菌液密封狀態對微生物加固粉土的影響

王瑋，趙志峰，朱效博

(南京林業大學土木工程學院，南京 210037)

通過微生物誘導碳酸鈣沉積(MICP)對土體進行加固具有環境友好、適應性強的特點，已成為現階段土木工程和材料工程的研究熱點[1-3]。當前使用最廣泛的微生物為巴氏芽孢桿菌，它既能為尿素水解提供大量脲酶，還能為碳酸鈣晶體的生成提供成核點。國內外學者的研究表明，微生物在土中的均勻分布和持續發揮作用是加固的關鍵[4-5]。

微生物加固方法主要有注漿法、拌合法、入滲法。無論采用何種方法，開始階段均要使包含微生物的菌液進入待加固土體內部，并使微生物能吸附在土顆粒上。目前的研究中，基本都使菌液充滿土中孔隙，即土體處于飽和狀態；并在密封狀態下靜置一段時間使微生物吸附于土粒[6-7]。然而也有學者認為，試樣處于非飽和狀態更有利于微生物在土中的吸附，加固效果更好[8]。由于微生物在土中的吸附和反應過程復雜，很難預判菌液靜置時的飽和狀態對加固效果的影響。因此，隨著對微生物加固技術研究的深入，有必要開展該方面的研究。

筆者以海相粉土為研究對象，在前期采用微生物技術對該粉土進行有效加固的基礎上[9]，通過試驗研究菌液在土中的密封狀態對加固效果的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

粉土取自江蘇省鹽城市東臺條子泥吹填工程。該粉土干密度1.46 g/cm3,含水率27.08%,孔隙比0.84,塑性指數8,滲透系數6.61×10-5cm/s。根據級配分析(圖1)，粒徑為0.005～0.075 mm的粉粒占73.3%，黏粒質量分數低于3%。不均勻系數Cu=3.29，曲率系數Cc=1.42，級配不良。

圖1 粉土的級配曲線Fig. 1 Particle distribution curve of silt

試驗所用巴氏芽孢桿菌，購買于德國菌種保藏中心(DSMZ)。培養液采用DSMZ推薦的培養液[10]。將營養液配置完成后，放置于高溫高壓蒸汽滅菌鍋進行滅菌。試驗所用菌液的菌種為初代細菌接種培養后所得：在無菌操作臺上將菌液與營養液按體積比1∶8接種于400 mL的營養液中。隨后將盛有接種后菌液的錐形瓶放置于30 ℃、130 r/min的恒溫振蕩培養箱中培養12 h，OD600控制在1.6左右。酶活性約為6.1 U[(1 U=1 mmol/(L·min-1)]。

膠結液為尿素與氯化鈣的混合溶液，按照物質的量濃度比1∶1進行配置。其中氯化鈣為MICP進程提供鈣源，尿素水解為結晶提供碳酸根離子。

1.2 試驗裝置與加固方法

采用將微生物拌入粉土中，然后表面入滲膠結液的方法來加固粉土，該方法已經通過前期大量試驗證明了有效性。盛土容器為內徑47.5 mm、高150 mm的PVC管，PVC管放置于內徑50 mm的底座上，底座上鋪有4層紗布，底座中部開有5 mm的孔洞以控制液體的流出(圖2)。將烘干的粉土(265 g)按四分法取樣，將1.2倍孔隙體積(Vv)約98 mL的菌液與干土充分拌和，均勻裝入PVC管中，并使菌液在土中靜置12 h。菌液靜置過程中，可打開或關閉底座孔洞，以控制菌液在土中的密封狀態。本次試驗中共嘗試了5種方案，均設置了平行試樣，試驗方案詳見表1。

圖2 試驗裝置Fig. 2 Experimental setup

表1 試驗方案Table 1 Experimental scheme

菌液靜置完成后，從試樣頂部入滲膠結液，此時打開底座的孔洞使多余液體能夠流出。膠結液濃度選取為1.25 mol/L，入滲輪數為4輪；每輪膠結液體積為1.0Vv，膠結液入滲間隔時間為12 h。

1.3 加固效果測試

全部膠結液入滲結束后，為避免拆樣時PVC管與試樣粘連，靜置12 h后用大量去離子水沖洗試樣以去除未反應的雜質，然后拆樣。將試樣放置于烘箱中烘干24 h，然后進行無側限抗壓強度測試。測試前將試樣兩端切削平整并滿足長徑比 2∶1 的要求；然后將試樣放置于傳壓板中央進行加壓，加載速率為1 mm/min。將破裂后的土樣按照試樣上部、中部、下部進行分類，用鹽酸浸泡法確定CaCO3生成量，并除以干土質量得到CaCO3生成量百分比。

