Strength of biocemented coarse sand with kaolin micro-particle improved nucleation
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摘要: 提出一种基于微粒固载成核的微生物固化技术（MICPMPIN）,用于改善微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）固化粗砂的力学特性,即在灌浆前给菌液中加入一定量的高岭土形成微生物固载胶体,然后将微生物固载胶体与反应液混合形成MICP浆体（MICPCS）,利用自重渗流法加固粗砂。试验结果表明新型MICPMPIN固化粗砂的强度比传统MICP固化粗砂的强度高。其他条件相同时,MICPMPIN固化粗砂的强度随高岭土掺量的增加而增加,随微生物固载胶体含量的增大而增加,且每间隔1次灌入MICPCS时固化粗砂的强度较高。高岭土本身提供的胶结强度不能使砂柱成型,可忽略不计,其作用主要是辅助成核,增加有效碳酸钙沉淀量,并减小试样孔隙比从而增强固化粗砂的效果。MICPMPIN固化粗砂的湿强度也大于传统MICP固化粗砂的湿强度,且高岭土的掺入显著增强了固化粗砂的抗软化能力。Abstract: A new treatment, microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) with micro-particle improved nucleation (MICPMPIN), is introduced to improve the performance of MICP technology for the stabilization of coarse sand. A certain amount of kaolin is augmented into the bacterial suspensions to obtain immobilized bacterial slurry, then the bacterial slurry is mixed with cementation solution to form MICP-clay slurry (MICPCS) and percolated through the coarse-sand specimens under gravity. The results show that the unconfined compressive strength (UCS) of MICPMPIN-treated specimens is higher than that of MICP-treated ones. When other conditions are the same, the UCS increases with the increasing dosage of kaolin and volume ratio of immobilized bacterial slurry. The specimens with higher UCS can be obtained by grouting MICPCS every two cycles. The cementation of pure kaolin is so small that the stabilized specimen cannot be a solid. The main contribution for the higher UCS of kaolin is the nucleation that is formed by kaolin, the increment in the amount of effective precipitates, and the decrement in the amount of pore. The wet UCS of the MICPMPIN-treated specimens is larger than that of the conventional MICP treated ones, and the softening resistance is also improved by adding kaolin into the MICP process.
