菌液密封狀態(tài)對(duì)微生物加固粉土的影響

王瑋，趙志峰，朱效博

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037)

通過微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(MICP)對(duì)土體進(jìn)行加固具有環(huán)境友好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，已成為現(xiàn)階段土木工程和材料工程的研究熱點(diǎn)[1-3]。當(dāng)前使用最廣泛的微生物為巴氏芽孢桿菌，它既能為尿素水解提供大量脲酶，還能為碳酸鈣晶體的生成提供成核點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，微生物在土中的均勻分布和持續(xù)發(fā)揮作用是加固的關(guān)鍵[4-5]。

微生物加固方法主要有注漿法、拌合法、入滲法。無論采用何種方法，開始階段均要使包含微生物的菌液進(jìn)入待加固土體內(nèi)部，并使微生物能吸附在土顆粒上。目前的研究中，基本都使菌液充滿土中孔隙，即土體處于飽和狀態(tài)；并在密封狀態(tài)下靜置一段時(shí)間使微生物吸附于土粒[6-7]。然而也有學(xué)者認(rèn)為，試樣處于非飽和狀態(tài)更有利于微生物在土中的吸附，加固效果更好[8]。由于微生物在土中的吸附和反應(yīng)過程復(fù)雜，很難預(yù)判菌液靜置時(shí)的飽和狀態(tài)對(duì)加固效果的影響。因此，隨著對(duì)微生物加固技術(shù)研究的深入，有必要開展該方面的研究。

筆者以海相粉土為研究對(duì)象，在前期采用微生物技術(shù)對(duì)該粉土進(jìn)行有效加固的基礎(chǔ)上[9]，通過試驗(yàn)研究菌液在土中的密封狀態(tài)對(duì)加固效果的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

粉土取自江蘇省鹽城市東臺(tái)條子泥吹填工程。該粉土干密度1.46 g/cm3,含水率27.08%,孔隙比0.84,塑性指數(shù)8,滲透系數(shù)6.61×10-5cm/s。根據(jù)級(jí)配分析(圖1)，粒徑為0.005～0.075 mm的粉粒占73.3%，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3%。不均勻系數(shù)Cu=3.29，曲率系數(shù)Cc=1.42，級(jí)配不良。

圖1 粉土的級(jí)配曲線Fig. 1 Particle distribution curve of silt

試驗(yàn)所用巴氏芽孢桿菌，購買于德國菌種保藏中心(DSMZ)。培養(yǎng)液采用DSMZ推薦的培養(yǎng)液[10]。將營養(yǎng)液配置完成后，放置于高溫高壓蒸汽滅菌鍋進(jìn)行滅菌。試驗(yàn)所用菌液的菌種為初代細(xì)菌接種培養(yǎng)后所得：在無菌操作臺(tái)上將菌液與營養(yǎng)液按體積比1∶8接種于400 mL的營養(yǎng)液中。隨后將盛有接種后菌液的錐形瓶放置于30 ℃、130 r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12 h，OD600控制在1.6左右。酶活性約為6.1 U[(1 U=1 mmol/(L·min-1)]。

膠結(jié)液為尿素與氯化鈣的混合溶液，按照物質(zhì)的量濃度比1∶1進(jìn)行配置。其中氯化鈣為MICP進(jìn)程提供鈣源，尿素水解為結(jié)晶提供碳酸根離子。

1.2 試驗(yàn)裝置與加固方法

采用將微生物拌入粉土中，然后表面入滲膠結(jié)液的方法來加固粉土，該方法已經(jīng)通過前期大量試驗(yàn)證明了有效性。盛土容器為內(nèi)徑47.5 mm、高150 mm的PVC管，PVC管放置于內(nèi)徑50 mm的底座上，底座上鋪有4層紗布，底座中部開有5 mm的孔洞以控制液體的流出(圖2)。將烘干的粉土(265 g)按四分法取樣，將1.2倍孔隙體積(Vv)約98 mL的菌液與干土充分拌和，均勻裝入PVC管中，并使菌液在土中靜置12 h。菌液靜置過程中，可打開或關(guān)閉底座孔洞，以控制菌液在土中的密封狀態(tài)。本次試驗(yàn)中共嘗試了5種方案，均設(shè)置了平行試樣，試驗(yàn)方案詳見表1。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig. 2 Experimental setup

