微生物對紅黏土強度的改良效應及機理研究

王連銳，陳 筠，楊 恒，黃 陽，黃 洋

(1.貴州大學 資源與環(huán)境工程學院，貴陽 550025； 2.貴州理工學院，貴陽 550003；3.貴州省質安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責任公司，貴陽 550000)

1 研究背景

紅黏土是一種性質獨特的地域性土，廣泛分布于我國南方地區(qū)，其獨特的物理力學性質造成諸多工程問題[1]。課題組前期對貴州紅黏土進行了大量研究，利用堿液[2-5]、木質素[6]等材料對紅黏土工程性質進行改良，取得了一定的研究成果。然而這些改良方法污染環(huán)境、成本昂貴、改良效果不穩(wěn)定，影響了土體的改良效應。

近年來，微生物巖土技術已得到廣泛應用[7-9]。微生物巖土技術指利用自然界廣泛存在的微生物的新陳代謝，與環(huán)境中的物質發(fā)生生物化學反應，改變土體的物理力學性質，達到凈化環(huán)境、加固土體、治理污染等目的[10]。相對于傳統(tǒng)的土體加固方法，微生物反應是土體生態(tài)系統(tǒng)中本就存在的過程，對環(huán)境的影響較小。在微生物反應過程中，會產(chǎn)生一些結晶或非結晶的無機化合物，這些無機化合物可以充填土體孔隙，膠結土體顆粒[11]。這個微生物反應過程被稱為微生物的礦化作用，常見的反應過程有尿素水解過程[12]、鐵還原過程[13]、硫還原過程[14]等。

課題組前期已開展了一些微生物改良紅黏土工程性質的相關研究，分別利用紅黏土中天然賦存的原生細菌和微生物誘導碳酸鹽沉淀技術(MICP)中常用的巴氏芽孢桿菌，對貴陽紅黏土進行改良研究[15-16]。試驗結果表明微生物對紅黏土工程性質的改良有積極作用，但改良效果不明顯，推測是因為紅黏土中孔隙過小，微生物和營養(yǎng)液無法在土中自由遷移，影響微生物的生存與繁殖。本文選取巴氏芽孢桿菌和鐵細菌為研究對象，結合固定化微生物技術，選用椰殼活性炭為載體，開展微生物對紅黏土的固化效應研究，是巖土工程、生物化學、環(huán)境工程等學科的創(chuàng)新性結合，為紅黏土工程性質改良提供了一種新的思路。

2 試驗材料

2.1 微生物的來源與培養(yǎng)

試驗所采用的菌種為巴氏芽孢桿菌和鐵細菌。巴氏芽孢桿菌來自美國菌種保存中心(ATCC)，編號是ATCC-11859，菌種的活化、培養(yǎng)使用NH4-YE培養(yǎng)基，培養(yǎng)基的成分如表1所示。鐵細菌提取自貴陽某污水水樣，鐵細菌的具體培養(yǎng)基成分參照周鋒[17]的方案，如表2所示。

表1 NH4-YE培養(yǎng)基成分Table 1 Components of NH4-YE medium

表2 鐵細菌培養(yǎng)基成分Table 2 Components of iron bacteria culture medium

將2種菌種置于相應培養(yǎng)基中活化，活化好的菌種置于恒溫振蕩箱中，設置溫度28 ℃，振蕩速率190 r/min，利用紫外-分光光度計每隔2 h測定一次菌種的微生物濃度(OD600)。圖1是2種微生物的生長曲線，可見隨時間變化，微生物濃度先緩慢增加，然后迅速上升，最后趨于穩(wěn)定。如圖2(a)所示，巴氏芽孢桿菌菌液出現(xiàn)渾濁，加入反應液(CaCl2和尿素)后出現(xiàn)碳酸鈣沉淀，證明巴氏芽孢桿菌活化成功；如圖2(b)所示，鐵細菌菌液呈分層現(xiàn)象，上部液體澄清，呈黃色透明狀，底部出現(xiàn)大量紅棕色沉淀，許朝陽等[18]稱其為鐵基絡合物，證明鐵細菌活化成功。

