浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2019, 53(8): 1438-1447 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.08.002

土木与建筑工程

基于微生物诱导碳酸钙沉积技术的黏性土水稳性改良

谢约翰,, 唐朝生,, 刘博, 程青, 尹黎阳, 蒋宁俊, 施斌

Water stability improvement of clayey soil based on microbial induced calcite precipitation

XIE Yue-han,, TANG Chao-sheng,, LIU Bo, CHENG Qing, YIN Li-yang, JIANG Ning-jun, SHI Bin

通讯作者: 唐朝生，男，教授. orcid.org/0000-0002-6419-6116. E-mail： tangchaosheng@nju.edu.cn

收稿日期: 2019-02-12  

Received: 2019-02-12  

作者简介 About authors

谢约翰（1994—），男，硕士生，从事微生物地质工程研究.orcid.org/0000-0001-9144-7286.E-mail：xieyuehan@smail.nju.edu.cn , E-mail：xieyuehan@smail.nju.edu.cn

摘要

采用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术对黏性土进行改性处理，以改善其水稳性与抗侵蚀能力. 利用喷洒法将配制的微生物菌液及胶结液先后喷洒至黏性土表层进行MICP处理，并开展一系列崩解试验，通过数字图像处理技术对土样的崩解过程进行定量分析和评价. 通过颗粒分析试验研究MICP改性前后土样粒度组分的变化，通过扫描电子显微镜（SEM）分析土样的微观结构特征. 结果表明：1）素土在浸水后发生快速崩解，而在相同的时间内MICP改性土样则能较好地保持原始结构，水稳性更强；2）崩解指数是描述土体崩解过程和评价土体水稳性的定量指标. MICP改性土样的崩解速率远低于素土，且最终稳定后的崩解指数仅为素土的50%；3）MICP改性能显著改变土样的粒度组分，具体表现为细颗粒质量分数减少，粗粒土质量分数增加；4）微生物诱导所产生的碳酸钙填充了土样中的大孔隙，并在土颗粒之间形成有效的胶结，极大提高土颗粒之间的联接强度，这是MICP技术提高土体水稳性的主要作用机制.

关键词： 微生物诱导碳酸钙沉积（MICP） ; 微生物固化 ; 黏性土 ; 水稳性 ; 微观结构 ; 水土流失

Abstract

Microbial induced calcium carbonate precipitation (MICP) technology was adopted to improve the water stability and the erosion resistance of clayey soil. The prepared microbial solution and the cementation solution were sprayed to the surface of clayey soil by a spraying method for MICP treatment. A series of disintegration tests were carried out, and the digital picture processing technique was used to quantitatively analyze and evaluate the disintegration process. The grain size test was used to determine the change of particle size composition before and after MICP treatment, and the microstructure of the soil samples was further analyzed by the scanning electron microscope (SEM). Results showed that compared with the rapid disintegration of the raw soil after being immersed in water, the MICP treated soil sample can maintain its original structure in the same time, and the water stability is stronger. The slaking index (SI) is a quantitative indicator of describing the process of soil slaking and evaluating the water stability. The disintegration rate of the MICP treated soil was far lower than that of the raw soil, and the final SI of the MICP treated soil was only half of that of the raw soil. The MICP treatment can significantly change the particle size composition of the soil sample, i.e. the mass fraction of fine particles was reduced and the mass fraction of coarse particles was increased. Calcium carbonate precipitated by microorganisms, fills large pores of the soil, and the effective cementation between the soil particles greatly improves the strength of the connection between the soil particles, which is the main mechanism for MICP to improve the soil water stability.

