李日升，張澄博，楊明，王曦，劉鋒濤

中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 珠海 519082

廣州南沙區(qū)位于珠江三角洲的幾何中心，地貌為珠江三角洲沖積平原，廣泛分布著多層軟土［1］。近地表的第一層軟土約20 m 厚，壓縮性大、承載力低，工程性質(zhì)差［2］，是各類工程重點(diǎn)利用與加固處理的對(duì)象［3］。由于水泥攪拌法工期短、振動(dòng)和噪音小，廣州南沙區(qū)的工程項(xiàng)目常用水泥攪拌法進(jìn)行地基處理。為縮短工期，往往需要提高水泥標(biāo)號(hào)［4-5］或增加水泥摻量［6-7］以提高水泥土強(qiáng)度，這將增加工程成本且間接增多碳排放，不利于經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，有必要尋找新的綠色環(huán)保型的水泥土強(qiáng)度改善方法。

近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)利用微生物活性可誘導(dǎo)生成碳酸鈣礦物，從而改善材料性質(zhì)，這種技術(shù)被稱為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP，microbial induced carbonate precipitation）。該技術(shù)能耗低，對(duì)環(huán)境友好，具有廣闊的應(yīng)用前景［8］。由于碳酸鈣與水泥的水化產(chǎn)物有較好的相容性，MICP 用于修復(fù)水泥基材料的裂縫、提高水泥基材料的強(qiáng)度［9-10］，成為土木工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研究［11-12］發(fā)現(xiàn)，將細(xì)菌直接添加至水泥基材料，能有效地發(fā)生生物礦化作用改善強(qiáng)度。Achal 等［13］從水泥分離出菌株Bacillussp. CT-5，用該菌液代替水制作水泥砂漿試塊，在含尿素的培養(yǎng)基溶液中養(yǎng)護(hù)28 d 后，抗壓強(qiáng)度比純水泥砂漿高36%。Bundur 等將巴氏芽孢桿菌菌液直接摻入水泥砂漿，發(fā)現(xiàn)330 d 后的水泥砂漿中仍有部分細(xì)菌保持活細(xì)胞狀態(tài)［14］，巴氏芽孢桿菌促進(jìn)生成了大量碳酸鈣，提高了水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度［15］。以上研究成果都表明添加細(xì)菌可以提高水泥基材料強(qiáng)度，但研究對(duì)象主要是混凝土（水泥+砂石）和水泥砂漿（水泥+砂），針對(duì)水泥土的研究尚不多見(jiàn)。水泥土由水泥和天然土壤組成，土壤的性質(zhì)往往比砂、石復(fù)雜，土中含有的多種礦物成分可與水泥發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)［16-17］，且對(duì)MICP 效果存在一定影響［18-20］。MICP 技術(shù)對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，及其微觀變化特征，是開(kāi)展MICP 改性水泥土研究的首要問(wèn)題。

本文以廣州南沙區(qū)水泥土為研究對(duì)象，選取巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii） 為實(shí)驗(yàn)菌株，用直接摻入的方法制備微生物水泥土試樣，同時(shí)設(shè)置對(duì)照組和培養(yǎng)基組，探究MICP 改善水泥土抗壓強(qiáng)度的可能性。通過(guò)離子濃度監(jiān)測(cè)、SEM、XRD、壓汞分析等實(shí)驗(yàn)分析細(xì)菌對(duì)水泥土的化學(xué)成分、微觀形貌、孔隙結(jié)構(gòu)的影響。本研究為改善廣州南沙區(qū)水泥土強(qiáng)度提供了新的方法和思路。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 土樣性質(zhì)

廣州南沙區(qū)屬于珠江三角洲沖積平原（濱海沉積區(qū)），取樣場(chǎng)地揭露的地層主要為：新生界第四系（Q）。第四系由人工填土層（）、海陸交互相淤泥、砂土（） 等、沖洪積砂、土層（）組成，覆蓋于基巖之上。海陸交互相層（）分為三個(gè)亞層，分別為淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂。實(shí)驗(yàn)土樣為廣州南沙區(qū)萬(wàn)頃沙鎮(zhèn)海陸交互相（）的淤泥質(zhì)土。土樣含水率為42.26%， 天然密度為1.61 g/cm3，顆粒密度為2.58 g/cm3，孔隙比為1.28，飽和度為85%，有機(jī)質(zhì)含量為0.51%。土的塑限和液限分別為17.09%和31.15%，塑性指數(shù)為14.06，可塑性強(qiáng)，液性指數(shù)為1.79。按《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50145-2007）分類，所用土樣屬于低液限黏土（CL）。利用X 射線衍射分析計(jì)算土樣的礦物組成，結(jié)果如表1所示。土樣主要由石英和黏土礦物（伊利石、高嶺石、綠泥石）組成，未識(shí)別出方解石的特征峰。

