膨潤土輔助微生物固化砂土的試驗研究

［摘 要］ 為研究膨潤土種類對MICP效果的影響，分別選用鈣基和鈉基膨潤土，在膠結液為1mol/L的條件下添加不同質量分數（1%、2%、3%、4%）的膨潤土與砂土混合，采用拌合法進行固化試驗，結果認為：相較于鈉基膨潤土，添加了鈣基膨潤土的菌液初始pH值更低，脲酶活性更高；鈣基膨潤土固化后試樣的無側限抗壓強度均高于鈉基膨潤土試樣，故MICP固化過程中的鈣基膨潤土更有優勢。為了研究鈣基膨潤土輔助微生物固化砂土的最佳條件，同時改變鈣基膨潤土摻量和膠結液濃度進行制樣并開展固化后的強度測試，結果認為：鈣基膨潤土摻量對試樣強度的影響與膠結液濃度密切相關，膠結液濃度較低時，試樣的強度隨著鈣基膨潤土摻量的增加而增強；膠結液濃度較高時，試樣的強度隨著鈣基膨潤土摻量的增加先增強后減弱；研究范圍內鈣基膨潤土輔助微生物固化砂土的最優條件為2 mol/L的膠結液濃度和2%的膨潤土摻量。

［關鍵詞］ 膨潤土； 微生物固化； 砂土； 無側限抗壓強度； 掃描電鏡

［中圖分類號］ TU411" ［文獻標識碼］ A

隨著全球各地城市化進程逐年加快，大量建筑拔地而起，土地亟待被開發利用，環境保護和資源利用效率的重要性也日益突出［1］。然而傳統的土體加固材料耗能大，且施工過程會釋放大量二氧化碳，加劇溫室效應；同時大多數材料也含有有毒物質，污染土體和地下水資源［2］。隨著2004年Whiffin［3］首次提出利用微生物誘導碳酸鈣沉淀（microbially induced calcite precipitation，MICP）技術進行土體的固化改良，更多學者開始關注到微生物礦化碳酸鈣這一綠色高效的技術，MICP被逐步應用于各相關領域［4］。

微生物誘導碳酸鈣沉淀本質上是一種生物礦化作用，即利用一種高產脲酶菌的微生物分解尿素，產生大量碳酸根離子，在一定環境下與游離的鈣離子結合反應生成碳酸鈣沉淀［5］。這些沉淀在生成的過程中可以填充土體孔隙，膠結離散顆粒，從而達到提高土體強度、改善土體整體性能的目的［6］。

Whiffin［3］率先將MICP方法應用于固化松散的砂土顆粒， 通過研究發現MICP固化后砂土的抗剪強度得到顯著提升，證明了此方法的可行性。然而，單一的MICP改善砂土的效果是有限的，大量研究學者摻入不同的物質作為添加劑，輔助MICP的進程，取得了不同的改良成果。Li等［7］通過研究纖維含量對微生物固化砂土的影響，發現隨著纖維含量增加，固化體的力學強度和延性均能得到增強；范存彬［8］在砂土中摻入活性炭材料來提高微生物灌漿過程中的固菌率，發現砂土的碳酸鈣產量和力學性能均得到提高；岳建偉等［9］采用糯米漿對MICP技術進行改良，發現糯米漿可以提高細菌活性，促進碳酸鈣生成，隨著養護天數的增加，土體的強度得到持續提高。

