微生物固化含黏粒花岗岩残积土的强度机理研究

胡其志， 舒晟， 陶高梁， 张帆

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 武汉 430068)

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcite precipitation，MICP)是自然界中微生物的一种矿化过程，其技术原理是通过微生物自身的代谢水解，并与周围其他物质进行一系列生物、化学或物理反应，产生碳酸钙沉淀。在固化过程中提供相应的胶结物质如氯化钙、尿素等从而使微生物代谢作用可产生分解尿素的脲酶，尿素分解后产生的碳酸根离子与周围环境中游离的钙离子结合生成碳酸钙晶体[1]，从而达到加固的目的。微生物固化技术可以应用在岩土加固处理、岩土封堵、金属污染土修复等方面[2-5]，由于成本低、便于施工、符合绿色环保的发展理念，微生物固化技术受到广大专家学者的青睐[6]。

赵茜[7]利用巴氏芽孢杆菌催化尿素水解进行MICP固化土壤效果和影响因素研究，发现在pH为8～9、培养温度为30 ℃时，为巴氏芽孢杆菌活化培养的最佳条件。Van Paassen等[8]、Harkes等[9]、Chu等[10]以及程晓辉等[11]利用微生物固化技术对一些岩土材料进行了加固处理，通过对处理后土样的渗透性及强度等特征进行测试分析发现，处理后的试样性能均有一定的改善或提高。王绪民等[12]研究发现，MICP胶结后试样强度的增加，是由于微生物诱导产生的碳酸钙晶体填充到试样孔隙中形成“胶结桥”，增强胶凝力。Zamani等[13]将MICP技术应用于含有高达35%细粒的粉砂中，进行不排水剪切实验，结果表明MICP方法对粉砂的影响取决于砂的相对密度、细粒含量和土壤组成结构。刘家明等[14]在MICP细菌活性试验和固化试验中改变周围的溶液环境，发现在NaCl溶液环境中细菌活性显著降低，从而导致碳酸钙产量下降，试验土样强度降低。郑俊杰等[15]和Xiao等[16]在微生物固化中加入了纤维加筋技术，不仅提高了抗拉强度，更显著降低了固化土体的脆性。崔明娟等[17]研究了颗粒粒径对微生物固化砂土强度的影响。陈彦瑞等[18]通过对红棕色玄武岩残积土研究，发现试样在同时参入菌液和营养盐后，抗剪强度明显提高。上述研究主要集中在加固效果评价等方面。MICP技术加固过程中材料的孔隙率[19]、粒径和级配[17]、周围溶液环境[14,18]以及材料的微观结构等对加固效果有直接影响。

目前中外微生物固化试验所用土样大多为粗粒土。当土样间土颗粒孔隙较小时，由于微生物在土样中繁殖生产需要空间，微生物在中-细粒土内繁殖生产迁移会受到土孔隙大小影响[19-20]，所以中-细粒土相关的MICP加固研究较少。含黏粒的花岗岩残积土多为中粒-细粒结构，其中所含的红黏土具有渗透低、强度低、塑性高，力学性能较差，为区域性特殊土，需对其进行加固处理后，才能满足工程需求[21]。目前大部分处理方法是加入水泥进行搅拌混合提高强度，但其中不乏由于水泥的高收缩性而出现的工程质量问题。为此，研究微生物固化技术加固含黏粒花岗岩残积土具有一定意义。花岗岩残积土的MICP加固处理中黏粒含量存在较大影响。因此，利用微生物固化技术处理不同黏粒含量的花岗岩残积土，对固化后的土样测定其碳酸钙含量，并进行无侧限抗压强度试验，研究不同黏粒含量对微生物固化效果的影响。在此基础上，开展微生物固化后试样的核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)试验，从细观角度研究黏粒含量对花岗岩残积土的固化机理。

1 微生物加固试验

1.1 土样制备

贵州石仟至玉屏高速公路地处贵州地区中东部，中交路桥承担的10标段处广泛分布着花岗岩残积土。依托该项目开展了MICP加固技术的研究，加固试验所用的花岗岩残积土和红黏土均取自该工程所在地，一般位于地表2～3 m深度处。现场取样后封存带回实验室，试验前将土样风干碾碎，在筛除2 mm以上的粗颗粒后分别进行了土样的基本物理性质试验，其试验指标如表1所示。进行筛分试验获得了花岗岩残积土和红黏土的级配曲线，如图1所示。

