膠結液濃度對MICP固化殘積土力學性能影響及機理研究

陳 欣,安 然,,汪亦顯,陳 昶

(1.武漢科技大學 城市建設學院,湖北 武漢 430081;2.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

花崗巖殘積土是我國南方地區基礎建設中最常見的一種土體,其成土過程主要受制于亞熱帶和熱帶氣候條件與母巖性質的影響?；◢弾r殘積土具有從黏土到礫石的特殊顆粒分布以及復雜的原生孔隙和裂隙結構[1-3]。壓實殘積土是公路、地基和擋土墻等工程中常用的一種填料,其工程特性對工程穩定性具有重要作用。物理化學風化過程在很大程度上影響了殘積土的微觀結構,導致壓實殘積土具有強度低、孔隙度高、滲透性強和遇水易軟化崩解等特征[4-5]。傳統工藝是通過添加水泥、石灰等無機材料用于加固土體,雖然取得了一定效果,但隱藏著污染工程環境的潛在危害[6-7]。因此,找到一種兼顧加固效果、工程經濟與環境效應的固化方法,從而對殘積土進行生態、經濟和高效改性具有重要意義。

微生物礦化是一種存在于自然界的普遍現象,是指微生物通過其新陳代謝功能將無機物轉化為礦物晶體的過程。將微生物培養基置于含有尿素和鈣源的膠結液中,利用自身的尿素分解能力產生碳酸根離子,與鈣離子發生化學反應達到快速析出碳酸鈣晶體沉淀的目的,此方法通常被稱為微生物誘導碳酸鈣沉淀(MICP)[8]。MICP主要化學反應過程如下:

CO(NH2)2+ 2H2O →2NH4++ CO32-

(1)

Ca2++ Cell → Cell-Ca2+

(2)

Cell-Ca2++ CO32-→Cell-CaCO3

(3)

MICP技術早期多被用于填補多孔材料孔洞、裂隙修復、污水治理以及粉塵穩定等研究方向[9-13]。后期隨著灌漿技術深度發展,MICP在巖土工程領域的應用才逐步得到推廣。MICP可對不同土體進行固化改良試驗,其原理是微生物誘導生成的碳酸鈣可以將土顆粒包裹、黏結或填充孔隙,從而達到固化土體的作用。彭劼等[14]采用壓力灌漿方法對有機質黏土進行MICP固化處理,通過開展無側限抗壓強度試驗和滲透試驗,并結合對有機質含量以及鈣離子濃度的測定結果,全面評價了壓力灌漿法的效果,研究表明MICP能夠顯著提高固化黏土的作用。楊司盟等[15]將海水原料作為膠結液用于砂土的MICP固化處理,從細菌注入方式、尿素濃度和注漿速率等角度,綜合分析各因素對加固效果的影響規律。Soon等[16]對粉土素試樣和MICP固化試樣進行了電鏡掃描分析,根據SEM圖像觀測出MICP處理后粉土顆粒接觸更為緊密,方解石晶體主要沉淀在顆粒接觸點和表面處,多為葉片式的棱柱狀形貌。

在MICP固化土體過程中,膠結液是產生大量碳酸鈣沉淀的前提,為微生物營造了鈣源和氮源環境。最佳的膠結液濃度不僅為微生物提供良好的生存條件,還在一定程度上對微生物礦化、晶體成形、細菌活性產生顯著的影響。因此確定最佳的膠結液濃度,不僅能夠減少試驗成本,還可以提高MICP在土體中的固化效果。Qabany and Soga[17]基于不同濃度的膠結液條件下觀察了固化石英砂內部方解石晶體的大小和分布。Dejong等[18]采用巴氏芽孢桿菌作為試驗菌種,通過SEM試驗研究了土體內部方解石沉淀分布特征,結合剪切波試驗分析了膠結液濃度對固化土的加固效果,發現較高的CaCl2濃度有助于方解石沉淀更加密集,土體剛度更大。Soon等[19]通過SEM圖像觀察了不同膠結液濃度處理的試樣中方解石晶體形態和分布,發現方解石主要集聚在土顆粒間的接觸區,尤其在0.5 mol/L膠結液處理時分布最為密集。

