李洋洋，方祥位，歐益希,2，孫發(fā)鑫，宋 平

(1.后勤工程學(xué)院 土木工程系， 重慶 401311； 2.91241部隊， 廣西 桂平 537200；3.華潤建筑有限公司 西南分公司， 四川 成都 610051)

底物溶液配比對微生物固化珊瑚砂的影響研究

李洋洋1，方祥位1，歐益希1,2，孫發(fā)鑫3，宋 平1

(1.后勤工程學(xué)院 土木工程系， 重慶 401311； 2.91241部隊， 廣西 桂平 537200；3.華潤建筑有限公司 西南分公司， 四川 成都 610051)

為了確定珊瑚砂的微生物固化試驗中底物溶液的最佳配比，使用5種不同尿素、氯化鈣濃度配比的底物溶液對珊瑚砂進(jìn)行微生物固化。通過固化過程中珊瑚砂試樣的滲透性變化、固化后底物溶液成分對比和單軸壓縮試驗，綜合分析底物溶液配比對微生物固化珊瑚砂的影響。試驗表明，底物溶液中尿素與氯化鈣的配比對微生物固化珊瑚砂存在一定影響，尿素與氯化鈣濃度比值較低時不利于Ca2+的有效利用，尿素與氯化鈣的濃度比值越大，微生物固化反應(yīng)越快，固化效果越好，但過快的固化反應(yīng)會迅速降低珊瑚砂的滲透性，導(dǎo)致可固化次數(shù)減少，從而影響珊瑚砂最終的固化效果，建議底物溶液中尿素與氯化鈣的濃度最佳配比為1.00∶1～1.25∶1。

珊瑚砂；微生物固化；濃度配比；滲透性

微生物固化技術(shù)作為一種新型土壤固化技術(shù)，其原理是向某些具有礦化作用的微生物提供鈣離子源和有機(jī)物(如尿素)，誘導(dǎo)生成具有膠結(jié)作用的難溶性碳酸鈣結(jié)晶，將環(huán)境中松散無膠結(jié)或弱膠結(jié)的顆粒膠結(jié)在一起，形成具有一定強(qiáng)度的整體。微生物固化技術(shù)是一種高效環(huán)保的固化方式，施工簡單、固化體強(qiáng)度較高、工程性能較好，可用于砂土固化、裂縫修復(fù)、邊坡防護(hù)、重金屬污染水體治理、放射性物質(zhì)阻隔、土層滲透性控制等，在土木工程、環(huán)境工程、材料工程等諸多領(lǐng)域中逐漸被廣泛應(yīng)用[1-3]。

近年來，美國、新加坡、歐洲等國家多所高校針對微生物固化技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列試驗研究[4-8]，探討了在砂顆粒之間的孔隙中微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣的能力以及影響因素，建立了固化體強(qiáng)度與固化體中碳酸鈣生成量之間的關(guān)系，并結(jié)合砂土的巖土工程特性進(jìn)行了初步的數(shù)值模擬分析。

DeJong J T等[9]對小尺寸Ottawa砂柱采用從頂部和底部依次注入菌液的方式進(jìn)行固化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂柱中碳酸鈣的生成量約為50 kg/m3～98 kg/m3，固化后砂柱的剪切波速比固化前提高了5倍～10倍。Whiffin V S等[10]利用Itterbeck細(xì)砂進(jìn)行了5 m長的模型試驗，通過將近5 d的微生物固化，滲透性降低了約1/4～3/4，通過50 kPa圍壓的固結(jié)排水剪試驗得出，強(qiáng)度為200 kPa～570 kPa。Van Paassen L A等[11]利用微生物灌漿法對超過100 m3的砂體進(jìn)行了12 d的固化，固化后的砂體中碳酸鈣平均生成量約為110 kg/m3，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為0.7 MPa～12.4 MPa。這些試驗研究驗證了利用微生物固化技術(shù)加固砂土的可行性，相較于化學(xué)固化劑和水泥拌合等傳統(tǒng)加固技術(shù)而言，微生物固化技術(shù)具有施工時間短，不需養(yǎng)護(hù)，且不顯著降低土壤滲透性等優(yōu)勢，還可以避免傳統(tǒng)加固方式在施工時對土壤造成的擾動和影響，有效地提高了土壤的抗壓強(qiáng)度、基礎(chǔ)承載力以及抗液化能力等。

