EICP固化砂土強度特性試驗研究

趙 軒,劉光宇,胡天林,趙 璧,呂剛鋒

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司,陜西 西安 710075;2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100)

近年來,基于微生物誘導碳酸鈣沉淀(Microbially Induced Carbonate Precipitation,簡稱MICP)技術而衍生出的脲酶誘導碳酸鈣沉淀(Enzyme Induced Carbonate Precipitation,簡稱EICP)技術在巖土領域得到廣泛應用,成為一種加固土體的新型方法。EICP直接從植物中提取脲酶,促使尿素水解成碳酸根離子,與膠結液中鈣離子反應產生碳酸鈣沉淀[1-3];所生成的游離脲酶可降解,不會對環境造成長期影響[4],且其尺寸小能透過孔隙更小的土體[5-6],生成碳酸鈣過程中不易發生堵塞。EICP相較MICP省略了微生物代謝生成脲酶的過程,同時也繼承了MICP耗能小、環保、工期短、對土體擾動小等特點[7-8]。

目前,EICP技術得到了廣泛關注,其相關研究已取得一定進展。董瑾等[9]采用EICP技術對三合土進行加固,經EICP加固的三合土強度顯著提高;Gao Yufeng等[10]用EICP技術改良細粒土,其力學性能得到顯著改善;吳敏等[11]用黃原膠改進EICP技術,聯合防風固沙。降低了砂土的質量損失率,抵抗風沙侵蝕能力顯著提高;原華等[12]分析EICP聯合Na-Mt固化粉砂的抗剪特性,發現抗剪強度和黏聚力均得到提高;Gowthaman等[13]研究細菌-酶誘導碳酸鈣沉淀技術(B-EICP)固化邊坡土體的可行性,發現B-EICP對于細粒含量較高的粉砂比較適用;Martin等[14]發現EICP可創建生物膠結土柱,是一種地基改良的可行方法;崔猛等[15]通過研究多種變量對EICP技術的影響,發現膠結比宜為1∶1,理想鈣源為氯化鈣,尿素濃度在0.1 mol/L～1.0 mol/L范圍內時最優pH為7。然而,前人的研究成果多集中在EICP對不同土質改良及EICP結合其他材料聯合改良的可行性,對改良土體的強度特性探究較少,缺乏相關依據。

基于此,本文擬探討不同影響因素下EICP加固砂土抗剪強度和無側限抗壓強度的變化。首先通過在自制豆粉溶液中提取脲酶,分析pH和反應時間對脲酶活性的影響;隨后對EICP加固砂土開展直接剪切試驗,分析不同級配、不同膠結液濃度和不同膠結比(氯化鈣:尿素)對其抗剪強度的影響;最后通過無側限抗壓強度試驗,分析養護周期、相對密實度和膠結液濃度對EICP加固砂土無側限抗壓強度的影響。研究成果可使EICP技術的進一步規范,為推廣EICP技術奠定基礎。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗土樣

試驗所選用砂土為鈣質砂,通過振篩機及1 mm、0.5 mm、0.25 mm和0.075 mm孔徑的試驗篩輔助進行材料制取,篩選出0.5 mm～1 mm、0.25 mm～0.5 mm、0.075 mm～0.25 mm和小于0.075 mm四個級配的材料,如圖1所示。隨后將四個單一級配以質量比5∶3∶1∶1混合攪拌后形成混合級配。根據最大最小干密度試驗獲得不同顆粒級配下試樣的最大最小干密度。

圖1 振篩機及試驗材料

試驗針對不同單一級配,相對密實度取為0.5;針對混合級配,相對密實度取為0.5、0.6和0.7。確定最大最小干密度和相對密實度后,可根據下式確定試樣干密度[16]:

(1)

式中:Dr為試樣干密度,g/cm3;ρdmax為最大干密度,g/cm3;ρd0為天然干密度,g/cm3;ρdmin為最小干密度,g/cm3。

不同級配范圍的試樣干密度如表1所示。

表1 不同級配范圍的試樣干密度

1.1.2 大豆脲酶

試驗選取常見的市售顆粒圓潤飽滿,呈黃綠色大豆(見圖2(a));將大豆放入干燥箱烘干24 h后,放入高速多功能粉碎機(見圖2(b))中打磨成粉末狀(見圖2(c));將一定量的大豆粉末配置成100 g/L溶液,待充分攪拌均勻后,放入離心機以3 000 r/min、15℃的條件離心10 min;將上清液用半透膜過濾,去除其中雜質,剩余液體即為脲酶溶液[2],如圖2(d)。