膨潤土具有固化砂土的能力。作為一種自然界大量存在的黏土，膨潤土有著較高的吸水性，是一種天然、廣泛、低成本的灌漿材料，飽和后可形成具有納米級孔隙的膨脹閉孔蜂窩狀結構，顯著降低土壤滲透性［10］，作為摻量可以提高砂土的粘聚力使其較易穩定成型而不塌陷或散落。根據層間可釋放出的陽離子種類的不同，一般分為鈣基膨潤土和鈉基膨潤土。已有學者試驗采用鈉基膨潤土輔助微生物固化砂土，取得了顯著成果。Ma等［11］嘗試將不同濃度鈉基膨潤土與菌液混合后進行微生物灌漿，發現加入較低濃度（20 g/L）的膨潤土時，試樣的碳酸鈣沉淀增加最多，無側限抗壓強度提高最為明顯。張培培［12］將不同質量的鈉基膨潤土混入普通砂中，以優化過后的反應條件進行固結試驗，發現當鈉基膨潤土摻量在1%～3%范圍內，試樣的無側限抗壓強度隨著摻量的增加而增加，滲透性隨著摻量的增加減小。

以上試驗研究對膨潤土輔助微生物固化砂土試驗提供了思路。然而目前，對膨潤土輔助微生物固化砂土的研究均采用鈉基膨潤土。這是因為鈉基膨潤土的工程性質要優于鈣基膨潤土，具體表現在其離子交換量更高，吸附力更強，膨脹倍數更大，在膠體溶液中更為分散，粘度、觸變性和耐熱穩定性更強等方面，故其在實際應用中使用較多。但一方面，自然界中鈣基膨潤土的分布遠廣于鈉基膨潤土，據河北省自然資源廳統計數據顯示，我國已知的膨潤土儲量居世界第一，其中大部分以鈣基膨潤土為主，儲量約占膨潤土總儲量的80%，而鈉基膨潤土儲量較少。因此工程上除了加強尋找鈉基膨潤土外就是要對鈣質土進行改造，比如通過在鈣基膨潤土中加入純堿的方式，將其調整為鈉基膨潤土以提高造漿率，這就需要消耗大量的人力物力，造成了經濟上的負擔。另一方面，鈣基膨潤土作為添加劑輔助微生物固化砂土的效果在理論上要優于鈉基膨潤土，具體表現在其合理的膨脹倍數、較為適宜的pH值以及可以為反應提供更多的鈣源等。

為了研究適宜MICP的膨潤土種類，對比不同基質膨潤土摻量下，菌液在水解尿素過程中的pH值及脲酶活性變化，進行試樣的固化試驗并測試相應的無側限抗壓強度；在此基礎上，以較優種類的膨潤土作為添加劑，以膨潤土摻量和膠結液濃度作為變量對膨潤土輔助微生物固化砂土的效果進行優化研究。

1 試驗準備

試驗采用的砂土是由廈門艾思歐標準砂有限公司出品的中國ISO標準砂，室內土工試驗測得其最大干密度為2.02 g/cm3。將砂土樣放置在電熱鼓風干燥箱中，在65 ℃條件下烘干48 h，冷卻備用。

購買相同粒徑的鈣基膨潤土和鈉基膨潤土作為試驗材料，該土的主要化學成分有SiO2、Al2O3、MgO和CaO等，由X射線衍射試驗測得其主要由蒙脫石和石英組成。其中，鈉基膨潤土為乳白色，鈣基膨潤土為土黃色，土樣如圖1所示。

1.1 微生物和膠結液

試驗采用的微生物為上海保藏生物技術中心的巴氏芽孢桿菌， 是目前已知脲酶活性最高的物種［13-14］，規格為1 mg的凍干粉，編號為ATCC11859。對微生物進行活化處理并擴大培養：將試驗所需的全部儀器滅菌處理后置于超凈工作臺中，取裝有巴氏芽孢桿菌凍干粉的菌種管，用量程為100～1000 μL的移液槍取0.3 mL的溶解液加入菌種管中使其與菌粉混合均勻。用接種環將微生物全部接種至10個斜面培養基中，在30 ℃條件下培養48 h，再對微生物行擴大培養。配置液體培養基，成分如表1所示。用1 mol/L的NaOH調節培養基的pH至7.3，平均分成4份裝入錐形瓶中，再放入高壓滅菌鍋中滅菌15 min；待溫度降至60 ℃以下時取出，加入過濾滅菌后的20 g/L尿素溶液25 mL。選取長勢較好的4支斜面培養基，用接種環分別將微生物移植到4瓶250 mL液體培養基中作為二代菌液。在30℃條件下，200 r/min的氣浴恒溫振蕩器中振蕩培養48h。重復配置培養基，將二代菌液擴大到三代，共得到4瓶1 L的菌液，培養過程如圖2所示。用紫外可見光光度計（TU-1810）測得平均OD600值為1.32，滿足使用要求。

