黃原膠聯合微生物加固改善混合砂蓄水特性試驗研究

中圖分類號：TU411.91 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2025）03-0049-09

Improvement of water retention characteristics of mixed soils using XG-MICP

LIU Zhi'， YANG Yang

（1.China Ralway Construction Bridge Engineering Bureau Grouplst Engineering Co.，Ltd，Dalian116033， Liaoning，P.R. China;2.SchoolofCivil Engineering，Chongqing University，Chongqing 40o045，P.R.China

Abstract：With the development of marine industry，coastal sand and soil water retention has become an important technical link in the ecological recovery of islands and reefs.The efect of synergising xanthan gum （XG）with Microbially Induced Calcium Precipitation （MICP）on the water retention properties of silica sandcalciumcarbonate mixed sand was investigated by treating the sand with both XG and MICP simultaneously. A series of experiments including water retention，volume change，shear wave velocity and microscopic analysis were carried out to evaluate the treated sand at different concentrations of XG and MICP.The results showed that the water storage characteristics of thecured soil improved significantly with increasing Xanthan gum content and MICP concentration.Compared with the untreated sandy soil that produced a mass loss rate of 72.59% over 7d ， the mass loss rate of 5% 2.0 XG-MICP cured soil was only 13.1% ，which was reduced by a factor of about 81.95% . The rate of change in volume of the XG-MICP cured soil over the 7 d test days was less than that of the XG cured soil，and the XG-MICP cured soil had a higher volumetric stability.With the increase of xanthan gum concentration，the shear wave transmisson time of XG-cured soil was prolonged and the shear wave velocity decreased. Compared with XG-cured soil， XG-MICP-cured soil showed greater shear wave transmission time and smaler shear Wave velocity as afcted by moisture content.The pores of XG-MICP samples showed rhombic calcite precipitation.The experiment verified the feasibilityof using xanthan gum combined with MICP technique to improve the water storage of mixed sandy soils，which is expected to provide areference for improvement of sandy soils in coastal areas.

Keywords：microbially induced calcium precipitation （MICP）；xanthan gum；mixed sand；water retention characteristics;shearwavevelocitytest

在全球范圍內，海岸地區正面臨著復雜的氣候變化和強風侵蝕的挑戰[1-2]，其水土保持至關重要。在熱帶和亞熱帶地區海岸，珊瑚礁碎片和海洋生物貝殼在海浪作用下與石英砂混合，形成了一種混合砂[3-4]。這種自然形成的混合砂土在海灘和海岸沙丘上廣泛存在。提高海岸地區砂土的水分保持能力，能夠減少侵蝕并提高土地的生產力和生態穩定性，進而有效提高海岸處植被的生長潛力，這對海岸岸坡抗侵蝕和保護生物多樣性意義重大。

海岸地區水資源的管理和海岸砂蓄水是農業生產和生態恢復的關鍵挑戰之一[6]。當黃原膠（XG）與砂王混合時，砂王孔隙中會形成凝膠狀網絡結構，以儲存和鎖定水分。Shi等研究表明，與未加固鈣質粉土相比， 5%XG 固化鈣質粉土的保水性顯著提升。此外，XG的存在能有效提升砂土強度和物理性質。Bozyigit等8通過無側限抗壓試驗研究了不同時間和含水量對XG固化土無側限抗壓強度的影響，試驗結果表明， 25% 含水量、養護90d時， 2%XG 固化土的強度增幅最大。凝膠狀的網絡結構能有效減少水分過快地通過蒸發或滲透從砂土中流失。陳海雁等證明了 1.5g/L 的XG含量能有效緩解高鹽環境對植物生長的危害，進一步驗證了XG能有效促進植物生長。

