郭红仙, 李东润, 马瑞男, 程晓辉
清华大学 土木工程系, 北京 100084

收稿日期：2019-02-13
基金项目：国家重点研发计划(2016YFC1402800)
作者简介：郭红仙(1967-), 女, 副研究员。E-mail:guohx@tsinghua.edu.cn


摘要：该文通过一维固结压缩试验，研究基于微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术拌和固化岛礁钙质砂，并改善其压缩特性。总结了完全不同于石英砂的钙质砂的压缩特性；固化试验研究中考虑了粒径级配、相对密度以及反应液浓度对钙质砂压缩特性的影响。试验结果表明：尽管拌和固化钙质砂所用菌液和反应液的用量很小，但是固化后的钙质砂的压缩特性仍有较大改善，压缩指数平均降低了约0.10；固结压缩曲线e-lgp呈现2或3个明显直线段；固化效果受土体粒径级配和相对密度的影响，高浓度反应液更有利于土体压缩性的降低。
关键词：钙质砂微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)压缩特性粒径级配相对密度反应液
Oedometer test of calcareous sands solidified using the MICP mixing method
GUO Hongxian, LI Dongrun, MA Ruinan, CHENG Xiaohui
Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China


Abstract: Microbially induced carbonate precipitation (MICP) was used to treat calcareous sand to improve the compressive properties of the sand. Oedometer tests showed how the compressive properties of the calcareous sand differed from quartz sand. The tests evaluated the effects of the particle size gradation, the relative density and the reaction solution concentration on the compressive properties of the carbonate sands. The tests showed that small amounts of bacteria solution and reaction solution mixed with the calcareous sand greatly improved the compressive properties of the sand after solidification with the compression index reduced by about 0.10 on average and the e-lgp curve having 2 or 3 distinct straight segments. The particle size gradation and the relative density both affect the reinforced sample compressibility with high-concentration reaction solutions further reducing the calcareous sand compressibility.
Key words: calcareous sandsmicrobially induced carbonate precipitation (MICP)compressive propertyparticle size distributionrelative densityreaction solution
钙质砂通常是指在海洋和部分陆地沉积环境中形成的、尚未胶结的、CaCO₃质量分数超过50%的沉积物，广泛分布在中国南海各岛，是岛礁建设基础设施首选的建筑材料。对钙质砂岩土工程性质的深入认识，对岛礁工程设计和施工、加强国防建设、开发海底资源、保护海洋生态环境具有重要意义。
钙质砂多为粒状或碎屑状，具有颗粒易破碎、孔隙比大(约为0.800~2.797)的特点。钙质砂的压缩性是工程师非常关注的，高压缩性的特点会影响到钙质砂的承载力和桩侧摩阻力等。本文探索采用微生物固化的方法降低钙质砂压缩性。
微生物诱导碳酸钙沉积(microbially induced carbonate precipitation，MICP)技术的基本原理是尿素在微生物脲酶的催化下发生水解生成碳酸根离子，碳酸根离子与体系中游离的钙离子发生反应生成具有胶凝作用的碳酸钙沉淀。胶凝沉淀不仅可以填充颗粒间的孔隙，还可将颗粒粘结，因而可改善土的工程力学性质。尿素和含钙离子的溶液称为反应液。上述生物化学反应过程可以简化为：

$\begin{array}{c}{\rm CO(NH_{2})_{2} + 2H_{2}O →微生物→ CO_{3}^{2-}+2NH_{4}^{+}, }\\{\rm Ca^{2+}+Cell → Cell-Ca^{2+}, } \\{\rm Cell-Ca^{2+}+CO_{3}^{2-}→Cell-CaCO_{3}↓}.\end{array}$

