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基于MICP技术的淤泥质土固化试验研究

蔡红, 肖建章, 王子文, 李洁

蔡红, 肖建章, 王子文, 李洁. 基于MICP技术的淤泥质土固化试验研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(S1): 249-253. DOI: 10.11779/CJGE2020S1049
引用本文: 蔡红, 肖建章, 王子文, 李洁. 基于MICP技术的淤泥质土固化试验研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(S1): 249-253. DOI: 10.11779/CJGE2020S1049
CAI Hong, XIAO Jian-zhang, WANG Zi-wen, LI Jie. Experimental study on solidification of soft clay based on MICP[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(S1): 249-253. DOI: 10.11779/CJGE2020S1049
Citation: CAI Hong, XIAO Jian-zhang, WANG Zi-wen, LI Jie. Experimental study on solidification of soft clay based on MICP[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(S1): 249-253. DOI: 10.11779/CJGE2020S1049

基于MICP技术的淤泥质土固化试验研究  English Version

基金项目: 

中国水利科学研究院基本科研业务费项目 GE0145B512016

详细信息
    作者简介:

    蔡红(1968— ),教授级高级工程师,主要从事岩土工程研究工作。E-mail:caihong@iwhr.com

    通讯作者:

    肖建章, E-mail:xiaojz@iwhr.com

  • 中图分类号: TU431

Experimental study on solidification of soft clay based on MICP

  • 摘要: 当前微生物诱导碳酸钙(MICP)固化技术主要用于易于灌注的大孔隙、易连通的砂土,应用于低渗透性淤泥质土还鲜见报道。基于MICP固化砂土的相关研究结果,使用巴氏芽孢杆菌进行淤泥质土固化试验,抗剪强度指标随着龄期增加提升明显,固化过程中淤泥质土含水率也有较大降低,淤泥固化后力学性质明显改善,表明采用MICP技术对淤泥质土进行固化是可行和有效的。为了解巴氏芽孢杆菌对淤泥质土的固化机理,通过矿化分析和电镜技术等技术手段,对比淤泥质土在固化前后矿物成分含量变化,确定巴氏芽孢杆菌在淤泥质土固化过程中与营养盐、淤泥质土中的矿物离子等的化学反应关系,揭示了淤泥质土微生物固化的增强机制和作用机理。
    Abstract: At present, the microbial-induced calcium carbonate (MICP) solidification technology is mainly used in porous sand which is easy to be grouted and connected, but rarely used in low-permeability silt. Based on the results of MICP solidification of sandy soil, using Sporosarcina pasteurii to solidify soft clay, the shear strength index increases obviously with the increase of curing time, the water content decreases greatly during the solidification process and the mechanical properties are improved obviously after solidification, which shows that it is feasible and effective to solidify soft clay by using the MICP technology. In order to understand the solidification mechanism of Sporosarcina pasteurii on the soft clay, the change rules of mineral composition before and after solidification are compared by means of XRD and SEM, and the chemical reaction relationship between Sporosarcina pasteurii and nutrient salts, mineral ions in the soft clay during solidification was determined, and revealed the strengthening mechanism of microbial solidification.
  • 微生物是地球表层最强大的地质营力之一,许多元素的分异、聚集、迁移及成矿都与微生物活动有密切联系,对土力学及工程性质带来影响[1-3]。绝大多数微生物能很快适应新的环境条件,能在快速矿化和析出碳酸钙结晶颗粒,通过与周围土体胶凝可以改变材料强度、刚度与渗透性[4-6]

    当前MICP技术主要用于易于灌注的孔隙大、连通性好的砂土中[7-11],微生物在处理地下室渗漏中通过在背水面墙体形成覆盖于裂缝表面碳酸钙膜取得较好效果[12];基于微生物诱导碳酸钙实现对岩土材料渗透特性的改变,实现防渗和封堵[13-16];经过微生物砂砾土层灌注试验处理后的砂砾层结构稳定,有效提高了地基强度与承载力[17]

