0.   引言

MICP技术在岩土工程领域有着广泛的应用，如土体加固^[1]、裂缝修复^[2]、防风固沙^[3]、土体防渗^[4]和砂土液化防治^[5]等。碳酸钙沉积有多种机制，通过脲酶水解尿素从而产生矿物沉淀是最简单且被研究最为深入的一种，碳酸钙沉淀包裹在砂颗粒表面或者在砂颗粒之间形成桥接，会限制砂颗粒移动并将砂颗粒胶结在一起，从而改善砂土的性质。MICP技术对环境影响小，相较于其他土体加固方法，其具有能耗低、污染小的优点。MICP技术能增加砂土强度和降低渗透性。王绪民等^[6]用多浓度营养盐结合分批处理方式处理标准砂，处理14次后无侧限抗压强度最高可达700 kPa左右；崔明娟等^[7]选用3种不同颗粒粒径范围的标准砂进行微生物固化处理，处理12次后，无侧限强度最高可达969 kPa；Pan等^[8]利用生物浆液方法在中粗砂中进行灌注，生成碳酸钙可使孔隙填充率增加到52.3%，归一化渗透系数降到2.82×10^-3 m/s。综上所述，常规MICP处理土体的方法效率是较低的，通常需要经过多次的注浆周期才能提高砂土强度，降低渗透系数，这是由于生物胶结土的强度增加和渗透性降低与MICP生成碳酸钙有关。方解石晶体的功能可分为生物堵塞和生物胶结^[9]，碳酸钙沉淀填充孔隙，从而降低砂土渗透系数，而强度的增长更多是与起生物胶结作用的碳酸钙有关，只有生成足够多碳酸钙沉淀，在砂颗粒之间起到胶结作用，才能促进强度增长^[10]，Whiffin等^[11]指出当方解石含量大于3.5%时，砂柱的强度才会得到显著提高，而往往每次处理可沉淀的碳酸钙的量通常远低于所需的量^[12]。

随着MICP技术研究的不断深入，对MICP加固效率提出了更高的要求，较多学者也对此进行了研究。Cheng等^[13]和Xiao等^[14]将细菌脲酶作为处理对象，通过降低pH或温度从而降低脲酶活性，使其在砂土中均匀分布，从而提高加固均匀性，提升砂土加固强度；Ma等^[15]提出了微生物-膨润土联合矿化的方法，经过10次的注浆，归一化渗透系数最低可达3.77×10^-3 m/s；也有学者在胶结液中加入添加剂提升MICP加固效率，Wei等^[16]通过在胶结液中加入少量铝离子絮凝剂，可大幅度减少胶结液处理次数，提高加固效率。但是在生物体内铝的含量很少，并非必需元素，当地下水中铝离子浓度过高时，会抑制植物生长，对动植物造成危害^[17]。而作为无机絮凝剂，铁离子絮凝剂与铝离子絮凝剂有许多相似的性质^[18]，作为铝离子的替代，本文考虑在MICP胶结液中加入少量三氯化铁，探究其对溶液反应和砂柱试验的影响。三氯化铁与有机质溶液反应能生成絮凝物，能够降低土体渗透系数^[19]，本文同时对MICP结合三氯化铁对砂土渗透系数影响展开初步研究。

1.   试验材料

1.1   细菌及胶结液

本试验用菌为巴氏芽孢杆菌（ATCC11859）。采用液体培养基对细菌进行扩大培养^[20]，试验所用细菌脲酶活性为$\mathsf{ （8\pm 0.5）\text{mmol/L urea hydrolysed}\cdot {\text{min}}^{\text{-1}} }$，$\mathsf{O{D_{600}} = 1.3 \pm 0.2}$。初始胶结液由$\mathsf{CaC{l_2}}$和尿素按1︰1的摩尔比配制，其浓度均为1 mol/L。

为探究$\mathsf{FeC{l_3}}$对MICP加固砂土的影响，在初始胶结液中加入不同浓度$\mathsf{FeC{l_3}}$。三氯化铁作为一种铁盐，广泛用作水处理剂、蚀刻剂、饮用水处理剂、医药中间体、化学试剂、精密蚀刻剂、化妆品颜料和珠光颜料等^[21]，其价格低廉，环境友好^[22]。