菌液和反应液如在吹填过程中与砂混合，便会有胶凝作用产生，吹填到指定位置后所形成的地基已在压缩性和承载力方面有所改善，相比目前常用的强夯法和振冲法，不仅可以降低运输及施工难度，而且对生态环境友好。
Khan等^[1]对钙质砂MICP固化进行了研究，在PVC柱中对钙质砂(粒径d₅₀=0.7 mm，级配不良)进行灌浆，每天均注入菌液和反应液，14 d后无侧限单轴抗压强度(UCS)达6.5~12.0 MPa，继续养护7 d后强度最高达13.0 MPa，接着灌注继续养护到28 d时强度可达20.2 MPa。欧益希等^[2]、李捷等^[3]通过灌浆的方法将菌液和反应液泵送到装有钙质砂的有机玻璃管中，进行了颗粒粒径级配等因素对固化钙质砂的影响研究，经过灌浆固化的钙质砂试样UCS可达2.24~9.00 MPa。
上述研究都是针对提高钙质砂强度展开的。试验采用的是灌注法，即将菌液和反应液通过灌注的方式送到砂土中。采用这种方法固化砂样时，经多次灌注后砂样即可达到较高的强度，但菌液和反应液用量较大，工艺较为复杂且加固不易均匀。另外一种常用的方法是拌和法，即在填筑土体的过程中，一次性将菌液和反应液与砂土进行拌和。这种方法工艺简单，加固均匀，但固化后的土体强度较低。拌和法在已有的研究中采用较少，针对改善钙质砂工程性质进行的试验研究更是几乎没有。
本研究采用拌和法对钙质砂进行微生物固化，主要控制砂样的土体相对密度、粒径级配组成和反应液浓度这3个因素，通过一维固结压缩试验获得试样固化后的压缩指标，研究经微生物拌和固化后钙质砂压缩性质的变化规律。
1 钙质砂压缩性质简述钙质砂的压缩性质可以说是钙质砂力学特性中最重要的参考指标。钙质砂的成因、颗粒特性、易破碎性和具有内孔隙的性质使得钙质砂具有较高的压缩性^[4]，也使得钙质砂具有与石英砂非常不同的力学特性。
图 1给出了初始孔隙比相同、粒径级配相近的钙质砂和石英砂的压缩曲线^[5]，显然钙质砂的压缩性显著高于石英砂。Wils等^[6]也发现，粒径组成相近时，钙质砂压缩指数大约是石英砂的7~11倍, 钙质砂自身的压缩性质会受到碳酸钙含量、颗粒级配组成、相对密度等的影响。表 1汇总了对已有钙质砂压缩性研究的结果，可以看出，钙质砂压缩指数的变化范围比较大，从0.13到0.90，属于中高压缩性或高压缩性土，回弹指数约为压缩指数的1/60~1/50。

图 1 钙质砂和石英砂固结曲线比较

图选项

表 1 已有钙质砂固结压缩试验汇总

研究者	发表年份	粒径级配	碳酸钙质量分数/%	压缩指数Cc	回弹指数Cs
Bryant等[7]	1974	—	—	0.13~0.90	0.02~0.14
Valent等[8]	1982	—	56~75	0.64~0.89	0.032~0.079
Carter等[9]	1988	—	—	0.18~0.24	0.006 5
Coop[10]	1990	—	88~94	0.335 0	0.007 5
张家铭等[11]	2005	emax=1.46，emin=1.0，d50=0.377 mm，Cu=2.02	—	0.150 2	0.011 9
Wils等[6]	2015	0.07~1.4 mm，d50=0.57 mm	92	0.300 0~0.450 0	0.007 5~0.009 0
毛炎炎等[12]	2017	0.10~0.25 mm0.25~0.50 mm0.50~1.00 mm1.00~2.00 mm	—	0.20580.24690.30860.3745	0.01600.01370.00790.0179

表选项






颗粒易破碎是钙质砂的重要特点之一，当钙质砂所受压力达到一定水平时，其压缩性会较大程度受到颗粒破碎的影响^[10]；Nauroy等^[13]发现，不同相对密度的钙质砂，尽管压缩性有所差别，但其一维固结试验的宏观规律是一致的，在加压初始阶段，压缩指数缓慢增长，当加压至300~400 kPa时，压缩指数维持在一个较高的水平，即钙质砂颗粒破碎使其压缩指数有了较大的变化。
钙质砂的压缩性质与石英砂很不同，这一点是认识钙质砂和进行工程实践时要重点关注的，钙质砂压缩性质的改善也是科研人员和工程师非常关注的。本文所研究的即是应用MICP技术来降低钙质砂的压缩性。
2 试验材料与方法2.1 微生物菌种为编号为ATCC11859的巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcina pasteurii)。试验所用菌液脲酶活性为13.64 mmol/min，菌液浓度OD₆₀₀为3.38。
2.2 钙质砂本研究试验所用钙质砂来自南海岛礁，粒径级配主要有以下3种。
砂样1：人工配置钙质砂，粒径级配如图 2所示。级配参考了岛礁工程建设中80余种钙质砂地基粒径级配情况，使该砂样具有发生渗透破坏的可能，不均匀系数C_u=17，细粒土质量分数小于25%。本课题组对这一级配的砂除了进行压缩试验外，还进行了渗透试验^[14]。