圖2 脲酶制取

1.2 試驗方法

1.2.1 脲酶活性的測定

在豆粉溶液中得到的脲酶可以催化尿素水解,生成物與水發生反應生成碳酸根離子(CO32-)和氫離子(H+),隨后與膠結液中的鈣離子產生碳酸鈣沉淀,脲酶活性會直接影響碳酸鈣生成的速率,從而影響砂土固化的效果,具體反應式如下[17]:

(2)

Whiffin[17]發現脲酶分解尿素時,會使溶液內的離子濃度提升,進而使溶液的電導率提高,通過電導率儀對脲酶溶液電導率的變化測量,即可間接衡量脲酶的活性。其具體方法為:將濃度為1.11 mol/L的27 ml尿素溶液與濃度為100 g/L的3 ml脲酶溶液混合,混合均勻后用電導率儀測量其一定時間內的電導率變化值,重復測量三次得到平均電導率變化值,測量的平均值乘以稀釋倍數(10倍),即可得出該濃度脲酶溶液的水解能力,隨后再用計算值除以該脲酶溶液濃度和間隔時間,即可求出單位時間內單位質量大豆脲酶活性,該值可反映單位質量的脲酶的水解能力[17]。

1.2.2 直接剪切試驗

按照已有文獻方法,以環刀為模具,制備尺寸為Φ70 mm×16 mm的EICP加固砂土試樣。將直剪儀(圖3(a))的剪切速率設定為1 mm/min,分別以100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa的軸向壓力對固化試樣進行直接剪切試驗。以混合級配土樣相對密實度為0.5、膠結比(氯化鈣∶尿素)為1∶1(其中1均表示1 mol/l)、膠結液濃度為1 mol/L的工況為標準。

圖3 不同pH值時的脲酶活性

分析級配對抗剪強度影響時,以純水為對照組,在其他條件不變情況下,級配采用<0.075 mm、0.075 mm～0.25 mm、0.25 mm～0.5 mm、0.5 mm～1 mm和混合級配分別試驗;在分析膠結液濃度對抗剪強度影響時,在級配(混合級配)、膠結比(1∶1)及相對密實度(0.5)不變情況下,選用膠結液濃度0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L和2.0 mol/L分別進行試驗;在分析膠結比對抗剪強度影響時,級配(混合級配)、膠結液濃度(1 mol/L)及相對密實度(0.5)不變,分別選用膠結比1∶0.5、1.5∶1、1∶1、1∶1.5和0.5∶1進行試驗。

1.2.3 無側限抗壓強度試驗

按照已有文獻方法,制備尺寸為Φ40 mm×80 mm的EICP加固砂土試樣,通過無側限壓縮儀以1 mm/min的加載速率對試樣施加軸向壓力,當固化試樣完全破壞時停止加載,試樣的抗壓強度以最大軸向應力為準。養護天數分別為1 d、2 d和3 d,土樣選用相對密實度分別為0.5、0.6和0.7的混合級配土樣,膠結比為1∶1,膠結液濃度分別為0.5 mol/L、1.0 mol/L和1.5 mol/L,在養護天數、相對密實度和膠結比相互交叉組合的情況下進行試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 不同因素對脲酶活性影響

2.1.1 pH對脲酶活性影響

為研究pH對脲酶活性影響,在保證試驗溫度不變(室溫,約25℃)的情況下進行試驗。pH設置為5、6、7、8、9五種情況,分別在五種不同條件下進行脲酶活性測量。脲酶活性的變化情況如圖3所示。從圖3中可以看出,脲酶在酸性和堿性條件下活性都會受到破壞,在pH=6和pH=7時較高,當pH從6降低至5時,pH=5的脲酶活性下降到了pH=6時的23.9%,脲酶嚴重失活,表明脲酶的耐酸性弱;pH由7上升至8時,pH=8的脲酶活性下降到了pH=7時的51.6%;當pH在8～9的范圍內時,脲酶活性變化較為平緩,表明脲酶的耐堿性較強。綜上,本文試驗pH設置為7。

