微生物誘導碳酸鈣沉淀提高紅砂巖堆石料無側限抗壓強度的試驗研究

彭 成,李佳寶,劉宵凌,莫 彪,陳 果,李 超,歐陽以

(南華大學 土木工程學院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

我國湖南地區分布著大量的紅砂巖與粉質黏土,因此在路堤與土石壩施工中,考慮成本、工期等問題,通常會就近采用紅砂巖堆石料進行填筑[1-3]。紅砂巖主要呈現粒狀碎屑結構體和泥狀膠結結構體,其強度差異大,開挖出來后,與外界環境相互作用下,具有遇水軟化、崩解和擴容膨脹等不良工程性質[4]。湖南處于亞熱帶,常年雨熱同期,這就使得紅砂巖堆石料在工程填筑中力學性質更加不穩定,公路施工后的路基變形問題與土石壩開裂問題屢見不鮮[5-6]。紅砂巖堆石料在工程中常見的改良方法有預崩解、化學改良、物理改良等[7-11],在一定程度上改善了紅砂巖堆石料的力學性能,取得了一定的成果。

近年來,不同學科間的合作與融合在科學研究中起到了巨大的作用,隨著微生物學、巖土工程、地球化學等學科的不斷融合發展,微生物誘導碳酸鈣沉淀技術(microbial induced calcite precipitation,MICP)開始逐步應用于巖土改良領域[12],因其技術機理簡單、效率高、易掌控且對環境友好等特點,深受眾多學者青睞[13],利用微生物技術進行砂土表面固化處理,在砂土表面形成一層很薄的硬殼,可以有效控制環境塵土的飛揚和風沙土流動,起到防風固沙、土壤降塵的作用[14-15];P.Xiao等[16-17]利用MICP技術處理沙土,發現MICP技術可以改變松砂的液化機理,有效提高砂土抗液化性能;也有學者利用MICP技術加固巖土材料改良特殊土,發現MICP技術可以有效提高土體的工程性質,降低土體的滲透性與分散度,增加土體的強度[18-21]。

本文擬將MICP應用于紅砂巖堆石料填筑工程的性能改良,開展MICP改良后不同碎石含量堆石料的無側限抗壓強度試驗,測定碳酸鈣結晶含量,電鏡掃描試驗(SEM)分析試樣微觀結構變化及微生物作用機理,對紅砂巖堆石料填筑工程具有重要意義和工程應用價值。

1 試驗材料與方法

1.1 菌液與培養基

試驗選用的細菌為巴氏芽孢八疊球菌(Sporosarcinapasteurii,ATCC11859),購自北京生物菌種保藏中心。該菌的產酶效率高,脲酶活性高,對環境要求不高,在MICP技術研究中廣泛應用。主要通過自身的代謝活動產生脲酶,促進尿素水解產生碳酸根離子,再加入無水氯化鈣作為鈣源,就可以產生碳酸鈣結晶。試驗所用培養基為YE-NH4液體培養基,將培養基配制完成后,為防止雜菌混入影響實驗結果,應將其置于高壓滅菌鍋內,在121 ℃下高溫蒸汽滅菌30 min。按照巴氏芽孢八疊球菌最佳培養條件[22],以體積比1∶100的比例將細菌接種至液體培養基,利用恒溫震蕩培養箱在30 ℃和180 r/min的環境下培養48 h。圖1為恒溫培養48 h的巴氏芽孢桿菌,培養成功的細菌呈渾濁的黃色液體,靠近可以聞到刺鼻的氨氣氣味,在顯微鏡下可觀察到運動的桿狀細菌。培養基成分:酵母提取物20.0 g,硫酸銨10.0 g,Tris-緩沖液15.7 g,蒸餾水1 000 mL。

圖1 恒溫培養48 h的巴氏芽孢桿菌

1.2 膠結液

(1)

(2)