图 2 砂样1粒径级配曲线

图选项

砂样2：单一粒径为0.25~0.50 mm的钙质砂。
砂样3：单一粒径为0.10~0.25 mm的钙质砂。
通过X射线衍射分析(XRD)和X射线荧光光谱分析(XRF)，对试验所用钙质砂的矿物和物质组成进行了分析。组成该钙质砂颗粒的矿物以文石(CaCO₃)为主，质量占89.96%；还有一些白云石(CaMg(CO₃)₂)，质量占7.41%。
2.3 试验方案及固化方法考虑到钙质砂颗粒粒径组成和土体相对密度对压缩性的影响，以及拌和这种固化方式因反应液用量少而需要提高其浓度，本文对这3个因素进行试验研究。试验方案如表 2，每组3个试样。因有的试样在加荷中出现故障，后文仅对有效试样即有完整试验结果的试样进行分析。
表 2 试验分组方案

编号	相对密度/%	砂样	反应液		菌液/mL	砂用量/g
			浓度/(mol·L-1)	用量/mL
A	70	1	2.5	28	7	90.39
B	70	1	2.5	35	0	90.39
C	30	1	2.5	28	7	83.26
D	30	1	2.5	35	0	83.26
E	70	1	2.0	28	7	90.39
F	70	1	1.0	28	7	90.39
G	70	1	0.5	28	7	90.39
H	70	1	0	35	0	90.39
I	70	3	2.5	28	7	91.61
J	70	3	2.5	35	0	91.61
K	70	3	0	35	0	91.61
L	70	2	2.5	28	7	72.93
M	70	2	2.5	35	0	72.93
N	70	2	0	35	0	72.93

表选项






为排除反应液中盐自身结晶带来的影响，增设了拌和时无菌液有反应液和无菌液无反应液的2个对照组，其相应液体用等体积水替代。菌液与反应液的浓度和用量之比按照本课题组试管试验研究结果选用^[15]，钙盐和尿素浓度相同。
制样时，将钙质砂、菌液、反应液按照表 2中的用量配好并拌和，环刀使用前底部经过密封处理，环刀内壁涂上凡士林，以防试样与环刀内壁产生胶结。制样完成后放入恒温恒湿保湿缸中养护6 d。
2.4 固结压缩试验试验根据SL237-1999土工试验规程进行。所用固结仪为WG型单杠杆固结仪，每次对3个试样进行测试。试样均为饱和试样，采用快速试验方法。加压包括加载、卸载和再加载3个阶段，共16级，分别为12.5、25、50、100、200、100、50、25、12.5、25、50、100、200、400、800和1 600 kPa。前15级荷载固结时间均为1 h，最后一级约为7 h。
固结试验完成后，将试样放入烘干箱中，烘干箱的温度设置为103 ℃，烘干6 h，测定试样最终含水率。
3 试验结果与分析试验发现，本文所用钙质砂e-lgp固结曲线在3个区段(12.5~200 kPa、200~400 kPa、400~1 600 kPa)具有明显变化。故本文用这3个区段的固结压缩指标对试验结果进行分析。有效试样的压缩指数C_c、回弹指数C_s和侧限压缩模量E_s的测试结果见表 3，其中A1、A2为表 2中A组的2个有效试样，余同。由表 3中H、K、N组试样(未加菌液和反应液)在竖向压应力为200~400 kPa时的压缩指数看，本文所用3种砂样的压缩性是偏高的。
表 3 有效试样的测试结果