1.2   试验用砂

试验所用砂为福建标准砂，其主要成分为$\mathsf{Si{O_2}}$，其粒径为0.25~0.5 mm的细砂。标准砂土粒相对质量密度为${G_\text{s}} = 2.65$，干密度为1.44~1.46 g/cm³。

2.   试验方法

2.1   溶液试验

为探究三氯化铁对微生物矿化的影响，在烧杯中进行了溶液试验。具体分组情况如表 1所示。

表  1  溶液试验分组

Table  1.  Grouping of solution tests

试验分组	胶结液组成	三氯化铁浓度/(mmol·L-1)	菌胶比（V/V)
S-M	尿素+$\mathsf{ CaC{l_2} }$	0	1︰10
S-FX	尿素+$\mathsf{ CaC{l_2} }$+$\mathsf{FeC{l_3}}$	1, 3, 5, 10, 20, 30	1︰10
S-N	尿素+$\mathsf{ CaC{l_2} }$+$\mathsf{FeC{l_3}}$	20	1︰20
S-J	尿素+$\mathsf{ CaC{l_2} }$+$\mathsf{FeC{l_3}}$	20	1︰4
S-K	尿素+$\mathsf{FeC{l_3}}$	20	1︰10
注：S-FX组下标X为铁离子浓度（mmol/L）。

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溶液试验中菌液和胶结液都是一次性添加，在对照组S-M中，直接将20 mL菌液倒入200 mL氯化钙和尿素的混合液中；试验组S-F中，在200 mL初始胶结液（氯化钙和尿素混合液）中配制不同浓度$\mathsf{FeC{l_3}}$，再将20 mL菌液倒入其中，$\mathsf{FeC{l_3}}$浓度为1~30 mmol/L，添加量为0.27~8.10 g/L，相较于碳酸钙和尿素，用量较少；同时将细菌与胶结液体积比设为变量，胶结液用量固定为200 mL，细菌用量分别为10，20，50 mL，即菌胶比分别为1︰20，1︰10，1︰4，探究不同浓度菌液下$\mathsf{FeC{l_3}}$对MICP反应的影响，对应分组分别为S-N，S-F，S-J。$\mathsf{FeC{l_3}}$在碱性环境中产生大量絮凝沉淀^[23]，为探究三氯化铁絮凝沉淀反应情况，设置试验组S-K，其胶结液中不含$\mathsf{C{a^{2 + }}}$，即将20 mL菌液倒入100 mL尿素和三氯化铁的混合液中。反应进行24 h，测定反应过程中的pH变化，反应结束后用抽滤装置获得生成物并烘干，测定其质量。试验中每组均取3个平行组进行试验，取平均值作为试验取值。

2.2   砂柱试验

将洗净烘干后的标准砂在圆筒模型槽中制成为底部直径为5 cm，高度为12 cm的砂柱。试验装置如图 1所示。

图  1  砂柱试验装置示意图

Figure  1.  Schematic diagram of sand column test devices

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先注入约1倍孔隙体积（本文试验中约为90 mL）的固定液，其成分主要为0.05 mol/L的$\mathsf{CaC{l_2}}$溶液，固定液可以增加砂样中的电解质，增加离子强度，提高细菌吸附量^[24]。随后注入90 mL菌液。静置6 h后，最后多次注入胶结液，胶结液每隔24 h灌注一次，每次注入90 mL。试验过程中，灌注速度控制在6 mL/min，温度维持在室温（25±2）℃。试验分组如表 2所示。

表  2  砂柱试验分组

Table  2.  Grouping of sand column tests

试验分组	胶结液组成	铁离子浓/(mmol·L-1)
C-M	尿素+$\mathsf{ CaC{l_2} }$	0
C-FX	尿素+$\mathsf{ CaC{l_2} }$+$\mathsf{FeC{l_3}}$	1, 3, 5, 10, 20, 30
C-K	尿素+$\mathsf{FeC{l_3}}$	20
注：C-FX组下标X为铁离子浓度（mmol/L）。