1.3 試樣制備

1.3.1 土樣獲取與縮尺處理

為探究不同含石量下堆石料的變形特性與力學性能,將不同粒徑紅砂巖與粉質黏土混合制成不同含石量的堆石料。試驗所用原始紅砂巖堆石料取自衡陽一處道路施工場地,該路段地處山區,地表高差明顯,地質構造形式為單斜構造巖層,經初步檢驗,土石方的物理性質如表1所示。

表1 原始土樣基本物理性質

圖2 原始土樣與縮尺土樣的顆粒級配曲線

1.3.2 礦化前的土樣處理

考慮到紅砂巖顆粒本身含有一定量的雜質,影響后續MICP礦化試驗,試驗前將紅砂巖顆粒先用0.1 mol/L的NaOH溶液浸泡12 h,清洗后再用0.1 mol/L的HCI溶液浸泡12 h,最后用去離子水清洗干凈至pH值為7;為防止雜菌混入影響試驗結果,將紅砂巖顆粒121 ℃高溫烘干12 h至質量恒定后待用。

試驗所用粉質黏土2.5 mm過篩,121 ℃高溫烘殺12 h后備用。紅黏土主要性能指標見表2。

表2 粉質黏土主要的性能指標

1.3.3 紅砂巖堆石料試樣制備

對烘干土樣進行重塑處理,配置不同含石量(50%、60%、70%)的試樣,在重塑過程中采用噴灑拌合的方式,以1∶1的體積比例摻入巴氏芽孢桿菌菌液和膠結液,按照18%含水率將混合反應液噴灑到土樣中,拌合均勻后制成標準試樣(Φ=39.1 mm,H=80 mm)作為微生物礦化試樣B組。依照上述方法,同時制備只摻入蒸餾水18%的A組試樣作為對照。

2 試驗方案與步驟

考慮巴氏芽孢八疊球菌生長存活周期與加入鈣源的量,將重塑B組MICP處理的土樣密封包裹好放置在恒溫箱中,在28 ℃的恒溫環境下養護1、3、6、10和15 d;A組只加蒸餾水的土樣在相同條件下養護6 d。對2組土樣分別進行無側限抗壓強度試驗,具體的試驗方案見表3。

表3 無側限抗壓試驗設計分組

通過無側限抗壓強度試驗對比不同土樣的力學性能,分析微生物對土樣力學性能的影響以及養護時間與土樣力學性能的關系;測定不同養護時間下試樣產生的碳酸鈣含量,分析土樣抗壓強度與碳酸鈣含量的關系;觀察試樣養護前后的外觀變化并結合掃描電鏡分析其內部微觀結構特征。

3 試驗結果分析

3.1 無側限抗壓強度分析

抗壓強度指標是工程應用當中重要的指標之一,研究中使用TSZ全自動三軸儀對試樣進行無側限抗壓強度試驗,試驗過程中的剪切速率為0.8 mm/min,對不同養護天數下的試樣進行無側限抗壓試驗,并與養護6 d的對照組A組(圖3中第0天)對比分析,試驗結果如圖3所示。

圖3 B組試樣在不同養護時間下抗壓強度

取應力應變曲線中峰值應力為峰值強度,峰值應力對應的應變為破壞應變進行分析。試驗可知,不同含石量的試樣在微生物的影響下抗壓強度變化趨勢基本一致,在不同養護時間下,微生物改良堆石料的抗壓強度峰值變化基本一致。含石量相同時,微生物處理后養護1 d的試樣與對照土樣相比,試樣強度略低,原因可能是A組土在經過6 d的自然固結,土體內部性質相對穩定,抗壓強度略高。對于不同含石量的試樣,含石量越大,改良效果越明顯,恒溫養護15 d后,含石量50%的試樣強度增大79%,含石量60%的試樣強度增大118%,含石量70%的試樣強度增172%,說明在含石量50%～70%范圍內,MICP對于含石量越高的試樣改良效果越好。原因可能是土樣含石量越大,顆粒不均勻系數增加,裂隙增多,更有利于細菌遷移,產生的碳酸鈣不輕易造成堵塞,為細菌的繁殖提供了更好的條件,更有利于在顆粒間中生成更多更均勻的碳酸鈣沉淀,提高了土樣的抗壓性能。