Keywords： microbial induced calcium carbonate precipitation (MICP) ; bio-cementation ; clayey soil ; water stability ; microstructure ; soil erosion

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本文引用格式

谢约翰, 唐朝生, 刘博, 程青, 尹黎阳, 蒋宁俊, 施斌. 基于微生物诱导碳酸钙沉积技术的黏性土水稳性改良. 浙江大学学报(工学版)[J], 2019, 53(8): 1438-1447 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.08.002

XIE Yue-han, TANG Chao-sheng, LIU Bo, CHENG Qing, YIN Li-yang, JIANG Ning-jun, SHI Bin. Water stability improvement of clayey soil based on microbial induced calcite precipitation. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2019, 53(8): 1438-1447 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.08.002

我国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失范围广、强度大，危害重. 目前我国水土流失面积为295万km2，占国土面积的30.7%，年均土壤流失质量超过50亿t [1]. 水土流失防治工作的核心在于提高土体的水稳性与抗侵蚀能力. 目前主要有3类调控措施：植物、材料和工程措施[2-6]. 这些措施各有优缺点，难以同时满足时效、生态、环保和低成本要求[7-8]，须通过技术创新寻求新型的土体侵蚀调控措施.

近年来，基于微生物矿化作用的微生物诱导碳酸钙沉积（microbial induced calcium carbonate precipitation，MICP）技术成为土体改性技术的热点议题，引起国内外学界的广泛关注[9-10]. MICP技术利用微生物新陈代谢过程中分泌的脲酶将尿素水解生成碳酸根离子，其与钙离子结合形成具有优质胶结作用的碳酸钙，进而达到提升岩土体力学性质的目的. 与过去的化学注浆或者无机结合料加固方式相比，MICP技术具有生态环保、经济高效等明显的优点. 因此，许多学者围绕MICP技术及其应用开展了大量研究. 在微生物诱导成矿方面，Teng等[11]和Davis等[12]围绕不同的环境影响因子设计试验，验证不同生物成矿过程中影响晶型的主导因素，并提出微生物种类也必须纳入考虑范围；Wei等[13]研究表明，MICP技术主要生成的矿物类型为方解石、文石和球霰石；Cardoso等[14]在围绕巴氏芽孢八叠球菌（Sporosarcinapasteurii）开展试验时，通过X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）确定球霰石为该微生物直接诱导生成的矿物晶形. 除了围绕MICP矿物晶形开展研究以外，针对MICP技术对岩土体的改性效果与机制也开展了大量的试验研究[15-16]. Dejongj等[17]利用试验证明MICP技术可以极大提升砂土颗粒之间的物理联接；Whiffin等[18]针对MICP改性砂土的渗透性和水力特征进行研究，表明该技术有利于增强砂土材料的防渗性能；Qabany等[19]通过无侧限抗压试验发现MICP技术能显著提高砂土的强度；Feng等[20-21]针对MICP改性砂土开展直剪试验和三轴排水剪切试验，发现经过处理后的砂土样的力学性质得到了极大提高. 此外，在MICP技术潜在应用方面，也取得了一些研究进展. 如张帅等[22]将MICP技术用于提高砂土地基的抗液化性能；Chu等[23]提出利用MICP技术在地层中形成一层弱透水的硬壳层以增强地基土的抗渗性能；钱春香等[24-25]尝试基于该技术对混凝土裂缝进行自我修复；刘璐等[26]将MICP技术应用于堤坝的防护工作；刘汉龙等[27]拓展MICP技术的应用范围至胶结固化钙质砂领域并测定其动力特性；Jiang等[28-29]围绕土体内部侵蚀过程的控制开展系统的MICP试验. 为了达到更优的改性效果，Cheng等[30]探讨如何通过入渗诱导碳酸钙沉积及其影响因素；崔明娟等[31]针对影响MICP改性效果的关键因素（如粒径、胶结液浓度和处理工艺等）开展大量室内试验，逐步确定最优参数.

