Visualization investigation of bio-cementation process based on microfluidics
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摘要: 微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）能够加固散粒土体,是岩土工程中新兴绿色加固技术之一。然而,关于微生物加固机理以及矿化形成过程的研究尚不多见。基于微流控芯片技术开发了微生物加固可视化系统,利用该系统开展了微生物诱导碳酸钙矿化机理的原位微细观研究,通过对微生物加固过程中碳酸钙晶体的沉积进行了观测,并对其时空分布、沉积模式、生长速率进行了量化。结果表明溶质分子的对流和扩散作用对碳酸钙晶体分布影响较大,碳酸钙的分布存在时间不均匀和空间不均匀现象,时间不均匀随反应进行呈现弱化现象而空间不均匀在整个反应过程（0～2200 min）中一直存在。研究发现微尺寸管道中碳酸钙存在孔隙中和颗粒间两种沉积模式,孔隙中的碳酸钙均匀长大,而颗粒间碳酸钙存在不同速率的生长轴。研究结果将加深对微生物加固机理的认识,为微生物加固技术的优化和推广应用提供参考。Abstract: Biomineralization possesses the capability to bind granular materials, which can be used in the applications of geotechnical engineering as an emerging green ground improvement technology. However, little information is available on the mechanics of biomineralization, especially on the process of biocementation. An optical platform is proposed to visualize the process of biomineralization based on microfluidics. A series of micro-scale investigations related to this process are performed to capture the spatial distribution of calcium carbonate crystals, precipitation patterns and quantitative crystal growth rate. The results show that the convection and diffusion of solvent have significant impacts on the distribution of calcium carbonate, which demonstrates a nonuniform spatiotemporal distribution. The extent of uneven distribution in time scale is reduced as the reaction goes on. However, the phenomenon of uneven distribution in spatial scale is maintained during the whole reaction period (0~2200 min). Two precipitation patterns in biocementation are found in this study, i.e., precipitation at pore and precipitation at sand contacts. The precipitation at pore shows no growth axis, while the precipitation at sand contacts shows growth axis with different growth rates. These investigations may provide new insights into the mechanisms of microbial induced carbonate precipitation and are beneficial for the optimized design of up-scale application.
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Keywords:
- biomineralization /
- microfluidics /
- visualization /
- crystallization /
- MICP
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0. 引言
中国是世界上膨胀土分布最广，面积最大的国家之一，在多个省区均有分布。膨胀土具有强亲水性、强膨胀性、收缩性与裂隙性、快速崩解性与弱抗风化性的特点，常常具有多次反复性和长期潜在危险性，极难防治，不仅施工困难，也严重影响工程进度和造价[1-2]。