    淤泥质土是在静水或非常缓慢流水环境中沉积形成的未固结软弱细粒或极细粒土,在中国分布广泛,具有含水率高、强度低等不良特性,利用晾晒、热处理等方法处理周期长,成本也高;采用水泥、石灰或粉煤灰等处理的效果也不甚理想,水泥固化土干缩系数和温缩系数较大、易开裂,石灰固化土强度增长慢,影响施工进度。由于淤泥质土的低渗透性,采用灌注方法难以实现菌液扩散,MICP技术在淤泥质土固化实践中受到一定限制。

    本文基于淤泥质土的材料特性,采用拌和制样法对淤泥质土进行了MICP固化试验研究,在效果分析基础上探讨了淤泥质土在固化过程中矿化成分的演化规律,揭示了MICP固化淤泥质土机理,为淤泥质土微生物固化处理与应用积累研究经验。

    淤泥质土可分为河相、湖相和海相等沉积类型,图1为16条不同成因淤泥质土颗分曲线,颗粒基本分布在0.001~1 mm,粒径大于0.1 mm颗粒质量小于总质量20%。尽管沉积类型不同,颗分曲线并没有明显分区。试验选用颗分曲线位于上下包线中间的安徽青弋江淤泥质土,物理力学参数见表1

    图  1  国内不同沉积类型典型淤泥质土颗分曲线统计
    Figure  1.  Statistics of gradation curves of typical soft clay in China
    表  1  MICP固化试验淤泥质土物理性质指标
    Table  1.  Physical property indexes of solidified MICP-treated soft clay
    土样名称密度ρ /(g·cm-3)含水率w/%渗透系数k/(cm·s-1)液限 wL /%塑限 wP /%
    青弋江淤泥质土1.8240 1.0×10-632.120.4
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    巴氏芽孢杆菌具有尿素水解机制简单、自由能变化量低、产脲酶能力高的优点,分布广泛,在微生物诱导生成碳酸钙研究中广为采用,反应式如下

    CO(NH2)2+3H2OHCO3-+2NH+4+OH, (1)
    Ca2++HCO3-+OH-CaCO3 (2)

    可以看出,巴氏芽孢杆菌在代谢过程中能消耗被固化材料中水分,考虑淤泥质土高含水率特点,试验采用了巴氏芽孢杆菌。

    (1)菌液制备选用优化培养基,每1.0 L水中添加20.0 g酵母粉,10.0 g硫酸铵,1.0 mL氯化镍,将培养基的pH值调整为9.0,用高压蒸汽灭菌锅在121℃灭菌20 min,接种完成后培养24 h。

    (2)营养液制备营养液为等摩尔浓度钙源和尿素混合溶液,营养液浓度依次为0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 mol/L。

    (3)试样含水率含水率控制在40%。

    (4)试样制备采用性拌和法制备试样,即将淤泥质土晾晒烘干,碾成细粉状,将菌液、营养盐和试验用水配置成所需含水率,均匀拌合10 min后装入剪切盒养护,通过直剪试验测试抗剪强度,并制备未添加任何菌液和营养液、含水率相同的试样来对比固化效果。

    菌液OD600为4.12,脲酶活性为1.62 mS/cm/min,营养液浓度为0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 mol/L,养护龄期为0.5,1,2,3,5和7 d,各组试验测得强度、含水率以及干密度结果如下。

    7 d龄期固化淤泥质土内摩擦角随营养盐浓度提高增加达到最大值后再逐渐降低(图2),试验在营养盐浓度1.5 mol/L时取得固化效果最优,营养盐浓度大于1.5 mol/L时,内摩擦角而逐渐降低,表明营养盐浓度过高对巴氏芽孢杆菌有抑制作用,合理菌液与营养盐配比是影响固化效果因素之一。

    图  2  固化淤泥质土内摩擦角与营养液浓度关系(7 d)
    Figure  2.  Relationship between internal friction angle and nutrient solution concentration (7 d)

    营养盐浓度1.5 mol/L条件下,固化淤泥质土内摩擦角与龄期的关系如图3所示,可以看出固化反应主要发生在试验初期,固化12 h试样的内摩擦角比未固化5°提高到20°,达固化7 d测得28.10°的65%,养护7d后内摩擦角提高幅度为5.52倍,作用明显。

    图  3  固化淤泥质土内摩擦角与龄期关系
    Figure  3.  Relationship between internal friction angle and curing age

