風積沙的微生物固化試驗研究

張世參 駱亞生 田堪良 杜玉鵬 趙耀斌 李多

摘 要：風積沙主要分布在干旱少雨的沙漠地區，是一種結構松散、顆粒細小而均勻、自穩能力差且不易壓實的特殊土體。為探討大體積風積沙微生物固化規律，采用微生物誘導碳酸鈣沉淀技術，利用巴氏芽孢桿菌，在飽和狀態下對風積沙沙柱進行了微生物加固試驗，測定了沙柱內不同深度處的細菌濃度以及細菌吸附量、酶活性、尿素濃度等指標。同時，分析了不同深度處固化試樣的干密度、無側限抗壓強度和碳酸鈣含量的變化規律。試驗結果表明，細菌在沙柱中的最佳靜置時間為4 h，膠結液在沙柱中的最佳靜置時間為24 h。通過在風積沙中灌注巴氏芽孢桿菌菌液和膠結液可以在風積沙顆粒之間生成碳酸鈣結晶，從而將沙顆粒黏結在一起，形成具有一定強度的整體。固化風積沙的無側限抗壓強度在0.43～7.13 MPa之間。微生物誘導碳酸鈣沉淀技術固化風積沙的有效深度為0.2～0.7 m，固化沙柱不同位置處的干密度、無側限抗壓強度和碳酸鈣含量隨深度的變化規律相似，都是先升高后降低，在0.4 m左右處達到峰值。因此，采用微生物誘導碳酸鈣沉淀技術可有效加固沙漠風積沙，能明顯改善風積沙的工程性質。

關鍵詞：微生物固化;微生物誘導碳酸鈣沉積;風積沙;巴氏芽孢桿菌;工程力學性能

中圖分類號：TU441 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.028

引用格式：張世參，駱亞生，田堪良，等.風積沙的微生物固化試驗研究[J].人民黃河，2021，43（10）：144-149，160.

Abstract： Aeolian sand mainly distributes in arid and rainless desert areas. It is a kind of special soil with loose structure， fine and uniform particles， poor self-stabilization ability， and difficult to compact. Strengthening aeolian sand can improve the stability and wind erosion resistance of sand slope. Sporosarcina pasteurii was used to reinforce the aeolian sand column by microbial induced calcite precipitation. The bacterial concentration， adsorption capacity， enzyme activity and urea concentration of the samples at different depths in the sand column were measured. At the same time， the variation of dry density， unconfined compressive strength and calcium carbonate content of solidified samples at different depths were analyzed. The results show that the optimal static time of bacteria in sand column is 4 hours， and the optimal static time of cementing fluid in sand column is 24 hours. Calcium carbonate crystals can be formed between aeolian sand particles by filling sporosarcina pasteurii and cementing solution in aeolian sand， thus bonding sand particles together to form a certain strength of the whole. The unconfined compressive strength of solidified aeolian sand is between 0.43 MPa and 7.13 MPa. The effective depth of microbial-induced calcium carbonate precipitation solidifying aeolian sand is 0.2-0.7 m. The dry density， unconfined compressive strength and calcium carbonate content at different locations of reinforced sand column vary with depth similarly. They all increase first and then decrease， reaching the peak at about 0.4 m. Therefore， microbially induced calcite precipitation technology can effectively reinforce desert aeolian sand and significantly improve the engineering properties of aeolian sand， providing technical support for reinforcement of aeolian sand slope and improvement of wind erosion resistance.

Key words： microbial solidification; microbially induced calcium precipitation; aeolian sand; sporosarcina pasteurii; engineering mechanical properties

1 引 言

風積沙主要分布在干旱少雨的沙漠地區，是一種結構松散、顆粒細小而均勻、自穩能力差且不易壓實的特殊土體，作為建筑物基礎時須進行加固處理[1-2]。傳統的沙土固化方法大都依靠機械碾壓、水泥或其他有機材料，這些方法不僅需要消耗大量的能源，對生態環境也會造成不同程度的污染[3-5]。微生物誘導碳酸鈣沉淀MICP（microbially induced calcite precipitation）是一種新型的生物礦化技術，在巖土工程領域有十分廣闊的應用前景[6]。它利用特定微生物在新陳代謝活動中與含氮有機物發生反應，并結合環境中的鈣離子，生成具有膠結作用的碳酸鈣結晶，從而將松散顆粒膠結成一個具有一定強度的整體[7]。巴氏芽孢桿菌是一種土壤中常見的脲酶細菌，具有較強的環境適應性，在MICP技術的研究中得到了廣泛應用[8-9]。細菌在沙土顆粒表面附著后，通過其新陳代謝活動中產生的脲酶催化尿素水解，生成銨根離子和碳酸根離子，在引入鈣離子的情況下發生化學反應，生成碳酸鈣結晶，從而將沙土顆粒膠結在一起[10-11]。

