EICP固化砂土强度特性试验研究

赵 轩,刘光宇,胡天林,赵 璧,吕刚锋

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西 西安 710075;2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100)

近年来,基于微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Carbonate Precipitation,简称MICP)技术而衍生出的脲酶诱导碳酸钙沉淀(Enzyme Induced Carbonate Precipitation,简称EICP)技术在岩土领域得到广泛应用,成为一种加固土体的新型方法。EICP直接从植物中提取脲酶,促使尿素水解成碳酸根离子,与胶结液中钙离子反应产生碳酸钙沉淀[1-3];所生成的游离脲酶可降解,不会对环境造成长期影响[4],且其尺寸小能透过孔隙更小的土体[5-6],生成碳酸钙过程中不易发生堵塞。EICP相较MICP省略了微生物代谢生成脲酶的过程,同时也继承了MICP耗能小、环保、工期短、对土体扰动小等特点[7-8]。

目前,EICP技术得到了广泛关注,其相关研究已取得一定进展。董瑾等[9]采用EICP技术对三合土进行加固,经EICP加固的三合土强度显著提高;Gao Yufeng等[10]用EICP技术改良细粒土,其力学性能得到显著改善;吴敏等[11]用黄原胶改进EICP技术,联合防风固沙。降低了砂土的质量损失率,抵抗风沙侵蚀能力显著提高;原华等[12]分析EICP联合Na-Mt固化粉砂的抗剪特性,发现抗剪强度和黏聚力均得到提高;Gowthaman等[13]研究细菌-酶诱导碳酸钙沉淀技术(B-EICP)固化边坡土体的可行性,发现B-EICP对于细粒含量较高的粉砂比较适用;Martin等[14]发现EICP可创建生物胶结土柱,是一种地基改良的可行方法;崔猛等[15]通过研究多种变量对EICP技术的影响,发现胶结比宜为1∶1,理想钙源为氯化钙,尿素浓度在0.1 mol/L～1.0 mol/L范围内时最优pH为7。然而,前人的研究成果多集中在EICP对不同土质改良及EICP结合其他材料联合改良的可行性,对改良土体的强度特性探究较少,缺乏相关依据。

基于此,本文拟探讨不同影响因素下EICP加固砂土抗剪强度和无侧限抗压强度的变化。首先通过在自制豆粉溶液中提取脲酶,分析pH和反应时间对脲酶活性的影响;随后对EICP加固砂土开展直接剪切试验,分析不同级配、不同胶结液浓度和不同胶结比(氯化钙:尿素)对其抗剪强度的影响;最后通过无侧限抗压强度试验,分析养护周期、相对密实度和胶结液浓度对EICP加固砂土无侧限抗压强度的影响。研究成果可使EICP技术的进一步规范,为推广EICP技术奠定基础。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验土样

试验所选用砂土为钙质砂,通过振筛机及1 mm、0.5 mm、0.25 mm和0.075 mm孔径的试验筛辅助进行材料制取,筛选出0.5 mm～1 mm、0.25 mm～0.5 mm、0.075 mm～0.25 mm和小于0.075 mm四个级配的材料,如图1所示。随后将四个单一级配以质量比5∶3∶1∶1混合搅拌后形成混合级配。根据最大最小干密度试验获得不同颗粒级配下试样的最大最小干密度。

图1 振筛机及试验材料

试验针对不同单一级配,相对密实度取为0.5;针对混合级配,相对密实度取为0.5、0.6和0.7。确定最大最小干密度和相对密实度后,可根据下式确定试样干密度[16]:

(1)

式中:Dr为试样干密度,g/cm3;ρdmax为最大干密度,g/cm3;ρd0为天然干密度,g/cm3;ρdmin为最小干密度,g/cm3。

不同级配范围的试样干密度如表1所示。

表1 不同级配范围的试样干密度

1.1.2 大豆脲酶

试验选取常见的市售颗粒圆润饱满,呈黄绿色大豆(见图2(a));将大豆放入干燥箱烘干24 h后,放入高速多功能粉碎机(见图2(b))中打磨成粉末状(见图2(c));将一定量的大豆粉末配置成100 g/L溶液,待充分搅拌均匀后,放入离心机以3 000 r/min、15℃的条件离心10 min;将上清液用半透膜过滤,去除其中杂质,剩余液体即为脲酶溶液[2],如图2(d)。