    淤泥质土含水率降低主要发生在固化初期(图4),12 h含水率从40%降至33.43%,7 d降至33.29%,绝对降幅6.71%,相对降幅达16.78%。这里,水分变化直接影响着力学强度,采用巴氏芽孢杆菌固化淤泥质土提高强度的同时,也从内部实现水分降低,对淤泥质土有重要的工程意义。

    图  4  固化淤泥质土含水率随龄期变化曲线(7 d)
    Figure  4.  Relationship between water content and curing age (7 d)

    7 d龄期淤泥质土固化试样干密度从1.35 g/cm3增加到1.41 g/cm3,增幅为4.44%,表明微生物诱导碳酸钙胶结物逐渐累积能充填和挤密孔隙,提高淤泥质土固化强度(图5)。

    图  5  固化淤泥质土干密度随龄期变化曲线(7 d)
    Figure  5.  Relationship between dry density and curing age (7 d)

    为揭示淤泥质土中巴氏芽孢杆菌诱导生成碳酸钙反应及固化机理,采用X射线衍射和电镜扫描对矿物成分及结晶情况进行测试分析。

    微生物个体很小,仅1 μm左右,诱导生成碳酸钙粒径基本也在微米级别,为了解固化矿物成分改变,采用XRD对淤泥质土固化前后矿物组成进行测定,如图6表2所示。

    图  6  微生物固化前后淤泥质土试样X射线衍射图对比
    Figure  6.  Comparison of X-ray diffraction patterns of MICP-treated soft clay
    表  2  MICP固化前后淤泥质土的矿物X-射线衍射分析
    Table  2.  X-ray diffraction analysis of before and after MICP-treated soft clay
     土类石英/%钾长石/%斜长石/%白云石/%角闪石/%黏土矿物总量/%
    未固化淤泥质土MICP固化淤泥质土48.548.03.53.59.89.83.15.91.84.033.328.8
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    MICP固化后淤泥质土试样中白云石含量由3.1%提高到了5.9%,角闪石由1.8%提高到了4.0%,表明淤泥质土自身包含有少量镁、铁、钠、钾和钙等也参与到MICP矿化过程中,不仅生成了常见的方解石Cell-CaCO3,也生成了白云石CaMg(CO3)2和角闪石NaCa2Fe3(AlSi)8O22(OH)7

    采用SEM分别测定不同龄期的原状和固化淤泥质土,如图7,8所示。

    图  7  固化前后淤泥质土电镜扫描对比
    Figure  7.  Images of MICP-treated soft clay under SEM
    图  8  微生物固化淤泥质土形成的晶体孔洞
    Figure  8.  Crystal holes formed by microbial solidification of softclay

    可以看出,微生物固化后土颗粒表面细小晶体会随着龄期增加而增多,说明微生物诱导碳酸钙成矿过程是逐渐发展的(图7)。

    微生物诱导形成矿物晶体中明显存在孔洞(图8),验证了微生物在淤泥质土MICP过程中充当晶核作用,表明微生物确实发挥了作用。

    试验中添加的营养盐中只有钙离子,没有镁离子,菌液除与营养盐中的钙离子生成常见的Cell-CaCO3(方解石)外,白云石CaMg(CO3)2和角闪石NaCa2Fe3(AlSi)8O22(OH)7的增加必然是菌液与营养盐中的钙离子及淤泥质土中的Ca2+、Mg2+、Fe3+、Na+、Al3+等共同反应结果,即巴氏芽孢杆菌在进行微生物固化过程中,微生物代谢产物胞外聚合物中含有的负离子基团能更快地吸附Ca2+、Mg2+、Fe3+、Na+、Al3+等其它矿物,而生成了白云石和更为复杂的角闪石,矿化反应描述如下:

    CO(NH2)2+2H2OCO32-+2NH4+, (3)
    CO32-+Ca2+-Cell-Mg2Cell-CaMg(CO3)2 (4)
    OH-+O2-+Cell-Ca2++Cell-Mg2++ Cell-Al3++ Cell-Fe3+Cell-NaCa2Fe3(AlSi)8O22(OH)7 (5)

