微生物誘導成礦膠結鈣質砂試驗研究

張國慶，李征，張表志，朱紀康，周楊

[1.北京新橋技術發展有限公司，北京 100088；2.新疆維吾爾自治區交通運輸廳規劃設計研究中心，新疆 烏魯木齊 830099；3.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；4.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074]

0 引言

鈣質砂主要存在于北緯30°和南緯30°之間的熱帶和亞熱帶大陸架，主要由海洋生物的殘渣和骨骼組成。因為它們的碳酸鹽礦物學和獨特的顆粒特征，鈣質砂區別于最常見的陸源砂、淤泥和黏土的機械行為。從工程角度來看，鈣質砂具有高空隙率、壓碎性和低硬度[1]，且極易在海風、洋流等作用下流失。常規土體加固手段因高耗能、高污染等問題并不適用于吹填島礁的加固，亟需尋求一種能夠有效、高效、清潔的地基加固手段對吹填島礁的松散鈣質砂進行膠結加固，提升島礁抗侵蝕能力，提高地基承載力，為工程建設提供有利條件。

新興的微生物誘導成礦膠結加固手段（Microbial Induced Calcite Precipitation，以下簡稱MICP）是利用產脲酶微生物分解尿素等有機物生成碳酸根，并為其提供一定的鈣離子，使二者生成具有膠凝效果的碳酸鈣微晶膠結松散砂土體，是一種高效清潔的巖土體加固手段[2]。

在對天然鈣質砂膠結體的研究中發現[3]，某些膠結體內部存在微生物微晶，并發揮較為關鍵的膠結作用。微生物誘導成礦技術通過人工干預，加快具有膠結性的生物微晶形成，與自然界中的生物成因碳酸鈣生成類似，且高效、清潔、環保。若能大規模應用于吹填島礁加固，對海洋生態環境保護與“生態島礁”建設具有十分重要的意義。

眾多學者已經對陸源砂土的微生物誘導成礦膠結開展了大量的試驗研究。Jason等[4]從微觀和宏觀角度解釋了MICP技術對砂土體加固的機理。Mortensen等[5]基于大量的MICP試驗研究，分析了環境因素對Sporosarcina pasteurii沉積碳酸鈣速率的影響。為提高膠結效率，Harkes和Kucharski等[6-8]提出一種分步灌漿方法，以尿素作為分解底物與鈣離子生成具有膠凝作用的碳酸鈣，實現砂土體的膠結。針對不同的砂土體的微生物膠結，許朝陽等[9]開展了一系列粉土改性試驗，研究了生物膠結土體的滲透性，無側限強度及微觀結構特征。王保生等[10]研究了菌種對細菌生長的影響，以及硝酸鈣溶液、硝酸鈣固體對微生物礦化的影響，發現修復試件的滲透系數離散性較大，但其抗滲性能有明顯提高。徐晶等[11]探索了影響注漿固化砂土的若干因素，發現脲酶活性會導致碳酸鈣含量差異，從而影響砂土固化強度。張永勝等[12]采用微生物礦化技術針對冶煉廢渣進行了資源化利用，發現延長礦化時間與增大碳化壓力有利于提高制品的力學性能。

針對海洋環境下的砂土體，方祥位等[13]對南海的珊瑚砂進行了膠結試驗研究，并對其滲透性、抗壓強度等進行測試分析，此外其團隊基于微生物誘導成礦技術開展了一系列珊瑚砂膠結影響因素試驗研究[14-16]，為島礁加固提供了一定的參考。

目前大部分研究集中于陸源砂微生物膠結的膠結方法、影響因素及膠結體力學性能研究；海洋鈣質砂的微生物膠結研究偏向于膠結影響因素與膠結體性能研究；對微生物誘導成礦的滲流演化過程的探究還未深入。此外，微生物誘導成礦產物與鈣質砂的主要成分相近，2種鈣質之間的相互作用機理與膠結常規陸源砂土有較大區別，對此鮮見相關研究。