已有成果均表明，将MICP技术用于砂土的胶结固化可以显著改善其强度、刚度、抗液化能力、抗侵蚀性、抗渗性等，是非常有前景的岩土体改性技术. 土体内部孔隙结构是影响MICP技术改性效果的重要因素. 土体内部孔隙空间的大小直接影响微生物是否能成功定植，也直接决定了所诱导生成的碳酸钙的空间分布[32-34]；孔隙大小影响土体渗透性，从而直接影响菌液、营养物质及胶结液在土体中的迁移、扩散速率及范围，间接影响微生物诱导碳酸钙沉积的效率与产量[35-36]. 目前MICP改性的研究对象主要局限于砂土，针对黏性土MICP改性的研究较少. 原因是与砂土相比，黏性土渗透系数较低，不利于微生物在土体中迁移，并且微生物的细胞直径往往大于0.5 μm，长度通常为3~5 μm，很难进入直径小于0.3 μm的黏性土孔隙[21]，从而极大制约了MICP技术对黏性土的改性效果. 但是，黏性土区域往往是水土流失重灾区，因为黏性土对水较敏感，遇水后易发生膨胀、崩解分散，颗粒间黏结力弱化，水稳性差，且黏土颗粒相对较小，易被流水带走. 本研究对南京市某黏性土边坡310 mm深度内的土体开展扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）和压汞（mercury intrusion porosimetry，MIP）分析，发现浅表层土体在经历长期风化作用后，总体较松散. 其中存在大量孔径大于10 μm的大孔隙和微裂隙，有些孔径甚至达到700 μm. 在0~5 mm深度处，大于0.4 μm的孔隙的体积分数超过70%，即使在300~310 mm处，大于0.4 μm的孔隙的体积分数也为66.7%，这为MICP改性处理提供了重要前提条件. 开展黏性土区域水土流失的防治工作，重点在于提高表层土体的水稳性，进而提高其抗侵蚀性. 采用何种MICP处理工艺以及如何评价MICP处理效果，是目前亟需解决的重要课题.

本研究采用MICP技术对黏性土进行改性处理，以提高表层黏性土的水稳性，从而改善其抗侵蚀性，为水土流失的防治提供新的思路. 通过开展一系列室内试验，研究MICP改性黏性土遇水后的崩解特性，分析MICP处理对土样粒度组分及微观结构的影响，并进一步探讨MICP技术改善黏性土水稳性的作用机制.

1. 试验材料与方法

1.1. 试验材料

试验所采用的土样取自南京，基本物理性质指标如表1所示. 土样的矿物成分以石英、长石为主，是典型的粉质黏土. 黏土矿物主要是伊利石，其次是蒙脱石和少量高岭石.

表 1   土样的基本物理性质

Tab.1  Basic physical properties of soil samples

参数 数值
比重Gs 2.73
塑限ωP/% 19.5
液限ωL/% 36.5
塑性指数IP 17.0
最大干密度ρd/（g·cm−3） 1.71
最优的水的质量分数ωopt/% 15.7

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1.2. 样品制备

1.2.1. 细菌与培养基

试验选用的细菌为巴氏芽孢八叠球菌，购自美国菌种保藏中心，编号为ATCC11859. 该细菌筛选自天然土体内部，对环境无负面影响，且分泌脲酶能力突出，目前在岩土工程领域有广泛应用. 用于细菌活化及培养的培养基（100 mL）的配方为酵母提取物2.0 g、硫酸铵1.0 g、Tris碱（Tris base）1.6 g. 利用恒温震荡培养箱在30 °C和120 r/min的环境下对细菌进行有氧培养24 h，之后利用分光光度计测得菌液的OD600（每单位OD600约对应108个细菌）约为0.80，利用电导率仪测定其活性约为3.22 mM∙urea hydrolysed/（min·OD）. 菌种保存在4 °C的冰箱中，并定期活化以保持活性.

1.2.2. 胶结液制备

胶结液的主要功能是为MICP过程提供尿素以及钙离子，同时提供微生物生长繁殖所需的营养物质. 选用的胶结液浓度为0.5 mol/L，胶结液（100 mL）配方为CaCl2 5.55 g、尿素3.0 g、营养肉汤（nutrient broth）3.0 g.