膠結液不僅給微生物提供生長所需的氮源，還能夠提供生成CaCO3沉淀所需的CO32-和Ca2+。試驗選取的膠結液為尿素和CaCl2的混合溶液，其物質的量比為1∶1。根據試驗需求，選取膠結液的濃度分別為0.5、 1、 1.5和2 mol/L。

1.2 試驗方案與試樣制備

為研究膨潤土種類對MICP固化砂土無側限抗壓強度的影響，制定試驗方案1：在膠結液濃度為1 mol/L的砂土環境下，分別添加質量比為1%、2%、3%、4%的鈣基膨潤土和納基膨潤土，采用拌合法進行固化試驗，測試其無側限抗壓強度，試驗共9個試樣（表2）。

為了探究膨潤土輔助微生物固化砂土的最佳條件制定試驗方案2：只保留試驗1中無側限抗壓強度結果較好的膨潤土種類，同時改變膨潤土摻量（1%、2%、3%、4%）和膠結液濃度（0、0.5、1、1.5、2 mol/L）進行制樣并進行無側限抗壓強度測試。試驗共20個試樣，如表3所示。

采用拌合法制樣，試樣的體積為Φ39.1mm×80 mm，不同膨潤土摻量下砂土和膨潤土的質量如表4所示。所需溶液共16 g，菌液和膠結液的質量比為1∶1。將所需質量的膨潤土與8 g菌液充分混合，倒入砂土中進行攪拌，靜置1 h使微生物充分自由活動平均分布在土體中。再將所需質量的無水CaCl2和尿素加入到8 g的水中配置膠結液，充分溶解后倒入土體中，攪拌均勻分四層放入飽和器中按《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）壓實至相同的密實度，下面放置透水石將其取出后在溫度為25 ℃、濕度為95%的恒溫恒濕試驗箱中養護28 d。

2 pH值和脲酶活性

溶液的pH值與細菌的脲酶活性息息相關，較高的pH值不僅影響細菌的新陳代謝，還會影響生成的CaCO3的晶體形態［15］。為了研究添加膨潤土之后菌液的pH值變化，將16 mL分別添加1%鈉基膨潤土、1%鈣基膨潤土和未添加膨潤土的菌液與等質量的1 mol/L尿素溶液混合，用校準后的pH酸度計測量其60 h內的變化，如圖3所示。

鈣基膨潤土的pH值在6.4～8.5之間，而鈉基膨潤土可達8.5～10.6，故添加了鈣基膨潤土菌液的初始pH值偏低，添加了鈉基膨潤土的值偏高。根據Wiley等［16］的研究，最適宜巴氏芽孢桿菌生長的pH值約為9.25，而當pH值超過10之后細菌便停止生長。鈣基膨潤土的加入降低了菌液的初始pH值，給細菌提供了較適宜生長的環境。反應進行到后期，隨著脲酶水解催化尿素的進行，產生了越來越多的NH+4和OH-，溶液的pH值逐漸升高，最終趨于穩定。

微生物的脲酶活性是指脲酶催化水解尿素的能力，脲酶活性越高，單位時間內就有越多的尿素被分解，碳酸鈣生成的速率就越快［17］。添加了鈣基膨潤土的菌液降低了初始pH值，提供了對細菌和脲酶活性有益的環境。為了定量地測量脲酶活性的變化，采用電導率儀（型號為FE-38）測量其電導率變化（圖4）。