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Keywords:
- MICP /
- coarse sand /
- kaolin /
- MICP-clay slurry /
- micro-particle improved nucleation
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0. 引言
微生物岩土技术是一种新型土体固化技术,它利用微生物诱导矿化作用在砂孔隙中沉淀无机矿物以胶结砂颗粒[1]。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）反应是目前研究最广泛的一种微生物岩土技术,其中尿素水解反应是最常用的一种反应过程[2-3]。该反应利用微生物分泌的脲酶,促进尿素水解生成铵根和碳酸根,改变孔隙溶液的pH值,在钙离子存在的条件下生成碳酸钙。碳酸钙沉淀在砂颗粒表面或颗粒接触点处,填充颗粒间孔隙并胶结砂颗粒,从而起到防渗和加固的作用[4-5]。
近年来,中国学者针对MICP固化砂土的静力学特性[6-8]、动力学特性[9-10]及渗透特性[11-12]等开展了大量试验研究,并将MICP技术分别用于裂隙岩体修复[13],风蚀防护[14]及尾矿处理[15]等。越来越多的学者将MICP技术用于细粒土加固,包括三合土[16]、残积土[17]、有机质黏土[18]及泥炭土[19]等。
砂颗粒粒径是决定MICP加固效果的一个重要因素。首先,颗粒粒径会影响砂土内部孔喉大小,从而影响细菌在孔隙间的迁移[2]。巴氏生孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii,CGMCC 1.3687）的尺寸一般为0.5～3.0 μm,为了使细菌能够在孔隙间迁移,理论上砂土的特征粒径D10必须大于细菌尺寸的5倍,否则在加固过程中容易出现堵塞问题[2, 20]。其次,在相同的加固程度下,颗粒粒径会影响MICP固化砂土的无侧限抗压强度[21-25],Rebata-landa的研究结果表明MICP可以有效胶结颗粒粒径为10～1000 μm的细、中砂,但是对粗砂加固效果较差[26-27]。现有研究主要集中于中细砂的MICP固化,并且向细粒土方向延伸,但是在实际地基中砂土分布是不均匀的,部分区域可能会遇到粗砂、砾石地基[28],此外粗砂、砾石等粗粒料在路基、土石坝等岩土工程建设中广泛存在,而针对粗粒料的微生物固化报导较少[28-33]。粗砂由于孔隙较大,颗粒间接触配位数少,要达到与中、细砂相当的固化强度需要进行多次灌浆处理,导致微生物加固粗砂成本增加,不利于MICP技术的推广应用。
添加辅助材料,通常被用于提高加固效率,改善加固效果并降低成本,例如Cheng等[34]提出用MICP反应预生成的碳酸钙颗粒与砂混合后再灌入反应液加固砂；Dhami等[35]提出首先混合粉煤灰和细菌,再将混合物与砂进一步混合,然后喷洒反应液加固的方法；Zhao等[36]提出用活性炭辅助加固砂,首先混合活性炭和砂,然后用MICP灌浆加固；谢约翰等[37]、郑俊杰等[38]和Xiao等[39]提出在砂中混合纤维来改善砂土加固后的强度及刚度。尽管上述方法提出了多种添加剂,但是这些研究均将添加剂与砂混合,然后灌入MICP反应液。然而在实际工程中,尤其是已有建筑物地基、大坝、路基等防渗加固工程中只能用灌浆法对地基进行处理,利用混合法向土体中添加辅助材料很难实现。基于上述原因,Pan等[28]提出MICP加固粗砂时向反应液中添加MICP反应预生成的碳酸钙颗粒,试验结果表明该方法可以快速降低粗砂的渗透系数,但是加固后的强度改善较小,成本较高。为降低加固成本,本文提出通过在不影响注浆溶液黏性、密度等物理化学指标的条件下,加入细粒黏土材料固载微生物来改善MICP加固粗砂的效果。
高岭土在中国分布较广,物理化学性质稳定,无污染,且价格低廉,是一种理想的天然材料。因此本文提出用高岭土作为添加剂固载微生物形成微生物固载胶体,并与反应液混合形成浆体（MICPCS）的新型加固方法（MICPMPIN）,将其用于粗砂的微生物加固。通过一系列无侧限抗压强度试验研究高岭土掺量,微生物固载胶体含量,灌入MICPCS的间隔次数对粗砂固化效果的影响；并讨论了高岭土沉淀量、细菌浓度、高岭土的胶结作用及浸水饱和对固化粗砂无侧限抗压强度的影响。