为保证地基稳定与强度，减轻工程损失，膨胀土改性研究引起了越来越多的注意[3-5]。置换法能根治膨胀性，但对大面积膨胀土地区不适用；强夯法能降低地基土体压缩性，胀缩性没有从根本上消除，仅适用于弱膨胀土；化学改性造价较高，还会造成二次污染。因此，针对膨胀土特点，研究能有效降低胀缩特性的新型改良材料是类似工程中亟待解决的关键技术问题之一，在当前经济快速发展形势下具有重要的现实意义。
已有研究表明，微生物具有繁殖迅速、代谢灵活性大特点，是地球表层最强大的地质营力之一，对岩土的力学及工程性质产生了重要影响[6]。本文在借鉴常规膨胀土改良的基础上，基于微生物技术，探索环保高效的新型膨胀土复合改良技术[7-10]，分析微生物复合改良对膨胀土工程特性的影响，为膨胀土的微生物治理与工程应用积累研究经验。
1. 材料选择
1.1 膨胀土
试验所用膨胀土取自广西省宁明县国道G322线K2301+750—K2301+950段膨胀土滑坡体，取样深度为2 m，属于弱膨胀土。液限为47%，塑限为26%，塑性指数为21.0，相对质量密度2.62，天然重度为18.8 kN/m3。
1.2 菌液
巴氏芽孢杆菌菌液初始OD600为1.82，脲酶活性0.78mS/cm/min。
1.3 营养盐
营养盐为CaCl2·2H2O（分子量147.01）和CH4N2O（分子量60.06），中国国药集团化学试剂有限公司生产，营养盐浓度为1.50 mol/L。
2. 方案设计
微生物复合改良试验设计中主要从经济合理和工程效果角度出发，依据文献经验以及传统改良方法，分别考虑单掺、双掺、三掺及四掺组合，共分为6组，见表 1。
表 1 复合改良处理对膨胀土固化强度影响试验设计Table 1. Experimental design for the effect of composite improvement treatment on the solidification strength of expansive soil试验
组别含水率或掺比 试验编号 A 水+膨胀土、含水率10% A10 水+膨胀土、含水率15% A15 水+膨胀土、含水率20% A20 水+膨胀土、含水率25% A25 B 菌液+膨胀土、含水率10% B10 菌液+膨胀土、含水率15% B15 菌液+膨胀土、含水率20% B20 菌液+膨胀土、含水率25% B25 C 菌液20%、粉煤灰掺比3% C3 菌液20%、粉煤灰掺比6% C6 菌液20%、粉煤灰掺比9% C9 D 菌液20%、石灰掺比3% D3 菌液20%、石灰掺比6% D6 菌液20%、石灰掺比9% D9 E 菌液20%、石灰1%、粉煤灰2% E3 菌液20%、石灰2%、粉煤灰4% E6 菌液20%、石灰3%、粉煤灰6% E9 F 菌液20%、粉煤灰1%、石灰1%、水泥1% F3 菌液20%、粉煤灰2%、石灰2%、水泥2% F6 3. 试样制备
试验主要依据《水泥土配合比设计规程：JGJ/T233—2011》、《土工试验方法标准：GBT 50123—2019》、《膨胀土地区建筑技术规范：GB 50112—2013》进行。
采用一次性拌和法进行试样制备按1.30 g/cm3的干密度将土样制成2 cm高的环刀试样，养护温度为20.2℃，湿度为65.3%RH。
4. 试验方法
强度试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型电动数采应变控制四联直剪仪，剪切速率为0.8 mm/min，法向压力分别为100，200，300，400 kPa。自由膨胀率试验采用自由膨胀率测定仪进行测试。
5. 结果分析
依据上述试验设计，对养护1 d的6组试样进行试验，探讨微生物技术复合改良后膨胀土的工程特性。
5.1 水+膨胀土
为对比MICP试验组治理的强度影响，试验中先对含水率分别为10%，15%，20%，25%（相应组别为A10，A15，A20，A25）仅加水拌和的膨胀土试样进行剪切试验。
表 2 水+膨胀土不同含水率抗剪强度指标Table 2. Shear strength indicators of water + expansive soil with different moisture contents组别 c/kPa φ/(°) A10 12.96 29.9 A15 46.87 29.5 A20 55.04 23.4 A25 59.34 21.0 从表 2中A组单掺水拌和的膨胀土样在养护龄期为1d的情况下，A10内摩擦角为29.9°，A15为29.5°，A20为23.4°，A25为21°，相应的黏聚力分别为12.96，46.87，55.04，59.34 kPa。可以看出，随着含水率的增加，内摩擦角依次降低，黏聚力相应增加。
5.2 菌液+膨胀土
与A组类似，添加微生物菌液后制备的试样对应含水率依次为10%，15%，20%，25%，相应组别为B10，B15，B20，B25。
从表 3可以看出，养护1 d后，B组单掺菌液的膨胀土样，B10内摩擦角为31.2°，B15为32.4°，B20为28.9°，B25为17.5°，同比增加4.35%，9.83%，23.50%，16.67%，微生物改性效果良好。对比可以看出，含菌量20%情况下本次试验强度最高，因此，文中基于微生物技术的膨胀土复合改良试验中，尽管改良剂种类不同，均采用了含菌量20%来对比改良效果。