通過控制變量，微生物的脲酶活性受到pH值變化的影響，而pH值在5 min之內的變化較為緩慢，電導率的變化區別不大，故延長電導率測定的時間。采取測量每30 min的電導率變化值，通過電導率變化值的線性回歸得出曲線斜率，來近似地評價脲酶活性的高低。具體試驗如下：將5 mL分別添加1%的鈣基膨潤土和鈉基膨潤土及未添加膨潤土的菌液與45 mL的1.1 mol/L尿素溶液混合均勻。試驗前用校準液對電導率儀進行校準，將電極放入溶液中每隔30 min記錄一次數據，測量3 h內電導率的變化值，并對其進行線性擬合（圖5）。

圖5中，未添加膨潤土、添加1%鈉基膨潤土及添加1%鈣基膨潤土溶液電導率變化的擬合直線斜率分別為19.25、18.37、20.74。相較于未添加膨潤土的菌液，添加了鈉基膨潤土的菌液脲酶活性略有下降，而添加了鈣基膨潤土的菌液脲酶活性有所提高，但變化都不明顯。這是因為在影響脲酶活性的因素中，只有pH值略有變化。此外，添加了膨潤土的菌液初始電導率均低于未添加膨潤土的菌液，這是因為在菌液中加入了不導電的膨潤土，但初始電導率并不影響其脲酶活性。

3 固化及強度測試

試樣制備完成養護28 d后采用微機控制電子萬能試驗機（WDW-10E）進行無側限抗壓強度試驗，試驗采用應變控制式，控制其軸向應變速率為1 mm/min。

3.1 膨潤土種類對固化強度的影響

膠結液為1 mol/L時，不同膨潤土摻量下，鈣基膨潤土和鈉基膨潤土無側限抗壓強度。

從圖6中可以看出：添加膨潤土會提升MICP的效果，且在研究范圍內，鈣基膨潤土的無側限抗壓強度均優于鈉基膨潤土：在摻量為1%、2%、3%、4%時強度分別是鈉基膨潤土的149.4%、120.4%、110.2%、192.9%，證實了鈣基膨潤土在處理MICP的進程中相對于鈉基膨潤土的優勢。其次，試樣的無側限抗壓強度隨著鈣基膨潤土摻量的增加而提升，在摻量為2%時較前一摻量提升最為明顯，為1%摻量時的212.7%，故較低的膨潤土摻量即可對MICP產生較高的提升。鈉基膨潤土的摻量在1%～3%時，無側限抗壓強度隨著膨潤土摻量的增加而提升，但在鈉基膨潤土摻量為4%時，其無側限抗壓強度有所下降。

通過圖7和圖8不同膨潤土摻量的應力應變曲線可以看出，其破壞類型均為脆性破壞，但隨著膨潤土摻量的增加，破壞后的下降段曲線逐漸平緩。這是因為加入膨潤土之后提升了砂土的粘聚力，降低了脆性特征。摻4%鈣基膨潤土砂柱的加載曲線出現了一個相對平緩期，是因為隨著膨潤土摻量的增多，越來越多的膨潤土填充了砂粒間的孔隙，導致微生物的膠結作用在這一段區域不均勻。而相較于浸泡法和灌漿法，試驗采用的拌合法曲線平緩期并不明顯，只在膨潤土含量較高時才有體現。

3.2 膨潤土摻量與膠結液濃度對固化強度影響

在確定鈣基膨潤土對于MICP優于鈉基膨潤土的基礎上，保留鈣基膨潤土測試其摻量和膠結液濃度的最優配合比。

從圖9中可以看出：隨著膠結液濃度的提高和膨潤土摻量的增多，試樣的強度大致上呈現出增長的趨勢。但鈣基膨潤土的摻量和膠結液的濃度并非越多越好，研究范圍內出現多次無側限抗壓強度值下降的現象。