故此，本文以鈣質砂作為膠結對象，開展微生物誘導成礦膠結試驗，分析滲流膠結反應過程的有效膠結作用，研究膠結體的整體與宏觀性能，探究鈣質砂與誘導生成的碳酸鈣之間的相互作用，為后續的試驗研究和吹填島礁鈣質砂微生物膠結工程實踐提供參考。

1 試 驗

1.1 膠結試驗材料

鈣質砂：取自南海某吹填島礁，顆粒密度2.69 g/cm3，顆粒級配如圖1所示。不均勻系數cu=2.00，曲率系數cc=0.81，顆粒級配不良。

圖1 鈣質砂的顆粒級配

（2）微生物：選用Sporosarcina pasteurii芽孢八疊球菌（ATCC-11859）進行試驗研究。培養基成分：尿素20 g/L，酪蛋白胨15 g/L，大豆蛋白胨5 g/L，氯化鈉5 g/L，pH值7.3；使用高壓蒸汽滅菌，按1%的接種量在30℃恒溫培養24 h。

一定的細菌濃度與脲酶活性能夠保證尿素被充分分解，為碳酸鈣微晶析出提供充足的碳酸根離子。使用上海儀電L5S紫外可見分光光度計對微生物濃度進行測試，使用上海雷磁DDS-307A型電導率儀對微生物脲酶活性進行測試分析，結果如圖2所示。

圖2 微生物生長曲線及脲酶活性曲線

由圖2可知，隨著時間的延長微生物濃度和脲酶活性先逐漸增加，在24 h后達到穩定，其中微生物最大OD600值為0.71，脲酶活性最大為0.42 mmol/（h·L），二者增減趨勢一致。

1.2 膠結試驗模具

采用自行設計的滲流膠結模具對鈣質砂進行膠結，試驗模型裝置內腔長200 mm，直徑50 mm的柱形有機玻璃模具。為使鈣質砂充分飽和，排除砂土體內部空氣的影響，從下至上灌注膠結液系，試驗裝置實物如圖3所示。

圖3 膠結試驗裝置

1.3 膠結試驗設置及操作步驟

為保證膠結液中的尿素能夠充分分解，每次加注膠結液的體積為鈣質砂孔隙體積的1.2倍。膠結次數與膠結體性能有密切關系，隨膠結次數增加，膠結體性能提升，但在一定的膠結次數后膠結體性能提升幅度降低，即存在最優膠結次數，結合以前的研究成果[17]，本研究擬定灌漿次數為7次。

膠結試驗操作流程[6]為：（1）固定液（0.05 mol/L的氯化鈣溶液）以10 mL/min速率注入砂土體內部；（2）培養24 h的菌液以5 mL/min速率注入砂土體內部，并在30℃環境下恒溫靜置2 h；（3）膠結液（1 mol/L的尿素和氯化鈣混合溶液）以10 mL/min速率注入，并在30℃環境恒溫養護，24 h后再次進行膠結；（4）經過7次膠結試驗后，將鈣質砂膠結體進行沖洗、脫模、烘干等步驟，得到膠結體如圖4所示。

圖4 膠結試樣

1.4 膠結試驗現象及原理

按照試驗流程，首先灌注固定液。第1次固定液注入砂土體會發生輕微的水密；之后幾個循環注入固定液是將上一個膠結反應循環的膠結液廢液排出，排出液為無色、具有氨氣氣味的液體，偶有白色的不溶顆粒狀物質。這證明在膠結養護過程中尿素被分解，其生成的碳酸根與鈣離子反應生成了碳酸鈣顆粒，但由于某些原因，小部分碳酸鈣并未被固定。固定液含有一定的鈣離子，可與自然狀態下呈電負性的鈣質砂和微生物之間發生相互作用，提高微生物吸附、固定于鈣質砂的效率，其反應過程如式（1）所示，同時其還可飽和鈣質砂土、排除氣泡，為膠結反應提供有利環境。

隨后向砂土體內部注入培養24 h的渾濁棕黃色菌液，排出液為無色無味透明液體，即未與菌液反應的固定液，此時砂柱內微生物與固定液發生式（1）所示的吸附反應，此過程中微生物發生吸附、解吸、固定等多個可逆反應，因而恒溫靜置2 h使其達到平衡。菌液主要為膠結反應提供產脲酶微生物與脲酶，微生物分解尿素生成碳酸根離子，并為碳酸鈣結晶提供成核位點[17]。