编号	12.5~200 kPa			200~400 kPa			400~1 600 kPa		Cs
	Cc	Es/MPa		Cc	Es/MPa		Cc	Es/MPa
A1	0.006 0	20.63		0.086 7	25.19		0.049 9	94.05	0.001 2
A2	0.010 2	34.59		0.125 2	19.31		0.037 4	123.02	0.000 6
B1	0.020 5	30.37		0.177 2	7.52		0.085 7	50.14	0.001 5
B2	0.015 8	17.19		0.179 1	7.49		0.105 9	40.39	0.001 1
B3	0.008 8	4.07		0.157 9	8.34		0.089 8	49.54	0.001 3
C1	0.018 6	43.55		0.154 9	8.38		0.049 0	97.70	0.000 9
C3	0.011 2	22.02		0.204 0	6.49		0.028 4	66.43	0.007 8
D1	0.035 5	24.79		0.188 5	7.19		0.051 5	67.99	0.001 2
E1	0.017 1	21.50		0.060 8	19.01		0.060 8	63.07	0.005 2
E2	0.016 9	30.12		0.110 5	11.02		0.045 4	91.57	0.000 5
E3	0.018 2	113.06		0.125 8	9.63		0.039 6	91.20	0.001 2
F1	0.032 8	14.15		0.155 4	8.18		0.056 6	63.76	0.001 0
F2	0.046 8	30.41		0.123 0	10.45		0.042 1	96.68	0.001 3
F3	0.030 5	23.24		0.137 3	9.39		0.076 4	48.49	0.001 8
G1	0.036 8	34.12		0.224 0	6.07		0.128 7	68.19	0.002 0
H1	0.051 1	10.89		0.190 2	7.12		0.091 4	50.92	0.000 6
H2	0.023 8	28.97		0.124 2	10.03		0.057 8	62.52	0.000 9
H3	0.026 7	24.67		0.155 2	8.55		0.056 5	66.57	0.001 5
I1	0.010 4	27.85		0.070 8	15.88		0.021 7	169.33	0.001 5
I3	0.004 1	962.16		0.067 4	16.59		0.033 7	280.60	0.000 03
J1	0.012 3	35.92		0.063 1	17.38		0.023 5	165.13	0.000 9
J3	0.015 0	67.45		0.069 6	16.07		0.027 5	153.69	0.000 9
K1	0.029 6	29.46		0.123 5	10.15		0.042 7	94.33	0.000 8
K2	0.017 2	36.12		0.094 3	12.71		0.047 0	90.15	0.000 7
K3	0.022 4	30.61		0.111 0	11.11		0.037 2	92.82	0.001 3
L1	0.005 2	20.84		0.018 3	76.69		0.133 3	30.12	0.000 4
M1	0.037 2	15.18		0.210 8	7.58		0.165 8	30.05	0.002 0
M2	0.033 6	22.13		0.184 9	8.69		0.184 5	26.89	0.002 3
M3	0.041 4	16.10		0.241 0	6.74		0.167 6	30.57	0.001 9
N1	0.062 2	41.38		0.172 9	9.06		0.094 7	47.17	0.001 0
N2	0.050 9	32.44		0.145 5	10.60		0.083 0	77.36	0.001 1
N3	0.062 9	23.17		0.157 8	9.87		0.069 7	39.05	0.002 5

表选项






3.1 相对密度的影响图 3给出了相对密度为70%和30%的钙质砂试样有菌液(组A和C)和无菌液(组B和D)的固结曲线。从中可知：1)随着竖向压应力的增加，所有试样的孔隙比均减小，除组A试样外，其余试样在压应力为200~400 kPa时孔隙比变化最大；2)同一相对密度的试样中，微生物固化的试样孔隙比小，即组A、C的孔隙比分别比组B、D的小；3)相对密度为30%的试样经微生物固化后，压缩性与原70%未固化的试样相当。