2.1.2 反應時間對脲酶活性影響

在保證試驗溫度不變(室溫,約25℃)的情況下,分別測定在5 min、1 h、6 h和24 h后的脲酶活性,研究反應時間對脲酶活性的影響。反應時間對脲酶活性的影響如圖4所示。由圖4可知,當pH=5時,脲酶活性變化較為平緩,特別注意在1 h內脲酶活性略微上升,由反應方程(2)可知,尿素在脲酶作用下水解生成NH3,NH3溶于水后顯堿性,因此溶液pH值隨反應進行略微升高,從而提升了脲酶活性。除pH=5的情況外,其他pH下的脲酶活性均隨著反應時間的增長而下降。

圖4 反應時間對脲酶活性的影響

2.2 直接剪切試驗結果分析

由于級配在0.5 mm～1 mm的砂土經純水固化后毫無固化痕跡,經EICP固化后固化效果一般,能輕微拿起,但稍稍晃動就會掉落砂土,因此在該試驗分析中不進行比較。同時該現象也證明了砂土顆粒越大,固化效果越差[18],在較小軸壓下即發生破壞。

2.2.1 顆粒級配對EICP加固砂土抗剪強度的影響

在不同顆粒級配下純水及EICP加固試樣的應力應變曲線如圖5所示。由圖5可知,經EICP固化后,顆粒級配為0.075 mm～0.25 mm的砂土與其純水對照組相比,抗剪強度提升效果最好,在100 kPa時提升了229%,200 kPa時提升了130%,300 kPa時提升了72.8%,400 kPa時提升了43.6%,提升幅度隨軸向壓力的增大而減小。其余3組也可得到類似結論。由圖5還可得知,顆粒粒徑為0.075 mm～0.25 mm的EICP加固砂土在100 kPa和200 kPa下發生脆性破壞,在剪切位移變化較小時剪應力快速下降。與純水相比,EICP固化砂土試樣的抗剪強度均得到提升,說明EICP固化的可行性。其具體提升效果為:0.075～0.25>混合級配>0.075以下>0.25～0.5,試樣的抗剪強度隨級配呈現出先增加后減小的趨勢。

2.2.2 膠結液濃度對EICP加固砂土抗剪強度的影響

不同膠結液濃度的EICP加固砂土應力應變曲線如圖6所示。以軸向應力為300 kPa情況為例,與對照組相比,0.1 mol/L濃度的EICP加固組,抗剪強度提高了2.16%;0.5 mol/L濃度的EICP加固組,抗剪強度提高了2.9%;1 mol/L濃度的EICP加固組,抗剪強度提高了16.96%;1.5 mol/L濃度的EICP加固組,抗剪強度提高了20.58%;2 mol/L濃度的EICP加固組,抗剪強度提高了30.68%?？梢娔z結液濃度在0.1 mol/L～2 mol/L范圍內,隨著濃度的增大EICP加固效果不斷提高,抗剪強度不斷增大。

圖6 不同膠結液濃度時的應力應變曲線

在不同膠結液濃度EICP固化砂土中,2 mol/L濃度的砂土改良效果最為理想,但在實驗過程中2 mol/L溶液易造成部分區域堵塞,無法向下滲透,導致固化不均。1 mol/L與1.5 mol/L改良效果僅次于2 mol/L,且兩者改良效果相差不大,考慮經濟性,1 mol/L濃度適合在實際工程中應用。

2.2.3 膠結比對抗剪強度的影響

不同膠結比(氯化鈣∶尿素)的EICP加固砂土應力應變曲線如圖7所示。從圖7中可以看出,整體固化效果為:1.5∶1>1∶1>1∶1.5>0.5∶1>1∶0.5,其中1均表示1 mol/L。當軸向應力為100 kPa和200 kPa時,膠結比為1.5∶1的抗剪強度比膠結比為1∶1的大15 kPa左右,而在軸向應力為300 kPa和400 kPa時,兩者的抗剪強度已趨于一致。