表1 土樣的礦物組成及比例Table 1 Mineral composition and proportion of soil samples

按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）測(cè)得土樣的易溶鹽總量、成分，結(jié)果見(jiàn)表2。土樣易溶鹽主要為Cl-、、、Mg2+和Ca2+等離子，無(wú)溶出。土樣pH值為7.56。

表2 土樣的易溶鹽總量及成分Table 2 Total amount and composition of soluble salts in soil samples mg/kg

將土樣自然風(fēng)干后碾碎過(guò)1 mm 的篩，用于制備水泥土。對(duì)過(guò)篩后土樣進(jìn)行激光粒度分析，粒徑級(jí)配曲線如圖1 所示。土的粒徑主要分布在0～75 μm，黏粒和粉粒占97%，不均勻系數(shù)Cu為4.9，曲率系數(shù)Cs為0.72，土樣粒徑均勻，級(jí)配不良。

圖1 取用土樣的粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of soil sample

1.2 菌液及培養(yǎng)基

巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii）是微生物自修復(fù)混凝土研究中常用的誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的解脲細(xì)菌［14-15，21-23］。巴氏芽孢桿菌具有較高的脲酶活性［24］，能在混凝土環(huán)境（pH=12.9）下大量存活并保留較低的脲酶活性和不變的表面電荷［23］，并可在混凝土中誘導(dǎo)生成大量碳酸鈣沉淀，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)［14-15］。水泥土前期內(nèi)部pH 可達(dá)12以上［25］，因此選用巴氏芽孢桿菌為試驗(yàn)菌株。

將購(gòu)得的巴氏芽孢桿菌凍干細(xì)菌進(jìn)行復(fù)活培養(yǎng)。液體培養(yǎng)基由15 g酪蛋白胨、5 g大豆蛋白胨、5 g氯化鈉、20 g尿素和1 L去離子水配制而成，pH調(diào)節(jié)至7.3。在接種巴氏芽孢桿菌前，培養(yǎng)基在121 ℃的條件下高溫滅菌15 min 后自然冷卻，獲得無(wú)菌液體培養(yǎng)基。將巴氏芽孢桿菌按1%的接種量接種至無(wú)菌培養(yǎng)基，在30 ℃的恒溫條件下靜置培養(yǎng)48 h，獲得巴氏芽孢桿菌菌液，菌液濃度調(diào)整為OD600=1.2。用Whiffin的方法［24］測(cè)得菌液的脲酶活性為11.4 mmol/（L?min）。

1.3 水泥土制備與試驗(yàn)

采用普通硅酸鹽水泥P. O 42.5 型，水泥的氧化物成分如表3所示。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，按土樣的含水量為45%，水泥摻入比（水泥與濕土的質(zhì)量比）取15%，水灰比（水與摻入水泥的質(zhì)量比）取1.5，制作水泥土試樣。參考Achal 等［13］和Bundur等［15］的實(shí)驗(yàn)，設(shè)置三組水泥土試樣：

表3 P.O 42.5型水泥氧化物成分Table 3 Oxide composition of P.O 42.5 cement

①對(duì)照組：由純水配制水泥土。

②菌液組：由等體積巴氏芽孢桿菌菌液和40 g/L 尿素溶液組成的混合溶液代替純水配制水泥土。

③培養(yǎng)基組：由等體積無(wú)菌液體培養(yǎng)基和40 g/L 尿素溶液組成的混合溶液代替純水配制水泥土。

其中尿素溶液濃度設(shè)置為40 g/L，根據(jù)Okwadha和Li的研究成果該濃度是巴氏芽孢桿菌進(jìn)行MICP 的最佳尿素濃度［26］，同時(shí)該濃度也便于工程中快速配制。另外，本研究利用水泥成分中的氧化鈣和土樣溶出的游離鈣離子作為MICP 的鈣源。已有研究證明水泥成分中的氧化鈣可作為MICP 的有效鈣源［27-28］，且考慮到額外鈣源的添加可能對(duì)水泥土的強(qiáng)度造成較大影響，不利于分析MICP對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，因此不額外添加鈣源。