图 3 相对密度不同时试样的e-lgp曲线

图选项

可见，本文所用钙质砂在压应力为200~400 kPa时颗粒破碎较为明显；无论相对密度高低，经MICP固化后，钙质砂的压缩性都有所改善。此外，相对密度70%的砂经微生物固化后，颗粒破碎发生在压应力为400~800 kPa时，说明经MICP作用后钙质砂的颗粒破碎需要更大的压力才会发生。
由图 3还可看出，固结曲线e-lgp呈现为明显的3段。初始孔隙比较大的试样B、C和D的曲线坡度在压应力为12.5~200 kPa时非常小，到达200~400 kPa时变大很多，超过400 kPa后又变小，但比开始时还是要大。而初始孔隙比较小的试样A的曲线坡度在压应力为200~800 kPa时变化最大。
将压应力按12.5~200 kPa、200~400 kPa及400~1 600 kPa考虑，其典型试样的压缩指数和侧限压缩模量如图 4所示。

图 4 相对密度对试样侧限模量和压缩指数的影响

图选项

由图 4可以看出：
1) 4个试样的共同规律：压应力为12.5~200 kPa时，试样的压缩指数最小、侧限压缩模量居中；在200~400 kPa时，压缩指数最大、侧限压缩模量最小；在400~1 600 kPa时，压缩指数居中，侧限压缩模量最大。所用钙质砂压缩指标在压应力为200~400 kPa时很有特点，这与颗粒易破碎有关。
2) 相对密度的表现：对于相对密度为30%的试样C1和D1，微生物的固化作用主要体现在200~400 kPa时压缩指数的变小和400~1 600 kPa时压缩模量的提高；而对于相对密度为70%的试样A1和B1，这种固化作用更明显，压应力在200~1 600 kPa时压缩指数和侧限压缩模量都有明显的改善。
3.2 反应液浓度的影响图 5给出了不同反应液浓度条件下钙质砂试样的试验结果，组A、E、F和G中加入了菌液和浓度分别为2.5、2.0、1.0和0.5 mol/L的反应液。

图 5 反应液浓度不同时试样e-lgp曲线

图选项

由图 5可以看出：
1) 反应液浓度高的试样经MICP固化后，孔隙比变小，即压缩性降低了。相同加载条件下，孔隙比随着反应液浓度的提高而减小。2.5 mol/L的组A的压缩性质改善最显著。
2) 试样的e-lgp曲线呈现3段的形式，而且在压应力为200~400 kPa时，曲线的坡度随着反应液浓度的提高而变缓。这说明反应液浓度的提高，延缓了固化后试样颗粒破碎的发生。
图 6给出了典型的固化后试样在3个压应力区间的压缩指数和侧限压缩模量。

图 6 反应液浓度对试样侧限模量和压缩指数的影响

图选项

由图 6可以看出：
1) 与节3.1有相同的规律，3个区段中，压应力为12.5~200 kPa试样的压缩指数最小、压缩模量居中；200~400 kPa时压缩指数最大、压缩模量最小；400~1 600 kPa时压缩指数居中，压缩模量最大。可见，反应液浓度变化并不影响钙质砂压缩指标在200~400 kPa时受颗粒破碎影响的特点。
2) 反应液浓度的影响：3个区段的试样压缩指数都随着反应液浓度升高而减小，浓度为2.5 mol/L试样的压缩指数在3个区段均最小，固化效果明显好于其他浓度的试样。这一点与以灌注方式进行MICP加固有很大不同，说明高浓度的钙盐在砂颗粒环境下并没有对菌液的活性有所抑制。可见，以拌和方式进行MICP固化时可大幅提高钙盐的浓度，这可能与用量较少以及发生反应的环境有关。
3.3 粒径级配的影响图 7给出了3种不同粒径级配的砂样的固结曲线。所有试样的相对密度均为70%，每种粒径级配的试样均包括3种情况：拌和时有菌液有反应液、无菌液有反应液、无菌液无反应液(清水对照组)。

