多濃度營養(yǎng)鹽處理對(duì)微生物膠結(jié)砂土均勻性與強(qiáng)度的影響

王緒民++郭偉+余飛+易朝+孫霖

摘要：采用二次注入菌液方式，制備不同濃度營養(yǎng)鹽處理的MICP（微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀）膠結(jié)砂樣。選用巴氏芽孢桿菌作為固化細(xì)菌，采用單一濃度（0.5、1.0 mol/L）和多濃度相結(jié)合（前期采用0.5 mol/L，后期采用1.0 mol/L）的處理方式注射營養(yǎng)鹽（尿素/氯化鈣混合液），研究多濃度營養(yǎng)鹽結(jié)合處理方式對(duì)微生物固化砂土強(qiáng)度及均勻性的影響?；谠囼?yàn)測(cè)試分析了固化砂土試樣不同區(qū)間段的強(qiáng)度、彈性模量以及碳酸鈣含量。試驗(yàn)結(jié)果表明，多濃度營養(yǎng)鹽處理方式對(duì)固化砂土試樣的強(qiáng)度及碳酸鈣含量有明顯影響；多濃度營養(yǎng)鹽結(jié)合處理方式能夠保證試樣有較好的均勻性條件下獲得較高強(qiáng)度及彈性模量。基于多濃度營養(yǎng)鹽處理方式，探討分析了影響試樣強(qiáng)度和均勻性的基本因素。

關(guān)鍵詞：碳酸鹽沉淀；膠結(jié)砂；抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU433文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2017）03014506

Abstract：The MICP（microbial induction of calcium carbonate precipitation）cemented sand samples are prepared by injecting twice bacteria solution with different concentrations of nutrient salt treatment. S. pasteurii is used to induce calcite precipitation， and all the specimens were prepared by injecting a single concentration or multiconcentration nutrient solutions. In this study， 0.5 and 1.0 mol/L ureacalcium chloride solutions are used for the former grouting treatment， while for the latter one， 0.5 mol/L ureacalcium chloride solution is firstly injected； and subsequently， 1.0 mol/L ureacalcium chloride solution is utilized. Based on the experiment， the strength， modulus of elasticity and calcite content of MICP specimens ' different sections are analyzed. From the experimental results， it can be found that multiconcentration nutrient treatment has significant influence on the unconfined compressive strength of biocemented sand and calcite content. The multiconcentration nutrient treatment can ensure the high strength and elastic modulus of the sample under the condition of good uniformity. Finally， the basic factors that affect the strength and uniformity of samples were discussed based on the method of multiconcentration nutrient treatment.

Keywords：carbonate precipitation；cemented sand； compressive strength

細(xì)菌廣泛存在于自然界中，大多數(shù)細(xì)菌均可在礦化沉積過程中扮演著重要的角色，其參與誘導(dǎo)或控制無機(jī)礦物沉積的形成，如磷酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、硅酸鹽、硫化物及氧化物等[12]。近年來鑒于傳統(tǒng)的土壤改良材料對(duì)于自然環(huán)境、人文環(huán)境的污染，如1974年，日本一起丙烯酰胺灌漿造成四例飲用水中毒事件，因此細(xì)菌誘導(dǎo)礦化這一環(huán)境友好土壤改良方法引起眾多學(xué)者的關(guān)注。

研究表明，通過巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀方法改良土壤后，土壤硬度可增加3倍，明顯提高土壤的工程參數(shù)[3]。Paassen等[45]利用注入巴氏芽孢桿菌的方法進(jìn)行了MICP固化土壤的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳酸鈣含量為0%到24%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的范圍為1到12 MPa，同時(shí)也進(jìn)行了較大規(guī)模的試驗(yàn)（100 m3），發(fā)現(xiàn)MICP法可有效提高顆粒狀土壤的硬度。Rong等[6]研究發(fā)現(xiàn)固定注射速率、非連續(xù)注漿方式有利于細(xì)菌吸附，且采用該方式可獲得較高強(qiáng)度的試樣。Qabany等[7]發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)鹽濃度、反應(yīng)間隔時(shí)間和有效注射速率對(duì)碳酸鈣置換率有顯著影響。張?jiān)降萚8]研究發(fā)現(xiàn)Ca（CH2COO）2作為鈣源，碳酸鹽沉淀對(duì)試樣有較大的強(qiáng)度提高。

縱觀以上研究，菌液多為一次注入或循環(huán)注入。單次注入菌液在后期注營養(yǎng)鹽過程中，菌株易被沖刷出試樣造成菌株的大量減少。循環(huán)注入菌液則造成試驗(yàn)成本的增加及操作的繁復(fù)。為此本次室內(nèi)試驗(yàn)在砂樣內(nèi)形成一定碳酸鈣后二次注入菌液，對(duì)砂樣內(nèi)的附著的菌株進(jìn)行補(bǔ)充。本次試驗(yàn)基于這一操作方式來研究單一或多濃度營養(yǎng)鹽結(jié)合處理對(duì)膠結(jié)試樣強(qiáng)度及均勻性的影響。

2微生物固化試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用廈門ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（99.7%石英），最小干密度1.53 g/mL，最大干密度1.81 g/mL，不均勻系數(shù)Cu為5.08。試驗(yàn)菌種為巴氏芽孢桿菌（S. pasteurii，編號(hào) ATCC 11859），購自美國菌種保藏中心。細(xì)菌接種培養(yǎng)至培養(yǎng)基出現(xiàn)渾濁。采用波長為600 nm的紫外可見分光光度計(jì)測(cè)得細(xì)菌光密度并將菌液濃度調(diào)至2.0（OD600）。