分別將各組溶液、水泥和土倒入砂漿攪拌機(jī)攪拌均勻，然后將水泥土裝入邊長(zhǎng)為25 mm的立方體模具震動(dòng)密實(shí)，在20 ℃、濕度95%的條件下養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模，繼續(xù)置于水中養(yǎng)護(hù)至一定齡期。由于實(shí)際工程對(duì)工期要求較為嚴(yán)格，工程師往往更關(guān)注水泥土的早期強(qiáng)度能否滿足安全施工要求，并通過(guò)早期強(qiáng)度推算90 d 標(biāo)準(zhǔn)齡期的強(qiáng)度。將養(yǎng)護(hù)齡期設(shè)置為7、14、28 d。其中各試驗(yàn)組的每個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期含有6 個(gè)試塊，每6 個(gè)試塊置于容積為1.5 L 的密封盒中用1 L 去離子水密封養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)期間監(jiān)測(cè)養(yǎng)護(hù)溶液的Ca2+和NH4+濃度，達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后將每個(gè)密封盒中的試塊全部取出進(jìn)行無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，取壓縮破壞后的試塊進(jìn)行XRD、SEM和壓汞分析等微觀實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

用MTS EXCEED E45 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)水泥土試塊進(jìn)行無(wú)側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)，以0.03 kN/s 的速率進(jìn)行連續(xù)加荷，直至試塊破壞，將測(cè)得的峰值強(qiáng)度定為試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。為減小誤差，取同組6個(gè)試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為該組的抗壓強(qiáng)度。對(duì)照組、菌液組、培養(yǎng)基組在各養(yǎng)護(hù)齡期下的平均抗壓強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2 各組試樣在養(yǎng)護(hù)7、14、28天時(shí)平均抗壓強(qiáng)度Fig.2 The average compressive strength of each group of samples after curing for 7,14 and 28 days

由圖2可以看出，所有試驗(yàn)組的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加。其中菌液組的抗壓強(qiáng)度明顯比空白對(duì)照組的高，在7、14、28天的養(yǎng)護(hù)齡期下分別比空白對(duì)照組強(qiáng)度高出91.3%、53.4%、45.3%，改善的幅度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而減小?？梢哉f(shuō)明通過(guò)直接摻入細(xì)菌和尿素可大幅提高廣州南沙區(qū)水泥土的強(qiáng)度。培養(yǎng)基組的抗壓強(qiáng)度在各養(yǎng)護(hù)齡期均比空白對(duì)照組的強(qiáng)度低，在養(yǎng)護(hù)齡期為7、14、28 天時(shí)比空白對(duì)照組低16.9%、28.6%、35.9%，可見(jiàn)培養(yǎng)基和尿素對(duì)水泥土強(qiáng)度存在削弱作用。對(duì)比菌液組與培養(yǎng)基組的抗壓強(qiáng)度，可發(fā)現(xiàn)在各養(yǎng)護(hù)齡期下菌液組的抗壓強(qiáng)度均為培養(yǎng)基組的2倍以上，可以看出巴氏芽孢桿菌在水泥土強(qiáng)度改善中起重要的作用。

2.2 養(yǎng)護(hù)溶液的化學(xué)性質(zhì)變化

養(yǎng)護(hù)溶液的化學(xué)性質(zhì)與水泥土內(nèi)部孔隙溶液的化學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)，孔隙溶液的化學(xué)性質(zhì)有助于解釋宏觀強(qiáng)度結(jié)果。因此，監(jiān)測(cè)了菌液組與培養(yǎng)基組中養(yǎng)護(hù)溶液Ca2+和的濃度變化。監(jiān)測(cè)頻率為1～14 天每天一次，14～28 天每?jī)商煲淮?，每次用帶?.22 μm 一次性濾頭的針筒采集3 mL 經(jīng)過(guò)濾的養(yǎng)護(hù)溶液裝入離心管，在離子濃度測(cè)試前將樣品放于4 ℃環(huán)境保存。使用Dionex ICS-900 離子色譜儀，遵循ASTM D6919-17［29］的規(guī)定用離子色譜法測(cè)定采集水樣中的Ca2+和濃度。菌液組與培養(yǎng)基組中養(yǎng)護(hù)溶液Ca2+和濃度如圖3所示。

圖3 28天內(nèi)養(yǎng)護(hù)溶液的Ca2+和離子濃度變化Fig.3 Changes of Ca2+and concentration in curing solution within 28 days