    营养盐浓度不同,微生物诱导生成碳酸钙也不尽相同。养护7 d后,试样表面生成了白色圆点或团絮状斑点(图9),浓度为1.5 mol/L试样表面斑点最密集;浓度3.0 mol/L试样表面未出现明显的白色斑点。

    图  9  试样表观变化情况(7 d)
    Figure  9.  Apparent change of sample (7 d)

    淤泥质土在不同的地质环境中形成多种板、絮状结构,颗粒组成主要为粉粒和黏粒,粒径与巴氏芽孢杆菌单体尺寸在一个数量级上。

    由于巴氏芽孢杆菌固化生成方解石、白云石和角闪石的粒径与淤泥质土结构中的粉粒和黏粒相当,微观结构组成和机理可以概化为图10所示。

    图  10  巴氏芽孢杆菌固化淤泥质土机理示意图
    Figure  10.  Mechanism of Sporosarcina pasteurii on MICP-treated soft clay

    (1)采用巴氏芽孢杆菌诱导生成碳酸盐来固化淤泥质土强度提高来源于生成碳酸盐胶结填充孔隙,以及微生物代谢过程中消耗土体中的水分。7 d龄期内摩擦角由未固化5°提高到28.10°,含水率由40%降低为33.29%。

    (2)菌液和营养盐浓度对固化效果有重要影响,本次试验在菌液OD600为4.12、脲酶活性为1.62 mS/cm/min条件下,营养盐浓度1.5 mol/L时固化效果最优。

    (3)本次试验,试样干密度从1.35 g/cm3增加到1.41 g/cm3,表明土体干密度增加也是强度增加的主要原因。

    (4)XRD和SEM表明巴氏芽孢杆菌固化过程中生成的产物除方解石外,还有白云石和角闪石,表明淤泥质土中矿物离子也参与了微生物矿化。

    (5)淤泥质土颗粒细小、含水率高,适合采用拌合法制样。

  • 图  1   国内不同沉积类型典型淤泥质土颗分曲线统计

    Figure  1.   Statistics of gradation curves of typical soft clay in China

    图  2   固化淤泥质土内摩擦角与营养液浓度关系(7 d)

    Figure  2.   Relationship between internal friction angle and nutrient solution concentration (7 d)

    图  3   固化淤泥质土内摩擦角与龄期关系

    Figure  3.   Relationship between internal friction angle and curing age

    图  4   固化淤泥质土含水率随龄期变化曲线(7 d)

    Figure  4.   Relationship between water content and curing age (7 d)

    图  5   固化淤泥质土干密度随龄期变化曲线(7 d)

    Figure  5.   Relationship between dry density and curing age (7 d)

    图  6   微生物固化前后淤泥质土试样X射线衍射图对比

    Figure  6.   Comparison of X-ray diffraction patterns of MICP-treated soft clay

    图  7   固化前后淤泥质土电镜扫描对比

    Figure  7.   Images of MICP-treated soft clay under SEM

    图  8   微生物固化淤泥质土形成的晶体孔洞

    Figure  8.   Crystal holes formed by microbial solidification of softclay

    图  9   试样表观变化情况(7 d)

    Figure  9.   Apparent change of sample (7 d)

    图  10   巴氏芽孢杆菌固化淤泥质土机理示意图

    Figure  10.   Mechanism of Sporosarcina pasteurii on MICP-treated soft clay

    表  1   MICP固化试验淤泥质土物理性质指标

    Table  1   Physical property indexes of solidified MICP-treated soft clay

    土样名称密度ρ /(g·cm-3)含水率w/%渗透系数k/(cm·s-1)液限 wL /%塑限 wP /%
    青弋江淤泥质土1.8240 1.0×10-632.120.4
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    表  2   MICP固化前后淤泥质土的矿物X-射线衍射分析

    Table  2   X-ray diffraction analysis of before and after MICP-treated soft clay

     土类石英/%钾长石/%斜长石/%白云石/%角闪石/%黏土矿物总量/%
    未固化淤泥质土MICP固化淤泥质土48.548.03.53.59.89.83.15.91.84.033.328.8
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-04
  • 网络出版日期:  2022-12-07
  • 刊出日期:  2020-10-31

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