方祥位等[12-17]結(jié)合前人在微生物固化技術(shù)領(lǐng)域的研究成果，率先提出了利用微生物固化技術(shù)加固珊瑚砂，并對珊瑚砂的微生物固化技術(shù)展開了研究，為南海島礁工程建設(shè)中珊瑚砂的固化處理提供了新思路。微生物固化反應(yīng)是一個復(fù)雜的過程，存在諸多影響因素，鹽度條件、菌液脲酶活性、底物溶液配比等均是微生物固化反應(yīng)中的重要影響因素。歐益希等[18]通過不同鹽度條件的微生物固化試驗，得出微生物固化珊瑚砂效果隨溶液鹽度增大而減弱，但當(dāng)鹽度<35‰時，固化效果減弱不明顯。李捷等[19]通過菌液脲酶活性對微生物固化珊瑚砂的影響研究，得到脲酶活性為1.5 mmol/(min·L)時固化效果最佳。底物溶液是微生物固化反應(yīng)中的重要試劑，底物溶液配比對微生物固化珊瑚砂具有較重要的影響，但其研究尚無人問津，研究底物溶液配比對微生物固化珊瑚砂的影響對于優(yōu)化微生物固化具有重要意義。

微生物固化反應(yīng)方程為：

(1)

從反應(yīng)方程式中可以看出，底物溶液尿素與氯化鈣是按照物質(zhì)的量1∶1發(fā)生反應(yīng)的。但按照反應(yīng)方程式中尿素與氯化鈣的比例進(jìn)行試驗，不一定能夠達(dá)到最佳的固化效果。為了驗證試驗中尿素與氯化鈣的最佳比例，本文通過不同尿素與氯化鈣配比的底物溶液對珊瑚砂進(jìn)行固化，研究底物溶液配比對微生物固化珊瑚砂的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗所用珊瑚砂取自我國南海某島礁陸域吹填砂，由于珊瑚砂中含有大量較大的珊瑚碎塊，考慮模具的尺寸大小，將烘干后的珊瑚砂試樣過5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，過篩前后的珊瑚砂如圖1所示。

圖1試驗所用的珊瑚砂

對過篩后的珊瑚砂進(jìn)行篩分試驗，其粒徑組成如表1所示，圖2為珊瑚砂顆粒級配曲線，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[20](GB/T 50123—1999)，通過內(nèi)插法計算得出試驗所用珊瑚砂的不均勻系數(shù)Cu=3.62，為級配不良砂。

固化用微生物為巴斯德芽孢桿菌(Bacillus pasteurii)，菌液活性控制在2 mmol/(min·L)左右。

表1 珊瑚砂粒徑組成

圖2珊瑚砂顆粒級配曲線

1.2 試驗方法

為了研究底物溶液配比對微生物固化珊瑚砂的影響，設(shè)置5個試驗分組，每組2個試樣，編號為n-a/b，分別對1～5組試樣通入由2 mol/L的氯化鈣溶液與1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L、2.5 mol/L和3.0 mol/L的尿素溶液等體積混合的底物溶液，底物溶液物質(zhì)的量配比分組如表2所示。采用內(nèi)徑50 mm的試驗?zāi)＞?，每組試樣加入400 g珊瑚砂，向各組試樣中依次通入等體積的菌液和底物溶液進(jìn)行固化，珊瑚砂的微生物固化試驗在室溫條件下進(jìn)行，經(jīng)固化后松散的珊瑚砂顆粒膠結(jié)成為具有一定強(qiáng)度的整體，如圖3所示。