表1 试验土样的基本物理指标

图1 颗粒级配曲线Fig.1 Particle-level profile

为研究不同黏粒含量对花岗岩残积土的MICP加固效果，增加每组试验所得结果的区分度，将不同量的红黏土掺入花岗岩残积土中，选取红黏土含量分别为0、20%、40%和60%的花岗岩残积土与红黏土的混合土样。以红黏土含量和后期的温度养护条件为试样分组依据，分别记为A-1～A-4、B-1～B-4、C-1～C-4组，试验编组及后期养护条件如表2所示。

表2 试样编组及养护条件

按照规范进行了重型击实试验，得到了混合料的最大干密度和最优含水率，如表3所示。参照表3数值制备试验土样，用取样器取出在最大干密度和最优含水率情况下的混合土样；为保证土样的初始状态，采用落雨法在土工布模具内装入高度80 mm的试验土样，制备直径Φ39.1 mm×80 mm的试样，用于MICP固化试验。

表3 不同黏粒含量花岗岩残积土的物理指标

1.2 菌液的培养

目前中外学者均是在生物诱导机制的基础上开展对MICP技术的试验研究，而在此过程中，所需用到微生物菌种也均源于生存环境中，如巴氏芽孢杆菌(Sporosarcinapasteurii)、多糖黏胶菌(Polysaccharideviscosebacteria)、反硝化细菌(Denitrifyingbacteria)、巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii)、硫酸盐还原菌(Sulphate-reducingbacteria)、黄色黏球菌(Myxococcusxanthus)等。

图2 巴氏芽孢杆菌斜面及菌液Fig.2 Inclined surface and bacterial liquid of Bacillus pasteuris

本次试验所使用的微生物菌体巴氏芽孢杆菌Sporosarcinapasteurii为化能异养、兼性好氧菌，如图2所示。试验前，将菌液置于培养基中，每升细菌培养液中含15 g胰蛋白胨、5 g酵母浸粉、5 g NaCl、100 mL浓度20 g/L的尿素urea溶液，用1 mol/L的NaOH溶液调节培养液pH至7.3。对培养基各单一成分进行121 ℃高温高压灭菌以及紫外灭菌后，于超净工作台上对尿素溶液进行过滤灭菌，然后均匀混合，并将活化后细菌接种至培养基中，置于振荡培养箱(30 ℃、200 r/min)培养32～40 h，观察菌液出现浑浊则证明扩增培养成功。计算细菌浓度可依据分光光度计600 nm波长下所测得的吸光度OD600换算[1]。细菌活化后，使用分光光度计在600 nm波长下测得吸光度OD600=1.65，菌液稀释5倍后OD600=0.57，由于吸光度OD600的线性关系最适范围为0.2～0.8，且使用分光光度计测定存在一定误差，致使菌液稀释5倍后未成线性变化趋势。按Victoria等[20]的经验公式(1)可换算成菌落浓度约为4.032×107cell/mL(仅当OD600在0.2～0.8适用)[1]。

Y=8.59×107Z1.362 7

(1)

式(1)中：Y为细胞浓度，cell/mL；Z为吸光度OD600数值。本次试验直接以OD600值表示为细胞浓度，后续试验使用菌液OD600均为1.65。

MICP试验中主要钙源选择有CaCl2、Ca(CH3COO)3、Ca(NO3)2。而CaCl2及尿素的混合液成为了研究的首选。试验中采用CaCl2-urea混合液胶结液，浓度和配比为1∶1混合。氯化钙为MICP过程中提供钙源[18]，尿素在整个固化过程中为微生物提供生长和固化需要的营养物质及其外部环境。其中微生物诱导碳酸钙沉淀结晶的主要原理反应方程式为

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.3 固化流程

(1)MICP试验前需明确微生物材料用量、胶结液浓度、胶结液配比。菌液用量受孔隙体积控制，根据不同黏粒含量试验土样的最优含水率，计算所需菌液用量。胶结液中使用1 mol/L等摩尔浓度的氯化钙和尿素溶液以1∶1混合。

(2)MICP固化过程中，胶结液注入试验土样的方式不同也会使固化结果不同。为保持土样的初始状态和土样固化的均匀性，试验采用浸泡式注浆法，MICP反应器示意图如图3所示。随后将制备好的土样放入塑料容器中。