分析MICP處理后的土樣在養護各階段抗壓強度增幅(見圖4),可以發現隨著養護時間推移,峰值強度逐漸增高。在第1天后試樣進入強度增長期,第3天到6天強度增幅最大,第6天后強度增速漸緩,第10天試樣進入強度穩定期,之后抗壓強度只有略微增長。養護15 d后的試樣抗壓強度提升最大,但是養護10 d之后土樣強度提升有限,考慮固化效率,養護最佳時間為10 d。

圖4 B組試樣在不同養護時間下抗壓強度增長率

在養護初期,由于含石量少的試樣黏性土含量多,黏土含量高的試樣中土顆粒間的黏結作用較大,使得試樣在初期能夠承受更大的壓力,導致含石量小的試樣抗壓強度略高。隨著養護時間的推移,含石量大的試樣由于可以更好地為細菌繁殖提供條件,產生更多的碳酸鈣,填充了顆粒間孔隙,使得顆粒間的由黏結作用轉變為碳酸鈣膠結作用,土樣內部力學性能更加穩定,抗壓強度變化更加明顯。

圖5為MICP處理后的60%含石量試樣在不同養護時間的應力應變圖。隨著養護時間推移,堆石料抗壓強度逐漸增大,試樣峰值強度對應的軸向應變也隨之增大,土樣在經過MICP處理后的試樣顯示出了更大的脆性。說明堆石料經過礦化作用,析出碳酸鈣結晶,強度得到增長的同時也增大了土樣的脆性。

圖5 B組60%含石量不同養護時間的應力應變圖

3.2 碳酸鈣含量分析

通過微生物礦化作用產生碳酸鈣,加強土體顆粒間的黏結,從而增強土的力學性能,因此土體中碳酸鈣含量是反映微生物礦化效果的重要指標。測定不同養護時間下的碳酸鈣含量,確定試樣的產鈣數量、速率以及微生物的反應周期;分析碳酸鈣含量與抗壓強度的關系,利用碳酸鈣含量表征MICP礦化效果。

圖6為不同養護天數下試樣中碳酸鈣含量變化曲線。試樣第1天產生碳酸鈣的量較少,第1天之后試樣進入產鈣高速期,第3天到第6天產生碳酸鈣的量最多,第6天后產鈣速度逐漸放緩,第10天以后曲線趨于平緩,說明10 d以后微生物礦化反應基本結束,試樣中不再產生碳酸鈣。

圖6 不同養護天數下試樣中碳酸鈣含量變化

結合試樣的抗壓強度曲線,可知土樣抗壓強度與碳酸鈣的生成量與成正比關系,養護第3天到第6天產生的碳酸鈣最多,同樣試樣在第3天到第6天的抗壓強度提升最大;養護10 d過后試樣礦化反應基本完成,不在產生碳酸鈣,抗壓強度也趨于穩定,因此土體中碳酸鈣含量直接影響試樣的抗壓強度。碳酸鈣含量越多,土體顆粒間膠結效果越好,土的抗壓強度自然就越大。

含石量越高的試樣中產生的碳酸鈣含量越多,試樣抗壓強度越高,原因是含石量高的試樣能夠為細菌繁殖提供更好的條件,進一步印證了碳酸鈣是試樣強度增大的主要因素。結合試樣中碳酸鈣含量與抗壓強度變化,可知微生物改良紅砂巖堆石料效果顯著,值得進一步深入研究。

3.3 試樣的表觀與微觀分析

觀察試樣經微生物處理前后的表觀變化,分析試樣表面的產鈣情況。通過電鏡掃描試驗(SEM)對不同養護時間的試樣微觀變化進行分析,包括生成物的數量、分布、形狀、顆粒間的膠結狀況以及微生物作用機理。表觀與微觀分析相結合,對MICP改良紅砂巖堆石料的礦化效果做出評價。