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初始胶结液成分为1 mol/L氯化钙和1 mol/L尿素，在初始胶结液中配制不同浓度三氯化铁进行灌注试验，同时设置胶结液中不含钙离子组，探究三氯化铁反应生成絮凝物在砂柱中分布情况。固定液和菌液均只灌注1次，胶结液灌注5次，研究不同浓度三氯化铁下碳酸钙生成量、无侧限抗压强度和渗透系数变化情况。再取对照组和三氯化铁浓度为5 mmol/L试验组，分别灌注1，3，5，7，9次胶结液，研究其碳酸钙含量与无侧限抗压强度增长规律。

灌注结束后将加固好的砂柱取出，放置于去离子水中浸泡24 h去除砂柱含有的可溶物质，在60~70℃温度下烘48 h后用于后续的检测。

2.3   相关检测试验

（1）显微镜观察试验。试验所用荧光显微镜型号为NIB610-FL，目镜规格为大视场高眼点平常目镜10×/22，物镜最大放大倍率为40×。利用荧光显微镜，可以观察溶液试验中成碳酸钙形状、大小等。

（2）pH检测试验。pH值用笔式pH检测仪测取，pH测量误差为$\mathsf{ \pm 0.1}$。

（3）碳酸钙含量。采用酸洗的方法测定砂柱中沉淀的碳酸钙含量^[25]。

（4）无侧限抗压强度试验。将加固好的试样上部进行打磨，制成底径为5 cm，高为10 cm的砂柱后再进行无侧限抗压强度试验。无侧限压力仪荷载精度为$\mathsf{ \pm 0.5\% }$，加载板的速度为1.0 mm/min。

（5）渗透系数测定。直接在砂柱试验容器内采用变水头渗透试验测量其渗透系数。测试及计算方法参照GB/T 50123—2019。

（6）SEM和EDS试验。SEM试验采用场发射扫描电子显微镜，试验前进行抽真空预处理，喷金20 s，然后进行扫描。借助能谱扫描（EDS）进一步验证了试样内部矿物元素的分布特征。

3.   试验结果

3.1   溶液试验

在烧杯中进行溶液试验，如图 3所示，对照组中MICP反应生成白色碳酸钙；而在胶结液中加入一定量三氯化铁后，生成物为红色的沉淀；在S-K组中，溶液中不含有钙离子，细菌分解尿素后，与铁离子反应，生成絮凝沉淀，但是其质量仅仅为0.4 g，其沉淀物烘干后，呈红褐色附着在烧杯壁上。

图  2  荧光倒置显微镜及其典型观测图像

Figure  2.  Fluorescence inverted microscope and its typical observation images

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图  3  溶液反应沉淀物

Figure  3.  Precipitates in aqueous solution reaction

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测试溶液试验反应过程中pH值变化，巴氏芽孢杆菌通过分解环境中的尿素，提高周围环境pH^[26]，其原理如下所示：

当溶液中有钙离子存在时，碳酸钙晶体同时开始沉淀：

溶液中pH最终稳定值是低于不含钙离子组的，原因是反应消耗碳酸根离子，使得式（4）中反应朝右进行，从而使$\mathsf{O{H^ - }}$减少，最终稳定在7左右^[27]。

随着胶结液中加入三氯化铁，三氯化铁浓度越高，溶液的初始pH值越低，这是由于$\mathsf{F{e^{3 + }}}$是带有正电荷的高价金属阳离子，在水溶液中展现出强烈的自发水解趋势，这种能力会使周围的水分子大量解离，解离生成的$\mathsf{O{H^ - }}$被$\mathsf{F{e^{3 + }}}$离子吸引生成羟基铁离子，而释放的$\mathsf{{H^ + }}$则游离在溶液中，使得三氯化铁溶液呈现酸性^[28]，尿素水解会产生氨水（式（3）），氨水呈碱性，可与$\mathsf{F{e^{3 + }}}$反应^[29]，反应过程为