微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）加固砂土是利用微生物代謝活動產生碳酸鈣，以充填砂土孔隙，從而降低水分流失的速度[10-1]。Xiao等[12]的試驗結果表明，MICP技術生成的碳酸鈣沉淀通常以方解石存在于砂土孔隙之間。砂土具有高孔隙率和低團聚性等特點，MICP生成的碳酸鈣沉淀能促進形成更穩定的砂土結構，減少水分通過大孔隙的蒸發或滲透流失，提高砂土毛細作用力，增加保水性[13]。此外，MICP能有效增強砂土強度，碳酸鈣沉淀膠結不同的砂土顆粒，能有效增強砂土的強度和穩定性，減少砂土的侵蝕[14]。延長砂土保持水分的時間能為植物根系提供更持續的水分供應[15-16]

XG與MICP聯合應用以改善混合砂的保水性能是一種新興的砂土改良方法。作為一種天然高分子聚合物，XG具有顯著的水吸附能力和黏結性[1]。砂土中的黃原膠能夠迅速吸收并儲存水分，從而顯著提高砂土的保水性能[18]。此外，其黏性特性可增強砂土顆粒間的黏結力，有效減少水流引起的侵蝕和顆粒流失[19]。生物聚合物提供的陽離子吸引力能促進砂土中礦化菌的代謝活動[20-21]。XG和MICP產生的碳酸鈣共同作用于砂土的孔隙結構，能提高砂土的強度和毛細保水能力，減少水分的快速流失。XG與MICP生成的碳酸鈣具有環境友好和可持續性等優點[22-23]，其聯合應用有助于改善砂土性質，對于海岸地區的農業生產、植物生長以及生態恢復具有較為重要的現實意義。

針對聯合XG和MICP固化的海岸地區混合砂，筆者通過蒸發試驗、體積漲縮試驗和剪切波速測試試驗，研究海岸地區混合砂28d固化時間內的蓄水特性與剪切波速變化，以期為海岸地區的砂土改良提供科學依據和技術支持。

試驗材料與方法

1. 1 混合砂制備

試驗所用石英粉的主要成分為 SiO₂ ，呈淺灰色，粒徑 0.015～0.15mm ，顆粒形狀規則。試驗所用鈣質砂取自中國南海，主要成分為 CaCO₃ ，顆粒形狀不規則，其中夾雜有貝殼和珊瑚殘片等。將40% 石英粉和 60% 鈣質砂配制成為試驗所用的混合砂，其粒徑級配如圖1（a）所示，石英粉形貌如圖1（b）所示，鈣質砂形貌如圖1（c）所示。

Fig.1Morphologycharacteristicsof mixed sand gradation

1. 2 礦化菌培養

選用巴氏芽孢桿菌進行礦化。液體培養基的制備包括：1L去離子水、 .20g 酵母提取物、 .15g 氯化銨 、20mL 硫酸錳 ，20mL 氯化鎳溶液、 .1mol/L 的NaOH溶液 30mL ，在 30^°C 的搖床中以 200r/min 的速度培養 18h ，菌液如圖2（a）所示。膠結液（BS）的制備需要尿素和氯化鈣，混合液濃度分別為1.0、1.5.2.0mol/L 。

一次培養的菌液量無法滿足所有試樣的消耗，因而進行了3次礦化菌培養。為確保菌液濃度恒定，使用可見分光光度計進行菌體濃度測試，3次培養的菌液 OD₆₀₀ 值見圖2（b），分別為1.216、1.229、1.231。利用尿素水解法對細菌活性進行測試，具體方法為，將 2mL 的細菌溶液與 18mL 濃度為1.1mol/L 的尿素混合，置于 25^°C 的恒溫水浴中，計算 20min 內每分鐘電導率平均增長值。3次培養的細菌活性如圖2（c所示，分別為0.115、0.116、0.115ms/（cm?min） 0

1.3 黃原膠

黃原膠是一種天然多糖類聚合物，由野油菜黃單孢桿菌產生，作為增稠劑和穩定劑，廣泛應用于食品、制藥和工業等領域。試驗所用黃原膠在水中溶解后可形成高黏度溶液，具有優越的穩定性和水溶性。