1. MICPMPIN加固方法
1.1 试验材料
本文使用的石英砂从福建标准砂中筛得,粒径为1～2 mm,石英砂相对质量密度为2.65,最大孔隙比和最小孔隙比分别为0.83和0.54。高岭土主要成分为SiO2（53%）、Al2O3（45%）、Fe2O3（0.3%）、TiO2（0.6%）、CaO（0.07%）、MgO（0.06）、K2O（0.05%）等,平均粒径为5 μm,相对质量密度为2.57,白度为（94±0.5）%,吸油量为40%～45%,溶于水后pH值为7。高岭土使用前在105℃烘干24 h,然后密封保存。高岭土和石英砂的电镜图片分别在图1（a）,（b）中给出。
1.2 微生物
本文采用巴氏生孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii,菌株编号CGMCC 1.3687）开展MICP加固试验。培养基配方为：酵母提取物（20 g/L）,NH4Cl (10 g/L),MnSO4•H2O (12 mg/L),NiCl2•6H2O (24 mg/L),培养基的pH用1 mol/L的NaOH调节至9.0左右。培养基在高压灭菌锅中灭菌30 min,灭菌温度为121 ℃。待培养基冷却后在超净工作台中接种,然后在恒温振荡培养箱中培养24 h（转速200 rpm,温度30℃）。将培养好的细菌在4000 r条件下离心20 min,去除上清液,然后用等体积0.85%的NaCl溶液稀释沉淀物,稀释后的菌液在4℃条件下储存。
细菌活性用电导率法测量,单位时间内电导率读数差值越大,表明细菌活性越好[40]。具体测试方法为：向18 mL 1.1 mol/L尿素溶液中加入2 mL菌液,分别测试1,6,11 min及16 min时的读数,并用线性拟合得到的斜率来表征细菌活性[41]。
1.3 试样制备
制样模具由两个半圆柱形有机玻璃模具对拼得到,模具用喉箍固定。模具内径为39.1 mm,高度120 mm。为了防止漏水及方便取样,制样前在模具内部放一层硬塑料胶片,并在模具底端放置厚15 mm左右的透水石（图2（a））。
本试验所用试样高度为78.2 mm,体积为93.85 cm3,干密度为1.63 g/cm3,孔隙率为0.38,孔隙体积为36.12 mL。为保证试样沿高度方向的均匀性,参考Xiao等[42]的装样方法,分3层装样。装样结束后,取出底部透水石,并在试样两端各放一层百洁布,然后用橡胶塞封堵试样底部,试样顶部预留一部分空间,用于缓存浆液（图2（b））。
1.4 微生物固载胶体制备
本文选用的高岭土质量浓度分别为10,20,40,100 g/L,以未加入高岭土的菌液作为参照组（0 g/L）。微生物固载胶体的制备如下：根据菌液用量取一定体积的菌液加入锥形瓶中,然后称量相应质量的干燥高岭土加入锥形瓶中,以1200 r/min的转速磁力搅拌20 min。
1.5 MICPMPIN方法
本文采用自重渗流法注浆加固粗砂试样。上述微生物固载胶体在电磁振荡结束后立即与反应液按一定比例混合制备MICPCS。为防止MICPCS中高岭土沉淀及碳酸钙沉淀反应发生,将MICPCS立即倒入模具顶部空余部位,浆液依靠自重渗流快速穿过砂柱,当液面与百洁布顶面持平时,立即关闭止水夹,并静置24 h。这种新型加固方法称为微粒固载成核微生物固化技术（MICPMPIN）。重复上述步骤,所有试样的总加固次数为8次。
每次注入MICPCS总体积为50 mL（约1.4倍孔隙体积）,为研究微生物固载胶体含量（MICPCS中微生物固载胶体与MICPCS总体积的比值）对加固效果的影响,分别设计了3种微生物固载胶体含量,具体参数见表1。其中,反应液由等浓度的CaCl2和尿素组成。为了使MICPCS中CaCl2和尿素的最终浓度（即MICP浆体浓度）为1 mol/L,针对不同的微生物固载胶体含量设计了3种不同的反应液浓度。