图 7 粒径级配不同时试样e-lgp曲线

图选项

由图 7可知：
1) 粒径级配对钙质砂压缩性质是有影响的。3种砂样清水组H、K和N的初始孔隙比及固结过程中孔隙比的变化虽在数值上有差别，但固结曲线均呈现出相同的规律，均呈3段式，且在200~400 kPa孔隙比的变化较大。3种砂样压缩指数从大到小的次序是：砂样2、砂样1和砂样3。
2) 有MICP作用的组A、I和L与清水对照组H、K和N相比，前者初始孔隙比较小，在200~400 kPa的孔隙比变化也较小。经MICP固化后，砂样1压缩指数降低约0.10；砂样2降低0.15；砂样3降低0.06。这说明所用微生物固化方法一定程度上改善了钙质砂的压缩性。
3) 对于砂样2，有MICP固化作用试样L1的固结曲线与无MICP作用的组M和N有明显不同，试样L1的e-lgp曲线在200~800 kPa范围内孔隙比的变化较小，固结曲线呈现为2段。这说明在L1中颗粒破碎没有发生。
4) 有反应液无菌液的组B、J和M与清水组H、K和N比较，前者比后者压缩性要低约0.03。这说明仅有钙盐存在也会影响到钙质砂的压缩性质。需要注意的是，这是一种假象，遇水后晶体会溶解，而MICP的胶凝作用则是可靠的。
除试样L1外，其余试样在12.5~200 kPa、200~400 kPa、400~1 600 kPa区间的压缩指数和侧限模量的变化规律与节3.1和3.2中的规律是一致的，即在200~400 kPa会受到颗粒破碎的影响，经MICP固化后这种影响相对减小，这里不再赘述。
4 MICP拌和加固钙质砂对其压缩性的影响节3给出了几种不同情况下钙质砂经MICP作用后一维压缩固结试验的结果，说明用少量的菌液和反应液与钙质砂拌和后，钙质砂的压缩性质有了一定程度的改变，反映在e-lgp曲线上的变化规律如图 8所示。

图 8 钙质砂微生物固化前后固结曲线的变化

图选项

未经MICP处理的e-lgp曲线都呈现为3段，如图 8最上方的曲线所示，随固结压力由小变大，曲线坡度由小到大到又变小，即图中α₀ < γ₀ < β₀。中间段(本文为200~400 kPa)的压缩指数最大，出现这一情况，是因为此时钙质砂颗粒发生了破碎。而之后尽管压力增大，但颗粒破碎的影响已不明显，压缩指数又变小了。
钙质砂经MICP固化后，不仅孔隙比和压缩指数有所减小，同时还减缓了颗粒破碎对压缩性的影响。此时，试样的e-lgp固结曲线大都呈现为3段，个别情况下呈现为2段，如图 8中下方3条线所示。e-lgp曲线为3段时，中间段受颗粒破碎影响的压应力区间会有所不同；而固结曲线为2段时，说明固化效果好，在加载范围内已看不出颗粒破碎对压缩性的影响。
钙质砂微生物加固前后孔隙比和压缩指数的变化量，受钙质砂粒径级配、相对密度、菌液和反应液的用量和浓度等的影响，图 8为压缩性变化的规律示意图，具体量化值还需更多的试验结果支持。
5 结论本文主要是钙质砂及其微生物拌和固化后的一维固结试验研究，主要研究了相对密度、反应液浓度以及粒径级配的影响，说明了微生物拌和固化钙质砂的效果，同时总结了钙质砂压缩指数和侧限模量随压力变化的特点。主要结论如下：
1) 本试验所用3种钙质砂压缩性均偏高，经微生物固化后压缩性均降低。采用少量反应液和菌液拌和砂样的MICP固化方法，可使钙质砂的压缩性由中高变为中低。
2) 相对密度对钙质砂压缩性影响较大。无论相对密度高低，微生物固化后钙质砂压缩性均变低。颗粒级配对钙质砂压缩性也有较大影响。
3) 随固化所用反应液浓度的升高，试样压缩性降低。浓度为0.5~2.5 mol/L的反应液中，2.5 mol/L浓度的反应液对降低钙质砂压缩性效果最显著。
4) 本文所用钙质砂的e-lgp固结曲线呈3段变化，这与钙质砂颗粒破碎有关。微生物固化后该曲线大都仍呈现为3段，加固效果最显著的呈现2段。颗粒破碎对钙质砂的压缩性有较大影响，所用钙质砂在压应力为200~400 kPa时易发生颗粒破碎，微生物固化效果明显时颗粒破碎需在更大的压力下才会发生。

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