圖7為微生物處理前后的試樣表觀變化,未經微生物處理的試樣表面并無改變,觀察經微生物處理的試樣,可明顯看到試樣表面不均勻地分布著白色霜狀的粉末,是由于微生物通過礦化作用在試樣表面析出了碳酸鈣結晶,可見微生物對試樣的產鈣效果顯著。

圖7 MICP處理前后的試樣

將60%含石量的A組養護6 d和B組恒溫養護3 d、6 d、10 d的試樣在掃描電鏡下觀察,分析微生物礦化作用對試樣微觀結構的影響(見圖8)。

從圖8(a)來看,未經過礦化作用的A組試樣土體顆?？紫堕g無明顯充填物質,存在大量開放性孔隙,結構較為松散,顆粒彼此間連接并不緊密。而圖8(b)經微生物礦化處理的土樣養護3 d后土顆粒分布相比于圖8(a)略為緊密,孔隙中間膠結了少量的白色晶體;隨著養護時間推移,圖8(c)、圖8(d)中可以更加清楚的看到土體表面及顆粒間形成大量白色晶體,大小、形態多不規則,觀察孔隙填充部分,土體顆粒間明顯存在顆粒狀充填物,這些充填物分布在土體的大、小孔隙中,細菌通過礦化作用生成的碳酸鈣填充了顆粒間的孔隙。這些碳酸鈣在土體中產生較好的膠結,增強了土體內部的穩定性,使土體具備更為良好的力學性質。

圖8 60%含石量試樣電鏡掃描

圖8(e)與圖8(f)分別是為微生物處理養護10 d的土樣放大4 000倍與8 000倍的電鏡照片,可以更加清楚地看到生成物的形狀以及孔隙填充情況?？捎^察到生成的晶體形狀不規則,多為鱗片狀,少部分團聚零星分布,可判斷為碳酸鈣晶體。顆粒表面生成的晶體較少,且多為團聚零星分布,顆?？紫堕g產生的晶體較多,多為片狀,大量的結晶充分填充了顆粒間的孔隙,使試樣變得更密實,在顆粒間形成較好的膠結,增強了土體的力學性質。

圖8(g)與圖8(h)分別是微生物礦化處理前后的紅砂巖粗顆粒照片,圖8(h)由土樣掃描電鏡圖看出石頭表面有大量是白色的片狀聚集物,而圖8(g)未經細菌處理的石頭表面較為光滑。表明細菌處理后粗顆粒表面產生了大量的碳酸鈣結晶,在石頭與土顆粒、石頭與石頭顆粒形成更好的膠結作用,增強土體的力學性能。

4 結 論

以紅砂巖堆石料為研究對象,將MICP應用于紅砂巖堆石料填筑工程,通過無側限抗壓強度試驗、測定碳酸鈣結晶含量試驗及電鏡掃描試驗(SEM),對MICP改良紅砂巖堆石料的礦化效果做出評價,得到以下主要結論:

1)將MICP應用到紅砂巖堆石料性能改良中,利用無側限抗壓試驗評價其改良效果,分析表明微生物誘導碳酸鈣沉淀改良紅砂巖堆石料力學性能效果顯著,且養護最佳時間為10 d,生成碳酸鈣結晶較好填充了試樣孔隙,提高土體的抗壓性能。

2)用碳酸鈣含量來表征改良效果,含石量越高的試樣生成的碳酸鈣含量越多,試樣的抗壓強度越大,改良效果越好。結果表明,在碎石含量一定范圍內,粗顆粒含量越高,微生物活動產生的碳酸鈣越多,改良效果越好。

3)對試樣表觀與微觀分析,表明MICP作用于紅砂巖堆石料產鈣效果可觀,碳酸鈣主要產生在顆?？紫堕g與粗顆粒上,增強了土顆粒間膠結,從而增強土體的力學性能。