1.4 試驗方法

試驗所用樣品為 φ39.1mm×80mm 的圓柱形樣品，利用靜力壓樣模具和千斤頂進行壓樣，壓樣模具如圖3所示。CS-MICP樣品的制備方法為：將水和膠結液1：1混合后摻入到不同XG含量的混合砂中；XG-MICP樣品的制備方法為：將MICP和膠結液1：1混合后摻入到不同XG含量的混合砂中，制樣含水量為 12% ，密度為 1.86g/cm³ 。

壓樣時，樣品分3層壓實，每壓一層進行下一層前進行拋毛。為防止土體與壓樣器粘連，在壓實模具底部和頂部墊有圓片狀影印紙。樣品中XG的含量分別為 1%3%5% 。膠結液濃度分別為1.0、1.5.2.0mol/L ，制樣模具及樣品如圖3所示。

將不同條件下的樣品放置在室溫環境中，避免陽光直射。不考慮28d時間內黃原膠的降解，記錄每個樣品的初始質量，在試驗開始后的第1、7、14、21、28天稱量并計算不同樣品的質量損失率，即水分損失率。比較不同樣品在不同時間點的質量損失率變化趨勢，評估不同條件下的樣品保水性能。利用游標卡尺測量試驗開始后第1、7、14、21、28天試樣的直徑和高度，計算不同試驗天數下樣品的體積膨脹率。

利用剪切波速儀對砂柱進行波速測量，采用tiptotip測量方法[19]，剪切波如4所示。Shi等[24]的研究表明，隨著正弦波頻率的增加，波在樣品中的傳播時間略有減少，且電壓大小不會對傳播時間產生影響。因此，為了得到較為清晰的波形和準確的波速數據，采用儀器最大電壓 20V ，折中頻率 15kHz 作為所有樣本的信號激勵電壓與頻率。取具有代表性的土體樣品，將其切割成 1cm×1cm×1cm 的立方體，為增加樣品導電性，對樣品表面噴金120s后進行SEM拍攝。

2 試驗結果與討論

2.1混合砂蓄水特性

通過不同天數下XG-MICP混合砂的質量損失率對混合砂保水性能進行討論。圖5（a）為不同XG濃度固化土的質量損失率。可以看出，未固化土7d產生了 72.59% 的質量損失率，與未固化土的質量損失率相比，添加XG的固化土質量損失率較低，這是由于生物聚合物XG含量的提升使混合砂中形成更多的類似網狀結構或凝膠狀物質，填充砂土孔隙空間，阻止水分的流失。與土體自身水分含量有關，隨著試驗天數的增加，所有樣品產生質量損失率的速率均下降。XG和膠結液（CS）的聯合應用顯著降低了砂土的質量損失率。由圖5（b）可知，隨著CS濃度的提高， 1%XG 含量的固化土保水性能提高。隨著試驗天數的增加， 1%XG 固化土產生質量損失率的速率呈明顯下降趨勢。這是由于溶液中鹽溶液對空氣中水分子的吸引增加了砂土中的水分含量。由于氯化鈣和尿素的吸水性能較強，1%XG 氯化鈣濃度高的固化土會吸收更多的水分，相同時間內質量損失率更低。由圖5（c）可知，相較于 1% 固化土， 5%XG 含量固化土保水性能更好，7、14d對應的 5%XG 固化土的質量損失率更小，且產生質量損失的速率更低。此外，隨著CS中鈣離子和尿素濃度的提升， 5%XG 固化土的質量損失得到了進一步改善。

圖5（d）為不同濃度MICP溶液條件下 1%XG 固化土的質量損失率，與圖5（a）相比，7d時間的XG-MICP固化土的質量損失率高于XG-CS，這是菌液的存在導致的。細菌分解尿素溶液產生碳酸根離子，碳酸根離子與氯化鈣結合生成碳酸鈣沉淀，導致7d時間內XG-MICP固化土中溶液的消耗增加，因而產生更高的質量損失率。14、21d時，隨著菌液活性的降低，XG-MICP固化土產生質量損失率的速率下降。