可以看出，菌液組和培養(yǎng)基組養(yǎng)護(hù)溶液中的Ca2+濃度總體上隨養(yǎng)護(hù)齡期先增加后減小（圖3（a））。培養(yǎng)基組的Ca2+濃度在養(yǎng)護(hù)前期快速上升，在第11天達(dá)到最高值392 mg/L，隨后Ca2+濃度緩慢下降。而菌液組的Ca2+濃度在養(yǎng)護(hù)3 天內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在第4 天Ca2+濃度回升到第1 天的濃度水平，隨后保持緩慢上升趨勢(shì)，在第13 天達(dá)到最高的Ca2+濃度（275 mg/L），隨后又緩慢下降。在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，菌液組養(yǎng)護(hù)溶液中的Ca2+濃度均比培養(yǎng)基組低。除第1 天以外，菌液組與培養(yǎng)基組的Ca2+濃度相差98～134 mg/L，差異顯著。因此可判定菌液組中低鈣離子濃度是由于巴氏芽孢桿菌的存在使鈣離子轉(zhuǎn)變?yōu)槌恋懋a(chǎn)物，降低了Ca2+濃度。

2.3 物相組成

為研究巴氏芽孢桿菌促使鈣離子形成的難溶礦物類型，對(duì)水泥土的物相組成進(jìn)行分析。對(duì)菌液組與培養(yǎng)基組壓縮破壞后的試塊進(jìn)行真空凍干處理，取部分碎塊用瑪瑙研缽進(jìn)行研磨，采用日本理學(xué)D-max 2500 進(jìn)行X 射線衍射分析（XRD）實(shí)驗(yàn)，鑒定并計(jì)算物相組成。菌液組和培養(yǎng)基組試樣的礦物成分鑒定結(jié)果，如圖4所示。

圖4 培養(yǎng)基組與菌液組水泥土試樣的礦物成分Fig.4 Mineral composition of cement soil samples of culture medium group and bacterial solution group

兩組水泥土試樣在各養(yǎng)護(hù)齡期中，除了識(shí)別出石英、高嶺石、伊利石、綠泥石等來(lái)自土樣的原有礦物以外，均識(shí)別出鈣礬石和方解石的特征峰。在各養(yǎng)護(hù)齡期，水泥土試塊的礦物組成成分沒(méi)有發(fā)生明顯變化。說(shuō)明巴氏芽孢桿菌的添加對(duì)水泥土的礦物組成類型無(wú)明顯影響。對(duì)菌液組和培養(yǎng)基組試塊養(yǎng)護(hù)第7、28天時(shí)礦物成分進(jìn)行定量計(jì)算，各礦物所占比例如表4所示。

由表4可以發(fā)現(xiàn)，同一養(yǎng)護(hù)齡期下，菌液組試塊含有的方解石比例比培養(yǎng)基組大，表明細(xì)菌的添加改變了水泥土中的礦物組成，使水泥土內(nèi)部生成了更多難溶的方解石，導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)溶液中游離的鈣離子濃度降低。

表4 水泥土試樣的礦物組成及占比Table 4 Mineral composition and proportion of cement soil samples %

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 微觀形貌因XRD 不能鑒定非晶形礦物，利用SEM 觀察水泥土內(nèi)部的礦物形貌特征以及空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。取內(nèi)部水泥土碎塊進(jìn)行噴金處理，使用SEM 對(duì)微觀形貌進(jìn)行觀察。菌液組和培養(yǎng)基組的微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 菌液組和培養(yǎng)基組試塊的微觀形貌特征Fig.5 Microstructure of cement soil in bacterial solution group and culture medium group

在菌液組內(nèi)部觀察到菱形晶體，顆粒較大，尺寸在9～13 μm 之間，且觀察到較多的水化硅酸鈣（C-S-H），如圖5（a）和圖5（c）所示。圖5（a）中，菱形晶體表面存在一些孔洞，這與其他學(xué)者觀察到細(xì)菌在礦物表面留下的孔洞相似［11，30-31］，推測(cè)這些孔洞是巴氏芽孢桿菌留下的痕跡。對(duì)菱形晶體進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖5（b）所示，晶體主要組成元素為C、O和Ca，可以判斷該菱形晶體為方解石。這說(shuō)明微生物在水泥土中充當(dāng)成核位點(diǎn)誘導(dǎo)生成了碳酸鈣沉淀。在同一養(yǎng)護(hù)齡期中（如28 d），菌液組的內(nèi)部顆粒之間形成碳酸鈣膠結(jié)連結(jié)，結(jié)構(gòu)變得更為密實(shí)，如圖5（c）所示。而培養(yǎng)基組內(nèi)部顆粒的連結(jié)方式以點(diǎn)接觸與邊接觸為主，能觀察到較多的架空孔隙，如圖5（d）所示。對(duì)比菌液組和培養(yǎng)基組的微觀形貌，表明巴氏芽孢桿菌改善了水泥土內(nèi)部顆粒的連結(jié)情況，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊密。