圖1 微生物生長曲線Fig.1 Microbial growth curves

圖2 活化成功的微生物液體Fig.2 Successfully activated microbial fluid

2.2 紅黏土、活性炭與反應液

2.2.1 紅黏土

試驗土樣取自貴陽市花溪區(qū)某基坑紅黏土，取土深度為1～10 m，紅黏土的主要物理指標見表3。將紅黏土自然風干、磨碎，過2 mm的篩。按照66%的含水率(紅黏土天然含水率為66%)制備試驗土樣，制備微生物土樣的時候，將菌液與反應液共同作為66%含水率的液體加入土樣，不再加入水。

表3 紅黏土的主要物理指標Table 3 Main physical indexes of red clay

2.2.2 活性炭

細菌的直徑約0.5～3.0 μm[11]，而紅黏土中孔隙直徑多<0.74 μm[19]。過小的孔隙導致微生物和營養(yǎng)物質無法在土中自由遷移，影響微生物的生存和繁殖。結合固定化微生物技術，選取椰殼活性炭作為載體，將活性炭過2 mm的篩，摻入土中，提供有利環(huán)境使微生物大量聚集、快速繁殖?；钚蕴康膮?shù)見表4。

表4 椰殼活性炭參數(shù)Table 4 Parameters of coconut shell-based activated carbons

2.2.3 反應液

巴氏芽孢桿菌誘導生成碳酸鈣過程中，需要反應液提供鈣離子和尿素，反應液成分為尿素和CaCl2混合液。鐵細菌不需要反應液，在培養(yǎng)液中即可產(chǎn)生鐵基絡合物，反應液即為其培養(yǎng)基成分。

3 試驗方案設計

根據(jù)課題組前期試驗結果[20]，確定2種微生物固化紅黏土的最佳養(yǎng)護條件為：養(yǎng)護溫度30 ℃，養(yǎng)護時間5 d，菌液與反應液配比1∶1。試驗所有土樣均在最佳養(yǎng)護條件下制備。

3.1 活性炭摻入量試驗方案

取定量的風干紅黏土，加入質量百分比分別為4%、7%、10%、15%的活性炭，再加入不同的菌液與反應液，制備不同活性炭摻量的微生物土樣，在最佳養(yǎng)護條件下進行養(yǎng)護。并設置原土樣(無添加重塑土樣)、活性炭(摻量7%)土樣作為對照組。利用SLB-1型應力應變控制式三軸剪切滲透儀進行固結不排水剪切試驗(CU)，根據(jù)試驗結果確定活性炭的最優(yōu)摻量。

3.2 基本物理力學試驗方案

根據(jù)最佳養(yǎng)護方案、最優(yōu)活性炭摻入量，制備2種微生物土樣(巴氏芽孢桿菌土樣和鐵細菌土樣)，以原土樣為對照組，將3組土樣進行基本物理力學試驗。對比不同土樣的物理力學指標，分析微生物對紅黏土物理力學性質的影響。物理試驗包括密度試驗、含水率試驗、比重試驗，通過土的3項指標換算孔隙比。力學試驗包括固結不排水剪切試驗和無側限抗壓強度試驗，固結不排水剪切試驗具體方案見表5,K0為靜止側壓系數(shù)。

表5 固結不排水剪切試驗方案Table 5 Schemes of consolidated undrained shear test

4 試驗結果分析

4.1 活性炭摻量的確定

由表6可知，活性炭土樣與原土樣相比，抗剪強度指標略有下降；鐵細菌土樣與原土樣相比，黏聚力增加，內摩擦角下降，且隨活性炭摻量的增加，鐵細菌土樣的黏聚力先增加后減少，內摩擦角變化不大。當活性炭摻量為10%時，鐵細菌對紅黏土改良效果最佳，有效應力抗剪強度指標c′ 較原土樣提高了58%。巴氏芽孢桿菌土樣與原土樣相比，同樣呈現(xiàn)黏聚力增加、內摩擦角下降的現(xiàn)象。隨活性炭摻量的增加，巴氏芽孢桿菌土樣的黏聚力先增加后減少，內摩擦角持續(xù)下降。同樣在活性炭摻量為10%時，改良效果最佳，此時巴氏芽孢桿菌土樣的抗剪強度指標c′ 較原土樣提高了1倍。綜合2種微生物對于紅黏土的改良效果來看，10%的活性炭摻量為最優(yōu)摻量。

表6 不同土樣的力學指標試驗結果Table 6 Test results of mechanical indices of different soil samples