1.2.3. 土样制备

共制备2组土样，其中一组利用MICP技术对土样进行改性（记为MICP改性土），另一组作为空白对照（记为素土）. 2组土样模具及制备过程均保持一致，且均制备3个平行样（见图1）. 所选模具为长220 mm、宽170 mm、高70 mm的有机玻璃容器，厚度为10 mm. 制样时首先在容器内填充30 mm厚的粗砂（砂粒径约为2 mm）作为下垫面， 随后铺设20 mm厚的黏性土，稍作压实，控制初始干密度约为1.5 g/cm3.

图 1

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图 1   土样不同处理阶段的照片

Fig.1   Pictures of soil samples at different treatment stages


1.3. 试验过程与方法
1.3.1. 干湿循环试验

为了使试验中的土样更接近自然界中的状态，模拟干湿气候变化对土样进行干湿循环处理. 对于制备好的土样，首先采用模拟降水的方式进行增湿，具体操作为利用喷壶向土样表面均匀喷水，每次喷水100 g，喷水强度约为3.33 L/m2；然后将土样置于室内进行风干处理，室内温度控制在(25±1)°C，相对湿度控制在(50±5)%，每一次风干时长为18 h. 许多研究表明，室内制备的重塑土样一般经历3~5次干湿循环后其力学性质和微观结构特征基本能够达到相对稳定的状态[37]. 为了确保土样能达到相对稳定状态，本次试验重复上述步骤，总计进行7轮干湿循环.

1.3.2. MICP处理

在采用MICP技术对砂土进行改性处理时，一般多采用灌浆法和浸泡法2种工艺来完成胶结过程[9]. 但对于黏性土的水土流失问题而言，重点须对表层土体进行处理，以往的工艺显然不再适用. 为此，本研究依据实际工况条件和潜在应用要求，提出基于喷洒法的MICP处理工艺，由喷洒菌液和喷洒胶结液两部分组成. 具体过程如下：每日定时向土样表面均匀喷洒100 mL菌液；在喷洒完成后将土样静置6 h，以保证微生物在土样中的入渗及定植；再向土样表面均匀喷洒100 mL胶结液，完成一次胶结过程；18 h后进行下一轮次的菌液喷洒，以此类推循环重复. MICP固化砂土的效果随胶结次数的增加而不断得到改善，但对于黏性土而言，关于MICP处理工艺或者胶结次数的研究较少. 为了确保取得显著效果，本研究总计进行2周即14轮胶结过程. 为了进行更好的对比分析，对于素土样，采用去离子水在同等条件下也进行了14轮喷洒处理. 在处理结束后，将2组土样置于室温下进行风干处理，总计风干时长为7 d. 具体的试验周期全过程如图1所示.

1.3.3. 崩解试验

崩解试验是研究和评价土体水稳性的重要方式. Chenu等[38]利用崩解试验探讨土颗粒粒径、表面积、黏粒质量分数以及饱和度等因素对土体水稳性的影响. 此外，针对不同土质也可以利用崩解试验对其水稳性进行评价，Wijaya等[39]分别对高岭土以及海相黏土的水稳性开展试验并对崩解特性进行分析. 在本研究中，在土样风干完成后，取样开展崩解试验，研究素土样以及MICP改性土的水稳性. 具体试验过程如下：1）用小刀切取边长约为5 mm的正方体的表层黏性土块置于容器中，加入去离子水，对土块进行浸泡；2）采用相机及显微镜观察土样在水中的崩解过程，定时拍照；3）利用计算机数字图像处理技术对获取的崩解照片进行分析，定量评价土样的崩解过程. 须指出的是，在试验过程中为了保证所获图像的品质，须固定相机焦距，并控制光源. 考虑到土样在前期崩解较快，前25 s内每间隔1 s拍摄1张照片，随后每60 s拍摄1张照片，土块的浸泡时间为15 min. 对于每个土样，均选取不同位置的5个土块进行崩解试验.