從膨潤土摻量上看，鈣基膨潤土摻量為1%時，試樣的無側限抗壓強度普遍較低，在膠結液濃度進一步增多時才得以提升，且在全部膠結液濃度條件下均低于鈣基膨潤土摻量為2%時的無側限抗壓強度值，故2%的鈣基膨潤土摻量要優于1%的摻量。在鈣基膨潤土摻量為3%時，膠結液濃度在0～1.5 mol/L范圍內試樣的無側限抗壓強度隨著膠結液濃度的提高而提升，當膠結液濃度提高到2 mol/L時，其無側限抗壓強度有所下降，故在此膠結液濃度下，3%膨潤土摻量不利于試樣的強度提升。在鈣基膨潤土摻量為4%時，隨著膠結液濃度的提高，試樣無側限抗壓強度上下起伏無明顯變化規律。由此可以認為，2%的鈣基膨潤土摻量為其輔助微生物固化砂土的最優摻量。

從膠結液濃度上看，較低的濃度對試樣無側限抗壓強度提升較小。在膠結液濃度為0～1 mol/L時，試樣的無側限抗壓強度普遍較低，而膠結液濃度提高到1.5 mol/L以上時，試樣的無側限抗壓強度增長較為明顯，其強度值普遍偏高，試樣的無側限抗壓強度在鈣基膨潤土摻量為1%～3%時逐漸提升，在鈣基膨潤土摻量為4%時有所下降，表明鈣基膨潤土摻量和膠結液濃度在3%和1.5 mol/L時已到達峰值，這種現象在膨潤土鈣基摻量為2%、膠結液濃度為2 mol/L時同樣得以體現。對比這兩種配比下試樣的峰值強度，發現在鈣基膨潤土摻量為2%，膠結液濃度為2 mol/L時，試樣的無側限抗壓強度值最高，結合鈣基膨潤土的最優摻量2%可以得出初步結論：2 mol/L的膠結液濃度為鈣基膨潤土輔助微生物固化砂土的最優濃度。

4 SEM圖像分析

為了研究膨潤土在試樣中的形態和空間位置影響以及經MICP固化后生成的碳酸鈣的作用和形貌特征，利用掃描電子顯微鏡（SEM）對土樣進行微觀分析。取無側限抗壓強度試驗破壞后的土樣，選擇鈣基膨潤土摻量為2%的情況下，膠結液濃度分別為0 mol/L和2 mol/L的試樣進行分析。儀器采用超高分辨率冷場發射電子顯微鏡SU8010，將烘干后的試樣切成小塊，冷卻后對試樣進行噴金處理，放入掃描電鏡中觀察試樣的微觀結構。

A2為2%鈣基膨潤土摻量情況下，未經MICP固化的50倍和5000倍圖像。從圖中可以看出，大量膨潤土呈片狀，附著在砂粒表面和顆粒之間，起到了良好的膠結作用，故提高了砂土的粘聚力使其較易穩定成型而不塌陷或散落。這些膨潤土包裹著砂土顆粒，填充了顆粒之間的孔隙，使得試樣未經MICP固化便具有穩定的形態，但并不會增強試樣的力學特性。E2為2%鈣基膨潤土摻量情況下，用2 mol/L的膠結液進行MICP固化的2000倍和5000倍電鏡掃描圖。由于膨潤土吸水膨脹，填充了顆粒之間的孔隙，被膨潤土吸附的微生物則活動在顆粒之間。隨著膨潤土失水收縮，生成的沉淀剛好填充在顆粒之間，與砂土顆粒的結合更加致密，起到了更好的粘結作用，這些碳酸鈣被稱為有效碳酸鈣，是土體強度提升的主要原因。此外，通過5000倍放大的圖像可以看出，生成的碳酸鈣沉淀多為球霰石，這是因為加入了鈣基膨潤土，降低了菌液初始pH值所致：根據Matsumoto［18］的試驗結論，在室溫一定的條件下，pH為9時生成的碳酸鈣沉淀為球霰石，pH為10.5時生成的碳酸鈣沉淀為文石，pH值大于11時生成的碳酸鈣沉淀為方解石。這與pH的試驗結果較為一致。在細菌周圍有大量尿素被迅速水解，生成的CO32-多用于晶體的生長，使得碳酸鈣晶體在一個位置聚集發展。