表2 底物溶液物質(zhì)的量配比分組

圖3微生物固化形成的珊瑚砂柱

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 珊瑚砂在固化過程中的滲透性變化

圖4給出了各組珊瑚砂試樣在固化過程中滲透系數(shù)的變化。由圖4可知，經(jīng)過8次微生物固化，珊瑚砂的滲透系數(shù)降低了約1～2個數(shù)量級，最終滲透系數(shù)隨所用底物溶液的尿素濃度的升高基本呈降低趨勢，說明高濃度尿素的底物溶液與微生物發(fā)生了更多的尿素水解反應(yīng)，產(chǎn)生了更多的CO32-，與Ca2+更容易結(jié)合生成碳酸鈣，加快了固化反應(yīng)的速率，同時也加快了試樣滲透性降低的速率，第5組試樣在第7次固化后滲透系數(shù)分別降低為0.06×10-4m/s和0.03×10-4m/s，在進(jìn)行第8次固化時剛通入底物溶液，試樣便不再有溶液流出。

圖4試樣在固化過程中的滲透性變化

2.2 固化后的底物溶液對比

由于底物溶液中尿素與氯化鈣的配比不同，每次固化后底物溶液中反應(yīng)產(chǎn)物的量存在一定差異，對每次固化后底物溶液中鈣離子濃度和溶液pH值進(jìn)行測試。采用EDTA滴定法測試鈣離子濃度，取50 ml底物溶液置于250 ml錐形瓶中，加入2 ml氫氧化鈉溶液，0.2 g鈣羧酸指示劑干粉。在滴定管中加入EDTA二鈉溶液進(jìn)行滴定，待底物溶液顏色由紫紅色變?yōu)榱了{(lán)色，標(biāo)定結(jié)束，記錄EDTA二鈉溶液消耗量，即可算出鈣離子濃度。圖5給出了第1、4、7次測試的結(jié)果。

圖5固化后的底物溶液化學(xué)參數(shù)

從圖5中第1、4、7次固化后的底物溶液中Ca2+濃度可以看出，試驗中微生物固化反應(yīng)并沒有嚴(yán)格按照反應(yīng)方程式中各物質(zhì)的量進(jìn)行反應(yīng)。微生物固化反應(yīng)會使溶液的pH值升高，隨著底物溶液中尿素濃度的增加，反應(yīng)后各組底物溶液的pH值大致呈上升趨勢。尿素水解后生成的NH4+會使溶液pH值升高，較高的pH說明發(fā)生了更多的尿素水解反應(yīng)，理論上應(yīng)該結(jié)合更多的Ca2+形成碳酸鈣，但Ca2+濃度并未明顯下降。由此說明一部分Ca2+被截留在試樣中，以某種非碳酸鈣形式存在于珊瑚砂顆粒之間，在尿素與氯化鈣濃度比值較低時不利于Ca2+的有效利用。

在固化結(jié)束后將試樣烘干發(fā)現(xiàn)，少數(shù)試樣表面出現(xiàn)白色結(jié)晶，如圖6所示，將白色結(jié)晶刮下盛于燒杯中，倒入蒸餾水進(jìn)行攪拌，白色結(jié)晶幾乎全部溶解，用少量稀醋酸對溶液進(jìn)行酸化，然后加入3%的草酸銨溶液，生成了白色沉淀，說明該白色結(jié)晶中含有鈣離子，由此證明珊瑚砂經(jīng)微生物固化后，Ca2+不完全以碳酸鈣的形式存在于試樣。

