金屬離子種類對珊瑚砂微生物固化影響研究

宋 平, 方祥位, 李洋洋, 李 捷, 申春妮

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金屬離子種類對珊瑚砂微生物固化影響研究

宋 平1, 方祥位1, 李洋洋1, 李 捷1, 申春妮2

(1. 中國人民解放軍后勤工程學(xué)院土木工程系, 重慶 401311; 2. 重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院, 重慶 401331)

選用巴斯德芽孢桿菌, 對微生物誘導(dǎo)鈣離子、鎂離子以及鐵離子形成碳酸鹽固化松散珊瑚砂顆粒的效果進(jìn)行對比研究。試驗(yàn)結(jié)果表明, 在相同試驗(yàn)方法、相同注入次數(shù)的條件下, 微生物誘導(dǎo)形成的碳酸鈣和碳酸鎂能將珊瑚砂松散顆粒固化成為整體, 加入鐵離子的試樣因?yàn)榉磻?yīng)過程的原因沒有成功。通過滲透性、干密度變化、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行對比分析, 鈣離子試樣相對于鎂離子試樣, 具有固化過程平穩(wěn)、干密度增量大、強(qiáng)度高、微觀顆粒包裹更好的優(yōu)點(diǎn)。綜合試驗(yàn)結(jié)果得出, 鈣離子是現(xiàn)階段微生物固化珊瑚砂較為理想的金屬離子。本試驗(yàn)首次探討了金屬離子種類對珊瑚砂微生物固化效果的影響, 為微生物固化技術(shù)提供了一定理論基礎(chǔ), 對該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用具有一定借鑒意義。

珊瑚砂; 微生物固化; 碳酸鈣; 碳酸鎂

南海地理位置(0°~25°N)和海水溫度(17~28℃)適合碳酸鹽巖和造礁生物的生長和發(fā)育, 島礁以珊瑚礁為主[1]。珊瑚礁體的表層結(jié)構(gòu)通常由松散礁砂礫層占主要地位, 其中礁砂我們稱之為珊瑚砂。珊瑚砂生成于漫長的海洋過程中, 由礁珊瑚碎屑加上其他海洋生物碎屑形成。珊瑚砂特殊的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)以及發(fā)育環(huán)境等導(dǎo)致其具有獨(dú)特的工程性質(zhì), 具有顆粒易破碎、壓縮性較大、地基承載力較低等特性[2]。土壤固化途徑包括物理作用、機(jī)械方法、化學(xué)膠結(jié)和土工織物等諸多手段與方法。這些方法用于處理遠(yuǎn)離陸地的珊瑚砂時存在設(shè)備材料運(yùn)輸困難, 環(huán)境污染嚴(yán)重等問題[3-5]。近年來, 南海工程建設(shè)及將微生物與海洋工程結(jié)合的技術(shù)手段, 受到廣泛關(guān)注[1, 5-8]。

微生物固化技術(shù)是一種新興土壤固化技術(shù)。Whiffin[9]提出, 某些特定細(xì)菌, 在提供金屬離子和有機(jī)物的條件下, 可以生成具有膠結(jié)性質(zhì)的碳酸鹽, 這些膠結(jié)物質(zhì)可以把松散的土顆粒固化為具有一定強(qiáng)度和剛度的整體。該技術(shù)具有操作簡單、環(huán)境友好、能耗低等優(yōu)點(diǎn), 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土木工程、文物修復(fù)、污水處理等領(lǐng)域[10-11]。將微生物固化技術(shù)應(yīng)用于島礁建設(shè), 可以就地取材, 保護(hù)生態(tài)環(huán)境, 解決材料設(shè)備運(yùn)輸不便等問題。

目前, 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣固化砂土的技術(shù)發(fā)展較快。國外研究者通過大量的試驗(yàn), 對細(xì)菌活性對沉淀生成、固化砂柱強(qiáng)度和剛度的影響因素等方面進(jìn)行了研究, 實(shí)現(xiàn)了從室內(nèi)小型砂柱試驗(yàn)到現(xiàn)場大型試驗(yàn)的進(jìn)步, 并進(jìn)行了初步的數(shù)值模擬[12-15]。國內(nèi)主要以室內(nèi)試驗(yàn)研究為主。錢春香等[16]對微生物在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了系列研究, 取得了重要進(jìn)展。程曉輝等[17]對微生物固化砂基的動力特性進(jìn)行了研究。方祥位等[4, 18-19]率先對珊瑚砂的微生物固化技術(shù)進(jìn)行研究, 為實(shí)際應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