圖7 不同膠結比時的應力應變曲線

為具體分析氯化鈣不變時,尿素對抗剪強度的影響,和尿素不變時,氯化鈣對抗剪強度的影響。提取圖7中數據繪制圖8。以軸向應力300 kPa為例,以膠結比為1∶1的固化砂土為對照組。當氯化鈣不變時,膠結比為1∶0.5的EICP固化砂土抗剪強度降低了12.03%;膠結比為1∶1.5的EICP固化砂土抗剪強度降低了7.4%;說明氯化鈣一定時,膠結比為1∶1時最好,尿素濃度偏高或者偏低都會降低抗剪強度,結論與文獻[19]一致。當尿素不變時,膠結比為0.5∶1的EICP固化砂土抗剪強度降低了7.4%;膠結比為1.5∶1的EICP固化砂土抗剪強度提升了1.6%,變化幅度較小。說明尿素不變時,氯化鈣濃度在尿素濃度0.5～1.5倍時對抗剪強度影響較小。綜上,膠結比宜選用1∶1。

圖8 不同膠結比試樣軸向應力與抗剪強度關系

2.3 無側限抗壓強度試驗結果分析

2.3.1 養護周期對抗壓強度的影響

養護周期對EICP加固砂土無側限抗壓強度的影響如圖9所示。由圖9可知,不同相對密實度不同濃度試樣的無側限抗壓強度均會隨著養護周期的增加而增加。當養護周期為1 d時,EICP對砂土的固化效果較弱,在3 d時固化基本完成。從圖9中還可以明顯看出,3 d的無側限抗壓強度增長幅度明顯大于前兩天,表明試樣在前兩天時沉淀物未能將土中孔隙填充完全,相互膠結的土顆粒相對較少,隨著養護周期的增加,沉淀生成量越來越多,能夠將土顆粒相互膠結,有效提升了抗壓強度。

圖9 養護周期對砂土抗壓強度的影響

2.3.2 相對密實度對抗壓強度的影響

相對密實度對EICP加固砂土無側限抗壓強度影響如圖10所示。由上述結論可知EICP固化試樣在3 d時基本固化完全,因此以3 d、1 mol/L為例,由圖10可以看出:相對密實度為0.7的固化試樣強度最高,其無側限抗壓強度為571.36 kPa,0.6的次之為486.38 kPa,0.5的最小為394.53 kPa,相對密實度在0.5～0.7范圍內,EICP固化試樣的抗壓強度隨著相對密實度的增加而增加。

圖10 相對密實度對砂土抗壓強度的影響

2.3.3 膠結液濃度對抗壓強度的影響

膠結液濃度對EICP加固砂土無側限抗壓強度影響如圖11所示。由上述結論可知EICP固化試樣在3 d時基本固化完全,因此以3 d、Dr=0.5為例,由圖11可以看出:當EICP固化砂土的無側限抗壓強度取最大值時,膠結液濃度為1.5 mol/L,其無側限抗壓強度為424.33 kPa,1 mol/L的次之為394.53 kPa,0.5 mol/L的最小為310.72 kPa,當膠結液濃度在0.5 mol/L～1 mol/L之間時,膠結液的濃度越大,EICP固化砂土的無側限抗壓強度越大。

圖11 膠結液濃度對砂土抗壓強度的影響

3 結 論

本文圍繞EICP固化砂土分析脲酶活性的影響,通過直接剪切試驗和無側限抗壓強度試驗,分析多變量對EICP固化砂土強度特性的影響。得到以下結論:

(1) 在EICP的溶液制備中,適宜將脲酶環境控制在弱酸性和中性條件下,最佳pH為7,此條件下其持續反應時間較長,脲酶的活性隨著時間而逐漸喪失。

(2) 在不同級配的EICP固化砂土改良效果中,砂土顆粒級配為0.075 mm～0.25 mm時,抗剪強度提升最大;當膠結液濃度為2 mol/L時,EICP固化效果最佳,考慮經濟性以1 mol/L濃度為最佳的膠結液濃度;當氯化鈣一定時,膠結液比值為1∶1時抗剪強度最高,尿素濃度偏高或者偏低都會降低抗剪強度;當尿素不變時,氯化鈣濃度在尿素濃度0.5～1.5倍時抗剪強度變化較小,膠結比宜選用1∶1。

(3) EICP固化效果在1 d時較弱,在3 d時固化基本完全,固化效果較為理想,養護時間越長,固化越完全。在相對密實度為0.5～0.7范圍內,EICP固化試樣的抗壓強度隨著相對密實度的增加而增加。當膠結液濃度在0.5 mol/L～1mol/L之間時,膠結液的濃度越大,EICP固化砂土的無側限抗壓強度越大。