图2 脲酶制取

1.2 试验方法

1.2.1 脲酶活性的测定

在豆粉溶液中得到的脲酶可以催化尿素水解,生成物与水发生反应生成碳酸根离子(CO32-)和氢离子(H+),随后与胶结液中的钙离子产生碳酸钙沉淀,脲酶活性会直接影响碳酸钙生成的速率,从而影响砂土固化的效果,具体反应式如下[17]:

(2)

Whiffin[17]发现脲酶分解尿素时,会使溶液内的离子浓度提升,进而使溶液的电导率提高,通过电导率仪对脲酶溶液电导率的变化测量,即可间接衡量脲酶的活性。其具体方法为:将浓度为1.11 mol/L的27 ml尿素溶液与浓度为100 g/L的3 ml脲酶溶液混合,混合均匀后用电导率仪测量其一定时间内的电导率变化值,重复测量三次得到平均电导率变化值,测量的平均值乘以稀释倍数(10倍),即可得出该浓度脲酶溶液的水解能力,随后再用计算值除以该脲酶溶液浓度和间隔时间,即可求出单位时间内单位质量大豆脲酶活性,该值可反映单位质量的脲酶的水解能力[17]。

1.2.2 直接剪切试验

按照已有文献方法,以环刀为模具,制备尺寸为Φ70 mm×16 mm的EICP加固砂土试样。将直剪仪(图3(a))的剪切速率设定为1 mm/min,分别以100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa的轴向压力对固化试样进行直接剪切试验。以混合级配土样相对密实度为0.5、胶结比(氯化钙∶尿素)为1∶1(其中1均表示1 mol/l)、胶结液浓度为1 mol/L的工况为标准。

图3 不同pH值时的脲酶活性

分析级配对抗剪强度影响时,以纯水为对照组,在其他条件不变情况下,级配采用<0.075 mm、0.075 mm～0.25 mm、0.25 mm～0.5 mm、0.5 mm～1 mm和混合级配分别试验;在分析胶结液浓度对抗剪强度影响时,在级配(混合级配)、胶结比(1∶1)及相对密实度(0.5)不变情况下,选用胶结液浓度0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L和2.0 mol/L分别进行试验;在分析胶结比对抗剪强度影响时,级配(混合级配)、胶结液浓度(1 mol/L)及相对密实度(0.5)不变,分别选用胶结比1∶0.5、1.5∶1、1∶1、1∶1.5和0.5∶1进行试验。

1.2.3 无侧限抗压强度试验

按照已有文献方法,制备尺寸为Φ40 mm×80 mm的EICP加固砂土试样,通过无侧限压缩仪以1 mm/min的加载速率对试样施加轴向压力,当固化试样完全破坏时停止加载,试样的抗压强度以最大轴向应力为准。养护天数分别为1 d、2 d和3 d,土样选用相对密实度分别为0.5、0.6和0.7的混合级配土样,胶结比为1∶1,胶结液浓度分别为0.5 mol/L、1.0 mol/L和1.5 mol/L,在养护天数、相对密实度和胶结比相互交叉组合的情况下进行试验。

2 试验结果与分析

2.1 不同因素对脲酶活性影响

2.1.1 pH对脲酶活性影响

为研究pH对脲酶活性影响,在保证试验温度不变(室温,约25℃)的情况下进行试验。pH设置为5、6、7、8、9五种情况,分别在五种不同条件下进行脲酶活性测量。脲酶活性的变化情况如图3所示。从图3中可以看出,脲酶在酸性和碱性条件下活性都会受到破坏,在pH=6和pH=7时较高,当pH从6降低至5时,pH=5的脲酶活性下降到了pH=6时的23.9%,脲酶严重失活,表明脲酶的耐酸性弱;pH由7上升至8时,pH=8的脲酶活性下降到了pH=7时的51.6%;当pH在8～9的范围内时,脲酶活性变化较为平缓,表明脲酶的耐碱性较强。综上,本文试验pH设置为7。