紅黏土具有高孔隙率、高含水率但同時力學性質又比較好的特點，這主要是因為紅黏土中孔隙多為小孔或微孔，即孔徑<0.74 μm?；钚蕴康募尤肫茐牧送馏w的骨架結構，使得土中大孔隙增多，顆粒與顆粒之間的接觸點減少，導致土體黏聚力和內摩擦角下降。鐵細菌能利用土體中的無機鹽、水分和氧氣，將土中Fe2+氧化成Fe3+并形成氫氧化鐵沉淀，氫氧化鐵可以吸附土壤中的金屬陽離子和菌體，形成鐵基絡合物將土中松散顆粒膠結在一起，增加土體黏聚力[21]。巴氏芽孢桿菌的新陳代謝活動產(chǎn)生大量的高活性脲酶，該脲酶可以水解尿素產(chǎn)生大量的碳酸根離子和銨根離子，碳酸根離子與周圍環(huán)境中的鈣離子結合生成碳酸鈣[22]。碳酸鈣附著在細菌表面形成結晶，充填土體孔隙，膠結土體顆粒，增加土體黏聚力。

當活性炭摻量為0%時，由于細菌的直徑約0.5～3 μm，而紅黏土的孔隙直徑多<0.74 μm，過小的土體孔隙使得2種微生物難以在土中生存和繁殖，產(chǎn)生的膠結沉淀物有限，宏觀力學特征表現(xiàn)為黏聚力只是略有增加。而當菌液和反應液加入土中，鐵細菌反應液中的高價陽離子(鎂離子和鈣離子)和巴氏芽孢桿菌反應液中的高價陽離子(鈣離子)會與土中的單價金屬離子(鈉離子和鉀離子)發(fā)生置換反應，土顆粒雙解電層變薄，結合水轉變?yōu)樽杂伤甗23]，加上土體受到剪切力時，大量生成物的邊角被折斷、剪斷，殘余部分嵌入土體孔隙，使得土體內摩擦角下降。隨著活性炭摻量的增加，土中大孔隙增多，為微生物和反應液的遷移提高通道，同時活性炭巨大的比表面積和發(fā)育的孔隙結構也為微生物提供了足夠的生存空間，使微生物充分反應，產(chǎn)生更多生成物充填土體孔隙，膠結土體顆粒，提高微生物對土體的膠結固化效應，這種固化效應主要體現(xiàn)在土體黏聚力的增加，對于內摩擦角的影響不大。隨著活性炭摻量持續(xù)增加，活性炭對于土體的破壞效應將大于微生物的固化效應，所以在活性炭摻量為15%時，土體抗剪強度出現(xiàn)驟降現(xiàn)象。

4.2 基本物理力學試驗結果

按養(yǎng)護溫度30 ℃，養(yǎng)護時間5 d，菌液與反應液配比1∶1，活性炭摻量10%制備2種微生物土樣，進行基本物理力學試驗，并與原土樣對比分析，試驗結果如下。

4.2.1 含水率變化

如圖3所示，對比原土樣，2種微生物土樣的含水率略有下降，但下降幅度很小，鐵細菌土樣下降1.5%，巴氏芽孢桿菌土樣下降1.65%，說明微生物土體強度的提高并不是含水率下降造成的。含水率下降的原因主要是微生物反應消耗了土中自由水。

圖3 含水率變化Fig.3 Change in moisture content

4.2.2 密度變化

如圖4所示，對比原土樣，2種微生物土樣的密度均提高，側面反映了微生物誘導產(chǎn)物的生成。從試驗結果來看，巴氏芽孢桿菌土樣提高幅度大于鐵細菌土樣，說明在相同條件下，巴氏芽孢桿菌誘導碳酸鈣的生成量要大于鐵細菌生成鐵基絡合物量。

圖4 密度變化Fig.4 Change of density

4.2.3 孔隙比變化

如圖5所示，對比原土樣，2種微生物土樣的孔隙比均下降，證明微生物誘導生成物充填了土體孔隙。巴氏芽孢桿菌土樣下降幅度遠大于鐵細菌土樣，再次證明巴氏芽孢桿菌誘導生成物充填孔隙的效率要優(yōu)于鐵細菌，試驗結果與密度變化相對應。