表 1 MICPCS参数Table 1. Parameters of MICP-clay slurry微生物固载胶体含量 微生物固载胶体体积/mL 反应液体积/mL 反应液浓度/(mol·L-1) MICP浆体浓度/(mol·L-1) 1/2 25.0 25.0 2.00 1.00 1/4 12.5 37.5 1.34 1.00 1/10 5.0 45.0 1.11 1.00 为了进一步优化MICPMPIN技术施工工艺,针对每个微生物固载胶体含量,本试验设计了3种不同的注入间隔次数,具体试验设计如表2所示。
表 2 MICPMPIN加固粗砂试验设计Table 2. Test design for stabilizing coarse sand by MICPMPIN间隔次数 高岭土质量浓度/(g·L-1) 0 10 20 40 100 0 √ √ √ — — 1 √ √ √ √ √ 3 √ — √ — √ 间隔次数表示两次注入MICPCS之间注入传统MICP的次数,微生物含量均与同组MICPCS相同。由于间隔0次时,质量浓度为40,100 g/L的高岭土会导致砂柱快速封堵,因此未测试相应试样的强度。此外间隔3次时,仅开展质量浓度20,100 g/L高岭土的试验。
1.6 无侧限抗压强度测试
加固8次后,用大量自来水冲洗试样,直至试样底部流出液澄清、无杂质,然后试样在65℃下烘干直至试样的质量不再变化,采用位移控制型路强仪检测试样的无侧限抗压强度,试样加载速率为1.0 mm/min。
1.7 碳酸钙及高岭土沉淀量测试
无侧限抗压强度试验结束后,分别在试样顶部,中间及底部取样,每个位置取20 g左右的样品,用过量的1 mol/L HCl溶液溶解碳酸钙。由于高岭土不溶于盐酸,所以酸解前后测得的质量差主要是由于MICP生成的碳酸钙沉淀引起的。为了区分碳酸钙和高岭土,利用慢速定量滤纸过滤碳酸钙溶解后的溶液,具体计算方法在文献[41]中给出。文中给出的碳酸钙沉淀量为顶部、中部及底部碳酸钙含量的平均值。
1.8 微观观测
无侧限抗压强度试验结束后,取胶结块体,用扫描电子显微镜（SEM）观察试样的微观结构,并用能谱（EDS）分析沉淀物的元素组成。
2. 试验结果
2.1 无侧限抗压强度
无侧限抗压强度是评价试样胶结效果最常用的指标,本文固化粗砂的无侧限抗压强度在图3中给出。
在相同加固次数下,MICPMPIN固化试样的无侧限抗压强度均大于传统MICP固化试样的无侧限抗压强度,这说明高岭土的掺入确实能够提高粗砂加固后的无侧限抗压强度。但是MICPCS注入间隔次数、微生物固载胶体中高岭土的浓度及微生物固载胶体含量均对粗砂加固后的无侧限抗压强度有影响。注入间隔次数及微生物固载胶体含量相同时,粗砂加固后的无侧限抗压强度随高岭土掺量的增加而增加。在相同的间隔次数及高岭土掺量条件下,微生物固载胶体含量越低（从1/2到1/10）,MICPMPIN固化粗砂的无侧限抗压强度越小。间隔次数较小或者较大时,固化粗砂的强度均较小,仅当间隔次数为1次时,固化粗砂的强度较大。
2.2 碳酸钙沉淀量
微生物固化砂的主要原理是在砂颗粒间沉淀碳酸钙以胶结砂颗粒,从而使砂具有一定强度。碳酸钙沉淀量结果在图4中给出。图4（a）,（b）和（c）分别代表注入MICPCS的间隔次数为0,1和3。
碳酸钙沉淀效率为
ECa=mCamTCa×100, (1) 式中,
ECa 为碳酸钙沉淀效率（%）,mCa 为碳酸钙沉淀量（g）,mTCa 为试样饱和时孔隙中所有钙离子转化为碳酸钙时的沉淀量（g）,其中孔隙体积按初始体积36.12 mL计算。所有试样的碳酸钙沉淀量都分布在10%～13%；沉淀效率基本在58.5%～69.1%,远小于100%。这与流出液中测得的残余Ca2+浓度差异较大（Ca2+浓度采用EDTA-2Na滴定法测定,详细方法见Ma等[41]）。所有试样流出液中Ca2+都基本完全消耗。缺失的大量CaCO3主要是在溶液排出过程中随溶液一起流出。如图4中插图所示流出液中能观察到大量白色沉淀。这说明在粗砂中,MICP诱导生成的部分碳酸钙沉淀是在孔隙溶液中成核生长的,并且部分碳酸钙簇的粒径小于粗砂中颗粒间孔喉大小。这可能也是导致砂柱中沉淀的碳酸钙差异较大的原因。2.3 高岭土沉淀量
结合图3,4可以看出,尽管部分试样中碳酸钙沉淀量较低,但是其强度较大。这主要是由于高岭土与碳酸钙共同沉积造成的,高岭土沉淀量在图5中给出。
相同的微生物固载胶体含量和间隔次数条件下微生物固载胶体中高岭土浓度越高,砂柱中沉淀的高岭土越多。当其他条件相同时,高岭土沉淀量随间隔次数增加而减小,随微生物固载胶体含量的降低而降低。