根據(jù)元素周期表中金屬離子的性質(zhì), 可以與碳酸鹽反應(yīng)生成沉淀的有鎂離子、鐵離子、鈣離子和鋇離子。鋇離子會使蛋白質(zhì)變性失活, 毒性較強(qiáng), 不宜在工程中應(yīng)用?，F(xiàn)階段采用的金屬離子以鈣離子為主。榮輝、錢春香等[20]對微生物誘導(dǎo)碳酸鎂膠結(jié)松散砂進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對微生物誘導(dǎo)其他金屬離子形成碳酸鹽固化松散砂顆粒的研究還鮮有報(bào)道。在相同試驗(yàn)條件下, 研究微生物誘導(dǎo)不同金屬離子形成碳酸鹽固化松散砂顆粒的固化效果, 對于優(yōu)選微生物固砂所用金屬離子具有重要意義。

本文在相同試驗(yàn)條件下研究微生物誘導(dǎo)鈣離子、鎂離子及鐵離子形成碳酸鹽固化珊瑚砂的效果, 從滲透特性、干密度變化、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)等方面對比研究金屬離子種類對微生物固化珊瑚砂的影響, 為微生物固化珊瑚砂技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 珊瑚砂

珊瑚砂取自南海某島礁, 其成分以碳酸鈣為主。試驗(yàn)中每個試樣的珊瑚砂均采用相同級配, 具體粒徑組成為: 2~5、1~2、0.5~1、0.25~0.5、0.075~0.25、<0.075 mm, 其中最大粒徑不超過5 mm。其不同顆粒的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比分別為11.28%、3.94%、32.64%、37.70%、11.58%、2.86%。

1.2 細(xì)菌的選用及培養(yǎng)

采用巴斯德芽孢桿菌, 細(xì)菌培養(yǎng)的整個過程在無菌環(huán)境中進(jìn)行。具體的方法為: (1)利用平板劃線法, 培養(yǎng)挑選無雜菌的單菌落配制菌液母液100 mL, 放入震蕩培養(yǎng)箱培養(yǎng); (2)將培養(yǎng)的菌液母液倒入培養(yǎng)基中擴(kuò)大培養(yǎng); (3)進(jìn)行細(xì)菌活性(細(xì)菌水解尿素的能力, 即每分鐘水解尿素的量, 單位為mmol/(L·min))測試, 本次試驗(yàn)培養(yǎng)的細(xì)菌活性為0.8 mmol/(L·min)以上。

1.3 固化模具

本文試驗(yàn)裝置如圖1所示。采用模具為對開的直徑50 mm的透明有機(jī)玻璃管。將模具用環(huán)保有機(jī)雙面玻璃膠粘牢, 底部塞入纏好止水膠布的帶孔橡膠塞, 將帶有變徑接頭的橡膠管插入橡膠塞的孔中, 最后在模具上、中、下部分別加鋼制套箍。裝樣時在模具底部墊入生化棉, 防止細(xì)顆粒砂滑落, 將珊瑚砂裝入模具后, 加一層生化棉, 防止注入液體時砂土受到擾動。最后將組裝好的模具安裝在試驗(yàn)架上。

1.4 試驗(yàn)方案

為研究金屬離子種類對微生物固化珊瑚砂的影響, 本文設(shè)置了鈣離子組、鎂離子組和鐵離子組, 共計(jì)9個試樣。對每個試樣注入100 mL菌液, 關(guān)閉止水夾, 靜置0.5 h, 使菌液與珊瑚砂顆粒充分接觸。將流出的菌液再次注入珊瑚砂中, 如此往復(fù)3次, 確保細(xì)菌充分吸附到珊瑚砂顆粒表面上。然后一次性注入200 mL混合溶液, 每組試樣的混合溶液由不同溶液組成, 其具體組成成分如表1所示, 表中每種溶液的濃度均為 2 mol/L。混合溶液注入完畢, 立即關(guān)閉止水夾, 使反應(yīng)充分進(jìn)行, 2 h后打開止水夾。溶液流盡后, 再次將混合溶液倒入模具。每次混合溶液流盡時, 對每個試樣的溶液進(jìn)行EDTA滴定試驗(yàn), 檢測溶液中金屬離子含量。當(dāng)所有試樣的溶液中不再有金屬離子殘留時, 混合溶液無法與細(xì)菌反應(yīng)生成沉淀, 更換下一組菌液和混合溶液, 重復(fù)上述過程。試驗(yàn)中每次更換混合溶液后, 大多數(shù)試樣的金屬離子在第五次滴定時全部消耗, 個別試樣的金屬離子在第四次全部消耗, 為保證通入溶液的次數(shù)一致, 所有試樣均通入五次后更換菌液及混合溶液。試驗(yàn)中保證每個試樣通入混合溶液總量及次數(shù)一致。整個過程利用蠕動泵控制溶液滲透速率。2周后固化結(jié)束, 拆除模具。