以往研究多集中在MICP改良砂土或黏土性能,并且取得了豐碩的成果。而花崗巖殘積土兼顧從黏粒到礫石的顆粒組成,具有特殊的粒徑分布和孔隙尺寸,與碳酸鈣晶體的兼容性較為復雜,這為開展MICP技術帶來一定的難度。因此,本研究嘗試對花崗巖殘積土進行MICP固化處理,以膠結液濃度作為試驗變量,制備不同固化程度的MICP改良土,開展宏微觀試驗分析MICP對殘積土力學特性的改良效果以及作用機制,并且探究膠結液濃度對MICP固化效果的影響規律。研究成果旨在評價MICP固化花崗巖殘積土的可行性,為壓實殘積土的固化改性提供了一種新思路。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 花崗巖殘積土

試驗采用的花崗巖殘積土取自廣西桂林的某公路邊坡。參照《土工試驗方法標準》[20](GB/T 50123—2019),開展相關的物理試驗和微觀試驗,得出土體基本物理指標和礦物成分,如表1所示。在不同取樣點隨機選擇三組,進行篩分試驗,得出粒徑分布曲線,如圖1所示,可見花崗巖殘積土級配分布極其不均勻,主要含有大量的砂粒和粉粒。

圖1 花崗巖殘積土粒徑分布曲線

表1 土體基本物理參數及礦物成分

1.1.2 菌液

試驗選用細菌為巴氏芽孢桿菌(Sporosarcina pasteurii,CC11859),是一種普遍存在于自然界土壤的菌種,具有較高的尿素分解能力和穩定性。細菌培養基制備過程如下:將 15 g胰蛋白胨、5 g蛋白胨、5 g氯化鈉溶于900 mL的蒸餾水中,用1 mol/L的NaOH調節pH為7.3,在1 121℃高溫滅菌20 min,待上述混合液滅菌后溫度降至60℃左右后加入經過紫外線滅菌的20 g/L尿素溶液100 mL,制成1 L細菌培養基。然后在無菌、有氧、恒溫的條件下,將巴氏芽孢桿菌甘油保種液以1∶100的體積比接種于配置好的培養基中,并在30℃和130 rpm的恒溫振蕩培養箱中振蕩36 h。將細菌培養基以4 000 rpm離心兩次,每次30 min,棄去懸浮液。保留新鮮培養基。通過檢測溶液中NH4+濃度間接得出細菌活性為29 U/mL,利用分光光度計測出菌液在 600 nm波長處吸光度OD600=0.91,細菌溶液儲存在4℃的冰箱中,在一周內使用。

1.1.3 膠結液

膠結液為氯化鈣和尿素以摩爾比1∶1配制的混合液,在MICP過程中為微生物提供鈣源和氮源。尿素可被細菌產生的脲酶水解產生碳酸根離子,碳酸根離子與氯化鈣提供的鈣離子發生化學反應生成CaCO3沉淀。本研究中,制備膠結液濃度分別為 0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L、2.5 mol/L共5組不同的MICP固化土試樣,并設置不經處理的素土樣作為對照組。

1.2 試樣制備

試驗采用的注漿裝置示意圖如圖2所示,裝樣模具是內徑為40 mm,高為150 mm的有機玻璃管。模具外部用止水膠帶纏繞,起到固定有機玻璃、防止液體滲漏的作用,同時在上下兩端用具有調節內徑大小功能的PVC套箍進行固定。模具上口通過橡膠管與蠕動泵相連,蠕動泵為液體輸送提供動力源,在泵吸作用下,將菌液或膠結液注入到土樣內部;模具下口與燒杯相連,用于收集注漿過程中溢出的廢液,防止污染。試驗中先稱量烘干的土料,分三層裝入模具中,以含水率為20%、壓實度為95%進行土樣壓實,隨后開啟注漿過程。注漿中以10 mL/min速率先向土樣注入50 mL菌液,靜置6 h后以相同速率注入等體積的膠結液,此為一輪灌漿過程。每組試樣共進行6輪灌漿,每輪灌漿間隔12 h。最后一輪灌漿結束后,將試樣脫模,并放入標準養護室內進行養護,養護7 d后開展后續試驗。