待吸附反應達到平衡，將膠結液注入砂土體內部，可以發現，首先排出的是培養基色液體，有輕微的氨氣味道，與菌液相比此部分排出液較為清澈。這是由于較大數量的微生物有效地被吸附、固定于鈣質砂體內，而菌液中的底物未發生吸附，在滲流作用下排出砂柱。灌注到一定體積后，可以觀測到大量白色絮狀不溶物質排出，直到膠結液灌注結束。這是微生物在培養基生長繁殖過程中分解底物生成碳酸根達到一定濃度，與膠結液中的鈣離子相互作用，鈣離子與碳酸根的離子積超過碳酸鈣的溶度積，即[Ca2+][CO32-]>Ksp（CaCO3），發生沉淀反應，因而在極短的時間內快速生成大量結晶不完全的絮狀碳酸鈣，如式（2）所示：

絮狀碳酸鈣未在反應過程中與鈣質砂顆粒發生有效的固定、膠結作用，在蠕動泵滲透力的作用下流出砂柱。隨膠結次數的增加，出現白色絮狀的不溶物質時灌注的膠結液體積逐漸減少，砂土體內部孔隙體積隨膠結次數的增加在逐漸減少。

隨后結束此循環的注漿操作，將砂柱在30℃恒溫環境下養護24 h，此過程中被吸附固定的微生物分解尿素，如式（3）所示：

生成的碳酸根與膠結液中的鈣離子反應生成具有膠結性的碳酸鈣，如式（4）所示，將鈣質砂顆粒有效膠結，提高了鈣質砂柱的整體性和力學性能[18]。

2 試驗結果及分析

2.1 有效膠結作用分析

在試驗過程中發現，隨膠結次數的增加膠結液系排出液發生了較大的變化，因而對菌液和膠結液注入、排出情況進行檢測，并根據檢測結果提出微生物固定率與鈣離子利用率2個用于評價膠結反應歷程的指標，以監測膠結反應進程和膠結反應效果。

2.1.1 微生物固定率分析

微生物吸附固定效率對膠結反應環境中的碳酸根離子的濃度、誘導成礦成核位點等起著決定性的作用。由上可知，菌液灌注和排出時的液體渾濁度相差較大，取菌液和菌液排出液（以現象控制為準，取排出液的清澈部分）進行微生物濃度測試，微生物固定率按式（5）計算，得到結果如圖5所示。

圖5 微生物在鈣質砂柱內的固定率

式中：M——微生物固定率，%；

mo——菌液中微生物初始濃度，cells/mL；

m1——菌液排出液中微生物濃度，cells/mL。

微生物濃度通過換算溶液OD600值計算，如式（3）所示。

式中：Y——微生物濃度；

Z——OD600測試值，僅在OD600值在0.2~0.6范圍內有效。

由圖5可知，微生物在鈣質砂柱內的固定率隨膠結次數的增加而逐漸增大，由初始的70%逐漸線性增大到第7次時的90%。這是因為，在膠結過程中，微生物誘導生成的碳酸鈣微晶不斷沉積、膠結于鈣質砂顆粒表面，此類碳酸鈣顆粒顆粒小、比表面積大、晶格缺陷多，更加容易與外界發生相互吸附和聚集，增加了鈣質砂土體內部的比表面積，可供微生物吸附、固定的位點逐漸增多，因而微生物固定率不斷增大[2]。由于不同試樣內部砂顆粒之間的相互接觸關系不同，固定率增長出現了一定的波動，但整體趨勢明顯。

2.1.2 鈣離子利用率分析

鈣質砂微生物膠結體對膠結液中的鈣離子有效利用率可以直觀反應膠結體性能的變化趨勢，從而判斷誘導成礦作用對鈣質砂柱的有效膠結作用，可對膠結反應進程進行定量判斷，對提升工程效率有重要的影響。本文通過滴定法對灌注膠結液排出液（取排出液體積與孔隙體積相等）鈣離子濃度進行測試，鈣離子利用率按式（7）計算，得到膠結反應過程中的鈣離子利用率測試結果如圖6所示。