圖1 試驗(yàn)裝置

表1 混合溶液組成成分

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)原理

將松散珊瑚砂裝入有機(jī)玻璃管, 注入菌液, 菌液在砂顆粒表面的吸附作用下, 大部分附著于顆粒表面。注入混合溶液時, 尿素在細(xì)菌的水解作用下水解生成碳酸根, 反應(yīng)式如下:

NH2-CO-NH2+2H2O→2NH4++CO32–(1)

碳酸根遇到金屬離子反應(yīng)生成沉淀, 反應(yīng)式如下:

CO32–-cell-Ab2+→cell-AbCO3↓ (2)

隨著菌液和混合溶液的不斷注入, 反應(yīng)不斷進(jìn)行, 膠結(jié)物質(zhì)增多。膠結(jié)物質(zhì)將砂顆粒包裹或填充在孔隙中, 使松散的砂形成一個具有強(qiáng)度的整體。

2.2 表觀特性

鈣離子和鎂離子試樣反應(yīng)過程平穩(wěn), 拆除模具后試樣完整, 表面較光滑, 固化效果較好, 達(dá)到了預(yù)期的效果, 如圖2所示。

圖2 固化好的砂柱

a. 鈣離子試樣; b. 鎂離子試樣

a. Specimens biocemented with calcium ions; b. specimens bioce-mented with magnesium ions

圖3 鐵離子試樣產(chǎn)生大量氣泡

鐵離子試樣在第一次通入混合溶液時, 產(chǎn)生大量氣泡, 如圖3所示; 試樣拆模后沒有成型, 珊瑚砂處于完全松散狀態(tài), 如圖4所示。這是因?yàn)榫号c三價(jià)鐵離子和尿素的混合溶液接觸時, 瞬間生成碳酸鐵, 碳酸鐵不穩(wěn)定, 快速水解, 產(chǎn)生大量二氧化碳, 同時生成氫氧化鐵沉淀。反應(yīng)式如下:

Fe3++cell→cell-Fe3+(3)

3CO32–-cell-2Fe3+→cell-Fe2(CO3)3↓ (4)

2Fe3++3CO32–+6H2O→2Fe(OH)3↓+3H2CO3(5)

H2CO3→H2O+CO2↑ (6)

圖4 鐵離子試樣

氫氧化鐵可以使松散砂固化為整體?？墒欠磻?yīng)過程劇烈, 表層珊瑚砂的孔隙被快速填充, 并產(chǎn)生大量氣泡, 導(dǎo)致固化過程受阻并影響溶液下滲, 最終影響固化效果。如果通過適當(dāng)?shù)姆椒刂品磻?yīng)速率, 并導(dǎo)出二氧化碳, 試驗(yàn)有成功的可能性, 留待以后解決。

鐵離子試樣沒有成型, 下文將圍繞鈣離子和鎂離子固化試樣展開討論研究。

2.3 滲透特性

固化過程中, 隨著反應(yīng)進(jìn)行, 膠結(jié)物質(zhì)不斷生成, 顆粒被包裹得愈加密實(shí), 孔隙變少、變小, 滲透性不斷降低。每次完整地注入菌液和混合溶液后, 進(jìn)行下一次注入菌液前測量滲透性。圖5為滲透性變化關(guān)系。

試驗(yàn)開始后, 所有試樣的滲透性均有小幅度下降。在第三次測量時, 鎂離子試樣(4—6號)滲透性大幅度下降, 鈣離子試樣(7—9號)下降幅度始終平穩(wěn)。所有試樣在固化結(jié)束后滲透性都幾乎降低為零, 孔隙基本被填充。

鈣離子試樣反應(yīng)平穩(wěn), 固化過程持續(xù)穩(wěn)定。鎂離子試樣前期反應(yīng)迅猛, 固化過程進(jìn)行快, 這種情況更易導(dǎo)致固化不均勻性。鎂離子試樣在第三次測量時滲透性大幅降低, 影響后期固化的進(jìn)行, 從而影響固化效果。