圖2 MICP注漿裝置示意圖

1.3 無側限壓縮試驗

測試試驗儀器采用的是YYW-Ⅱ無側限壓力儀。將直徑為39.1 mm、高為80 mm試樣放在下加壓板上,升高下加壓板使試樣與上加壓板剛好接觸,將千分表讀數調至零位?？刂萍虞d速度為1.0 mm/min,使試驗在8 min～10 min內完成。最終根據測力計與位移千分表讀數,得出每組土樣的應力-應變曲線。

1.4 三軸固結不排水剪切試驗

試驗儀器使用全自動應力路徑控制三軸儀。儀器主要技術參數:最大軸向位移為±50 mm,試樣尺寸為Φ39.1 mm×80 mm圓柱樣。測試前,將圓柱樣置于壓力室中24 h,通入蒸餾水進行反壓飽和,等土樣飽和度達到95%以上,然后在不同圍壓下等向固結,固結壓力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 kPa,待固結完成后,取剪切速率0.01 mm/min,在不排水條件下,對試樣進行剪切,當軸向變形超過15%時,試驗停止。

2 結果與分析

2.1 無側限抗壓強度

根據無側限壓縮試驗得出應力-應變曲線,如圖3所示?？梢钥闯?所有試樣的應力-應變曲線均表現出典型的應變軟化特性:首先應力隨著應變的增加而逐漸增大,直到達到峰值,之后隨著應變繼續增加而降低。MICP固化試樣的峰值應力明顯高于素土樣,其中當膠結液濃度為2 mol/L,峰值應力最高。這表明,MICP固化處理對殘積土強度具有一定的提升效果,且在2 mol/L膠結液條件下,MICP增強效果最為顯著。

圖3 無側限壓縮試驗的應力-應變曲線

根據應力-應變曲線,計算得出土體的無側限抗壓強度Su以及彈性模量E,并分析出膠結液濃度對這兩個指標的影響,如圖4所示。由圖可知,與素土樣相比,MICP固化土樣的強度和彈性模量均有所提高,膠結液濃度不同,提高幅度有所差異。當膠結液濃度為0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L時,試樣的Su分別提高了10.59%、27.15%、37.74%,E分別提高了14.29%、39.86%、62.51%;當濃度為2 mol/L時,土樣的Su和E提高程度最大,分別增加了47.15%和82.08%;隨著濃度繼續增大至2.5 mol/L,Su和E提高幅度稍微下降,分別為47.17%和66.44%。這是因為,當膠結液濃度從0增大至2 mol/L,固化反應所需鈣源含量逐漸增多,保證菌液和膠結液能夠得到充分反應,從而提升碳酸鈣沉淀量,增大膠結作用。然而隨著膠結液濃度繼續升高至2.5 mol/L時,其中鈣離子濃度會引起堿性環境增強,從而阻礙了細菌正常的代謝活動,抑制尿素水解酶的生成[21-22]。

圖4 不同膠結液濃度的強度和彈性模量

圖5顯示了單軸壓縮后土樣的破壞模式?？傮w而言,經過MICP的固化處理,殘積土由原本的局部壓裂破壞轉變為整體剪切破壞。如圖5(a)、圖5(b)所示,膠結程度較低的素土樣和0.5 mol/L 固化樣在破壞時出現多條壓縮裂縫,且伴有碎塊掉落現象,表現出局部壓裂破壞。如圖5(c)和圖5(d)所示,當濃度增加至1 mol/L和1.5 mol/L時,試樣破壞時產生的裂隙數量有所減少,破壞裂隙增長變寬。如圖5(e)和圖5(f)所示,當膠結液濃度增至2.0 mol/L和2.5 mol/L時,試樣呈現出明顯整體剪切破壞特征,破壞裂隙從土樣頂部沿與軸向荷載成30°～ 45°方向延伸至底部。試樣破壞模式的變化主要歸因于碳酸鈣沉淀的膠結作用。由于MICP固化作用形成了大量碳酸鈣,增強了土體的整體黏結效應,從而使其具有較高的強度和均勻性,破壞時容易發生整體斷裂,并伴隨著貫穿裂隙的形成。

