生蠔殼作為微生物固化砂土鈣源的試驗(yàn)研究

梁仕華，林堅(jiān)鵬,2，牛九格，馮德鑾，龔 星，羅慶姿

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 桂林聯(lián)勤保障中心 76174部隊(duì)，廣西 桂林 512200）

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)是一種新興的、有應(yīng)用潛力的土體加固技術(shù)[1-2]，其處理過(guò)程會(huì)消耗大量鈣離子，目前大多數(shù)試驗(yàn)研究主要選用化學(xué)分析鈣作為MICP鈣源，氯化鈣是常用的一種[3]。但由于化學(xué)分析鈣價(jià)格比較昂貴，且氯化物具有一定腐蝕性，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在MICP鈣源來(lái)源方面做了一些嘗試探究。Cheng等[4]利用海水中溶解的鈣離子作為MICP過(guò)程中的鈣源，用尿素和海水混合物沖刷多孔沙質(zhì)土壤200次獲得300 kPa的強(qiáng)度。Choi等[5]利用醋酸提取蛋殼中的鈣離子作為MICP鈣源固化砂柱，固化后砂柱抗壓強(qiáng)度達(dá)400 kPa，滲透系數(shù)從10–4m/s降低到10–6～10–7m/s。Liu等[6]利用乙酸從鈣質(zhì)砂中浸出可溶性鈣，用于MICP固化鈣質(zhì)砂，隨著膠結(jié)溶液量的增加，鈣質(zhì)砂柱的強(qiáng)度、剛度呈指數(shù)增長(zhǎng)，可溶性鈣處理樣品無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高達(dá)2.458 MPa，SEM和XRD分析表明，鈣質(zhì)砂顆粒表面及其接觸點(diǎn)處形成了文石沉淀結(jié)晶。Choi等[7]利用木質(zhì)素纖維生物質(zhì)熱解的乙酸提取石灰石中的鈣離子作為MICP鈣源固化砂柱，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.1 MPa。以上研究說(shuō)明若能通過(guò)一定的方法將鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)豐富的物質(zhì)中的鈣轉(zhuǎn)換成游離的鈣離子，便可作為鈣源應(yīng)用于微生物固化砂土。

生蠔作為一種營(yíng)養(yǎng)豐富的海產(chǎn)品備受人們喜愛(ài)，目前我國(guó)主要加工利用生蠔可食用部分，大量的蠔殼被作為垃圾丟棄，蠔殼的資源化利用不足，蠔殼中的有機(jī)物在長(zhǎng)期堆放過(guò)程中由于腐敗會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[8-9]。蠔殼的主要成分是CaCO3，若能將其利用，不但能夠代替MICP常用的化學(xué)分析鈣，而且解決了蠔殼污染問(wèn)題。筆者通過(guò)硝酸提取蠔殼中的鈣離子作為MICP鈣源，采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試、干密度試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)等探討以蠔殼作為MICP固化砂土鈣源的可行性，為含鈣豐富污染物質(zhì)的處理提供新的思路。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 細(xì)菌及擴(kuò)大培養(yǎng)

本文選用從荷蘭DSM公司購(gòu)買的編號(hào)為DSM33的巴氏芽孢八疊球菌凍干粉，細(xì)菌擴(kuò)大培養(yǎng)的培養(yǎng)液配方是：酵母提取物20 g/L，硫酸銨10 g/L，氫氧化鈉2 g/L，pH調(diào)節(jié)在9左右?；罨蟮木和ㄟ^(guò)測(cè)定電導(dǎo)率和OD600來(lái)評(píng)價(jià)細(xì)菌活性。

1.1.2 營(yíng)養(yǎng)液

營(yíng)養(yǎng)液成分主要是鈣源和尿素混合液，蠔殼提取鈣源的方法是取廚余蠔殼進(jìn)行清洗烘干粉碎，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%稀硝酸溶解蠔殼，待蠔殼完全溶解后靜置36 h，取上清液進(jìn)行過(guò)濾，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH溶液調(diào)整pH保持在6.5～7.0之間。用滴定法測(cè)定溶液鈣離子濃度，結(jié)果見(jiàn)表1。由于本試驗(yàn)生蠔殼鈣源是利用硝酸提取的，為了驗(yàn)證其可以代替氯化鈣，因此本試驗(yàn)采用化學(xué)分析鈣硝酸鈣、氯化鈣作為鈣源對(duì)照組。試驗(yàn)中每種鈣源試樣的平行試件為4組。