2.1.2 反应时间对脲酶活性影响

在保证试验温度不变(室温,约25℃)的情况下,分别测定在5 min、1 h、6 h和24 h后的脲酶活性,研究反应时间对脲酶活性的影响。反应时间对脲酶活性的影响如图4所示。由图4可知,当pH=5时,脲酶活性变化较为平缓,特别注意在1 h内脲酶活性略微上升,由反应方程(2)可知,尿素在脲酶作用下水解生成NH3,NH3溶于水后显碱性,因此溶液pH值随反应进行略微升高,从而提升了脲酶活性。除pH=5的情况外,其他pH下的脲酶活性均随着反应时间的增长而下降。

图4 反应时间对脲酶活性的影响

2.2 直接剪切试验结果分析

由于级配在0.5 mm～1 mm的砂土经纯水固化后毫无固化痕迹,经EICP固化后固化效果一般,能轻微拿起,但稍稍晃动就会掉落砂土,因此在该试验分析中不进行比较。同时该现象也证明了砂土颗粒越大,固化效果越差[18],在较小轴压下即发生破坏。

2.2.1 颗粒级配对EICP加固砂土抗剪强度的影响

在不同颗粒级配下纯水及EICP加固试样的应力应变曲线如图5所示。由图5可知,经EICP固化后,颗粒级配为0.075 mm～0.25 mm的砂土与其纯水对照组相比,抗剪强度提升效果最好,在100 kPa时提升了229%,200 kPa时提升了130%,300 kPa时提升了72.8%,400 kPa时提升了43.6%,提升幅度随轴向压力的增大而减小。其余3组也可得到类似结论。由图5还可得知,颗粒粒径为0.075 mm～0.25 mm的EICP加固砂土在100 kPa和200 kPa下发生脆性破坏,在剪切位移变化较小时剪应力快速下降。与纯水相比,EICP固化砂土试样的抗剪强度均得到提升,说明EICP固化的可行性。其具体提升效果为:0.075～0.25>混合级配>0.075以下>0.25～0.5,试样的抗剪强度随级配呈现出先增加后减小的趋势。

2.2.2 胶结液浓度对EICP加固砂土抗剪强度的影响

不同胶结液浓度的EICP加固砂土应力应变曲线如图6所示。以轴向应力为300 kPa情况为例,与对照组相比,0.1 mol/L浓度的EICP加固组,抗剪强度提高了2.16%;0.5 mol/L浓度的EICP加固组,抗剪强度提高了2.9%;1 mol/L浓度的EICP加固组,抗剪强度提高了16.96%;1.5 mol/L浓度的EICP加固组,抗剪强度提高了20.58%;2 mol/L浓度的EICP加固组,抗剪强度提高了30.68%。可见胶结液浓度在0.1 mol/L～2 mol/L范围内,随着浓度的增大EICP加固效果不断提高,抗剪强度不断增大。

图6 不同胶结液浓度时的应力应变曲线

在不同胶结液浓度EICP固化砂土中,2 mol/L浓度的砂土改良效果最为理想,但在实验过程中2 mol/L溶液易造成部分区域堵塞,无法向下渗透,导致固化不均。1 mol/L与1.5 mol/L改良效果仅次于2 mol/L,且两者改良效果相差不大,考虑经济性,1 mol/L浓度适合在实际工程中应用。

2.2.3 胶结比对抗剪强度的影响

不同胶结比(氯化钙∶尿素)的EICP加固砂土应力应变曲线如图7所示。从图7中可以看出,整体固化效果为:1.5∶1>1∶1>1∶1.5>0.5∶1>1∶0.5,其中1均表示1 mol/L。当轴向应力为100 kPa和200 kPa时,胶结比为1.5∶1的抗剪强度比胶结比为1∶1的大15 kPa左右,而在轴向应力为300 kPa和400 kPa时,两者的抗剪强度已趋于一致。