2.4 高岭土及碳酸钙沿试样高度分布
高岭土的掺入可能会导致大量黏土颗粒残留在砂柱顶部,导致砂柱顶部快速封堵,使固化砂柱中碳酸钙沉淀及黏土沉淀分布不均匀。沉淀物分布的部分试验结果（间隔1次注入MICPCS、微生物固载胶体含量1/2）在图6中给出。
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图 6 高岭土及碳酸钙沿试样高度分布（间隔1次注入MICPCS,微生物固载胶体含量1/2）Figure 6. Distribution of kaolin and CaCO3 along height of specimens (injecting MICPCS with 1/2 immobilized bacterial slurry every 2 times)图6（a）和（b）分别是高岭土和碳酸钙沉淀沿试样高度的分布情况。除了100 g/L条件下加固的试样外,其他试样均表现出较好的均匀性。在100 g/L条件下,从试样顶部到底部高岭土和碳酸钙沉淀量均依次降低,并且高岭土沉淀量差异更明显,这说明当高岭土掺量较高时,高岭土更容易沉淀在砂柱顶部,导致注浆口封堵。
2.5 微观结构
图7（a）,（c）和（e）给出了微生物固载胶体中高岭土的掺量分别为0,20,100 g/L时（微生物固载胶体含量为1/2,间隔1次注入MICPCS）的SEM结果。图7（b）,（d）和（f）分别是（a）,（c）和（e）的局部放大图。
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图 7 MICPMPIN固化粗砂试样（间隔1次注入MICPCS,微生物固载胶体含量1/2）的微观结构及其物质组成Figure 7. Microstructure and chemical composition of MICPMPIN-treated coarse-sand specimens (injecting MICPCS with 1/2 immobilized bacterial slurry every 2 times)从图中可以看出未添加高岭土时,起胶结作用的沉淀连续性较差（图7（a））,并且未添加高岭土时生成的碳酸钙中存在大量的孔洞（图7（b））,孔洞尺寸与细菌尺寸吻合。当加入高岭土后,沉淀物总量明显增加,起胶结作用的沉淀面积（图7（c）和（e））比未添加高岭土的沉淀面积（图7（a））大且连续性较好,从而改善了固化粗砂的强度。同时,加入高岭土后沉淀物表面（图7（d）和（f））未观察到图7（b）中出现的空洞。并且从图中可以观察到,沉淀物与砂颗粒的分离是固化粗砂破坏的一种方式；至于碳酸钙胶结本身是否发生破坏,需要进一步验证。
利用能谱分析（EDS）检测图7（d）和（f）中的物质组成,结果分别在图7（g）（20 g/L）和图7（h）（100 g/L）中给出。掺入高岭土后,沉淀物中元素主要包含了C,O,Ca,Al和Si元素。由于高岭土主要由铝硅酸盐组成,而砂颗粒成分主要为SiO2,因此Al元素含量可以表征高岭土在沉淀物中的含量。由EDS结果可知高岭土掺入量较大（100 g/L）时,Al元素含量较高,与高岭土沉淀量测试结果一致。
3. MICPMPIN固化效果影响因素分析
3.1 高岭土沉淀量对固化粗砂强度的影响
高岭土沉淀量与粗砂无侧限抗压强度之间的关系在图8中给出,图例中1/2,1/4和1/10分别代表微生物固载胶体含量。高岭土沉淀量较低时（<0.5%）,无侧限抗压强度均较低（<400 kPa）且试样之间的无侧限抗压强度值相差较小,例如图中实线圈内的数据。当高岭土沉淀量大于1.2%时,固化粗砂的无侧限抗压强度均较大。当高岭土沉淀量处于0.5%～1.2%时,固化粗砂的强度变化较大,这主要是与沉淀物分布、细菌浓度等有关。其中沉淀物分布除受高岭土含量影响（如2.4节所述）外,还受MICPCS间隔次数的影响,例如当间隔1次注入MICPCS时,上部残余的高岭土可以被冲刷到试样底部或者流出（如图4中插图所示）,使试样中碳酸钙沉淀分布比较均匀；但是当每次都灌入MICPCS时可能会使高岭土在试样顶部积聚,导致底部加固效果较差,使试样整体强度较低；当间隔次数较大时,沉淀物总量减小,砂颗粒间起桥接作用的沉淀物减小,导致砂样强度较小。