为了定量评价土样的崩解程度，提出崩解指数概念，表达式为

${\rm{SI}} = {S_t}/{S_0}. $

式中：SI为崩解指数，St为某一时刻土块的面积，S0为崩解试验前土块的面积. SI越大，说明土样的崩解程度越高.

为了准确获取崩解指数，采用自主开发的CIAS（www.climate-engeo.com）图像处理系统对获取的不同时刻的崩解照片进行定量分析，主要包括图片剪裁、二值化及土块面积统计3个步骤，如图2所示. 对所有图片进行等量剪裁，突出土样主体；利用CIAS将图片调整成灰度图，采用自适应阈值算法计算出最佳阈值并生成二值图；借助软件的土块识别与统计模块，生成区块图，统计土块的像素点个数作为土块在某一时刻的面积.

图 2

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图 2   基于CIAS的土块崩解图像量化分析过程

Fig.2   Quantitative analysis process of soil slaking image based on CIAS


1.3.4. 颗粒分析试验

在崩解试验结束后，对崩解后的土样进行颗分试验，分析MICP处理对土样粒径分布的影响. 具体操作为将土样用去离子水配置成悬浊液，装入50 mL的离心管，并通过超声波仪使土颗粒分散，使用激光粒度分析仪进行测试. 本研究所采用的激光粒度分析仪型号为MASTERSIZER-2000，粒径测试范围为0.02~2 000 µm.

1.3.5. 扫描电镜观察

选择表层土样制备片状样品，选择内部土样制备块状样品，分别观察MICP处理土样表面及内部的微观结构特征. 样品制备过程如下：片状样品取于土样表层，用镊子小心夹取面积约为3 mm×3 mm，厚度约为1 mm的片状土块；块状样品取于土样表层下方10 mm左右深度，取样大小约5 mm×5 mm×5 mm. 本次试验选用ZEISS EVO 18型钨灯丝扫描电子显微镜.

2. 结果与讨论

2.1. 崩解过程

如图3所示为不同时刻2组土样的崩解情况. 可以看出，素土样在短时间内即在水中剧烈崩解，5 s后土样面积基本保持不变，说明崩解基本完成. MICP改性土样的水稳性明显较强，在前25 s内土样基本保持完整，在960 s内仅有小规模的崩解扩张.

图 3

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图 3   不同时刻2种土样的崩解情况

Fig.3   Slaking process of two soil samples at different times


在崩解试验过程中使用显微镜放大10倍对不同土样的崩解过程进行观察，如图4所示. 其中，图4（a）为素土浸泡5 s后的图像，图4（b）、（c）、（d）分别为MICP改性土在浸泡5、240、960 s后的图像. 可以看出，在崩解过程中，素土以片状土颗粒迅速崩离母体，在5 s内基本完成崩解，原本澄清的去离子水变得浑浊，并伴有大量气泡产生. MICP改性土样的崩解过程与其有较明显的差异，在前5 s的崩解过程中虽然有气泡逐渐逸出，但土样仍能保持较好的结构联接，并未出现明显崩解. 随着浸泡时间的延长，土样逐步崩解，主要以“片状团聚体”或“块状团聚体”作为崩解单元，原本澄清的去离子水未出现浑浊现象.