圖6 膠結反應過程中的鈣離子利用率

式中：K——鈣離子利用率，%；

C0——膠結液中鈣離子初始濃度，mol/L；

C1——滴定法測得灌注排除液中的鈣離子濃度，mol/L。

由圖6可知，鈣離子利用率隨膠結次數的增加先增大后減小。首次膠結鈣離子利用率離散性較大，在40%~70%。這是由于鈣質砂柱內的微生物固定率較低、碳酸根離子濃度不足導致。隨著碳酸鈣的不斷沉積，微生物吸附效率增加，鈣離子利用率增加，在第3次或第4次膠結時鈣離子利用率達到最高，在60%~75%。隨后鈣質砂柱的孔隙體積逐漸減小，在鈣質砂柱內提供鈣離子并發揮膠結作用的量逐漸減少，膠結液中鈣離子與微生物的相互作用減弱，鈣離子有效利用率逐漸減小，在第7次微生物膠結時鈣離子利用率降到50%左右。

2.2 膠結效果分析

膠結體宏觀性能可評價分析微生物誘導成礦技術對松散鈣質砂的膠結能力，可為工程實踐提供策略與依據。經測試得到鈣質砂微生物膠結體沉積量如表1所示。

表1 鈣質砂微生物膠結體沉積量統計

由表1可知，在微生物誘導成礦生成的碳酸鈣作用下，鈣質砂柱質量與密度有了較大的增長。鈣質砂柱的質量增長均超過74 g，膠結體干密度均超過1.88 g/cm3，單位密度增長0.27~0.41 g/cm3。

本文對鈣質砂微生物膠結體單軸抗壓強度進行測試，得到膠結體應力-應變曲線如圖7所示。

由圖7可知，鈣質砂被微生物誘導成礦有效膠結，膠結體具有一定的抗壓強度，在1.20~1.82 MPa，其中試樣4的抗壓強度達到了1.82 MPa。各膠結試樣應力-應變曲線變化趨勢相似，大致可以分為2段：初始階段為彈性階段，應力隨著應變而快速增長；隨后鈣質砂微生物膠結體應力達到峰值發生破壞，具有明顯的破壞點，應力隨變繼續增加而逐漸下降，膠結體進入塑性變化階段，呈現彈塑性應力-應變模式，但內部膠結不均勻，上下差異較大。

圖7 膠結體應力-應變曲線

對沉積量變化及抗壓強度進行聯合分析，結果如圖8所示。

圖8 沉積量與抗壓強度的關系

由圖8可知，膠結體抗壓強度與沉積量具有明顯的相關性[19]，膠結體抗壓強度隨沉積量的增加而提高，呈現線性增長的趨勢。

2.3 微觀結構分析

對鈣質砂顆粒及膠結體破壞面的SEM照片分別見圖9、圖10。

圖9 鈣質砂顆粒的SEM照片

圖10 膠結體破壞后的SEM照片

由圖9可見，鈣質砂顆粒呈紡錘狀、球狀、塊狀等形態，鈣質砂顆粒表面有明顯的開放孔隙，開放孔隙分布密集且不規則，便于微生物吸附。

由圖10（a）可見，經微生物誘導成礦技術膠結后，鈣質砂顆粒被有效地膠結在一起。鈣質砂顆粒孔隙間有小顆粒和殼狀體附著、充填、橋接，殼狀體與鈣質砂顆粒緊密接觸，殼狀體是先前完整附著、包裹于鈣質砂顆粒表面的誘導成礦碳酸鈣。抗壓強度測試過程中，在外力作用下鈣質砂顆粒與其表面的覆裹物分離形成。這也證明了殼狀包裹物與周圍鈣質砂顆粒相互搭接緊密接觸，使得松散的鈣質砂顆粒膠結在一起形成整體。由圖10（b）可知，與鈣質砂顆粒表面不同，經微生物處理的鈣質砂表面有一定的碳酸鈣晶體附著、包裹，此類型碳酸鈣形狀不規則，介于球形和斜方晶體之間，這是在碳酸鈣結晶過程中，微生物及其分泌的大分子發揮一定的作用，但其作用有限。表面可觀測到一定量的長條形或圓形孔洞，孔洞局部緊密搭接，這是微生物參與碳酸鈣成核后為碳酸鈣結晶提供成核位點，并在殘留于其表面，即微生物孔洞[12]。

