詹其偉，張爽爽，周娟蘭，張永勝，王安輝，馮 蕾

(1.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，鎮(zhèn)江 212100)(2.江蘇省交通工程集團有限公司，鎮(zhèn)江 212100)(3.中建安裝集團有限公司，南京 210046)

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，空氣污染問題日益嚴峻，受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關注.目前，我國處于城市化進程的快速發(fā)展階段，全國各大城市均在繁忙的建設之中，涉及房屋建設施工、道路與管線施工、鐵路建設、物料運輸、物料堆放等，產(chǎn)生的揚塵對空氣中顆粒物的貢獻率為18[1-3].由此可見，揚塵是造成空氣污染的重要因素.當前，揚塵控制方法主要有灑水法、覆蓋法、物理化學抑塵劑表面固化等.灑水是應用較為普遍的抑塵方法，但水資源浪費嚴重；覆蓋法采用塑料抑塵網(wǎng)覆蓋，抑塵效果較為顯著，但長期使用后塑料抑塵網(wǎng)難以回收利用，其自然降解是一個漫長的過程；物理化學抑塵劑可改變土層的性能，在表面形成團聚或固化層，有效阻止揚塵顆粒的運動遷移，實現(xiàn)揚塵抑制的目的[4-7].盡管上述方法抑塵效果較為顯著，但普遍存在工藝復雜、成本高、二次污染等弊端，難以規(guī)?；茝V應用[8-9]，研發(fā)生態(tài)性能好、價格低廉的新材料和新方法迫在眉睫[10-11].

文中采用微生物膠凝材料固結松散土形成具有一定力學性能的固結層，研究固結層的物相組成、微生物膠凝材料用量對固結層強度與硬度、保濕性能、抗凍融性能和抗風蝕性能的影響，論證微生物膠凝材料固結土抑塵的可行性.

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所用微生物膠凝材料由實驗室自制，由微生物、鈣源、營養(yǎng)物三部分組成.微生物為膠質(zhì)芽孢桿菌菌株，遴選自土壤環(huán)境，革蘭氏陰性菌，適宜生長溫度為5～45 ℃、pH環(huán)境為中性或弱堿性，在恒溫振蕩條件下培養(yǎng)，培養(yǎng)基由1.0 L去離子水、12.0 g蔗糖、3.0 g牛肉浸膏、10.0 g蛋白胨組成，微生物生長過程包括芽孢萌發(fā)、營養(yǎng)體生長、微生物繁殖3個過程，經(jīng)噴霧干燥后可制得粉狀菌粉；鈣源可為硝酸鈣、乳酸鈣、氯化鈣等，文中選用鈣源為工業(yè)硝酸鈣.試驗所用松散土質(zhì)，經(jīng)干燥、除雜、研磨后作為被固結介質(zhì)，其粒徑分布、化學組成如表1、2.

表1 土的粒徑分布

表2 土的化學組成

1.2 試驗方法

采用風蝕盤作為成型裝置，風蝕盤由不銹鋼外圈、不銹鋼內(nèi)圈、土工布組成，不銹鋼外圈、內(nèi)圈內(nèi)徑分別為202 mm、200 mm，高度20 mm，壁厚1 mm.將微生物膠凝材料、土、去離子水按照比列混合均勻，裝入風蝕盤中，裝填厚度20 mm，風蝕盤底部固定土工布，可防止顆粒從風蝕盤底部流出，同時可以保證紗布上下通透，不影響水的滲透和空氣的傳輸.在25 ℃恒溫條件下靜置72 h，之后放入烘箱中干燥，烘箱溫度60 ℃、干燥時間48 h，脫模后即獲得土固結層.

1.3 分析方法

(1) 物相組成

采用德國Bruker D8-Discover型X射線衍射儀分析固結層物相組成，2θ角度從10°到80°對樣品進行連續(xù)式掃描；采用德國布魯克VERTEX 70v型傅里葉紅外光譜儀分析結構和化學鍵，檢測器DTGS KBr.