图3 MICP反应器示意图Fig.3 Schematic drawings of MICP batch reactor

(3)MICP试验中为保证试样的初始状态和均匀性，从试样顶端通过重力自由渗透作用将菌液与试样土样混合，静置1～2 h。最后将一组12个模具放在塑料箱内的铁丝网架上，浸入含胶结液的MICP反应器中，进行7 d的MICP固化作用。MICP反应器及试样如图4所示。

图4 MICP反应器及试样Fig.4 MICP batch reactor and sample

相较于众多专家学者采用的压力泵式注浆法，浸泡式注浆法[7]的主要特点是可直接将试验土样浸入到胶结液中，胶结液是通过自由渗透到试验土样间隙中而不是通过压力泵泵送。浸泡式注浆法操作简单，由于试验材料事先的完全混合，无需后续补充，提高了菌液和胶结液的利用率，有助于微生物固化技术在岩土工程中的实际应用。反应器主要包括：装有氯化钙胶结液的塑料箱，并在塑料箱内置一个铁丝网架放置试验土样，使MICP反应更加充分。在微生物固化过程中，加入气泵为固化反应过程中的细菌提供充足氧气。试验模具采用人工缝制的全接触柔性模具土工布。土工布作为一种柔性材料，其纤维间存在的大量孔隙使其具有良好的渗透能力，使胶结液更均匀的进入试验土样中，同时纤维结构也具有良好的支撑作用。使用土工布模具通过浸泡式灌浆，可以提高本次试验土样固化的均匀性。

2 固化效果对比分析

2.1 强度测试

MICP固化试验结束后，对三组试样进行不同温度养护7 d。养护结束后，按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)测试试验土样无侧限抗压强度，加载速率1.0 mm/min。测试结果如图5所示。

图5 MICP固化后不同黏粒含量下无侧限抗压强度Fig.5 Unconfined compressive strength under different clay content after MICP curing

经MICP处理后，各试样无侧限抗压强度有不同程度的上升。由于试验土样初始密实度小，未经MICP技术处理的土样无法胶结成一个整体，所以仅在同组经过MICP处理后的土样进行对比。从图5可以看出，相同温度养护下，红黏土含量不同，MICP技术对土样的强度提升幅度也各有不同。以A组为例，红黏土含量为60%的土样强度经过MICP处理后达到121.46 kPa，红黏土含量为0%的土样处理后强度为36.76 kPa。而红黏土含量为20%与40%土样，强度则相差不大，分别是71.128 kPa 和79.581 kPa。由于微生物固化土样的强度主要由土体本身构成的骨架结构强度和碳酸钙晶体的胶结强度组成；土样初始密实度小、整体骨架结构强度低，虽然碳酸钙含量较高，但其整体强度仍可能较低，如试验中红黏土含量为0的试样。试验中红黏土含量为60%的试样，其整体骨架结构强度较高，经过MICP固化作用产生的碳酸钙晶体胶结后，试样的整体强度较高。

2.2 碳酸钙含量分析

测量固化后试样中碳酸钙的含量，可以反映出MICP过程的进行情况。首先，将无侧限抗压加载破坏后的试样破碎研磨后，进行烘干处理，称量此时试验土样质量记为Ws+p。将烘干土样置于烧杯中，加入2 mol/L的稀盐酸溶液进行酸洗。观察烧杯中无气泡冒出后，再使用去离子水冲洗过滤，再次进行烘干处理，称量此时质量计为Ws。此时第一次称量质量减去第二次称量质量的差值即为微生物固化过程中生成的CaCO3晶体质量，再除以第二次酸洗过滤后的土样质量，即为生成CaCO3晶体的质量分数。CaCO3晶体质量WCaCO3可以反映MICP过程的进行情况，其计算公式为

WCaCO3=(Ws+p-Ws)/Ws×100%

(7)

测定反应后的土样中CaCO3含量结果如图6所示。

图6 不同黏粒含量的CaCO3含量Fig.6 CaCO3 content of different clay content

微生物固化生成碳酸钙晶体的沉积量与试验土样孔隙率的减小直接相关[17]。由图6可知，相同养护条件试验组B-1～B-4，4组试样CaCO3含量呈下降姿态。由此可见，在相同的反应条件下试验组由B-1～B-4随着黏土含量的增加，CaCO3沉积量越少，结果表明随着红黏土含量增加，整个试样的孔隙体积越小，CaCO3的沉积量越小。土样中黏土含量为0时，其中CaCO3含量达到了45.49%。黏土含量为20%时，CaCO3含量达到了33.08%。这与现有专家学者研究所测定的CaCO3含量一般在10%左右有所不同。产生上述现象的原因是：由于微生物在土样中繁殖生产需要空间，碳酸钙的沉积量受到土的孔隙大小的影响。在相同试验条件下(室温)，土样初始密实度越小、土样的孔隙体积越大，因此碳酸钙沉积量越多。为保证土样的初始状态，试验土样未经过压实处理，初始密实度较小，土样孔隙体积大，所以试样中碳酸钙的沉积量远大于10%。