表 3 菌液+膨胀土不同含水率抗剪强度指标Table 3. Shear strength indicators of bacterial solution + expansive soil with different moisture contents组别 c/kPa φ/(°) B10 8.44 31.2 B15 5.33 32.4 B20 39.37 28.9 B25 47.87 17.5 5.3 菌液、粉煤灰+膨胀土
表 4可以看出，养护1 d、含菌量20%情况下，C组中粉煤灰掺比3%，6%和9%的内摩擦角依次为24.2°，29.7°，25.3°，相应黏聚力分别为35.44，12.96，23.2 kPa。
表 4 菌液、粉煤灰+膨胀土抗剪强度指标Table 4. Shear strength indicators of bacterial solution, fly ash + expansive soil组别 c/kPa φ/(°) C3 35.44 24.2 C6 12.96 29.7 C9 23.2 25.3 6%粉煤灰掺比情况下比相同含菌量未掺粉煤灰的B20试样内摩擦角提高了0.8°，增幅为2.76%，表明采用菌液与单掺粉煤灰组合进行复合改良膨胀土后强度未能明显提高。
C组膨胀土改良前后自由膨胀率降幅对比见图 1，其中，菌液20%+粉煤灰3%改良膨胀土的自由膨胀率为48%，降幅为5.88%；菌液20%+粉煤灰6%改良膨胀土的自由膨胀率为40%，降幅为21.57%；菌液20%+粉煤灰9%改良膨胀土的自由膨胀率为31.37%，降幅为35%。可以看出菌液+粉煤灰改良膨胀土的相对降幅随掺比的增大而增大，6%和9%两种掺比自由膨胀率均低于弱膨胀土标准，改良效果良好。
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图 1 菌液、粉煤灰+膨胀土改良前后自由膨胀率降幅对比Figure 1. Comparison of the decrease in free expansion rate before and after improvement with bacterial solution, fly ash, and expansive soil5.4 菌液、石灰+膨胀土
从表 5可以看出，养护1 d、含菌量20%、石灰掺比3%，6%，9%情况下，D组试样内摩擦角依次为29.4°，32.5°，26.1°，比C组相同掺比测得的24.2°，29.7°，25.3°提高了5.2°，2.8°，0.7°，相应黏聚力分别为6.02，26.66，34.54 kPa。
表 5 菌液、石灰+膨胀土抗剪强度指标Table 5. Shear strength indicators of bacterial solution, lime + expansive soil组别 c/kPa φ/(°) D3 6.02 29.4 D6 26.66 32.5 D9 34.53 26.1 其中6%石灰掺比情况下比相同含菌量未掺石灰的B20试样内摩擦角提高了3.6°，增幅为12.46%。
这里，由于石灰作为土料改良剂强度发展速度比较慢，试验中为统一比较固化效果，养护龄期统一设为1 d，测得强度是相对偏低的。
D组膨胀土改良前后自由膨胀率降幅对比见图 2，菌液20%+石灰3%改良膨胀土的自由膨胀率为42%，降幅为17.65%；菌液20%+石灰6%改良膨胀土的自由膨胀率为29%，降幅为45.10%；菌液20%+石灰9%改良膨胀土的自由膨胀率为9%，降幅为82.35%。菌液+石灰改良膨胀土的相对降幅随掺比的增大而增大，自由膨胀率降低幅度明显大于粉煤灰组，相对降幅达到82.35%，与C组类似，6%和9%两种掺比自由膨胀率也均低于弱膨胀土标准，改良效果良好。
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图 2 菌液、石灰+膨胀土改良前后自由膨胀率降幅对比Figure 2. Comparison of the decrease in free expansion rate before and after improvement with bacterial solution, lime, and expansive soil5.5 菌液、粉煤灰、石灰+膨胀土
制样中将粉煤灰作为辅料，石灰作为主料，两者比例为1∶2，即石灰1%+粉煤灰2%、石灰2%+粉煤灰4%，及石灰3%+粉煤灰6%。
从表 6可以看出，含菌量20%、粉煤灰+石灰掺比分别是3%，6%，9%情况下，E组试样内摩擦角依次为34.9°，27.2°，28.2°，其中石灰掺比为1%粉煤灰为2%情况下得到的内摩擦角最大，依次比C、D组强度最高的组合测得的29.7°，32.5°提高了5.2°和2.4°，相应黏聚力分别为18.93，19.38，21.49 kPa，表明采用菌液、粉煤灰、石灰组合进行复合改良膨胀土，石灰掺比为1%粉煤灰为2%低掺比组合对强度提高更为有利。
表 6 菌液、粉煤灰、石灰+膨胀土抗剪强度指标Table 6. Shear strength indicators of bacterial solution, fly ash + expansive soil组别 c/kPa φ/(°) E3 18.93 34.9 E6 19.38 27.2 E9 21.49 21.49 菌液、粉煤灰、石灰+膨胀土组膨胀土改良前后自由膨胀率降幅对比见图 3，菌液20%+石灰1%+粉煤灰2%改良膨胀土的自由膨胀率为29%，降幅为39.22%；菌液20%+石灰2%+粉煤灰4%改良膨胀土的自由膨胀率为31%，降幅为43.14%；菌液20%+石灰3%+粉煤灰6%改良膨胀土的自由膨胀率为8%，降幅为84.31%。自由膨胀率降低幅度明显大于粉煤灰组，相对降幅达到84.31%，E组中，3%，6%，9%两种掺比自由膨胀率均下降至40%以下，最低达到8%。
