处理、边坡防护等提供了一种绿色解决方案.

（2）MICP技术使用的尿素浓度对固化滨海粉细砂颗粒有着至关重要的影响，本文对尿素浓度的影响做了一个试验对比，CaCl2浓度一定时，发现砂柱试件的无侧限抗压强度和碳酸钙含量随着尿素浓度的增加先上升后下降，得到海水环境下1mol·L-1尿素处理试件的加固效果最好.

（3）经过无侧限抗压强度试验和碳酸钙含量试验可以得到，海水环境粉细砂砂柱的无侧限抗压强度是淡水环境下的2.14倍且生成的碳酸钙含量更高.海水环境的弱碱性促进了巴氏芽孢杆菌的生长和繁衍，进而形成大量高活性脲酶，大大提高了微生物诱导碳酸钙沉积的效率.