圖5 孔隙比變化Fig.5 Changes of porosity

4.2.4 固結不排水剪切試驗

峰值強度就是試樣破壞時的主應力差[24]，本試驗無峰值時取15%軸向應變的主應力差為峰值強度。如圖6所示，2種微生物土樣破壞時的峰值強度均大于原土樣，佐證了微生物對紅黏土的固化效應。從試驗結果來看，不同圍壓下巴氏芽孢桿菌土樣的峰值強度均大于鐵細菌土樣，證明巴氏芽孢桿菌的固化效率要優(yōu)于鐵細菌。

圖6 不同圍壓下的峰值強度Fig.6 Peak strength under different confining pressures

根據(jù)試驗所得不同圍壓下的峰值強度和孔隙水壓，在平面上繪制總應力摩爾應力圓和有效應力摩爾應力圓。根據(jù)摩爾應力圓繪制強度包絡線，確定抗剪強度參數(shù)，試驗結果如表7所示。2種微生物誘導產(chǎn)物的生成，充填土體孔隙，膠結土體顆粒，使得土體黏聚力上升，從試驗結果來看，巴氏芽孢桿菌對紅黏土的固化膠結效應要遠大于鐵細菌。對比原土樣，巴氏芽孢桿菌土樣的有效抗剪強度c′ 提高了1倍。但2種微生物土樣的內摩擦角均下降了，其原因有2個：①反應液中的高價陽離子會與土中的單價金屬離子發(fā)生置換反應，土顆粒雙解電層變薄，結合水轉變?yōu)樽杂伤?；②土體受到剪切力時，大量生成物的邊角被折斷、剪斷，殘余部分嵌入土體孔隙，減少顆粒之間的滑動摩擦和咬合摩擦。

表7 原土樣與2種微生物土樣的抗剪強度指標Table 7 Shear strength indices of original soil and modified soil samples

4.2.5 無側限抗壓強度試驗

相比于三軸壓縮試驗，無側限抗壓試驗能更直接地反映地基土體強度及靈敏度。如圖7所示，2種微生物土樣的無側限抗壓強度qu較原土樣均有提高，巴氏芽孢桿菌土樣的無側限抗壓強度達到了原土樣的2倍多，遠大于鐵細菌的提高幅度。試驗結果與之前的物理力學試驗結果具有一致性，再次說明2種微生物均有固化紅黏土的作用，而巴氏芽孢桿菌的固化效率遠優(yōu)于鐵細菌。

圖7 無側限抗壓強度變化Fig.7 Change of unconfined compressive strength

5 微觀分析

為分析2種微生物對紅黏土的微觀作用機理，對2種微生物土樣進行電鏡掃描和能譜分析。鐵細菌采用日本JSM-7800F型掃描電子顯微鏡，巴氏芽孢桿菌采用德國Zeiss電子掃描顯微鏡。

5.1 微觀試驗結果分析

5.1.1 鐵細菌土樣

在鐵細菌土樣的SEM圖像中，沒有找到明顯的鐵細菌，如圖8(a)所示，放大2萬倍的圖像中，發(fā)現(xiàn)呈松散、顆粒狀的物質。如圖8(b)所示，對鐵基絡合物放大16萬倍進行觀察，發(fā)現(xiàn)該鐵基絡合物呈片狀、層狀分布。對其進行能譜分析，如圖8(c)所示，該物質的Fe元素質量百分比為17.22%。周遠忠[25]采用光電子能譜法對貴陽紅黏土的化學成分進行分析，發(fā)現(xiàn)Fe元素質量百分比為4.66%～5.48%。該物質的Fe元素含量遠大于紅黏土中的Fe元素含量，且沒有紅黏土中富含的Si、Al等元素，認為該物質是鐵細菌的生成物鐵基質絡合物。