值得注意的是，该反应是不可逆反应，生成沉淀物氢氧化铁胶体，即图 3中S-K组中的沉淀物是氢氧化铁。

图 4（a）中，不含钙离子的两个试验组与含钙离子的两个试验组的pH值变化规律保持了一致，$\mathsf{F{e^{3 + }}}$的存在降低了溶液初始pH值，但MICP反应随着时间进行，含$\mathsf{F{e^{3 + }}}$组的溶液pH最终也能趋近于不含$\mathsf{F{e^{3 + }}}$组的最终pH值。

图  4  溶液反应中pH变化

Figure  4.  pH changes in aqueous solution reactions

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MICP反应与$\mathsf{F{e^{3 + }}}$水解反应在溶液中同时进行，两个反应对于溶液中的pH值存在一种竞争关系，$\mathsf{F{e^{3 + }}}$浓度越高，pH越低，从而会降低细菌脲酶活性^[30]，但是巴氏芽孢杆菌对pH的耐受范围非常广^[13]，在较低pH溶液中，MICP反应仍能进行，从而提高溶液pH。图 4（b）中，当三氯化铁浓度越高，反应达到最终稳定值所需的时间越长，反应24 h后pH最终值也越低。在同一三氯化铁浓度下，细菌浓度越高，pH提升速度越快，溶液初始pH和最终pH也越高（图 4（c））。

pH值影响细菌脲酶活性，最终会影响MICP生成碳酸钙含量。根据图 3中S-K组，铁离子在MICP反应溶液中的沉淀物生成量很少，当三氯化铁浓度为20 mmol/L，时，其沉淀物氢氧化铁的质量仅为0.4 g，可知，当胶结液中加入铁离子进行MICP反应式，其沉淀物主要为碳酸钙。如图 5（a）所示，碳酸钙生成量随着三氯化铁浓度的增加先增加后减少，根据Lai等^[27]的研究，当钙源充足时，在耐受pH范围内，pH越低，生成的$\mathsf{CO_3^{2 - }}$越多，与$\mathsf{C{a^{2 + }}}$结合生成的$\mathsf{CaC{O_3}}$沉淀越多，当铁离子浓度大于等于20 mmol/L时，过低的pH值一定程度影响细菌活性，从而碳酸钙生成量减少。图 5（b）为不同菌胶比下碳酸钙生成量，可知，随着细菌用量越多，碳酸钙生成量越多，3种浓度铁离子组碳酸钙生成规律保持一致。

图  5  溶液反应中碳酸钙生成量

Figure  5.  Production of CaCO₃ in aqueous solution reactions

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用显微镜观察各试验组碳酸钙生成情况，统计显微镜视线范围内生成碳酸钙晶体的尺寸。如图 6所示，在一定三氯化铁浓度范围内，生成碳酸钙的尺寸随着铁离子浓度增大而增大，且伴有少量黄色沉淀物，当三氯化铁浓度大于等于10 mmol/L时，碳酸钙尺寸开始减少，颗粒状碳酸钙减少，溶液环境中出现大量明显的黄色沉淀物，而当三氯化铁浓度达到30 mmol/L时，显微镜视线范围内无颗粒状碳酸钙，故图 6（i）中无法统计三氯化铁浓度为30 mmol/L时晶体尺寸。在S-K组中，溶液中不含钙离子其沉淀物是氢氧化铁胶。为了更清楚观察图 6（g）生成物形态，将其烘干，在扫描电镜下观察其形态，如图 7所示。

图  6  显微镜下碳酸钙生成形态及其晶体尺寸

Figure  6.  Morphologies of calcium carbonate generated under microscope and its crystal sizes

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图  7  S-F组沉淀物电镜图（铁离子浓度为30 mmol/L）

Figure  7.  SEM images of precipitates from group S-F (iron ion concentration of 30 mmol/L)

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可知图 6（g）中黄色沉淀物为碳酸钙，在菌胶比为1︰10，三氯化铁浓度为30 mmol/L的条件下，碳酸钙不再呈现颗粒状，而是呈片状，堆叠在一起，所以在显微镜视线范围内呈现大量黄色沉淀，这与胶结液中加入铝离子^[16]现象一致，可以知道，铝离子和铁离子浓度较高时，能明显影响MICP生成碳酸钙形状。

