多濃度營養鹽處理對微生物膠結砂土均勻性與強度的影響

王緒民++郭偉+余飛+易朝+孫霖

摘要：采用二次注入菌液方式，制備不同濃度營養鹽處理的MICP（微生物誘導碳酸鈣沉淀）膠結砂樣。選用巴氏芽孢桿菌作為固化細菌，采用單一濃度（0.5、1.0 mol/L）和多濃度相結合（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鹽（尿素/氯化鈣混合液），研究多濃度營養鹽結合處理方式對微生物固化砂土強度及均勻性的影響。基于試驗測試分析了固化砂土試樣不同區間段的強度、彈性模量以及碳酸鈣含量。試驗結果表明，多濃度營養鹽處理方式對固化砂土試樣的強度及碳酸鈣含量有明顯影響；多濃度營養鹽結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度及彈性模量。基于多濃度營養鹽處理方式，探討分析了影響試樣強度和均勻性的基本因素。

關鍵詞：碳酸鹽沉淀；膠結砂；抗壓強度

中圖分類號：TU433文獻標志碼：A文章編號：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

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

研究表明，通過巴氏芽孢桿菌誘導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[3]。Paassen等[45]利用注入巴氏芽孢桿菌的方法進行了MICP固化土壤的研究，發現當碳酸鈣含量為0%到24%時，無側限抗壓強度的范圍為1到12 MPa，同時也進行了較大規模的試驗（100 m3），發現MICP法可有效提高顆粒狀土壤的硬度。Rong等[6]研究發現固定注射速率、非連續注漿方式有利于細菌吸附，且采用該方式可獲得較高強度的試樣。Qabany等[7]發現營養鹽濃度、反應間隔時間和有效注射速率對碳酸鈣置換率有顯著影響。張越等[8]研究發現Ca（CH2COO）2作為鈣源，碳酸鹽沉淀對試樣有較大的強度提高。

縱觀以上研究，菌液多為一次注入或循環注入。單次注入菌液在后期注營養鹽過程中，菌株易被沖刷出試樣造成菌株的大量減少。循環注入菌液則造成試驗成本的增加及操作的繁復。為此本次室內試驗在砂樣內形成一定碳酸鈣后二次注入菌液，對砂樣內的附著的菌株進行補充。本次試驗基于這一操作方式來研究單一或多濃度營養鹽結合處理對膠結試樣強度及均勻性的影響。

2微生物固化試驗

2.1試驗材料

實驗采用廈門ISO標準砂（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Cu為5.08。試驗菌種為巴氏芽孢桿菌（S. pasteurii，編號 ATCC 11859），購自美國菌種保藏中心。細菌接種培養至培養基出現渾濁。采用波長為600 nm的紫外可見分光光度計測得細菌光密度并將菌液濃度調至2.0（OD600）。