2 結果與分析

2.1 密封時間對菌液活性的影響

尿素水解后，溶液中的電導率會增加，電導率可用于反映脲酶活性的變化及微生物工作效率[11]。使用移液槍提取滲出液與純水混合攪拌均勻后，測量其電導率(σ)。

隨著菌液密封時間的增加，滲出液的電導率(σ0)也不斷增加(表2)。拌菌后密封時間由0 h增至4 h時，電導率幾乎不變；密封時間由4 h增至8 h時，電導率增加了約4%；密封時間達到12 h時，電導率相比方案1增加了約21%。

除了測定菌液密封結束時滲出液的電導率，還測定了菌液靜置結束時(即第一輪膠結液入滲時)滲出液的電導率，此時的電導率能反映出靜置后菌液的脲酶活性。滲出液電導率(σ1)隨著菌液密封時間的增加而逐漸升高。在密封時間為0～8 h時間段，電導率的提高比較明顯。當密封時間超過8 h后，電導率的變化趨于平緩。由表2可知，根據方案4和方案5進行加固應該能取得較好的加固效果。

表2 不同密封狀態下滲出液電導率Table 2 Conductivity of exudates under different sealing states

2.2 菌液密封時間對膠結液尿素水解的影響

在微生物吸附于土顆粒后，CaCO3的結晶沉積依賴于膠結液的加入。膠結液中的尿素水解對結晶過程和加固效果有重要影響，而尿素水解與微生物的活性有關。菌液密封時間是否會影響到后續多輪膠結液入滲時的工作效率，需要通過試驗來驗證。采用相同濃度、體積和輪數的膠結液進行入滲，測量每輪膠結液入滲后滲出液的電導率，結果如圖3所示。

圖3 滲出液電導率隨入滲輪數的變化Fig. 3 Variation of exudate conductivity with the percolation treatments

由圖3可知，菌液密封時間對入滲1輪時滲出液的電導率有一定影響，幾種方案下電導率的差值為3.7 mS/cm。當入滲輪數增加至2輪后，電導率的波動減小，入滲4輪時，電導率的差值僅為0.9 mS/cm。因此可認為入滲4輪后滲出液的電導率基本相同。隨著入滲輪數的增加，菌液密封時間對細菌脲酶活性的影響逐漸減小。

2.3 菌液密封時間對加固效果的影響

對不同菌液密封時間處理的試樣，入滲4輪1.0Vv、1.25 mol/L的膠結液，測定CaCO3生成量和無側限峰值抗壓強度。

不同密封時間各部分碳酸鈣生成質量分數見圖4。從圖中可發現：1)菌液密封時間在0～8 h時，各試樣上部CaCO3質量分數較低，且CaCO3含量隨著密封時間的增加而上升。密封時間達到12 h時，上部CaCO3含量明顯提高，增至16.2%。2)試樣中部CaCO3含量受密封時間的影響不明顯。3)各試樣下部的CaCO3百分比在13.5%左右，可認為處于同一水平。從CaCO3的分布來看，方案4(12/0)的試樣中CaCO3分布相對較均勻，方案3和方案5次之，方案1(0/12)的CaCO3分布最不均勻。

圖4 不同試樣中碳酸鈣分布Fig .4 Calcium carbonate distribution in different samples

各試樣的無側限抗壓強度和整體碳酸鈣生成百分比見圖5。各試樣的無側限抗壓強度為819～1 347 kPa。密封時間在0～12 h時，強度隨著菌液密封時間的增加而逐漸提高；密封時間達到12 h時(方案4)，強度達到最大值1 347 kPa，相比密封時間0 h(方案1)提高了64%。而同樣菌液密封12 h、但解封12 h后才入滲膠結液(方案5)，強度卻降低了12%，與密封8 h試樣(方案3)相近。

圖5 不同試樣的無側限抗壓強度與碳酸鈣生成總質量分數Fig. 5 Unconfined compressive strength and overall calcium carbonate ratio in different samples

CaCO3總生成量隨著密封時間的增加逐漸增多，為11.9%～13.5%。方案4試樣中CaCO3總生成質量分數最高。值得注意的是，方案1(0/12)試樣中的CaCO3含量與方案5(12/12)相差不足1%，但強度較低。其原因主要是方案1試樣中CaCO3分布不均勻(圖4)，這也表明加固強度不僅取決于CaCO3的數量，還取決于分布的均勻性[12]。