與未添加MICP溶液的 1%XG 固化土相比，MICP溶液濃度越高，相同時間產生的質量損失率越小。表明MICP和XG的聯合作用對混合砂的蓄水性起著積極作用，但其作用的充分發揮需要一定時間才能。隨著試驗天數的延長，MICP產生了更多的碳酸鈣，進一步填充砂土孔隙，有效地減少了水分的流失，從而降低了質量損失率。圖5（e）為不同濃度MICP溶液條件下 3%XG 固化土的質量損失率。由試驗結果可以看出， 3%XG 條件下不同MICP濃度的固化土質量損失率相差不大。由于MICP濃度的提升，相較于 3% -1.5MICP固化土，3% -2.OMICP固化土中細菌利用CS產生碳酸鈣的速率較快，因而在第7天產生了略高的質量損失率。圖5（f為不同濃度MICP溶液條件下 5%XG 固化土的質量損失率。可以看出，第7天時，XG-MICP固化土的質量損失率出現波動，與未處理砂土7d產生 72.59% 的質量損失率相比， 5% 2.0XG-MICP固化土的質量損失率僅 13.1% ，約降低81.95。隨著試驗天數的增加，碳酸鈣沉積完成，質量損失率隨著MICP溶液濃度的提升而降低。

2.2混合砂體積漲縮特性

圖6（a）為不同XG濃度固化土的體積變化率。可以看出，由于XG失水體積會產生較大變化，隨著XG濃度的提升，7d時間內高XG濃度固化土的體積變化較大。隨著試驗時間的增加，與未固化土相比， 5%XG 固化土產生體積變化的速率逐漸降低。第21天和第28天時不同XG濃度的固化土體積變化率相近。圖6（b）6（c）為添加不同CS濃度的XG固化土的體積變化率。與未添加CS的XG固化土相比，XG-CS固化土出現了體積先縮小再膨脹的過程。具體來說，在試驗的第14～21天，添加CS的試驗樣品出現了較大的體積變化。這可能是由于CS中的金屬陽離子與XG產生了化學交聯反應，導致體積變化。圖6（d）、（e）為添加不同MICP濃度的XG固化土的體積變化率。可以看出，與未添加MICP的XG固化土相比，添加MICP溶液的固化土均在第14～21天產生了較大的體積變化。

圖6（f為添加不同MICP濃度的 5%XG 固化土的體積變化率。可以看出，在7天時，相較于5%XG 固化土，加入MICP的固化土體積變化率顯著降低，但在第21天時，產生了較大的體積變化。劉浩林等[25]利用MICP加固膨潤土發現，MICP可抑制膨潤土體積變化的進一步發展。同理，由于前7d的MICP菌液活性較高，細菌介導的礦化作用促進了土體中碳酸鈣的形成，從而增加了土體的穩定性和密實度。這種穩定性和密實度的提高降低了土體的體積變化率，使其呈現出較低的體變率。隨著試驗時間的增加，MICP菌液逐漸失去活性，隨著固化土中水分的變化，XG開始出現失水收縮現象，固化土體積變化增大。XG-MICP技術在改善混合砂膨脹率方面具有一定的復雜性。調節MICP和XG濃度可以實現對膨脹率的部分控制，但為提高聯合應用的效果和穩定性，其相互作用機制仍需進一步研究和探討。

Fig.6Volume changerateunderdifferent XGconcentration，CS concentrationand MICPconcentration