5 結論

試驗分為兩部分，試驗1在細菌溶液中分別添加不同種類的膨潤土測量其pH值和脲酶活性，并在膠結液為1 mol/L的條件下添加不同種類和摻量的膨潤土與砂土混合進行固化試驗，并開展固化后的強度測試，對比找出適宜MICP的膨潤土種類。試驗2在此基礎上，同時改變膨潤土摻量和膠結液濃度進行固結試驗和強度測試，研究膨潤土輔助微生物固化砂土的最優條件；最后通過掃描電鏡，從微觀角度分析其固化機理，得出如下結論：

1）相較于鈉基膨潤土，鈣基膨潤土的摻入降低了菌液的初始pH值，提供了更適宜菌液生長的環境，提高了脲酶活性，其無側限抗壓強度高于鈉基膨潤土，故鈣基膨潤土輔助微生物固化砂土的效果優于鈉基膨潤土。

2）采用拌合法制樣產生的CaCO3沉淀更加均勻，膨潤土吸附微生物填充在顆粒之間，失水后收縮，使得生成的CaCO3沉淀填充在砂土顆粒之間與土體結合更加緊密。同時，采用拌合法制樣也節約了大量菌液和膠結液，有效降低了成本。

3）較低的膨潤土摻量即可對MICP產生較大提升。膠結液濃度較低時，試樣強度隨著膨潤土摻量的增加而增強；膠結液濃度較高時，試樣強度隨膨潤土摻量的增加先增強后減弱。研究范圍內2 mol/L的膠結液濃度和2%的膨潤土摻量為鈣基膨潤土輔助微生物固化砂土的最優條件。

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Experimental Study on Bentonite-assisted Microbial

Solidification of Sandy Soil

HU Qizhi， SUN Qishuo

（School of Civil Engin. Architecture and Environment，Hubei Univ. of Tech.，Wuhan 430068，China ）

Abstract： In order to study the effect of bentonite types on MICP， calcium-based and sodium-based bentonites were selected， and different mass ratios （1%， 2%， 3%， 4%） of bentonite were added and mixed with sandy soil under the condition of 1mol/L of the cementation solution， and the curing tests were conducted by mixing method. The results show that the initial pH value of the bacterial solution with the addition of calcium-based bentonite was lower and the urease activity was higher compared with that of sodium-based bentonite， and the unconfined compressive strength of the cured specimens of calcium-based bentonite was all higher than those of the sodium-based bentonite specimens. Therefore， calcium-based bentonite in the MICP curing process is more advantageous. In order to study the optimal conditions for calcium-based bentonite-assisted microbial curing of sandy soil， specimens’ preparation and strength test were carried out by changing the calcium bentonite content and the concentration of the cementation solution. The results show that the influence of calcium-based bentonite content on specimens’ strength is closely related to the concentration of the cementation solution. When the concentration of the cementation solution is low， the strength of the specimens increases with the increase of calcium-based bentonite content. When the concentration of the cementation solution is high， the strength of the specimens increases first and then decrease with the increase of the content of calcium-based bentonite. The optimal conditions for calcium-based bentonite assisted microbial solidification of sandy soil within the research range are 2mol/L cementation solution concentration and 2% bentonite content.

Keywords： bentonite; microbial curing; sandy soil; unconfined compressive strength; scanning electron microscope

［責任編校： 裴 琴］

［收稿日期］ 2022-11-14

［基金項目］ 國家自然科學基金項目（52078195）； 國家自然科學基金聯合基金重點項目（U22A20232）

［第一作者］ 胡其志（1969-）， 男， 湖北紅安人， 湖北工業大學教授， 研究方向為巖土工程。

［通信作者］ 孫啟碩（1996-）， 男， 河南南陽人， 湖北工業大學碩士研究生， 研究方向為巖土工程。

［文章編號］ 1003-4684（2024）05-0108-07