不同試樣在無側限抗壓強度測試中的破壞形態見圖6。密封時間在0 h時，試樣僅在上部發生塑性破壞，強度也最低(819 kPa)；密封時間提升到4 h時，破壞范圍明顯增大；密封時間達到8 h時，剪破面繼續往下發展，試樣呈現中部及上部破壞；當密封時間達到12 h時，剪切面貫穿整個試樣高度，試樣呈現整體劈裂破壞，無側限抗壓強度也最高。圖4～6的結果表明，菌液密封時間對CaCO3的分布均勻性有明顯影響，進而影響加固強度。密封時間較短時試樣上部的CaCO3含量低，其原因是菌液受重力作用下滲，試樣上部的菌液含量較低，致使生成的CaCO3相對較少。

圖6 試樣在無側限抗壓測試中的破壞狀態Fig. 6 Failure modes of samples in unconfined compressive tests

2.4 不同濃度菌液的試驗結果

以上試驗結果表明，當菌液在密封狀態下靜置12 h后入滲膠結液的加固效果最好。為了驗證采用不同濃度菌液時，密封時間是否對加固效果也有相同的影響，選取OD值2.2的菌液進行了類似試驗。采用如表2方案中的5種菌液密封時間，入滲膠結液的參數均與之前試驗相同，并設置了平行試樣,結果見表3。

表3中的數據表明，菌液濃度提高后不同方案下滲出液的電導率相比表2(OD600為1.6)均有所增大。密封時間從0增至4 h時，滲出菌液的電導率提高了0.27 mS/cm；密封時間從8 h增至12 h后僅提高了0.07 mS/cm。方案4和方案5的電導率相差不大。采用不同菌液濃度，密封時間的延長都有助于脲酶活性提高。

表3 不同密封狀態時滲出液電導率(OD600為2.2)Table 3 Conductivity of exudates under different sealing state(OD600為2.2)

提高OD值后試樣的無側限抗壓強度和碳酸鈣質量分數見圖7。隨著菌液密封時間從0 h增至12 h，試樣中生成的CaCO3逐漸增加。與圖5相似，最高強度和最大CaCO3生成量均出現于方案4(12/0)，這表明該方案有利于土體加固。當菌液在試樣中的靜置時間延長至24 h(方案5)后，強度有較大幅度下降，說明菌液靜置時間并不是越長越有利。提高菌液濃度并未使加固強度有明顯提高，反而略有下降，這主要是由于高濃度菌液分解尿素速度較快，不利于較大碳酸鈣晶體在粉土中的生成[13-14]。

圖7 無側限抗壓強度與碳酸鈣生成總質量分數(OD600為2.2)Fig. 7 Unconfined compressive strength and overall calcium carbonate ratio in different samples(OD600為2.2)

3 討 論

從以上試驗結果可以看出，菌液在土中靜置時的密封狀態對粉土的加固效果有不可忽略的影響。當使用拌菌結合多輪膠結液入滲的方法時，菌液處于完全密封狀態(方案4)能獲得更高的加固強度。與之相反，當菌液處于非密封狀態(方案1)時的加固強度最低。由于本次試驗用粉土粒徑較小，具有較強的保水能力。當菌液與土拌合裝樣后即打開底蓋小孔，并靜置12 h，流出的菌液體積約為10 mL，此時試樣的飽和度從完全飽和下降至約88%。

有學者認為，砂土中的菌液處于非飽和狀態時，更有利于微生物吸附于土顆粒接觸點，在顆粒接觸點生成更多碳酸鈣晶體[15]。本次在使用相同種類菌液和膠結液的情況下，試驗結果并不支持此觀點,其原因可能是處理土的種類不同。之前大部分研究建議的方法、參數主要適用于砂土;而本次所用粉土的粒徑級配和物理性質與砂土有較大差別。這也表明，在處理不同種類土時，應通過試驗來選擇試驗參數，確定更合理的加固方法。

4 結 論

通過微生物技術加固海相粉土，重點研究了菌液密封時間對加固效果的影響，得到以下結論：

1)菌液在土中靜置時的密封狀態對微生物的酶活性有直接影響。不同方案的對比表明，菌液在土中密封時間達到12 h時的電導率較高。

2)隨著膠結液的多輪入滲，菌液密封時間對酶活性的影響逐漸減小。

3)在其他參數不變的情況下，菌液密封時間對碳酸鈣生成質量分數和均勻性、無側限抗壓強度有明顯影響。菌液在密封狀態下靜置12 h后入滲膠結液進行加固的效果最好。