Whiffin[12]在2004年首次將MICP技術應用于一維松散沙土的固化，試驗采用50 mL注射器多次注入細菌及尿素/鈣離子混合液的方式，使沙土試樣的強度得到了明顯提高，其無側限抗壓強度可達到30 MPa 。為了固化大體積的沙柱，Whiffin等[13]采用低壓灌漿的方法，依次注入菌液、固定液（0.05 mol/L）和膠結液（尿素和氯化鈣的混合溶液），成功膠結出長5 m、直徑66 mm的沙柱。對固化沙柱進行分段測試，結果發現，不同位置處碳酸鈣的分布并不均勻，近注射口處的碳酸鈣含量相對較高，而遠離注射口處的碳酸鈣含量較低。Whiffin等認為，尿素分解速率與反應物輸送速率達到平衡是實現沙柱中碳酸鈣均勻分布的前提條件。Qabany等[14]對膠結液（尿素和碳酸鈣混合溶液）濃度、反應持續時間、有效注入速率等影響微生物誘導碳酸鈣沉淀效率的因素進行了研究，結果表明，膠結液注入速率低于0.042 mol/（L·h）時，碳酸鈣沉淀效率很高，可以達到100%，碳酸鈣沉淀效率受膠結液濃度影響不大。然而，進一步研究發現，較低的膠結液濃度可以有效防止局部堵塞，在碳酸鈣含量相同的條件下，可以獲得更高的強度。Cheng等[15-16]開發了一種便于應用的表面滲流技術處理非飽和沙土，采用菌液及膠結液交替入滲的方法，得到了強度相對均勻的沙柱。然而，沙柱中碳酸鈣的分布并不均勻，沙柱底部碳酸鈣含量較高，約為頂部的3倍。由于沙土的有效強度主要取決于顆粒之間的膠結作用，因此沙柱中生成的碳酸鈣晶體越多，沙柱的強度就越高[17]。Rong等[18-19]從微觀角度揭示了微生物在松散沙顆粒間誘導生成碳酸鈣的過程。同時，利用MICP成功膠結出高0.5 m、直徑5 cm的沙柱。試驗研究發現，隨著遠離注射口，沙柱的抗壓強度不斷降低，抗凍性減弱。不同顆粒粒徑對微生物固化沙土強度的影響研究結果表明，顆粒粒徑較小的沙土有效碳酸鈣晶體比例較大，強度較高。Li等[20]以風積沙為研究對象，采用不同濃度膠結液對風積沙進行微生物固化處理。結果發現，膠結液濃度越高，固化風積沙中的碳酸鈣含量越高，密度越大，滲透系數越小，無側限抗壓強度也越大，無側限抗壓強度最大可以達到18 MPa。

目前，MICP技術固化土體的研究多應用于水成沙，研究方法也多集中于飽和沙土灌漿處理，對沙漠環境中風積沙的微生物固化方法和效果的研究卻鮮有報道。筆者利用巴氏芽孢桿菌，在飽和狀態下對100 cm高的柱狀風積沙進行了加固試驗。測定了沙柱內部不同深度細菌濃度和膠結液濃度的變化規律，測定了不同深度固化沙土的干密度、無側限抗壓強度和碳酸鈣含量，分析了固化沙土的物理力學性質的變化規律及固化效果，以期為采用MICP技術固化大體積風積沙及其工程應用提供參考。

2 試驗材料

2.1 巴氏芽孢桿菌

試驗選用的脲酶菌為巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii，編號ATCC 11859），源自美國菌種保藏中心。菌種經活化后，進行培養擴繁，采用CASO AGAR（大豆胰蛋白瓊脂）為培養基，配比為酪蛋白胨15 g、大豆蛋白胨5 g、氯化鈉5 g、尿素20 g、瓊脂20 g、超純水1 L，其中瓊脂僅在固體培養基中添加。在恒溫30 ℃，轉速200 r/min的搖床中培養24～48 h，用紫外可見分光光度計（UV-1670）測得菌液的細菌濃度（OD600）在2.0～2.2之間;pH值為9.18～9.31。培養好的菌液放置于4 ℃冰箱內備用。