表1 蠔殼鈣源的鈣離子濃度和pHTable 1 Calcium ion concentration and pH of clam shell calcium source

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制備

生物固化砂土的試樣尺寸為直徑39 mm，高80 mm，采用PVC模具控制裝樣密度1.5 g/cm3。將稱取的標(biāo)準(zhǔn)砂分3次緩慢加入模具，分層搗實(shí)至同一高度，在試樣的頂部和底部分別覆蓋一層土工布。采用間歇分步循環(huán)灌漿方式給每個(gè)試樣分別利用蠕動(dòng)泵以恒定速率泵入菌液或者營(yíng)養(yǎng)液[10-13]。

1.2.2 測(cè)試方法

(1) 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將烘干的試樣放在試驗(yàn)機(jī)上，調(diào)整試驗(yàn)機(jī)底座，使試樣和試驗(yàn)機(jī)上下加載板剛好接觸，將力清零后開(kāi)始試驗(yàn)，直至試樣破壞后讀取無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

(2) 滲透系數(shù)試驗(yàn)。采用變水頭試驗(yàn)，參照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123-1999)測(cè)定一定間隔時(shí)間Δt內(nèi)，水頭初始高度h1和終止高度h2，結(jié)合水管橫截面積a，試樣高度l和試樣橫截面積A，根據(jù)式(1)計(jì)算試樣的滲透系數(shù)。

(3) 碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗(yàn)。取試驗(yàn)后未壓碎的砂塊，每組選取砂塊的質(zhì)量均為50 g左右，稱其質(zhì)量m1，再用5 mol/L的濃鹽酸溶液浸泡砂塊直至沒(méi)有氣泡產(chǎn)生。用去離子水將反應(yīng)后的砂樣沖洗干凈后，放入烘箱中烘干，稱反應(yīng)后砂樣的質(zhì)量m2，通過(guò)式(2)得到碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)CCa。

(4) 干密度試驗(yàn)。將砂柱試樣放置于鼓風(fēng)烘干箱中在80 ℃下烘干至恒重，然后取出試樣在自然溫度下冷卻，測(cè)得冷卻后試樣的質(zhì)量、高度和直徑，計(jì)算出試樣的密度，即為砂柱試樣的干密度。

(5) 掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)。試驗(yàn)采用Merlin場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（蔡司公司，德國(guó)），掃描電壓5.0 kV，選取破碎的砂樣用烘箱烘干，然后取出烘干的砂樣，放在砂樣夾上，進(jìn)行抽真空預(yù)處理，噴金20 s。然后把砂樣放入電鏡掃描真空倉(cāng)中進(jìn)行掃描，按試驗(yàn)方案拍攝放大500倍和3 000倍的SEM照片。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 物理力學(xué)指標(biāo)

圖1顯示了不同鈣源固化砂土的物理力學(xué)指標(biāo)，由圖1可以看出以生蠔殼為鈣源固化后砂柱的碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干密度、滲透系數(shù)分別15.28%、2.09 g/cm3、1.12×10–4m/s，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和干密度較以硝酸鈣為鈣源分別提高了14%和1.4%，滲透系數(shù)降低了8.2%，但與氯化鈣為鈣源的對(duì)比，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和干密度分別提高了52%和13%，滲透系數(shù)降低27.7%。以生蠔殼為鈣源固化后砂柱無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度略高于硝酸鈣對(duì)照組，但是較氯化鈣對(duì)照組提高了76.7%。由圖1 (c) 可以看出，蠔殼鈣源固化砂柱的峰值強(qiáng)度較化學(xué)鈣源的有提高，但是其延展性較差，脆性破壞比較明顯，不同鈣源固化砂土的應(yīng)力應(yīng)變趨勢(shì)相似，可分為4個(gè)階段：應(yīng)力隨應(yīng)變緩慢增長(zhǎng)階段，應(yīng)力隨應(yīng)變快速增長(zhǎng)階段，峰值應(yīng)力后應(yīng)力陡降階段，應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力穩(wěn)定階段。

圖1 不同鈣源固化砂土的物理力學(xué)指標(biāo)Fig.1 Physical and mechanical indicators of solidified sand with different calcium sources

通過(guò)比較3組不同鈣源的固化砂柱的物理力學(xué)指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，固化砂柱砂顆粒在碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，固化砂柱砂顆粒之間的空隙被填充粘結(jié)，使得顆粒間結(jié)構(gòu)更為致密，從而降低了滲透系數(shù)，提高了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、干密度。另外，也可以發(fā)現(xiàn)以硝酸鈣為鈣源的固化效果較氯化鈣更好，這與筆者課題組前期的研究結(jié)論[14]保持一致。