圖5 滲透性變化關(guān)系

2.4 干密度增量

試驗(yàn)測得各組固化試樣的干密度增量如表2所示。從表2中可以看出, 固化前珊瑚砂在相同條件下烘干至衡重, 干密度大致相同。固化后, 鎂離子試樣干密度增量范圍在17.2%~26.6%, 鈣離子試樣增量范圍在38.6%~41.2%。從物質(zhì)的量分析, 每立方厘米生成碳酸鎂沉淀為2.6×10–3~4.0×10–3mol, 碳酸鈣生成的量為5.1×10–3~5.6×10–3mol。從中可以看出, 在反應(yīng)過程中, 鈣離子組有更多的沉淀生成, 顆粒表面包裹的膠結(jié)物質(zhì)更多。

表2 干密度增量

2.5 強(qiáng)度特性

為進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn), 對固化試樣進(jìn)行磨平處理, 并將試樣完全烘干。處理后的試樣高10 cm、直徑5 cm。采用重慶科技學(xué)院電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對固化試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn), 加載速率為1 mm/min。

圖6、圖7分別為鈣離子和鎂離子固化試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出, 鈣離子固化試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高達(dá)6 MPa, 鎂離子固化試樣只有1 MPa左右。從圖6可以看出, 鈣離子固化試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為兩段。第1段, 剪切初始階段, 應(yīng)力隨應(yīng)變快速增長, 試樣基本處于彈性狀態(tài); 第2段, 試樣應(yīng)力達(dá)到峰值, 隨即破壞, 應(yīng)力隨應(yīng)變增加而下降。曲線具有明顯的破壞點(diǎn)。破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線離散性較大, 這是由于試樣固化不均勻?qū)е聝?nèi)部存在薄弱結(jié)構(gòu)面, 薄弱面受壓破壞后應(yīng)力降低, 內(nèi)部顆粒重新排列壓實(shí)后強(qiáng)度繼續(xù)發(fā)展。其中9號試樣在達(dá)到最大應(yīng)力值時劈裂破壞(如圖8所示), 出現(xiàn)貫穿裂縫, 導(dǎo)致應(yīng)力突降。從圖7可以看出, 鎂離子固化試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為兩段。第1段, 應(yīng)力隨應(yīng)變緩慢增長; 第2段, 應(yīng)力達(dá)到峰值, 然后應(yīng)力隨應(yīng)變緩慢下降, 沒有明顯破壞點(diǎn)。

圖6 鈣離子固化試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 鎂離子固化試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 破壞后的9號試樣

2.6 微觀結(jié)構(gòu)特征

采用Quanta200型掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)。Quanta掃描電鏡有3種真空操作模式, 分別為高真空模式, 環(huán)境掃描模式和低真空模式, 能對多種樣品進(jìn)行照相。本文試驗(yàn)采用環(huán)境掃描模式, 樣品無需干燥和渡金屬膜, 能更好地反映樣品原貌。

圖9為7號(鈣離子)和4號(鎂離子)固化試樣放大3 000倍和400倍的微觀結(jié)構(gòu)照片。從圖中可以看出, 兩個固化試樣均生成了大量的膠結(jié)物質(zhì), 顆粒表面被碳酸鹽完整包裹, 且孔隙減少, 故滲透性大幅降低; 顆粒間被膠結(jié)物質(zhì)咬合連接, 故強(qiáng)度大幅提高。

圖9 微觀結(jié)構(gòu)照片

a. 7號3 000倍的圖像; b. 4號3 000倍的圖像; c. 7號400倍的圖像; d. 4號400倍的圖像

a. 3 000 times image of No. 7; b. 3 000 times image of No. 4; c. 400 times image of No. 7; d. 400 time image of No. 4

鈣離子固化試樣(圖9 a、9 c), 膠結(jié)物質(zhì)為方解石型碳酸鈣, 顆粒包裹密實(shí), 鈣離子反應(yīng)充分, 顆粒已經(jīng)緊密固化在一起, 對于提高強(qiáng)度十分有利。鎂離子固化試樣(圖9 b、9 d), 根據(jù)文獻(xiàn)[20]可知生成物為菱鎂礦型碳酸鎂。通過觀察微觀圖像, 發(fā)現(xiàn)殘留大量氯化鎂、尿素等其他結(jié)晶, 說明混合溶液中的離子沒有充分利用, 細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鎂生成膠結(jié)物質(zhì)的反應(yīng)不徹底。