根据前文，细菌浓度和$\mathsf{F{e^{3 + }}}$浓度同时影响溶液中pH变化。而根据显微镜观察各组生成物生成情况可知，细菌浓度和三氯化铁浓度也同时会影响碳酸钙形态，见图 8，可观察到碳酸钙有3种存在模式，当溶液中不含三氯化铁或者三氯化铁浓度较低时，MICP生成碳酸钙为颗粒状；随着三氯化铁浓度增加，观察到黄色絮凝物生成，继续增加三氯化铁浓度，颗粒状碳酸钙开始减少，有更多黄色沉淀生成，此时碳酸钙为颗粒状与片状共存状态；当三氯化铁达到更大的浓度，无法再观察到颗粒状碳酸钙，此时碳酸钙为片状。

图  8  三氯化铁浓度和菌液浓度对碳酸钙生成形态影响

Figure  8.  Effects of $\mathsf{FeC{l_3}}$ and bacterial solution concentration on morphology of calcium carbonate production

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在三氯化铁浓度对碳酸钙生成形态产生影响的过程中，细菌浓度会对这一过程产生影响。图 8中可以观察到细菌浓度越高，碳酸钙更倾向于生成颗粒状，在1︰4菌胶比下，随着三氯化铁浓度增加，也会有黄色絮凝沉淀生成，但是4个试验组中均有颗粒状碳酸钙生成，且相比于较低浓度菌液的试验组，黄色絮凝沉淀更少。与此同时，三氯化铁和细菌浓度对颗粒状碳酸钙大小也会产生影响。随着三氯化铁浓度增加，颗粒状碳酸钙尺寸先增加后减小，而随着细菌浓度增加，也会增加碳酸钙的尺寸，观察到的现象与Thawadi等^[31]发现的现象一致。但是$\mathsf{F{e^{3 + }}}$会降低pH，对细菌脲酶产生影响，进而影响碳酸钙生成尺寸。细菌浓度和$\mathsf{F{e^{3 + }}}$浓度对MICP碳酸钙形态大小的影响是一个复杂的过程。

3.2   砂柱试验

砂柱试验过程中发现，当胶结液中三氯化铁浓度大于等于3 mmol/L时，仅仅灌注1次胶结液，砂柱就可以形成整体了，如图 9（b）所示，但是仍然存在局部脱落；作为对比，常规MICP砂柱试验中灌注1次只能局部被加固成块状，如图 9（a）所示。

图  9  砂柱加固情况

Figure  9.  Reinforcement of sand columns

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在C-K组中，胶结液中不含有$\mathsf{C{a^{2 + }}}$离子，无法生成碳酸钙沉淀，其沉淀物为氢氧化铁胶体。可知氢氧化铁胶体在砂颗粒间无胶结作用，但是氢氧化铁仍然可以吸附在砂颗粒表面，图 9（c）中C-K组砂颗粒呈现明显的红色。同时也观察到，氢氧化铁胶体在砂土孔隙中无法大量存在，在C-K组灌注过程中，流出液如图 10（a）所示，氢氧化铁分散在溶液中，静置一段时间后，沉淀在溶液底层，如图 10（b）所示，这也与图 3中S-K组现象一致。因为一部分氢氧化铁吸附在砂颗粒表面，图 10中氢氧化铁显示出相比于图 3中S-K组更浅的颜色。

图  10  C-K组流出液

Figure  10.  Effluents from group C-K

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砂柱试验中碳酸钙生成量、无侧限抗压强度及渗透系数如图 11所示。

图  11  砂柱试验中碳酸钙生成量、无侧限抗压强度和渗透系数

Figure  11.  Calcium carbonate precipitation, UCS and permeability coefficient in sand column tests

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砂柱试验中碳酸钙生成规律与溶液试验中碳酸钙生成规律不同。溶液试验中胶结液是一次添加，而砂柱试验中胶结液是分批次灌注，且溶液试验中胶结液是充足的。前文提到，在钙源充足时，在细菌耐受范围内降低溶液pH会促进碳酸钙生成^[28]，但在砂柱试验中，采用灌注的方式，砂土孔隙中钙源不是充足的，且随着灌注次数增加，砂土孔隙体积减少，留存在孔隙中可供MICP反应的钙源越少。本文砂柱试验中碳酸钙生成规律与文献中一致，当铁离子浓度过高时，会降低pH，在钙源不是充足的状态下，会减少碳酸钙生成量^[32]。