(2) 強度和硬度

采用德國Bareiss Shore D型邵氏硬度計測量固結層的表面硬度，為提高測定精度，應在不同的位置選擇多點測量，取其平均值作為固結層的硬度；采用美國MTS(SANS)CMT8502型微機控制電子萬能試驗機測試抗壓強度，荷載精度為±0.5%，采用位移控制方式，加載速率為1 mm/min.

(3) 抗風濕性能

采用上海錦川RE2000風洞試驗儀測量固結層的抗風蝕性能，將固結層置于風洞試驗裝置的洞體中，設定吹蝕風速為12 m/s、吹蝕角度為0，連續(xù)穩(wěn)定吹蝕1 h后，通過質(zhì)量變化計算風蝕量M：

(1)

式中：M為風蝕量，g/m2；mo為初始質(zhì)量，g；mi為吹蝕后質(zhì)量，g；S為表面面積，m2.

(4) 保濕性能

將去離子水均勻噴散在烘干后的固結層的表面，待去離子水完全滲入固結層后，放入烘箱中干燥，設置干燥溫度為65 ℃，每間隔3 h稱重，通過水分的殘留量表征固結層的保水性能：

(2)

式中：η為保水率，%；mo為初始質(zhì)量，g；mw為噴水后質(zhì)量，g；mh為干燥后質(zhì)量，g.

(5) 抗凍融性能

將去離子水均勻噴散在烘干后的固結層的表面，待去離子水完全滲入固結層后，放入-20 ℃的低溫環(huán)境靜置2 h，再將固結層放入20 ℃環(huán)境靜置2 h，以此作為一個凍融循環(huán)，分析不同凍融循環(huán)次數(shù)下固結層質(zhì)量損失.

2 結果與討論

2.1 微生物誘導形成礦化產(chǎn)物特性

自然界中廣泛存在的某些微生物，能夠誘導礦化沉積具有一定膠凝特性的礦物，可將松散顆粒膠結成為一個整體，有效改善土體的工程性質(zhì)，這一過程被稱為微生物誘導沉積，并將其礦化產(chǎn)物作為新一代膠凝材料[12].微生物膠凝材料具有膠結作用，其本質(zhì)原因是微生物誘導產(chǎn)生了具有膠凝作用的礦化產(chǎn)物.文中采用X射線衍射儀、紅外光譜儀分析了微生物膠凝材料膠結土形成的固結層，試驗結果如圖1、2.由圖1可以看出，固結層的物相組成除了二氧化硅、氧化鋁等以外，還出現(xiàn)了新的產(chǎn)物，經(jīng)與標準譜圖比對定性為方解石；由圖2可以看出，伸縮振動頻率1 443 cm-1、893 cm-1對應為C-O鍵，伸縮振動頻率1 022 cm-1、826 cm-1對應為Si-O鍵，伸縮振動頻率3 420 cm-1對應為結晶水，而伸縮振動頻率3 710 cm-1對應為羥基，紅外譜圖出現(xiàn)C-O鍵伸縮振動頻率，進一步證實證實了方解石的產(chǎn)生.微生物誘導產(chǎn)生的方解石，具有固結作用，這是微生物膠凝材料能夠固結松散介質(zhì)的原因[13-15].

圖1 固結層的XRD譜圖Fig.1 XRD patternsof consolidated layer

圖2 固結層的紅外譜圖Fig.2 FTIR patterns of consolidated layer

2.2 微生物膠凝材料用量對固結層性能影響

微生物膠凝材料用量對固結層硬度和強度的影響如圖3.由圖3可以看出，隨著微生物膠凝材料用量的增加，固結層的硬度和強度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢.與未加微生物膠凝材料的對照試驗相比，微生物膠凝材料顯著改善了固結層的力學性能；當微生物膠凝材料用量為0.8 kg/m2時，固結層的硬度和強度相對較低，但與對照試驗相比有了大幅的提升；與微生物膠凝材料用量0.8 kg/m2相比，微生物膠凝材料用量為1.6 kg/m2時固結層的抗壓強度提升了102.0%；隨著用量的進一步增加，固結層的抗壓強度有所提高，但增幅不明顯.綜合力學性能和經(jīng)濟性兩方面的因素，微生物膠凝材料用量為1.6 kg/m2較為適宜.