2.4.2 孔隙結(jié)構(gòu)為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)水泥土內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)緊密程度，進(jìn)行了壓汞測(cè)試。用壓汞儀（麥克AutoPore IV 9500）測(cè)定試塊的孔隙結(jié)構(gòu)特征。菌液組和培養(yǎng)基組水泥土試塊在養(yǎng)護(hù)7、28 d 后的孔隙結(jié)構(gòu)特征，如圖6 所示。

由圖6（a）可以看出，菌液組孔體積隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而減小，從第7 天的0.502 mL/g減小到第28 天的0.485 mL/g。同一養(yǎng)護(hù)齡期，菌液組的孔體積均比培養(yǎng)基組的小，這與SEM觀察中菌液組結(jié)構(gòu)更密實(shí)的結(jié)果相吻合。由圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)齡期為7 天時(shí)菌液組出現(xiàn)概率最大的孔徑（最可幾孔徑）比培養(yǎng)基組稍低，分別為675 nm 和681 nm；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 天時(shí)，菌液組的最可幾孔徑減小，而培養(yǎng)基組的增大，菌液組的最可幾孔徑明顯小于培養(yǎng)基組，兩者差值為285 nm。這說(shuō)明巴氏芽孢桿菌的添加減小了水泥土孔隙體積和孔徑尺寸，內(nèi)部結(jié)構(gòu)確實(shí)變得更密實(shí)。

圖6 菌液組和培養(yǎng)基組試塊在養(yǎng)護(hù)第7、28天時(shí)的孔隙結(jié)構(gòu)特征Fig.6 Pore structure characteristics of bacterial solution group and culture medium group after curing for 7 and 28 days

3 討 論

3.1 MICP改善廣州南沙區(qū)水泥土強(qiáng)度的可行性

抗壓強(qiáng)度結(jié)果表明，菌液組水泥土的強(qiáng)度比空白對(duì)照組的高45.3%～91.3%，因此MICP 可以顯著提高廣州南沙區(qū)水泥土強(qiáng)度。盡管發(fā)現(xiàn)尿素和培養(yǎng)基的共同作用將使水泥土抗壓強(qiáng)度降低16.9%～35.9%，但菌液組水泥土中巴氏芽孢桿菌對(duì)強(qiáng)度的改善作用大幅超過(guò)了培養(yǎng)基和尿素對(duì)強(qiáng)度造成的削弱作用。當(dāng)培養(yǎng)基和尿素含量不同時(shí)，可能會(huì)對(duì)細(xì)菌活性和水泥土強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響［32］。而培養(yǎng)基和尿素的最佳濃度有待研究。

3.2 細(xì)菌改善水泥土強(qiáng)度的機(jī)制

菌液由無(wú)菌培養(yǎng)基培養(yǎng)而成，菌液組含有巴氏芽孢桿菌，培養(yǎng)基組不含巴氏芽孢桿菌，兩者對(duì)比可分析巴氏芽孢桿菌對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響。

分析菌液組和培養(yǎng)基組養(yǎng)護(hù)溶液中銨、鈣離子濃度變化特征，從培養(yǎng)基組養(yǎng)護(hù)溶液中較低的NH4+濃度推測(cè)土壤原有的微生物［33］具有較低脲酶活性，被培養(yǎng)基激活［34］，分解少量的尿素生成。鈣離子則來(lái)自于水泥中的氧化鈣和土樣的易溶鹽。將培養(yǎng)基組養(yǎng)護(hù)溶液中的銨、鈣離子濃度作為背景值，可知由于巴氏芽孢桿菌的存在，菌液組養(yǎng)護(hù)溶液中濃度高了34～47 mg/L（約1.9～2.6 mol/L），Ca2+濃 度 降 低 了98～134 mg/L（約2.5～3.4 mol/L）。結(jié)合XRD 及SEM 的觀察結(jié)果，說(shuō)明巴氏芽孢桿菌在水泥土中發(fā)生了基于尿素水解的MICP反應(yīng)，反應(yīng)式為