2.2 風積沙

試驗所用沙漠風積沙取自寧夏回族自治區中衛市沙坡頭區的騰格里沙漠（北緯37°33′59″，東經105°01′52″， 海拔 1 221.7 m）。風積沙顆粒細小，且粒間無黏聚力。對其進行篩分分析發現，粒徑小于0.25 mm 的顆粒占總質量的94.1%，中值粒徑（D50）為0.15 mm;曲率系數Cu為1.57，小于5;不均勻系數Cc為0.85，小于 1。風積沙屬于顆粒均勻，級配不良的細沙。風積沙的基本理化性質和顆粒級配見表1和圖1。

2.3 膠結液

膠結液的主要作用是給MICP過程提供尿素和鈣離子。Abo-El-Enein等[21]發現使用氯化鈣做鈣源能夠獲得更佳的物理力學性能。根據微生物誘導碳酸鈣沉淀過程中尿素水解的化學反應方程式可知，尿素和氯化鈣的最佳摩爾比為1∶1。Li等[20]對微生物固化風沙土的研究表明，1.5 mol/L的尿素和氯化鈣混合溶液可以使固化后的風積沙具有較高的強度。因此，本試驗研究中膠結液采用1.5 mol/L的尿素和氯化鈣混合溶液。

3 試驗方法

3.1 風積沙的微生物固化試驗

試驗模具采用內徑為100 mm的有機玻璃管，有機玻璃管長度為120 cm，共分為4節，每節高為30 cm，節與節通過有機玻璃法蘭連接，法蘭用螺栓和螺母固定并密封，底部為孔板。在管壁對稱位置每隔10 cm打一小孔，孔徑為10 mm，試驗時采用橡膠密封塞封堵小孔。在有機玻璃底部放一層土工布作為反濾層，然后分層填入風積沙，每層高度為20 cm，按照干密度為1.61 g/cm3控制，沙柱總高度為105 cm，沙柱頂部整平，覆蓋一層土工布，防止加注溶液時沖刷破壞。沙柱微生物固化試驗裝置見圖2。

試驗時，先打開沙柱試樣底部的排水閥，使沙柱可以自由排水。一次性倒入規定量（1倍孔隙體積）的菌液，待菌液液面到達沙柱頂面時，關閉排水閥，使沙柱處于飽和狀態。第一次注入菌液后，靜置24 h，分別在1、2、4、12、24 h時，用5 mL的針筒從沙柱側面的開孔中抽取適量菌液，用紫外可見分光光度計測定細菌的濃度，計算沙柱不同高度處細菌的相對吸附量，分析細菌在沙柱中的分布情況，確定細菌在沙柱中的最佳靜置時間。

菌液靜置完畢后，打開沙柱試樣底部的排水閥，使細菌溶液自由流出。待沙柱中的細菌溶液排放完畢后，一次性注入規定量（1倍孔隙體積）的膠結液，關閉排水閥，使沙柱處于飽和狀態。第一次注入膠結液后，靜置48 h，分別在2、4、6、12、24、48 h時，用5 mL的針筒從沙柱側面的開孔中抽取適量膠結液，通過對二氨基苯甲醛比色法測定尿素的濃度[22]，計算沙柱不同高度處尿素的消耗量，分析膠結液在沙柱中的反應情況，確定膠結液在沙柱中的最佳靜置時間。這樣就完成了一次固化處理。經過三次處理后，沙柱的滲透速率明顯下降，菌液和膠結液滲透沙柱時的流速變得很緩慢，表明微生物固化風積沙達到了比較好的效果，固化試驗完成。

3.2 固化沙柱的物理力學性能測定試驗

試驗時，去除固化沙柱表面5 cm的疏松沙，將固化沙柱分割為10段，每段長度為10 cm，分別測試每段沙柱的干密度、碳酸鈣含量及無側限抗壓強度，分析固化沙柱的均勻性、強度變化和固化效果。

3.2.1 干密度的測定

試驗前，用超純水浸泡、溶解和沖洗固化試樣中殘留的可溶鹽。將固化后的風積沙試樣在烘箱中烘干12 h，至質量不再變化，稱量試樣的質量。采用游標卡尺量取試樣的高度和直徑，計算每塊固化沙柱的體積，計算其干密度。