圖8 鐵細菌土樣微觀試驗結果Fig.8 Microscopic test results of soil samples with iron bacteria

5.1.2 巴氏芽孢桿菌土樣

如圖9(a)所示，在巴氏芽孢桿菌土樣放大3 000倍的圖像中，可以清晰地看到活性炭、巴氏芽孢桿菌和生成物的大致位置，巴氏芽孢桿菌呈網(wǎng)狀結構大量附著在活性炭表面，說明活性炭的摻入有利于巴氏芽胞桿菌的生存和繁殖。如圖9(b)所示，將碳酸鈣放大8 000倍觀察，發(fā)現(xiàn)其呈塊狀結構，表面粗糙且?guī)в欣饨?。對巴氏芽胞桿菌誘導生成物進行能譜分析，如圖9(c)所示，該生成物的Ca元素質量百分比達到了33.04%。而紅黏土中的Ca元素含量很少，陳筠等[16]研究發(fā)現(xiàn)貴陽重塑紅黏土的Ca元素質量百分比只有0.37%。該生成物Ca元素含量遠大于紅黏土中的Ca元素含量，且不含紅黏土富含的Al、Si、Fe等元素，認為該生成物是巴氏芽孢桿菌誘導生成的碳酸鈣。

圖9 巴氏芽孢桿菌土樣微觀試驗結果Fig.9 Microscopic test results of soil samples withBacillus pasteurii

5.2 微觀作用機理分析

從微觀試驗結果來看，活性炭的加入為2種微生物提供了有利的生存環(huán)境，2種微生物在土體中大量繁殖，生成大量鐵基絡合物或碳酸鈣膠結土體顆粒，充填土體孔隙。從生成物結構上分析，鐵基絡合物多呈片狀、層狀結構，而碳酸鈣呈塊狀結構且?guī)в欣饨?。塊狀結構要比片狀、層狀結構更穩(wěn)定，對顆粒間的膠結力也更大。但是當土體受剪切力時，碳酸鈣的棱角部位更易剪斷、折斷，殘余部分嵌入土體孔隙，減少土顆粒之間的咬合摩擦和滑動摩擦，導致土體內摩擦角下降。

微觀結構分析結果可與4.1節(jié)試驗結果相對應，當土體中加入2種微生物和活性炭，因為有生成物的產(chǎn)生，土體黏聚力提高。隨著活性炭摻量的增加，微生物能自由生存和繁殖的空間也增加，微生物反應產(chǎn)生的生成物也增加，2種微生物土樣的黏聚力都開始逐漸提高，且巴氏芽孢桿菌土樣黏聚力的提高程度要大于鐵細菌土樣。但由于巴氏芽孢桿菌誘導生成物碳酸鈣的棱角更易被剪斷、折斷，所以在巴氏芽孢桿菌土樣黏聚力提高的同時，內摩擦角緩慢下降。

6 結 語

紅黏土具有高孔隙比、高液塑限、高含水率、中低壓縮性的特征，在工程中常導致地基沉降、地面塌陷等問題。目前對于土體改良多使用傳統(tǒng)的物理化學方法，比如在土中加橡膠顆粒、纖維或者利用堿液、石灰對土體進行改性。但這些改良方法存在污染環(huán)境、成本昂貴、水穩(wěn)性差等問題。本文利用鐵細菌和巴氏芽孢桿菌固化紅黏土，以活性炭為載體，進行了物理力學試驗和微觀機理研究，得到以下結論：

(1)紅黏土孔隙過小，微生物難以在土中生存和繁衍，摻入活性炭可以為微生物提供有利的生存環(huán)境，提高微生物對土體的固化效率。

(2)活性炭摻入量過少不足以給微生物足夠的生存空間，過多時對土體的破壞作用大于微生物的固化作用，10%活性炭摻量為最優(yōu)摻量。

(3)在最佳養(yǎng)護條件、最優(yōu)活性炭摻量下，微生物對紅黏土物理力學性質的改良效果表現(xiàn)良好，但總體來說巴氏芽孢桿菌的改良效果要優(yōu)于鐵細菌。

(4)從微觀作用機理來分析，鐵細菌生成鐵基絡合物充填土體孔隙，膠結土體顆粒，生成的鐵基絡合物多呈片狀、層狀附著在土顆粒表面。巴氏芽孢桿菌呈網(wǎng)狀結構附在活性炭表面，誘導生成的碳酸鈣呈塊狀結構且?guī)в欣饨恰K狀結構的碳酸鈣穩(wěn)定性要優(yōu)于層狀結構的鐵基絡合物。

利用微生物固化紅黏土是一種環(huán)保、經(jīng)濟的方法，但需要注意的是紅黏土孔隙過小，需要在土中添加載體給微生物提供良好的生存環(huán)境，以促進微生物的大量繁殖。微生物的選擇也很重要，合理的菌種能更好地固化土體。