C-M组和C-F₅组碳酸钙含量均随着胶结液处理次数增加而增加，当胶结液处理次数大于7次时，C-F₅组的碳酸钙含量开始低于C-M组（图 11（b））。当胶结液处理次数较多时，孔隙中细菌浓度因灌注冲刷而减少，三氯化铁含量相对细菌含量增多，从而减少碳酸钙生成量。

图 11（c）为各试验组灌注5次胶结液情况下的无侧限抗压强度，随着三氯化铁浓度增加，砂柱无侧限抗压强度增加，但是当铁离子浓度继续增加时，无侧限抗压强度开始减小，当铁离子浓度为5 mmol/L时，无侧限抗压强度达到最大值1617.9 kPa，而常规MICP试验组砂柱无侧限抗压强度仅为155.2 kPa，在灌注5次胶结液的情况下，胶结液中加入一定量铁离子，无侧限抗压强度最大可提升10.4倍。

对比分析其灌注不同胶结液次数下无侧限抗压强度与碳酸钙含量的关系，如图 11（d）所示。在C-F₅组中，仅仅灌注1次胶结液就能使砂柱形成整体且具有强度，其平均无侧限抗压强度为144.3 kPa，灌注9次后，无侧限抗压强度最大可达2300.0 kPa，而C-M组灌注3次胶结液才能形成整体，平均无侧限抗压强度为58.2 kPa，可见三氯化铁对砂土微生物矿化的强化作用是显著的。

图 11（e）为砂柱渗透系数。未经处理过的砂土的平均渗透系数为9.69×10^-2 cm/s；C-M组灌注5次胶结液后，砂土渗透系数降到2.35×10^-2 cm/s，MICP生成碳酸钙填充砂土孔隙，从而使得渗透系数降低；而在C-K组中，因胶结液中不含有钙离子，无法生成碳酸钙，但是其砂柱平均渗透系数相较于未处理砂依然下降到2.34×10^-2 cm/s，可见孔隙中存在氢氧化铁时，会降低砂土渗透系数，但是由图 10可知，氢氧化铁在砂土孔隙中是可以流动的，本文记录的C-K组渗透系数只是某一特定状态下的数值，如果孔隙中不继续生成氢氧化铁，而更多的氢氧化铁在砂土中往下流的过程中，渗透系数也是动态变化的；在C-F₂₀组中，胶结液中三氯化铁浓度为20 mmol/L，灌注5次后，砂土渗透系数为2.13×10^-3 cm/s，相较于C-M和C-K组下降了1个数量级。

观察不同三氯化铁浓度下砂柱渗透系数，如图 11（f）所示，在处理5次胶结液的情况下，在0~30 mmol/L三氯化铁浓度范围内，砂土渗透系数随着三氯化铁浓度增加而减小。当三氯化铁浓度为30 mmol/L时，砂柱平均渗透系数为9.10×10^-4 cm/s，相较于未处理砂降低了两个数量级。

4.   分析与讨论

在低pH环境下，细菌脲酶活性被抑制，可以将细菌和胶结液一同灌入^[13]，pH随着细菌分解尿素而升高，这一过程中碳酸钙缓慢生长，从而达到在砂土中均匀分布的效果，进而提高砂土的无侧限抗压强度。在本文试验中，$\mathsf{F{e^{3 + }}}$降低了溶液的pH，延缓碳酸钙的生成，一定程度使胶结液分布均匀。细菌分解尿素产生氨水呈碱性（式（1）），$\mathsf{F{e^{3 + }}}$在氨水中与$\mathsf{O{H^ - }}$离子反应，生成氢氧化铁沉淀（式（7）），导致无法快速灌入。氢氧化铁能吸附在砂颗粒表面，其微观如图 12所示，C-K组中，通过电镜可以观察到砂颗粒表面有氢氧化铁生成。EDS能谱分析可知，未处理砂中含有少量$\mathsf{Fe}$元素，而C-K中因氢氧化铁吸附在砂颗粒表面，$\mathsf{Fe}$元素相较于未处理砂增多。但是氢氧化铁无法在砂土孔隙中存在，会随着灌浆过程冲刷而被带出，所以氢氧化铁可以一定程度减少砂土渗透性，但是无法有效胶结土颗粒。