3.2.2 無側限抗壓強度的測定

將烘干后的試樣兩端打磨平整，試樣高徑比為1∶1。采用微機控制萬能試驗機（TYE-300）進行無側限抗壓強度測試，控制加載速率為1 mm/min，連續加載直至試樣破壞，取峰值應力，得到固化沙柱的無側限抗壓強度。

3.2.3 碳酸鈣含量的測定

取無側限抗壓強度試驗破壞后的試樣，采用酸洗法測定試樣中的碳酸鈣含量[23]。試驗前，用超純水浸泡、溶解、沖洗試樣中殘留的可溶鹽，放入烘箱中烘干，然后稱重。將試樣置于過量的鹽酸中，使碳酸鈣充分溶解，直至沙顆粒全部分散開，且無氣泡生成。反應完成后過濾，并用超純水反復沖洗沙顆粒5次，置于烘箱中烘干，試樣處理后的質量損失即為碳酸鈣含量。每段沙柱取三個代表性試樣，碳酸鈣含量取其平均值。

4 試驗結果及分析

4.1 細菌濃度與脲酶活性

在沙柱中第一次注入菌液后，靜置第1、2、4、12、24 h時測定沙柱不同位置處的細菌濃度和脲酶活性，計算沙柱不同位置處細菌的相對吸附量和脲酶活性，其中脲酶活性用每分鐘溶液中尿素水解量表示，脲酶活性與細菌濃度的比值為單位脲酶活性。沙柱中不同位置處的細菌平均相對吸附量和平均單位脲酶活性隨靜置時間的變化如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著細菌在沙柱中靜置時間的延長，細菌的相對吸附量呈增加趨勢。在4 h內，細菌平均相對吸附量迅速增長，4 h時達到了7.2%，之后增速逐漸放緩，24 h時達到最大8.9%。表明菌液加入沙柱后，細菌逐漸向沙顆粒聚集，并附著在沙顆粒表面，由于沙顆粒吸附細菌的能力有限，隨著時間推移細菌附著在沙顆粒表面越來越困難，最后也僅有8.9%的細菌被吸附在沙顆粒表面。細菌在沙柱中的平均單位脲酶活性隨著時間的延長呈下降趨勢，在前4 h，平均單位脲酶活性保持穩定，其值在1.16～1.20之間。4 h以后，平均單位脲酶活性開始較快地下降，24 h時達到最低值0.64，比初始平均脲酶活性降低了近50%。這表明隨著時間的延長，沙柱中沒有補充營養物質，細菌的濃度降低，測得的脲酶活性也逐漸降低。微生物固化風積沙時，需要較高的細菌平均相對附著量和平均單位脲酶活性，因此，細菌在沙柱中的最佳靜置時間為4 h。

每次注入菌液后，測定沙柱中不同位置處的細菌濃度，得到細菌濃度隨深度的變化如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著深度的增加，細菌濃度呈現先增長后降低的趨勢，在40～50 cm處達到峰值，隨后逐漸下降。這主要是沙顆粒較小且均勻，顆粒間的孔隙較小，對細菌有一定的過濾作用，同時，沙顆粒對細菌具有吸附作用，致使細菌濃度隨著深度的增加而降低。同時，注入細菌溶液時，在沙柱上部的流速較快，細菌溶液滲入下層，造成細菌濃度在0～40 cm范圍內小幅度增高。通過對比三次測試的結果可以看出，隨著處理次數的增加，試樣上部（深度50 cm以上）細菌濃度稍有增高，而試樣下部（深度50 cm以下）細菌濃度明顯降低。原因是固化處理次數的增加，在沙顆粒表面及孔隙中生成的碳酸鈣增多，沙柱的孔隙比減小，增強了對細菌的過濾作用，使得細菌進入沙柱深層更加困難，從而造成沙柱上部細菌增加而下部細菌減少的現象。

4.2 尿素濃度

在沙柱中第一次注入膠結液后，分別在第2、4、6、12、24、48 h時測定了沙柱不同位置處的尿素濃度，計算沙柱尿素的平均消耗情況。沙柱中平均尿素濃度隨時間變化情況如圖5所示。圖5 平均尿素消耗濃度隨靜置時間的變化

由圖5可以看出，沙柱中尿素平均消耗濃度隨著反應時間的延長而逐漸增高，消耗的速度先快后慢，24 h之后，尿素平均消耗濃度變化趨于平緩。這表明隨著固化反應的進行，沙柱中的細菌受到自身壽命、營養物質和周圍環境等因素的影響，活性逐漸下降，分解尿素的能力也隨之降低。因此，尿素的水解和生成碳酸鈣的反應主要發生在加注膠結液后的24 h內，微生物固化試驗時，加注膠結液后的最佳靜置時間為24 h。