圖3 微生物膠凝材料用量對固結層性能影響Fig.3 Effect of microbial cementdosage on mechanical properties of consolidated layer

2.3 微生物膠凝材料用量對抗風蝕性能影響

微生物膠凝材料可以有效固結松散的土顆粒，形成具有一定力學性能的固結層，為揚塵控制創(chuàng)造了條件.采用風洞試驗儀模擬風力侵蝕，以此評價其抗風蝕性能，微生物膠凝材料固結土的抗風蝕性能如圖4.由圖4可以看出，在未使用微生物膠凝材料的對照試驗中，質(zhì)量損失極為明顯，高達1 980.6 g/m2；當采用微生物膠凝材料膠結時，在不同用量下質(zhì)量損失都很低，均不超過30.0 g/m2.由此可見，微生物膠凝材料固結松散土具有良好的抗風蝕性能，微生物膠凝材料可以作為一種抑塵劑使用.

圖4 微生物膠凝材料用量對固結層抗風蝕性能影響Fig.4 Effect of microbial cementdosage on wind erosion resistance of consolidated layer

2.4 微生物膠凝材料用量對保濕性能影響

目前，控制揚塵的方法較多，其中包括具有保濕作用的抑塵劑，即通過延長土質(zhì)中水分的蒸發(fā)提高抑塵性能.鑒于此，文中研究了微生物膠凝材料的保濕性能，試驗結果如圖5.由圖5可以看出，在未使用微生物膠凝材料的對照試驗中，水分散失很快，20 h左右即完全喪失；在微生物膠凝材料固結形成的固結層中，水分散失明顯受阻，隨著微生物膠凝材料用量的增加，水分散失更為困難.由此可見，微生物膠凝材料固結形成的固結層具有保濕作用，有利于提升抑塵性能.

圖5 微生物膠凝材料用量對保濕性能影響Fig.5 Effect of microbial cementdosage on water-retention of consolidated layer

2.5 微生物膠凝材料用量對抗凍融性能影響

我國幅員遼闊，晝夜溫差、季節(jié)溫差較大，對微生物膠凝材料的抗凍融性能提出了更高的要求.微生物膠凝材料用量對抗凍融性能的影響如圖6.由圖6可以看出，在不同凍融循環(huán)周期下固結層均有質(zhì)量損失，隨著凍融循環(huán)周期的增加，質(zhì)量損失呈現(xiàn)不斷上升的趨勢.然而，隨著微生物膠凝材料用量的增加，質(zhì)量損失有了明顯的改善.因此，在溫差較大的地方使用微生物膠凝材料時，可適度增加微生物膠凝材料的用量，從而改善固結層的抗凍融性能，延長微生物膠凝材料的抑塵周期.

圖6 微生物膠凝材料用量對抗凍融性影響Fig.6 Effect of microbial cement dosage on freeze thaw resistance of consolidated layer

3 結論

通過研究固結層的物相組成、微生物膠凝材料用量對固結層強度、硬度、抗風濕性能、保濕性能及抗凍融性能的影響，可以得到以下結論：

(1) 根據(jù)XRD圖譜分析可知，微生物膠凝材料固結松散土形成的固結層中除了二氧化硅、氧化鋁等物相以外，出現(xiàn)了新的物相，即微生物誘導礦化產(chǎn)物方解石，這是微生物膠凝材料固結松散介質(zhì)的本質(zhì)原因；

(2) 通過微生物膠凝材料用量對固結層性能的影響可知，微生物膠凝材料的最適宜的用量為1.6 kg/m2，微生物膠凝材料固結土形成的固結層具有良好的抗風蝕性能，風力侵蝕下質(zhì)量損失大幅改善，固結層兼具保濕性能和抗凍融性.