圖6試樣烘干后表面產(chǎn)生的白色結(jié)晶

2.3 珊瑚砂固化體的干密度變化

經(jīng)過微生物固化反應(yīng)，鈣離子大部分以碳酸鈣的形式小部分以其他形式存留在微生物固化體中，在使用蒸餾水測量試樣滲透性過程中，蒸餾水會把試樣中大部分溶于水的非碳酸鈣物質(zhì)帶出，保證試樣增加的重量主要以碳酸鈣為主。因此可以用試樣干密度的變化來反映碳酸鈣生成量的多少。表3為固化后珊瑚砂柱的干密度變化，從表中可以看出，經(jīng)過微生物固化，試樣的干密度均有不同程度的增加。1～4組試樣的干密度增量隨所用底物溶液中尿素濃度的升高而增大，尿素與氯化鈣濃度比為1.00∶1和1.25∶1時，干密度增量最大。

2.4 珊瑚砂固化體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

5 d～7 d即可完成固化，試樣拆模烘干后，將其切割成100 mm長的標(biāo)準(zhǔn)試樣，然后采用電液伺服萬能試驗機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗，加載速率為1 mm/min。其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表4所示，從表4中可以看出，1～4組試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨所用底物溶液中尿素濃度的升高而增強(qiáng)，尿素與氯化鈣濃度比為1.00∶1和1.25∶1時固化的珊瑚砂無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到約6 MPa，由于第5組試樣只進(jìn)行了7次固化，故無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對3組和4組較小。對比表3與表4，可以看出試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干密度增量增大而增大，說明生成的碳酸鈣的量越多，固化體強(qiáng)度越大。

表3 固化后珊瑚砂柱的干密度變化

表4 固化后珊瑚砂柱的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3 結(jié) 論

(1) 底物溶液中尿素與氯化鈣的濃度比值越大，微生物固化反應(yīng)速度越快，珊瑚砂最終滲透系數(shù)隨尿素與氯化鈣的濃度比值增大基本呈降低趨勢。

(2) 微生物固化反應(yīng)沒有嚴(yán)格按照反應(yīng)方程式中各物質(zhì)的量進(jìn)行，尿素與氯化鈣濃度比值較低時不利于Ca2+的有效利用。

(3) 底物溶液中尿素與氯化鈣的濃度比值越大，微生物固化固化效果越好，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，但尿素與氯化鈣的濃度比值過大會導(dǎo)致珊瑚砂的滲透性迅速降低，從而減少珊瑚砂的可固化次數(shù)。建議底物溶液中尿素與氯化鈣的濃度最佳配比為1∶1～1.25∶1。

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ImpactsofDifferentSubstrateSolutionRatioinBiocementationofCoralSand

LI Yangyang1, FANG Xiangwei1, OU Yixi1,2, SUN Faxin3, SONG Ping1

(1.DepartmentofCivilEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China； 2.People'sLiberationArmy91241Troops,Guiping,Guangxi537200,China; 3.ChinaResourcesConstructionCorporation,Chengdu,Sichuan610051,China)

In order to confirm the best substrate solution ratio in biocementation of coral sand, 5 different ratios of concentration of urea and calcium chloride solution were analyzed. Systemic analysis were then conducted by testing the permeability of specimens, the chemical composition of substrate solution after biocementation, and unconfined compressive strength of specimens. The results showed that the ratio of concentration of urea and calcium chloride solution could have different impacts on biocementation of coral sand, low ratio of urea and calcium chloride could negatively influence the effective use of Ca2+, while higher ratio of urea and calcium chloride improved the reaction rate and effect of biocementaion. However excessively fast reaction rate made the permeability decrease quickly and led to a decreased time of biocementaion and a worse effect of biocementaion. In this test, the best ratio of concentration of urea and calcium chloride solution was recommended as 1.00∶1～1.25∶1.

coralsand;biocementation;ratioofconcentration;permeability

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.011

2017-07-14

2017-08-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(51479208)；全軍后勤科研計劃項目(CY114C022)

李洋洋(1992—)，男，河北滄州人，碩士研究生，研究方向為巖土微生物技術(shù)。 E-mail：2291944546@qq.com

方祥位(1975—)，男，重慶銅梁人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事非飽和土與特殊土及巖土微生物技術(shù)研究。E-mail:fangxiangwei1975@163.com

TU411

A

1672—1144(2017)06—0052—05