2.3 混合砂剪切波速

圖 7（a）～（d） 為不同MICP濃度下 1%XG 固化土剪切波的傳遞時間。可以看出，隨著試驗時間的增加，不同MICP濃度下 1%XG 固化土的剪切波傳遞時間縮短。第1天和第12天剪切波傳遞時間與MICP濃度成正比，即MICP濃度越高，剪切波傳遞時間越長。這是由于更高濃度的MICP溶液具有更好的保水性，水分導致了砂柱剪切波傳遞時間的延長。隨著水分的散失，第21天和第28天剪切波傳遞時間較為相似。圖 7（e）～（h） 為不同MICP濃度下 3%XG 固化土剪切波的傳遞時間。與 1%XG 固化土相比， 3%XG 固化土剪切波的傳遞時間更長，這是由于XG充填于砂土孔隙中，XG的存在阻礙了剪切波的傳播，增加了波速在土體中的傳播損失。由圖 7（i）～（1） 可以看出，與 1% 和 3%XG 固化土相比， 5%XG 固化土剪切波的傳播時間更長。此外，28d時間范圍內XG-MICP聯合固化土土的水分無法完全蒸發散失，對 5%XG 固化土柱剪切波速的影響較為顯著。

圖7（m）為不同MICP濃度下 1%XG 固化土的剪切波速變化。剪切波速計算公式見文獻[19]。可以看出，剪切波速隨試驗時間的增加呈線性增加。 1%XG固化土的剪切波速由第1天的 253m/s 增加至第28天的 509m/s ，增加了約1倍。固化土的剪切波速與MICP濃度成反比，這與砂柱的保水性能有關。此外，由圖7（n）（o）可知，隨著XG濃度的提高，固化土的剪切波速降低，但隨著試驗時間的增加，不同濃度固化土的剪切波速均呈現增長趨勢。

2.4 微觀機理

為揭示XG-MICP技術在提高土體蓄水性方面的微觀反應機理，對不同XG含量和MICP濃度的樣品進行SEM測試，結果見圖8。由圖8可以看出，隨著XG濃度的升高，XG固化土顆粒間的膠體增多。XG作為一種黏性生物聚合物，在砂土顆粒間形成了穩定的連接結構，填充了砂土顆粒孔隙，增強了顆粒間的連接力，在SEM圖像中呈現出更加均勻和穩定的結構特征。此外，由圖8可知，XG-MICP的聯合應用對改善砂土顆粒孔隙具有顯著效果。隨著MICP濃度的增加，SEM圖像呈現出更多菱形狀的方解石沉淀。微生物誘導的碳酸鈣沉淀和XG進一步結合，填充砂土孔隙，促進土體顆粒間的結合。因此，隨著MICP濃度的增加，SEM圖像中的孔隙度減少，顆粒間的連接間表現為更加致密的結構。

3結論

通過蓄水試驗，體積漲縮試驗和剪切波速測試試驗對不同XG含量和不同MICP濃度的XG-MICP固化混合砂的蓄水特性進行研究。挑選出典型截面，利用SEM對固化混合砂的微觀結構進行研究，得到以下主要結論：

1）XG-MICP技術能夠顯著改善混合砂的蓄水性。混合砂蓄水性隨著XG含量的增加而增加。相同濃度的XG含量，隨著MICP濃度的增加，混合砂蓄水性增加。與相同濃度的XG-CS固化土相比，14d試驗時間內，XG-MICP固化土的蓄水性相對較弱。

2）隨著XG含量的提升，7d時間內 5%XG 濃度固化土的體積變化較大，與未添加MICP的XG固化土相比，細菌介導的礦化作用促進了混合砂中碳酸鈣的形成，增加了土體的穩定性。

3）由于砂柱含水量阻礙了剪切波傳遞速度，XG固化土中剪切波傳遞時間略短于XG-CS固化土和XG-MICP固化土。隨著試驗時間的增加，樣品的剪切波速隨試驗進行時間呈線性增加趨勢。相同試驗時間，由于XG對砂柱剪切波傳遞的阻礙及較高的含水量，隨著XG濃度的提高，固化土剪切波速降低。

4通過SEM觀察發現，XG-MICP聯合應用的SEM圖像呈現出更多菱形狀的方解石沉淀，對改善砂土顆粒孔隙具有顯著效果。

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（編輯胡玲）