2.4 膠結機理分析

結合紅外光譜、熱重分析等化學分析手段，對微生物誘導成礦膠結鈣質砂的膠結機理進行探究。

2.4.1 熱重測試

通過德國耐馳儀器制造有限公司的STA 409 PC型熱重分析儀對鈣質砂及鈣質砂微生物膠結體的熱穩定性進行研究，加熱至1000℃停止。其熱重曲線如圖11所示。

圖11 鈣質砂及其膠結體熱重曲線

由圖11可知，鈣質砂及其膠結體的分解溫度、熱穩定性存在一定差異。鈣質砂分解溫度為714℃，活化能為52.3 kJ/mol，鈣質砂微生物膠結體分解溫度為736℃，活化能為55.7 kJ/mol，2種碳酸鈣的分解溫度相差18℃，活化能相差3.4 kJ/mol。上述現象是由Sporosarcina pasteurii及其分泌有機基質大分子與鈣質砂以及誘導成礦產物發生了復雜的相互作用[20]。使膠結體的熱分解溫度和活化能提高，增加了膠結體的熱穩定性。

2.4.2 紅外光譜測試

采用Nicolet6700傅立葉紅外光譜儀對膠結的作用機理進行分析，測試光譜范圍4000～500 cm-1，結果如圖12所示。

圖12 鈣質砂及其膠結體FT-IR圖譜

由圖12可知，鈣質砂與微生物誘導成礦膠結體的紅外光譜各振動峰出現位置較為相近，但膠結體在1795.96 cm-1處出現了一個有機質多肽的紅外振動峰，證明微生物及其分泌的有機質多肽等物質參與誘導成礦過程。膠結體的各紅外振動峰在微生物分泌的有機質分子作用下出現了一定的偏移，其中膠結體分子間氫鍵的波數由3422.84 cm-1變為3406.21 cm-1，這是微生物細胞壁及微生物分泌的多肽等成分中的羥基（—OH）等參與碳酸鈣晶體形成過程，加強了分子間氫鍵（O—H…O）作用，使得成鍵電子云密度平均化，化學鍵力常數減小，伸縮震動吸收向低波數移動[2]；該鍵使C—O之間電子云密度向O原子方向移動，C—O之間的電子云密度降低，振動力減弱，導致對稱收縮和反對稱伸縮振動頻率向低頻方向發生移動

3 結 論

（1）微生物誘導成礦膠結反應過程中共生成2種碳酸鈣，第1種為在灌漿過程中快速生成的絮狀碳酸鈣，其碳酸根來源培養基中微生物分解底物產生；第2種為恒溫養護階段緩慢生成的碳酸鈣，在砂柱內以顆粒狀和殼狀存在，表面有微生物活動殘跡，碳酸根來源為微生物分解膠結液中尿素產生。

（2）提出了微生物固定率和鈣離子利用率2個指標，可綜合評價微生物誘導成礦反應進程，微生物固定率隨膠結次數的增加而逐漸增大，鈣離子利用率隨膠結次數增加先增大后減小，在第3或第4次達到最大，可基于此對膠結反應進程進行綜合動態評價和控制。

（3）微生物誘導成礦技術可有效膠結鈣質砂，在本試驗條件下膠結體抗壓強度為1.2~1.8 MPa，干密度變化值超過了270 kg/m3，隨誘導成礦產物質量的增加，膠結體抗壓強度逐漸提高。

（4）在微生物誘導成礦作用下，膠結體的熱穩定性和活化能相比于鈣質砂有了一定程度的提高，由于多肽的作用使得碳酸鈣振動峰發生了一定偏移，加強了碳酸鈣內部分子間氫鍵的作用。