2.2 微觀及礦物成分分析

通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)將不同鈣源固化后的砂柱放大不同倍數(shù)得到固化砂柱的微觀形貌及沉淀晶體形態(tài)如圖2和圖3所示。從圖2可以看出，不同鈣源的固化后砂柱砂顆粒表面都有碳酸鈣沉淀生成，從而使其干密度有了一定的提高；碳酸鈣沉淀包裹在砂顆粒表面并填充顆粒之間的部分孔隙，使砂顆粒由原先結(jié)構(gòu)松散變成相對(duì)致密整體，降低的滲透性同時(shí)使砂柱具有一定的強(qiáng)度。沉淀晶體形態(tài)如圖3所示，通過(guò)生蠔殼鈣源獲得的碳酸鈣沉淀表面比較粗糙、伴有微小孔隙的球體形態(tài)；通過(guò)硝酸鈣獲得的碳酸鈣沉淀是介于球狀和棱柱體之間的多棱角的簇狀；通過(guò)氯化鈣獲得的碳酸鈣沉淀呈現(xiàn)顆粒相互交錯(cuò)堆積的簇狀。

為了進(jìn)一步分析固化砂土的孔隙情況，利用IPP圖片處理軟件對(duì)SEM圖片進(jìn)行了二值化處理[15-16]：通過(guò)圖片處理軟件掃描SEM圖像的每個(gè)像素值，而SEM圖像中不同的閾值剛好對(duì)應(yīng)不同表面孔隙面積，將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，如圖4所示，通過(guò)二值化圖像測(cè)算表觀孔隙面積，并將表觀孔隙面積與圖片面積的比值定義為表觀孔隙率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，生蠔殼為鈣源固化的砂柱中，大孔隙(20～50 μm)和孔洞(＞50 μm)占比較高；化學(xué)鈣源固化的砂柱中，均呈現(xiàn)大孔隙(20～50 μm)占比最高，但是硝酸鈣作為鈣源固化的砂柱中不存在孔洞(＞50 μm)。生蠔殼為鈣源的固化砂柱中雖然平均孔徑較大，但是其表觀孔隙率最小，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多，較大孔隙具有個(gè)別性，因此以生蠔殼為鈣源的固化砂柱的強(qiáng)度也是最高的。

圖2 不同鈣源固化砂土后的SEM圖片F(xiàn)ig.2 SEM picture of different calcium sources after solidifying sand

圖3 不同鈣源固化砂土碳酸鈣沉淀晶體形態(tài)圖Fig.3 Crystal morphology of precipitated calcium carbonate from different calcium sources

圖4 不同鈣源固化砂土后的SEM二值化圖片F(xiàn)ig.4 SEM binarization picture after curing sand with different calcium sources

表2 不同鈣源固化砂柱的微觀結(jié)構(gòu)孔徑分布統(tǒng)計(jì)分析表Table 2 Statistical analysis of microstructure pore size distribution of different calcium source curing sand columns

3 結(jié)論

本文分別以生蠔殼為MICP鈣源與化學(xué)鈣鈣源固化砂柱，通過(guò)物理力學(xué)指標(biāo)和微觀對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

(1) 以生蠔殼為MICP鈣源的固化砂柱獲得的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)、碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干密度等物理力學(xué)指標(biāo)均優(yōu)于化學(xué)分析鈣的，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.45 MPa，滿足工程建設(shè)地基處理的要求。

(2) 從微觀結(jié)構(gòu)上看，不同鈣源固化砂柱砂顆粒表面均有碳酸鈣沉淀生成，生蠔殼鈣源固化砂柱的平均孔徑最大，但其表觀孔隙率最低，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多，強(qiáng)度和物理力學(xué)指標(biāo)均要優(yōu)于化學(xué)鈣源固化的砂土試樣。

(3) 通過(guò)生蠔殼鈣源獲得的碳酸鈣沉淀晶體形態(tài)表面比較粗糙，伴有微小孔隙的球體形態(tài)；通過(guò)硝酸鈣獲得的碳酸鈣沉淀是介于球狀和棱柱體之間的多棱角的簇狀；通過(guò)氯化鈣獲得的碳酸鈣沉淀呈現(xiàn)顆粒相互交錯(cuò)堆積的簇狀。