2.3 养护温度与强度分析

本试验考察MICP反应完毕后通过不同温度养护对其强度的影响，观察在实际工程中MICP灌浆试验后不同气候温度的养护条件对MICP技术的影响。土样灌浆结束后，将土样从MICP反应器中取出，进行三种不同条件的7 d养护试验，包括烘箱高温(30 ℃)、室温(15 ℃)、低温试验箱(-18 ℃)。试验结果如图7所示。

图7 不同养护条件下无侧限抗压强度箱线图Fig.7 Box plot of unconfined compressive strength under different curing conditions

可以看出，相同黏粒含量下烘箱(30 ℃)养护样品强度130.74 kPa最大，其次是室温下(15 ℃)风干下样品强度112.87 kPa和低温试验箱(-18 ℃)中样品的强度121.46 kPa。通过烘箱高温养护和低温试验箱养护模拟了自然环境下高温和低温对MICP固化后试验土样的影响，试验结果表明：在MICP固化结束后不同温度养护条件下，试验土样的强度差距较小，MICP固化过程中生成的碳酸钙晶体(即胶结强度)受外界条件温度影响较小，稳定性好。良好的热稳定性，为MICP固化技术在岩土实际工程中的发展奠定了基础。

3 强度增长机理

3.1 核磁共振试验

微生物固化技术涵盖面较广，过程较为复杂，固化过程中的影响因素较多，其中试验土样孔隙率的减小与微生物固化生成的碳酸钙沉积量直接相关[15]。通过NMR可从细观角度说明孔隙变化对微生物固化技术的影响。氢核是目前所有的核磁共振试验的标准，核磁共振谱有两个时间变量T1和T2，是经过两次傅里叶变换后得到的两个独立频率变量图，其中，T2为检测期采样时间，T1为演化期是与T2无关的独立变量。T2与物质的成分和类型相关。同种物质间若存在成分的微量不同，最终也会导致T2的不同。其中横向弛豫时间是核磁共振试验的最常用的重要参数，涉及到的时间变量为T2。试验通过脉冲作用可激发土样中的所有氢核，然后通过仪器采集数据，经过专家学者的研究后，将仪器直接采集到数据通过反演的办法，区分出了其中所有氢核的弛豫信号和无法区分成分的弛豫信号。反演后得到的T2和信号幅度的关系图，称为反演谱。

弛豫信号可表示为

(8)

式(8)中：Mt为在t时刻总信号强度；M0为给定磁场中的初始信号强度；T2为横向弛豫时间。

然后通过反演，可由式(8)得到试验土样中质子的分布密度函数，称为T2分布。试验所用仪器PQ-001核磁共振仪为苏州纽迈公司出产，整个仪器主要结构包括了磁体单元、射频系统、数据采集分析系统等，其中通过永久磁体和射频线试管样等组成磁体单元。永久磁体的磁场强度为0.52 T，为使主磁场均匀和稳定，温度设置(32±0.01) ℃。整个试验过程中，试验土样置于试样管中，其有效测试范围是60 mm×Φ60 mm。通过核磁共振试验研究不同黏粒含量试样经过MICP处理后在饱和状态下内部结构的微观变化，考察不同T2谱变化规律，并结合T2谱分布曲线从微观角度分析孔隙半径与孔隙分布。T2谱的分布反映试件内部孔隙的分布，不同的谱峰对应不同的孔径类，峰的数量可以表示各类孔径的连通性，谱图中第一峰表示为土样中小孔隙孔隙率，第二峰表示土样中大孔隙孔隙率。

3.2 试验结果分析

多孔介质处于饱和状态时，T2与S/V呈正比关系，可视为孔隙尺寸的度量，其中S为孔隙表面积，V为孔隙体积。因此，反演后的T2谱反映了试样的孔隙孔径分布曲线。由于布局有限，部分反演结果如图8所示。