4.3 固化沙柱物理力學特性

微生物固化完成的沙柱試樣，經過超純水浸泡去除未反應的氯化鈣等易溶鹽，然后烘干，測定了干密度、無側限抗壓強度和碳酸鈣含量，得到深度為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm的固化沙柱的物理力學性質見表2。

4.3.1 干密度

圖6為固化沙柱試樣干密度隨深度的變化曲線。從表2和圖6可以看出，原風積沙的干密度為1.61 g/cm3，經過微生物固化后的沙柱，不同位置處試樣的干密度均有不同程度的增大，最大值達到了2.10 g/cm3。原因是微生物固化過程中在沙顆粒表面及其孔隙中生成了碳酸鈣結晶，填充了風積沙的孔隙，使其密度增大。固化風積沙的干密度隨深度增大而增大，在深度約為43 cm處達到最大值，之后隨深度增加干密度逐漸減小。

4.3.2 無側限抗壓強度

微生物誘導產生了具有膠結作用的碳酸鈣晶體，從而增強了沙顆粒間的黏結力，使松散沙成為具有一定強度的整體。圖7為固化沙柱中試樣的無側限抗壓強度隨深度的變化曲線。從圖7中可以看出，固化沙柱試樣不同位置處，無側限抗壓強度差異很大。隨著注入深度的增加，試樣的無側限抗壓強度呈現先增長后降低的趨勢，在40～50 cm處達到峰值，最大值為7.13 MPa。由于深度為10 、80、90、100 cm處的試樣在拆模后仍處于松散狀態，因此，這4組試樣的強度為0 MPa。

4.3.3 碳酸鈣含量

圖8為固化沙柱試樣的碳酸鈣含量隨深度的變化曲線。從圖8可以看出，固化后沙柱不同位置處均有碳酸鈣生成，隨著深度的增加，固化試樣的碳酸鈣含量呈現先增加后減少的趨勢，在40～50 cm處達到峰值，最大值為36.57%。

通過微生物固化在風積沙中生成碳酸鈣結晶將沙顆粒黏結在一起，碳酸鈣的生成量直接影響著固化風積沙的物理力學特性[24-26]。圖9為固化風積沙試樣的無側限抗壓強度與其碳酸鈣含量關系擬合曲線。試樣的無側限抗壓強度隨碳酸鈣含量的增加而增大，兩者正相關。

由固化沙柱試樣的干密度、無側限抗壓強度和碳酸鈣含量隨深度的變化情況可以看出，三者均在深度40～50 cm處達到峰值，這與細菌濃度隨試樣深度的變化規律一致。這表明，在沙柱深度為40～50 cm處細菌濃度最高，在該處微生物固化反應生成的碳酸鈣也最多，沙柱試樣的孔隙比最小，干密度最大，因而，該處的無側限抗壓強度也最大。

5 結 論

（1）采用巴氏芽孢桿菌和膠結液可以有效地固化風積沙，改善風積沙的工程性質，無側限抗壓強度最高達7.13 MPa。

（2）采用微生物灌注的方法固化風積沙時，由于均勻而細小的沙顆粒對細菌有吸附和過濾作用，因此細菌在沙柱中的分布是不均勻的。隨著深度的增加，細菌濃度呈現先增高后降低的趨勢，在40～50 cm處達到峰值，隨后，逐漸下降。

（3）細菌加注到沙柱中后，風積沙中的細菌平均相對附著量和平均單位脲酶活性均約在4 h時達到峰值。因此，細菌在沙柱中的最佳靜置時間為4 h。尿素的水解和生成碳酸鈣的反應主要發生在加注膠結液后的24 h內，微生物固化試驗時，加注膠結液后的最佳靜置時間為24 h。

（4）微生物誘導碳酸鈣沉淀技術固化風積沙的有效深度為20～70 cm，無側限抗壓強度最低為0.43 MPa。固化沙柱不同位置處的干密度、無側限抗壓強度和碳酸鈣含量隨深度的變化規律相似，都是先升高后降低，在40 cm左右處達到峰值。

（5）微生物誘導產生了具有膠結作用的碳酸鈣晶體，使得試樣干密度和無側限抗壓強度均顯著增大。固化風積沙的無側限抗壓強度隨碳酸鈣含量的增高而增大，兩者正相關。

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【責任編輯 趙宏偉】