3.2 菌液浓度对固化粗砂强度的影响
图9给出的3组试样中,每一组试样的注入间隔次数和MICPCS中高岭土浓度相同,唯一不同的是MICPCS中细菌的浓度。第1组试样注入的MICPCS中高岭土质量浓度为10 g/L,间隔3次注入（高细菌浓度试样的微生物固载胶体中高岭土质量浓度20 g/L,含量为1/2；低细菌浓度试样的微生物固载胶体中高岭土质量浓度为100 g/L,含量为1/10）。第2组试样注入的MICPCS中高岭土质量浓度为5 g/L,间隔1次注入（高细菌浓度试样的微生物固载胶体中高岭土质量浓度10 g/L,含量为1/2；低细菌浓度试样的微生物固载胶体中高岭土质量浓度20 g/L,含量为1/4）。第3组试样注入的MICPCS中高岭土质量浓度为10 g/L,间隔1次注入（高细菌浓度试样的微生物固载胶体中高岭土质量浓度20 g/L,含量为1/2；低细菌浓度的微生物固载胶体中高岭土质量浓度100 g/L,含量为1/10）。
高细菌浓度的MICPMPIN固化试样的无侧限抗压强度都大于低细菌浓度的MICPMPIN固化试样,这与其他学者的研究结果一致[43-44]。这说明在粗砂加固时,较高的细菌浓度有利于增强加固效果。一方面该结果与沉淀的碳酸钙形貌有关[45-46],另一方面可能是由于粗砂中孔隙较大,颗粒间接触点的表面张力很小,碳酸钙很难沉淀在颗粒间接触点处。但是当菌液浓度较高时,大量碳酸钙在孔隙溶液中成核生长形成较大的团簇[47],在反应废液排出过程中,这些大碳酸钙簇残留在较小的孔喉处,形成优势成核位点,使更多碳酸钙沉淀在砂颗粒接触点间,从而使粗砂加固后的无侧限抗压强度更高。
3.3 高岭土的胶结作用
根据图8结果可以看出高岭土沉淀量较高时,固化粗砂的强度均较高。高岭土本身可以提供一定的黏聚力来胶结砂颗粒,尤其是在较低含水率时,高岭土的黏聚力更大[48]。由于MICPMPIN固化粗砂试样的强度都是在烘干后测得的,因此MICPMPIN固化粗砂的部分强度可能来源于高岭土的黏聚力。
为了研究高岭土对粗砂无侧限抗压强度的贡献,本文仅测试了最大高岭土含量对粗砂无侧限抗压强度的贡献。首先制备100 g/L高岭土浆液,然后混合高岭土浆液与2 mol/L反应液并立即灌入粗砂试样中,加固方法与MICPMPIN加固方法相同；其次本文参考最大高岭土沉淀量（2.4%）,采用分层压实法制备相同高岭土含量的压实试样：在制样前用4%的去离子水增湿粗砂颗粒,待粗砂颗粒与水混合均匀后,给湿砂中加入2.4%的高岭土,搅拌均匀,然后分层制样。上述试样在65℃下烘干48 h后取出。两种方法制备的试样都无法形成有效强度,拆模后试样呈松散状态,如图10所示。
其中,图10（a）是用灌浆法加固的试样,图10（b）是分层压实法制备的试样。可以证明MICPMPIN加固粗砂的强度主要来源于MICP胶结,黏土的作用主要是辅助成核[49],增加有效碳酸钙沉淀量（图7）,并减小试样孔隙比[28]从而增强固化粗砂的效果。
3.4 MICPMPIN固化粗砂的湿强度
为了进一步研究高岭土对固化粗砂试样强度的影响,本文测试了部分试样（微生物固载胶体含量1/2,间隔1次）的湿强度。为测试固化粗砂试样的湿强度,MICPMPIN加固结束后,用大量自来水冲洗试样,然后将冲洗后的试样浸水饱和24 h。测试前取出试样,擦拭表面水珠,然后直接测试样的湿强度,试验结果在图11中给出。
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图 11 浸泡对MICPMPIN固化粗砂强度的影响Figure 11. Effects of immersion on UCS of MICPMPIN-stabilized coarse sandσ=UCSwetUCSdry, (2) 式中,
σ 为固化粗砂试样的软化系数,UCSwet 为湿试样的无侧限抗压强度（kPa）；UCSdry 为干试样的无侧限抗压强度（kPa）。高岭土质量浓度对湿强度的影响与对干强度的影响规律相似,固化粗砂的无侧限抗压强度均随高岭土质量浓度的增加而增加；且所有试样的湿强度均小于干强度,这主要是由于水分的存在使试样内部结构、水与胶结相互作用、裂纹起裂及扩展机制发生变化造成的[50]。试样的软化系数随高岭土质量浓度的增加而增大,这说明黏土的加入可以改善MICP固化粗砂的抗软化性。综上所述,基于微粒固载成核的微生物固化技术可以有效固化粗砂。