图7 不同胶结比时的应力应变曲线

为具体分析氯化钙不变时,尿素对抗剪强度的影响,和尿素不变时,氯化钙对抗剪强度的影响。提取图7中数据绘制图8。以轴向应力300 kPa为例,以胶结比为1∶1的固化砂土为对照组。当氯化钙不变时,胶结比为1∶0.5的EICP固化砂土抗剪强度降低了12.03%;胶结比为1∶1.5的EICP固化砂土抗剪强度降低了7.4%;说明氯化钙一定时,胶结比为1∶1时最好,尿素浓度偏高或者偏低都会降低抗剪强度,结论与文献[19]一致。当尿素不变时,胶结比为0.5∶1的EICP固化砂土抗剪强度降低了7.4%;胶结比为1.5∶1的EICP固化砂土抗剪强度提升了1.6%,变化幅度较小。说明尿素不变时,氯化钙浓度在尿素浓度0.5～1.5倍时对抗剪强度影响较小。综上,胶结比宜选用1∶1。

图8 不同胶结比试样轴向应力与抗剪强度关系

2.3 无侧限抗压强度试验结果分析

2.3.1 养护周期对抗压强度的影响

养护周期对EICP加固砂土无侧限抗压强度的影响如图9所示。由图9可知,不同相对密实度不同浓度试样的无侧限抗压强度均会随着养护周期的增加而增加。当养护周期为1 d时,EICP对砂土的固化效果较弱,在3 d时固化基本完成。从图9中还可以明显看出,3 d的无侧限抗压强度增长幅度明显大于前两天,表明试样在前两天时沉淀物未能将土中孔隙填充完全,相互胶结的土颗粒相对较少,随着养护周期的增加,沉淀生成量越来越多,能够将土颗粒相互胶结,有效提升了抗压强度。

图9 养护周期对砂土抗压强度的影响

2.3.2 相对密实度对抗压强度的影响

相对密实度对EICP加固砂土无侧限抗压强度影响如图10所示。由上述结论可知EICP固化试样在3 d时基本固化完全,因此以3 d、1 mol/L为例,由图10可以看出:相对密实度为0.7的固化试样强度最高,其无侧限抗压强度为571.36 kPa,0.6的次之为486.38 kPa,0.5的最小为394.53 kPa,相对密实度在0.5～0.7范围内,EICP固化试样的抗压强度随着相对密实度的增加而增加。

图10 相对密实度对砂土抗压强度的影响

2.3.3 胶结液浓度对抗压强度的影响

胶结液浓度对EICP加固砂土无侧限抗压强度影响如图11所示。由上述结论可知EICP固化试样在3 d时基本固化完全,因此以3 d、Dr=0.5为例,由图11可以看出:当EICP固化砂土的无侧限抗压强度取最大值时,胶结液浓度为1.5 mol/L,其无侧限抗压强度为424.33 kPa,1 mol/L的次之为394.53 kPa,0.5 mol/L的最小为310.72 kPa,当胶结液浓度在0.5 mol/L～1 mol/L之间时,胶结液的浓度越大,EICP固化砂土的无侧限抗压强度越大。

图11 胶结液浓度对砂土抗压强度的影响

3 结 论

本文围绕EICP固化砂土分析脲酶活性的影响,通过直接剪切试验和无侧限抗压强度试验,分析多变量对EICP固化砂土强度特性的影响。得到以下结论:

(1) 在EICP的溶液制备中,适宜将脲酶环境控制在弱酸性和中性条件下,最佳pH为7,此条件下其持续反应时间较长,脲酶的活性随着时间而逐渐丧失。

(2) 在不同级配的EICP固化砂土改良效果中,砂土颗粒级配为0.075 mm～0.25 mm时,抗剪强度提升最大;当胶结液浓度为2 mol/L时,EICP固化效果最佳,考虑经济性以1 mol/L浓度为最佳的胶结液浓度;当氯化钙一定时,胶结液比值为1∶1时抗剪强度最高,尿素浓度偏高或者偏低都会降低抗剪强度;当尿素不变时,氯化钙浓度在尿素浓度0.5～1.5倍时抗剪强度变化较小,胶结比宜选用1∶1。

(3) EICP固化效果在1 d时较弱,在3 d时固化基本完全,固化效果较为理想,养护时间越长,固化越完全。在相对密实度为0.5～0.7范围内,EICP固化试样的抗压强度随着相对密实度的增加而增加。当胶结液浓度在0.5 mol/L～1mol/L之间时,胶结液的浓度越大,EICP固化砂土的无侧限抗压强度越大。