图8 不同含量黏土的T2谱反演原图Fig.8 T2 Spectral inversion of clay with different contents

对NMR试验后反演图进行处理。选取两组平行试验，进行对比分析。通过分别比较两组试验T2谱的两峰弛豫峰的变化(弛豫时间的范围、峰的最大值以及峰面积的变化)，同时结合试验土样中碳酸钙的沉积量从而得出不同含量红黏土产生的孔隙率变化在MICP固化试验中的影响。结果如图9、图10所示。

图9 核磁信号图Fig.9 Nuclear magnetic signal diagram

图10 核磁信号图Fig.10 Nuclear magnetic signal diagram

从图9和图10两组试样中可以看出，试验土样的T2谱值随着黏粒含量的增加保持减小趋势，两组试验中第一峰与第二峰出现的弛豫时间均为 0.01～0.1 ms和1～10 ms。微生物固化后试验土样T2谱的第二峰峰值以及第二峰峰值面积随着黏粒含量增加也保持减小趋势。表明试验土样内部孔隙率随着黏粒含量增加而减小，随着孔隙率的不断减小，碳酸钙的沉积量也不断减小。

从图9、图10两组T2谱图中还可以看出两组试验随着含量的增加，弛豫时间的增长，第二峰弛豫峰左移，说明孔隙尺寸逐渐缩小，且孔隙分布的范围逐渐缩小，分布区间向小孔隙方向移动。以上变化规律表明，黏粒含量越高的试验土样中，其孔隙率越小。

根据T2值与孔径大小呈正比关系，即R=T2ρ2，其中，R为孔径大小，ρ2为表面弛豫强度。可知，T2值越大表明该信号值对应的孔径所占比例越高，图9(a)、图10(a)中两组试样主导峰均没有发生变化，均为第二幅值大于第一幅值，从而可知试样内部孔径分布较为均匀，均为大孔隙占比高于小孔隙。通过图9(b)和图10(b)两组试样信号幅度积分图，可以看出在黏土含量为60%时，土样内部的孔隙率最小，其次为40%含量黏土和20%含量黏土，未掺入红黏土的土样孔隙率最大。结合碳酸钙含量和无侧限抗压强度分析，当黏粒含量从0提高至60%时，MICP固化作用后碳酸钙沉积量不断减少，因为土样间土颗粒孔隙较小时，由于微生物在土样中繁殖生产需要空间，微生物在土内繁殖生产迁移会受到土孔隙大小影响。但微生物固化土样的强度主要由土体本身构成的骨架结构强度和碳酸钙晶体的胶结强度组成。黏粒含量60%试样的整体骨架强度较高，并经过MICP固化作用，生成的碳酸钙晶体对试验土样孔隙产生胶结作用，导致试样土样孔隙分布区间向小孔隙方向移动，整体孔隙率最小，抗压强度最高。

对两组试样的第一峰峰值面积，图9显示含量为40%时小孔隙的孔隙率最小，而图10显示小孔隙孔隙率最小为含量为60%的土样，与黏粒含量高时孔隙率小不符。由于在两组试样中第一幅值均较小，表示小孔径孔隙所占比较低。因此主要通过观察第二峰大孔隙波形规律，且即使为相同条件的平行试样，试样间成分的微量区别，也会造成T2谱值的不同。

4 结论

针对微生物固化过程中涉及复杂的生、理、化等过程，基于CaCO3含量测定试验、无侧限抗压强度试验、后期养护条件和NMR试验，探究不同黏粒含量土样经过MICP处理后强度与CaCO3含量、养护温度和孔隙体积之间的联系。得出以下主要结论。

(1)经过MICP处理后，试样黏聚力不断提高，整体强度不断提高。而土体强度主要来源于：土体自身骨架强度、MICP固化技术产生的碳酸钙的胶结能力(碳酸钙的含量)。所以在黏土含量为60%时，土体自身整体骨架强度较高，通过碳酸钙胶结作用后，土样强度达到最高。

(2)MICP灌浆试验中，碳酸钙沉积量受土体自身孔隙体积影响。随着红黏土含量的增加，土体自身孔隙体积不断减小，碳酸钙的沉积量不断减小。

(3)MICP试验结束后，通过7 d 3种温度条件(30 ℃烘箱、15 ℃室温、-18 ℃低温箱)下养护试验，三种样品的抗压强度差异并不大，说明MICP固化过程中生成的碳酸钙晶体(即胶结强度)受外界条件温度影响较小，稳定性好。

(4)NMR试验表明，随着弛豫时间增长，黏粒含量增加，孔隙体积不断变小。红黏土含量为60%时，经过碳酸钙填充后，其孔隙体积最小，整体强度也是最高。