根據(jù)上述反應(yīng)式，若尿素水解生成的碳酸根全部轉(zhuǎn)為碳酸鈣沉淀，則生成1.9～2.6 mol/L 的，理論上將使0.95～1.3 mol/L的Ca2+轉(zhuǎn)為碳酸鈣沉淀。實(shí)際的Ca2+減少量超過(guò)了理論消耗量的一倍，這說(shuō)明菌液組養(yǎng)護(hù)溶液減少的Ca2+，除了部分被誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉淀以外，還有部分被誘導(dǎo)形成其他含鈣礦物，如C-S-H 等水泥的水化產(chǎn)物［35-36］。巴氏芽孢桿菌促進(jìn)鈣礦物生成的原因是細(xì)菌表面呈負(fù)電性［37-38］，吸附了大量鈣離子，提供了鈣礦物沉淀的異相成核位點(diǎn)［35，39］。

菌液組水泥土內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)較多（方解石、C-S-H 等），使顆粒間的連結(jié)變得更緊密。由于內(nèi)部孔隙被填充，減小了孔隙體積和孔徑尺寸，改善了水泥土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，因此提高了水泥土的抗壓強(qiáng)度。必須指出，菌液組含有的方解石比例僅比培養(yǎng)基組略高1～3 個(gè)百分點(diǎn)，強(qiáng)度的改善作用可能主要由促進(jìn)生成的水泥水化產(chǎn)物提供。細(xì)菌在水泥土中誘導(dǎo)生成的鈣礦物類型及各礦物對(duì)強(qiáng)度改善的貢獻(xiàn)仍有待進(jìn)一步研究。

3.3 強(qiáng)度改善幅度的變化規(guī)律

從抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以看到，菌液組水泥土在第7天抗壓強(qiáng)度改善幅度最大，改善幅度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而減小，改善幅度呈現(xiàn)先大后小的規(guī)律，這與大多利用微生物改善水泥基材料強(qiáng)度的規(guī)律相似［11-12，15，40-41］。這種變化規(guī)律可從養(yǎng)護(hù)溶液中的離子濃度變化進(jìn)行解釋。養(yǎng)護(hù)期前3 d 內(nèi)Ca2+濃度呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明巴氏芽孢桿菌在水泥土養(yǎng)護(hù)初期促使大量Ca2+形成沉淀，使得前期強(qiáng)度改善幅度較大。在養(yǎng)護(hù)8 d 后，菌液組養(yǎng)護(hù)溶液中鈣離子的濃度變化與培養(yǎng)基組的變化相似，說(shuō)明后期巴氏芽孢桿菌促進(jìn)鈣礦物沉淀的作用不明顯，因此強(qiáng)度的改善幅度降低。這可能由于細(xì)菌受水泥土高堿性、低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的影響，后期酶活性變低，尿素水解反應(yīng)減緩，同時(shí)細(xì)菌無(wú)更多成核位置可提供，因此后期促進(jìn)鈣礦物生成的作用受限。MICP 技術(shù)對(duì)于水泥土長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

為提高廣州南沙區(qū)水泥土的早期強(qiáng)度，本文結(jié)合MICP技術(shù)制備了微生物水泥土，研究了MICP提高水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的可行性，并從微觀角度分析了細(xì)菌對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響，得到的主要結(jié)論如下：

（1）MICP 技術(shù)可改善水泥土的早期強(qiáng)度。用等體積的巴氏芽孢桿菌菌液和40 g/L 尿素混合溶液代替水制作微生物水泥土，無(wú)需額外鈣源和細(xì)菌保護(hù)載體的添加，可使水泥土的第7、14、28天抗壓強(qiáng)度提高91.3%、53.4%、45.3%，是一種綠色高效的水泥土強(qiáng)度改善方法，且強(qiáng)度的改善幅度呈先大后小的變化規(guī)律。

（2）培養(yǎng)基和尿素成分將使水泥土強(qiáng)度降低16.9%～35.9%，巴氏芽孢桿菌是MICP 水泥土強(qiáng)度提高的主要原因。

（3）巴氏芽孢桿菌可在水泥土中進(jìn)行尿素水解反應(yīng)，促進(jìn)大量游離Ca2+轉(zhuǎn)為方解石和水化硅酸鈣（C-S-H）等鈣礦物沉淀。這些鈣礦物沉淀使水泥土孔隙體積和孔徑尺寸減小，改善了內(nèi)部顆粒的連結(jié)和空間結(jié)構(gòu)，從而顯著地提高了水泥土的強(qiáng)度。