2.7 結(jié)果分析

經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果可知, 鈣離子相比于鎂離子對于微生物固化珊瑚砂的效果更好。由反應(yīng)環(huán)境和碳酸鎂與碳酸鈣的性質(zhì)可知, 尿素水解生成大量氨根, 碳酸鈣在氨根溶液中不會分解, 可以穩(wěn)定地存在于溶液中, 固化過程的反應(yīng)不受干擾, 因此用于膠結(jié)砂顆粒的碳酸鈣更多。而碳酸鎂溶于氨根溶液, 同時有微量氣體生成, 具體反應(yīng)式如下,

MgCO3+NH4++H2O→Mg2++HCO3–+NH3·H2O (7)

NH4++HCO3–→NH3·H2O+CO2↑ (8)

這就使碳酸鎂不能穩(wěn)定存在, 生成的碳酸鎂不能均用于膠結(jié)砂顆粒, 一定程度上干預(yù)了固化過程的進(jìn)行; 固化過程不平穩(wěn), 且用于膠結(jié)砂顆粒的碳酸鎂較少, 使得鎂離子試樣干密度增量小; 同時生成微量氣體, 氣體量少不會溢出, 觀察不到, 但是卻可以存在于砂顆粒之間, 使碳酸鎂分布不均, 孔隙不全由膠結(jié)物質(zhì)填充, 砂顆粒包裹不充分, 容易出現(xiàn)薄弱面, 導(dǎo)致試樣的強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

3 結(jié)論

1) 在相同條件下, 鈣離子組和鎂離子組都可以將松散的珊瑚砂固化成為一個整體, 并具有一定的強(qiáng)度剛度等力學(xué)特性; 鐵離子組沒有達(dá)到預(yù)期固化效果。

2) 鈣離子試樣相比于鎂離子試樣, 反應(yīng)過程平穩(wěn), 干密度增量大, 強(qiáng)度高, 顆粒包裹更好。

3) 鈣離子和鎂離子試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可以分為兩個階段, 即應(yīng)力隨應(yīng)變上升段和下降段。但是, 鈣離子試樣具有明顯破壞點(diǎn), 而鎂離子試樣無明顯破壞點(diǎn)。

4) 綜合試驗(yàn)結(jié)果得出, 鈣離子是現(xiàn)階段微生物固化珊瑚砂較為理想的金屬離子。

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Influence of metal ion type on coral sand biocementation

SONG Ping1, FANG Xiang-wei1, LI Yang-yang1, LI Jie1, SHEN Chun-ni2

(1. Department of Civil Engineering, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401311, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

Using calcium, magnesium, and iron ions withto biocement coral sand, we investigated and compared the effect of coral sand biocementation with different types of metal ions. The results show that coral sand can be cemented tightly by calcium carbonate and magnesium carbonate produced by, whereas in the same test conditions, the biocementation of iron ions was unsuccessful in the reaction process. Our analyses of permeability, dry density, unconfined compressive strength, and microstructure suggest that compared with specimens biocemented with magnesium ions, specimens biocemented with calcium ions undergo a more stable biocementation process, have a wider range of dry density, and better strength and particle packaging. Our test results indicate that calcium ions are ideal metal ions for the biocementation of coral sand. In this paper, we discuss the influence of metal ion type on coral sand biocementation for the first time, which provides a theoretical basis for the development of microbial biocementation technology and a certain reference value for further applications of this technology.

coral sand; biocementation; calcium carbonate; magnesium carbonate

(本文編輯: 劉珊珊)

TU 411

A

1000-3096(2017)07-0087-07

10.11759/hykx20161010003

2016-10-10;

2016-12-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51479208, 11272354); 總后勤部基建營房部資助項(xiàng)目(CY114C022)

[National Natural Science Foundation of China, No.41271547, No.41401644; Project Supported by the Department of Infrastructure Barracks of the General Logistics Department, No.CY114C022]

宋平(1992-), 男, 吉林長春人, 碩士研究生, 主要從事巖土微生物技術(shù)研究, 電話: 15223209122, E-mail: 1783887621@qq.com; 方祥位(1975-), 通信作者, 男, 重慶人, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事非飽和土與特殊土力學(xué)及巖土微生物技術(shù)研究, E-mail: fangxiangwei1975@163.com

Oct. 10, 2016