圖5 不同固化液濃度的土樣破壞模式

2.2 抗剪強度特征

分析不同土樣的應力-應變曲線,當應變在0～3%時,應力隨應變增加而迅速上升;應變超過3%時,應力緩慢增大,增大幅度逐漸降低,直到應變超過5%時,應力基本保持穩定。經過MICP處理后,殘積土的應力-應變關系未發生變化,表現為應變硬化特征。固結圍壓越大,應變硬化效應越顯著。

根據應力-應變曲線特征,繪制莫爾圓如圖6所示,由摩爾-庫侖理論計算得出抗剪強度參數(c和φ)列入表2。不難發現,經過MICP固化處理,殘積土的黏聚力和內摩擦角均在不同程度上有所提高。膠結液濃度為0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L、2.5 mol/L時,黏聚力分別提高了29.15%、66.36%、94.85%、127.62%和106.98%,內摩擦角則分別增加了9.97%、19.01%、26.53%、36.50%和31.49%。顯然,采用2 mol/L膠結液進行MICP處理的殘積土抗剪強度增強效果最為明顯,這與前文的抗壓強度試驗所得結果一致。

圖6 應力莫爾圓與包絡線

表2 土樣的強度特性參數

為了進一步研究MICP固化殘積土在不同膠結液濃度下的抗剪強度變化規律,選取軸向應變15%所對應的主應力差作為破壞應力,在歸一化偏應力-平均主應力(p-q)平面上繪制了強度包線。其中,偏應力q和平均主應力p計算公式如下:

q=σ1-σ3

(4)

(5)

(6)

式中:σ1和σ3分別是大主應力和小主應力;Pa是大氣壓,為101 kPa;k為擬合系數,即式(6)線性方程的斜率。

p/Pa-q/Pa平面內強度包線如圖7所示,q/Pa隨p/Pa增加呈線性增長趨勢,即強度包線始終上升,說明土樣具有應變硬化特征[23]。此外,對于不同膠結液濃度的固化土樣,其斜率k有所不同。對于素土樣,由擬合曲線得出k=1.02,隨著濃度的增加,強度包線向上移動,表明在平均主應力增加幅度相同時,試樣的抗剪強度增加速度更快。當膠結液濃度為2 mol/L時,MICP固化土試樣的k最高,為1.37,表明其抗剪強度最大。

圖7 p/Pa-q/Pa平面內強度包線

2.3 微觀形態特征

為了觀察MICP固化殘積土的微觀形貌,選取0.0 mol/L、0.5 mol/L和2.0 mol/L濃度的試樣進行SEM分析。如圖8(a)所示,未固化處理的殘積土結構松散且其表面發育大量的內孔隙。從圖8(b)可以看出,當膠結液濃度較小時,土體內形成的碳酸鈣沉晶體數量較少。這種類型的晶體沉淀可能不足以承受很高的剪切強度,這是因為土顆粒之間的膠結較為薄弱,孔隙較多,導致低濃度膠結液的固化效果不夠理想。如圖8(c)和圖8(d)所示,當采用2 mol/L膠結液進行固化時,生成的碳酸鈣晶體尺寸明顯增大,孔隙數量減少。究其原因,當膠結液濃度較低時,用于反應的鈣源不足,難以供應細菌發揮固化作用,因此生成的碳酸鈣晶體尺寸小、數量少。而合理的膠結液濃度有利于細菌水解生成的碳酸根離子與鈣源充分結合,生成的碳酸鈣沉淀數量也會隨之增多。