图 4

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图 4   素土和MICP改性图样崩解过程的显微镜图像

Fig.4   Microscope images of slaking process of raw soil and MICP treated soil


对于土体崩解机理的阐述主要包括水化作用、黏粒膨胀作用、雨滴溅蚀作用以及物理化学分散[40]. 本试验所用土样的主要黏土矿物成分为具有微膨胀性的伊利石，故黏粒的不均匀膨胀作用对崩解过程的影响不大. 本研究中快速湿润下的土样崩解的主要原因是水化作用，过程及机理如图5所示. 经过多次干湿循环后表层黏性土在微观结构上呈典型的团聚体结构，具有双重孔隙结构特征：团聚体内孔隙（见图5（a））、团聚体间孔隙（见图5（b））[41-42]. 当土样浸入水中后，一方面水的浸润导致团聚体间和团聚体内部土颗粒间的联接减弱，结构发生崩塌和分散；另一方面水分由外向内浸润会驱使孔隙中的气体向内部迁移聚集，并不断被压缩（见图5（c）），当密闭空气的压力突破土颗粒间的联接强度时，会瞬间“爆炸膨胀”并逸出（见图5（d）），即产生图4中观测到的气泡. 这种由密闭气体引起的“爆炸膨胀”作用会极大破坏土体结构，加剧土样的崩解[43]. 当土颗粒间的结构联接完全丧失后，土样崩解完成（见图5（e））.

图 5

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图 5   黏性土体崩解过程示意图

Fig.5   Schematic diagram of clayey soil slaking process


2.2. 崩解指数

经过崩解试验，测得素土样及改性土样的崩解指数随时间的变化，如图6所示. 图中，t为时间. 可以看出，素土在前5 s内崩解指数急剧升高，从1.0上升至4.6，上升了3.6. 相比之下，MICP改性土仅有0.2的增幅，为素土增幅的5.6%. 在试验后期，素土崩解指数约为4.6，MICP改性土崩解指数约为2.2，不到素土的50%. 此外，可以看出MICP改性土崩解指数呈现阶梯式上升的趋势，这主要是因为改性土多以片状或块状团聚体的形式进行崩解. 经过MICP技术的胶结后，原本在水中剧烈崩解的土样的水稳性有了极大的提升，即将MICP技术施用于黏性土以增强其水稳性是行之有效的.

图 6

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图 6   素土和MICP改性土样崩解指数随时间的变化关系

Fig.6   Change of slaking indexes of raw and MICP treated soil samples with time


2.3. 粒径分布

如图7所示为2组土样崩解完成后测得的粒径分布曲线. 图中，GSD为崩解后黏性土颗粒的粒度分布，S为粒度尺寸. 可以看出，素土样是单峰结构曲线，MICP改性土样呈现双峰结构特征，2个峰分别出现在粒径为50、125 μm处. 在粒径分布上，MICP改性土中25 μm以下细颗粒的质量分数显著减小；75 μm以上粗颗粒的质量分数明显增加. 原因如下：1）MICP处理过程中使用的胶结液中含有大量游离的钙离子，钙离子会影响黏土颗粒胶体的理化性质，降低土体的分散性，促进黏土颗粒的团聚[44]. Bissonnais[40]提出高价阳离子有利于团聚体的絮凝，Lugato等[44]通过试验证明黏性土更容易受到阳离子的影响，阳离子能显著提升大团聚体的质量分数. 游离的钙离子具有置换黏土颗粒中的钠离子或其他低价阳离子的能力，此时发生的离子交换作用会显著影响土壤颗粒的双电层结构以及团聚体的稳定性. 这是MICP改性土25 μm以下细颗粒的质量分数显著减小的重要原因. 2）微生物在进入到土体孔隙后定植并诱导碳酸钙沉积，碳酸钙主要分布于土颗粒之间以及覆盖于土颗粒表面[15]；分布于土颗粒之间的碳酸钙通过胶结作用使细小的土颗粒相互连接形成大颗粒，覆盖在土颗粒表面的碳酸钙也在一定程度上增大了土颗粒的尺寸，综合作用使得MICP改性土中粒径为75~250 μm的颗粒的质量分数显著高于素土样. 由此可见，MICP处理有利于促进土颗粒胶结团聚和增加土颗粒尺寸，这对于提高坡面土体的抗侵蚀性具有重要意义. 颗粒尺寸越大，颗粒之间的胶结作用力越强，在坡面水流作用下发生侵蚀对应的临界流速或雨强也越大[45].