图  12  砂颗粒SEM图

Figure  12.  SEM images of sand particles

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不同于溶液试验，砂柱孔隙中细菌浓度较低，碳酸钙更容易在形态上发生变化。C-M组中，碳酸钙颗粒在砂颗粒表面生成，当生成一定量碳酸钙时，在砂颗粒之间形成“有效黏结”，这是MICP加固砂土的基本原理。当胶结液中含有三氯化铁时，除了颗粒状碳酸钙生成，同样观察到片状沉淀生成，如图 13（b），（c）所示，且随着三氯化铁浓度增加，碳酸钙颗粒状越少，而片状越多且越明显，这与溶液试验中碳酸钙生成形态规律一致。

图  13  砂柱内部SEM图

Figure  13.  SEM images of interior of sand column

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但是砂柱试验中片状碳酸钙和溶液中有所不同，在砂土内部，片状碳酸钙紧密排列，在砂颗粒表面形成覆膜作用和在砂颗粒之间形成桥接作用，图 14为C-F₂₀组EDS图像，因石英砂自身就含有少量Fe元素，故EDS中砂颗粒也扫面出$\mathsf{Fe}$，而在MICP碳酸钙中也检测出了$\mathsf{Fe}$元素，说明三氯化铁参与MICP反应，改变碳酸钙形态，并生成$\mathsf{Fe{(OH)_3}}$―$\mathsf{CaC{O_3}}$共沉淀。

图  14  C-F₂₀组EDS图像

Figure  14.  EDS image of group C-F₂₀

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$\mathsf{F{e^{3 + }}}$的引入改变了传统MICP胶结砂土的方式，可以在砂颗粒间形成胶结面，能使砂柱快速形成强度，碳酸钙沿着胶结面继续生成，强度不断增长，碳酸钙分布模式的改变使得起“有效胶结”作用的碳酸钙占比增多，实现了较少碳酸钙含量下也能得到较高强度砂柱，从而提高MICP加固效率，减少处理次数。但是随着三氯化铁浓度增加，砂柱无侧限抗压强度开始减少，可见只有当颗粒状碳酸钙和能够形成胶结面的片状碳酸钙同时存在时，砂柱才能达到最佳加固效果。但是砂柱渗透系数随着铁离子浓度增加不断减少，因为三氯化铁浓度越大，形成的片状碳酸钙越多，就会更多形成图 14中的胶结面，能有效封堵孔隙体积，从而降低渗透系数。

本文就三氯化铁对砂土微生物矿化的强化作用做了初步研究，但是铁离子絮凝本身就是一个复杂的过程，依然存在许多值得研究的问题。铁离子影响MICP碳酸钙大小和形态的机理；三氯化铁对细菌产生的影响；无机絮凝剂絮凝过程与MICP反应之间相互产生影响等问题依然存在丰富且未经探索的研究。

5.   结论

（1）溶液试验中，三氯化铁能增加MICP碳酸钙生成量，并能够改变碳酸钙晶体的大小和形态。但是在砂柱试验中，当三氯化铁浓度过高或者处理次数过多时，会减少碳酸钙的生成量。

（2）三氯化铁加入胶结液中进行灌注试验，灌注1次胶结液砂柱就能形成整体且具有强度，在灌注5次情况下，砂柱无侧限抗压强度最高可达1617.9 kPa，是常规MICP试验组的10.4倍。

（3）三氯化铁参与MICP反应，生成$\mathsf{Fe{(OH)_3}}$― $\mathsf{CaC{O_3}}$共沉淀，加速减小砂柱的渗透系数，在处理5次胶结液的情况下，渗透系数较未处理砂下降两个数量级。

（4）三氯化铁对砂土微生物矿化的强化作用机理是改变了MICP碳酸钙在砂土中分布模式，在砂颗粒间形成了胶结面，从而大幅增加了砂土强度，降低渗透系数。