圖8 MICP固化殘積土的SEM圖像

此外,根據微觀圖像與前人的研究結果,可以看出碳酸鈣晶體集中分布于土顆粒表面、孔隙以及顆粒接觸點,分別發揮著包裹、填充和膠結作用[24]。包裹作用是指沉淀在土顆粒表面的CaCO3晶體,能夠提高土體顆粒表面粗糙程度從而增加其內摩擦角;填充作用是指集聚在孔隙內的CaCO3晶體,使試樣整體更加密實;膠結作用則表明接觸點上分布的碳酸鈣能夠擴大顆粒聯結面積,提高了土顆粒間的黏聚強度。

2.4 礦物成分

在MICP固化處理過程中,微生物誘導生成的碳酸鈣主要以三種類型呈現,分別為方解石、球霰石和文石[25]。這三類晶體在自然中穩定性各異,其中以方解石最為穩定,文石次之,球霰石最差。為進一步確定本試驗中碳酸鈣晶體類型以及膠結液濃度對它的影響,故選取素土樣、0.5 mol/L-MICP以及2.0 mol/L-MICP固化土試樣進行XRD試驗,得出XRD圖譜如圖9所示?？梢郧逦闯鏊赝翗雍惺?、高嶺石、伊利石和赤鐵礦衍射峰,而經過MICP固化處理的殘積土的衍射圖譜除了土體本身存在的石英、高嶺石、伊利石和赤鐵礦外,出現了方解石晶型的特征衍射峰。隨著膠結液濃度的增加,方解石的衍射峰數量明顯增多。礦物分析結果說明在花崗巖殘積土中采用MICP固化技術,得到的碳酸鈣為穩定的方解石結晶。膠結液濃度是方解石晶體生成量的重要影響因素,合理的膠結液濃度能確保碳酸鈣沉淀量達到最佳,對固化效果至關重要。

圖9 MICP固化殘積土的X射線衍射圖譜

綜合微觀形貌與礦物成分試驗結果來看,經過MICP處理后,以方解石為主要形式的碳酸鈣晶體在殘積土內部產生包裹、填充和膠結作用,是提高土體內摩擦角和黏聚力的內驅因素?；◢弾r殘積土的顆粒級配呈黏粒與砂礫混合分布特點,細菌與膠結液的反應使得殘積土內的粗砂和黏粒形成混合體系,而碳酸鈣晶體的固化效果受膠結液濃度的影響顯著。本研究通過多尺度的試驗結果證明了MICP技術在殘積土中的適宜性。

3 結 論

采用不同濃度的膠結液對花崗巖殘積土開展MICP固化改性,通過開展力學和微觀試驗,對比分析了不同膠結液濃度對試樣力學特性的影響及固化機理。得到了如下主要結論:

(1) 無側限壓縮試驗結果表明MICP固化技術能大幅提高土體的抗壓強度和彈性模量,當膠結液濃度為2 mol/L時,強度的增益效果達到最佳。經過MICP處理后,花崗巖殘積土壓縮破壞特征由局部壓裂破壞轉變為整體剪切破壞,這是碳酸鈣晶體固化作用的外在表現。

(2) 三軸剪切試驗結果表明在膠結液為2 mol/L條件下,MICP固化土的抗剪強度提高程度最顯著,黏聚力和內摩擦角提升幅度最大,分別為127.62%和36.50%。究其原因,MICP處理形成的碳酸鈣晶體在殘積土內部產生了包裹作用,提高土顆粒的表面粗糙程度,從而提升內摩擦角。同時,碳酸鈣晶體在土顆粒間發揮膠結能力,達到增強黏聚力目的。

(3) 由MICP固化作用產生的碳酸鈣晶體生成量與膠結液濃度密切相關。碳酸鈣沉淀主要分布土顆粒表面、孔隙和接觸點位上,在土體內部分別發揮著包裹、填充和膠結作用,這是固化后土樣力學性能提高的內在原因。

(4) 花崗巖殘積土內部形成的碳酸鈣沉淀為方解石晶體,且方解石的含量與膠結液濃度有關,膠結液濃度為2 mol/L時,方解石衍射峰出現次數最多,進一步證明了膠結液濃度是影響MICP整體固化效果的重要因素。