图 7

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图 7   崩解后素土和MICP改性土样的粒度分布曲线

Fig.7   Particle size distribution curves of raw and MICP treated soil samples after slaking


2.4. 微观结构

如图8所示为利用相机拍摄的MICP改性土样表面的图像，以及同等位置处的局部样品的扫描电子显微镜照片. 可以看出，改性土样表面有一层白色且致密的硬化壳，该硬化壳在形成机理上与利用MICP于水泥基材料表面形成碳酸钙覆膜类似[46]，主要是因为黏性土的渗透系数相对较低，菌液与胶结液在土样表面停留时间较长，易沉积形成碳酸钙硬化壳. 挑取表面硬化壳样品通过扫描电子显微镜进行观察，可以看到微生物所诱导沉积的碳酸钙呈现片状解理，偏三角面体状（图中标记处），这也是白色致密硬化壳的主要矿物成分. 与之前的报道相似[47]，通过喷洒法对土样表面进行处理，由于微生物以及胶结液易流失或已入渗，在表面沉积的碳酸钙硬化壳厚度不均，一般为1~2 mm.

图 8

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图 8   MICP改性黏性土样的表层微观结构照片

Fig.8   Microstructure image of surface layer of MICP treated soil sample


如图9所示为10 mm深度内素土以及MICP改性土的扫描电子显微镜图像. 可以看出，素土在10 mm深度内总体较松散，其中存在着大量孔径大于40 μm的大孔隙，有些孔径超过100 μm. 这说明对于表层黏性土进行改性不存在微生物入渗障碍，且有足够的空间供微生物定植. 在放大1 000倍的条件下，可以观察到MICP改性土中有大量的碳酸钙晶体填充于土体孔隙中，与MICP改性砂土不同的是，此时碳酸钙胶结的不是临近的单个砂颗粒，而是黏土团粒. 对于素土样而言，其黏聚力主要由吸力决定，对水的作用较敏感，在饱和后吸力减小到零，不再对结构有约束作用[48]. 对于MICP改性土而言，微观上起胶结作用的碳酸钙极大提升了团粒之间的联接强度，由于碳酸钙的溶解度较小，这种胶结对的水的作用不敏感，对提升土体的水稳性具有重要作用，这解释了图6中MICP改性土的崩解指数显著低于素土的原因.

图 9

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图 9   素土和MICP改性土样10 mm深度内的微观结构照片

Fig.9   Microstructure images of raw and MICP treated soil samples at depth of 10 mm


3. 结　论

（1）采用MICP技术对黏性土进行改性处理能显著提高土样的水稳性，遇水后改性土样的崩解过程较素土样缓慢得多，这也验证了基于喷洒法的MICP处理工艺用于改善黏性土水稳性的有效性.

（2）提出的崩解指数能较好地描述和评价土体的崩解特性，且该指标易于获取. 素土的崩解指数随时间快速增加并最终趋于稳定，其崩解速率远高于MICP改性土. 在本研究的试验条件下，素土的最终崩解指数是MICP改性土的2倍.

（3）在经过MICP改性处理后，土样中细颗粒的质量分数减少，而粗颗粒的质量分数大幅增加，土样发生较大程度的团聚. 主要是因为微生物诱导生成的碳酸钙对土颗粒进行了有效胶结. 此外，孔隙溶液中的钙离子通过离子交换也会导致黏土颗粒发生团聚作用. 这对增加土体的抗侵蚀能力有积极意义.

（4）MICP处理土样表面存在结皮现象，土样中的大孔隙被微生物诱导生成的碳酸钙填充，密实度增加，与此同时，碳酸钙的胶结作用提升了土颗粒之间的联接强度，这是土样水稳性得以改善的重要原因.

（5）提出基于微生物矿化作用的黏性土水稳性调控措施，通过开展室内试验，初步表明该方法具有较好的效果，为我国水土流失防治提供了新的思路. 目前围绕该课题的研究尚处于探索阶段，今后有必要在处理工艺、效果评价、改性机制、影响因素等方面开展系统而深入的研究，为所提出的技术方法走向实际工程应用奠定基础.

参考文献

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