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图 3 E组改良前后自由膨胀率降幅对比Figure 3. Comparison of the decrease in free expansion rate before and after improvement in Group E5.6 菌液、粉煤灰、石灰、水泥+膨胀土
从表 7中可以看出，养护1 d、含菌量20%、粉煤灰+石灰+水泥掺比分别是3%，6%，9%情况下，F组试样内摩擦角依次为20.81°，30.6°，26.9°，其中石灰掺比为2%、粉煤灰为2%水泥掺比为2%的试验组合测得的内摩擦角最大，相应黏聚力分别为20.81，28.97，31.93 kPa，表明采用菌液、粉煤灰、石灰、水泥组合进行复合改良膨胀土，石灰掺比为2%、粉煤灰为2%、水泥掺比为2%情况下对强度提高更为有利。
表 7 菌液、粉煤灰、石灰、水泥+膨胀土抗剪强度指标Table 7. Shear strength indicators of bacterial solution, fly ash + expansive soil组别 c/kPa φ/(°) F3 20.81 24.3 F6 28.97 30.6 F9 31.93 26.9 图 4中菌液20%+粉煤灰1%+石灰1%+水泥1%改良膨胀土的自由膨胀率为25%，降幅为50.98%；菌液20%+粉煤灰2%+石灰2%+水泥2%改良膨胀土的自由膨胀率为23%，降幅为54.90%；菌液20%+粉煤灰3%+石灰3%+水泥25%改良膨胀土的自由膨胀率为21%，降幅为58.82%。3%，6%和9%两种掺比自由膨胀率也均低于弱膨胀土标准，均下降至40%以下，最低21%。
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图 4 F组改良前后自由膨胀率降幅对比Figure 4. Comparison of the decrease in free expansion rate before and after improvement in Group F6. 复合改良膨胀土效果机制分析
实测微生物处理前后膨胀土伊蒙混层相对含量从未处理前的61%降低到处理后的34%~51%，最大降幅44%，为B组（菌液+膨胀土）试样；伊利石相对含量则从未处理前的12%增大到处理后的19%~22%，分别是D组（菌液、石灰+膨胀土）和F组（菌液、粉煤灰、石灰、水泥+膨胀土），具体见图 5。
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图 5 膨胀土改良前后各组伊蒙混层相对含量对比Figure 5. Comparison of relative content of each group of Yimeng mixed layer before and after improvement of expansive soil微生物处理后膨胀土伊蒙混层比为20%，比未进行微生物处理的膨胀土中的伊蒙混层比30%绝对值降低了10%，降幅为33%，易吸水膨胀的蒙脱石相对含量降低，无膨胀性的伊利石含量上升，使得亲水性降低和吸水能力减弱，抑制了膨胀土的整体膨胀性。
7. 结论
（1）微生物复合改良膨胀土成功的将弱膨胀土变为无膨胀土，自由膨胀率最低降低至8%，降幅达84.31%。
（2）经复合处理试样中的蒙脱石相对含量降低、伊利石相对含量上升是抑制胀缩特性的一个重要原因。
（3）膨胀土中单掺菌液20%情况下，摩擦角同比可增加23%。
（4）菌液、粉煤灰、石灰复合改良膨胀土情况下，石灰掺比1%粉煤灰2%的低掺比组合对提高强度更为有利。
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图 4 微生物矿化胶结砂颗粒时序图
Figure 4. Sequence photographs of cementation of sand particles over course of MICP experiment
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图 5 微管道中碳酸钙晶体随时间分布图
Figure 5. Spatial distribution of bulk crystals during different reaction periods in microchannel
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图 6 管道横截面不同位置处晶体分布图
Figure 6. Spatial distribution of bulk crystals at microchannel cross-section
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