4. 结论
本文提出一种基于微粒固载成核的微生物固化技术（MICPMPIN）用于粗砂加固。在原有MICP技术的基础上,给菌液中加入不同掺量的高岭土制备微生物固载胶体,然后与反应液混合形成MICPCS来加固粗砂。通过开展无侧限抗压强度试验分析了微生物固载胶体中高岭土掺量、微生物固载胶体含量及MICPCS注入间隔次数对固化粗砂强度的影响,得到以下5点结论。
（1）高岭土的掺入可以改善微生物固化粗砂的强度,且改善程度与微生物固载胶体中高岭土的掺量、微生物固载胶体含量及微生物固载胶体注入间隔次数有关。在其他条件下相同时,固化粗砂的强度随高岭土质量浓度的增加而增加,随微生物固载胶体含量的增大而增大,并且间隔1次注入MICPCS时固化粗砂的强度较高。
（2）当微生物固载胶体含量为1/2且间隔1次注入MICPCS时,微生物固载胶体中掺入的高岭土质量浓度较低时（0～40 g/L）,碳酸钙和高岭土沉淀沿试样高度方向的分布比较均匀；当微生物固载胶体中掺入的高岭土质量浓度较高时（100 g/L）,碳酸钙与高岭土在注入口处（试样顶部）的沉淀量较高。
（3）高岭土作为黏土胶结提供的强度有限,砂柱难以成型。黏土的作用主要是辅助成核,增加有效碳酸钙沉淀量,并减小试样孔隙比从而增强固化粗砂的效果。
（4）细菌浓度对微生物固化粗砂的强度有较大的影响,细菌浓度较高时,固化粗砂的强度也较大。
（5）高岭土的掺入不仅可以改善固化粗砂的干强度,还可以改善固化粗砂的湿强度,并能提高固化粗砂的软化系数。
本文为微生物改性加固研究提供了新的思路,希望本研究可以对微生物加固技术的发展起到一定的推动作用。
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图 6 高岭土及碳酸钙沿试样高度分布（间隔1次注入MICPCS,微生物固载胶体含量1/2）
Figure 6. Distribution of kaolin and CaCO3 along height of specimens (injecting MICPCS with 1/2 immobilized bacterial slurry every 2 times)
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图 7 MICPMPIN固化粗砂试样（间隔1次注入MICPCS,微生物固载胶体含量1/2）的微观结构及其物质组成
Figure 7. Microstructure and chemical composition of MICPMPIN-treated coarse-sand specimens (injecting MICPCS with 1/2 immobilized bacterial slurry every 2 times)
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图 11 浸泡对MICPMPIN固化粗砂强度的影响
Figure 11. Effects of immersion on UCS of MICPMPIN-stabilized coarse sand
表 1 MICPCS参数
Table 1 Parameters of MICP-clay slurry
微生物固载胶体含量 微生物固载胶体体积/mL 反应液体积/mL 反应液浓度/(mol·L-1) MICP浆体浓度/(mol·L-1) 1/2 25.0 25.0 2.00 1.00 1/4 12.5 37.5 1.34 1.00 1/10 5.0 45.0 1.11 1.00 
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表 2 MICPMPIN加固粗砂试验设计
Table 2 Test design for stabilizing coarse sand by MICPMPIN
间隔次数 高岭土质量浓度/(g·L-1) 0 10 20 40 100 0 √ √ √ — — 1 √ √ √ √ √ 3 √ — √ — √
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