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme

菌液靜置完成后，從試樣頂部入滲膠結(jié)液，此時(shí)打開底座的孔洞使多余液體能夠流出。膠結(jié)液濃度選取為1.25 mol/L，入滲輪數(shù)為4輪；每輪膠結(jié)液體積為1.0Vv，膠結(jié)液入滲間隔時(shí)間為12 h。

1.3 加固效果測試

全部膠結(jié)液入滲結(jié)束后，為避免拆樣時(shí)PVC管與試樣粘連，靜置12 h后用大量去離子水沖洗試樣以去除未反應(yīng)的雜質(zhì)，然后拆樣。將試樣放置于烘箱中烘干24 h，然后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試。測試前將試樣兩端切削平整并滿足長徑比 2∶1 的要求；然后將試樣放置于傳壓板中央進(jìn)行加壓，加載速率為1 mm/min。將破裂后的土樣按照試樣上部、中部、下部進(jìn)行分類，用鹽酸浸泡法確定CaCO3生成量，并除以干土質(zhì)量得到CaCO3生成量百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 密封時(shí)間對(duì)菌液活性的影響

尿素水解后，溶液中的電導(dǎo)率會(huì)增加，電導(dǎo)率可用于反映脲酶活性的變化及微生物工作效率[11]。使用移液槍提取滲出液與純水混合攪拌均勻后，測量其電導(dǎo)率(σ)。

隨著菌液密封時(shí)間的增加，滲出液的電導(dǎo)率(σ0)也不斷增加(表2)。拌菌后密封時(shí)間由0 h增至4 h時(shí)，電導(dǎo)率幾乎不變；密封時(shí)間由4 h增至8 h時(shí)，電導(dǎo)率增加了約4%；密封時(shí)間達(dá)到12 h時(shí)，電導(dǎo)率相比方案1增加了約21%。

除了測定菌液密封結(jié)束時(shí)滲出液的電導(dǎo)率，還測定了菌液靜置結(jié)束時(shí)(即第一輪膠結(jié)液入滲時(shí))滲出液的電導(dǎo)率，此時(shí)的電導(dǎo)率能反映出靜置后菌液的脲酶活性。滲出液電導(dǎo)率(σ1)隨著菌液密封時(shí)間的增加而逐漸升高。在密封時(shí)間為0～8 h時(shí)間段，電導(dǎo)率的提高比較明顯。當(dāng)密封時(shí)間超過8 h后，電導(dǎo)率的變化趨于平緩。由表2可知，根據(jù)方案4和方案5進(jìn)行加固應(yīng)該能取得較好的加固效果。

表2 不同密封狀態(tài)下滲出液電導(dǎo)率Table 2 Conductivity of exudates under different sealing states

2.2 菌液密封時(shí)間對(duì)膠結(jié)液尿素水解的影響

在微生物吸附于土顆粒后，CaCO3的結(jié)晶沉積依賴于膠結(jié)液的加入。膠結(jié)液中的尿素水解對(duì)結(jié)晶過程和加固效果有重要影響，而尿素水解與微生物的活性有關(guān)。菌液密封時(shí)間是否會(huì)影響到后續(xù)多輪膠結(jié)液入滲時(shí)的工作效率，需要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證。采用相同濃度、體積和輪數(shù)的膠結(jié)液進(jìn)行入滲，測量每輪膠結(jié)液入滲后滲出液的電導(dǎo)率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 滲出液電導(dǎo)率隨入滲輪數(shù)的變化Fig. 3 Variation of exudate conductivity with the percolation treatments

由圖3可知，菌液密封時(shí)間對(duì)入滲1輪時(shí)滲出液的電導(dǎo)率有一定影響，幾種方案下電導(dǎo)率的差值為3.7 mS/cm。當(dāng)入滲輪數(shù)增加至2輪后，電導(dǎo)率的波動(dòng)減小，入滲4輪時(shí)，電導(dǎo)率的差值僅為0.9 mS/cm。因此可認(rèn)為入滲4輪后滲出液的電導(dǎo)率基本相同。隨著入滲輪數(shù)的增加，菌液密封時(shí)間對(duì)細(xì)菌脲酶活性的影響逐漸減小。

2.3 菌液密封時(shí)間對(duì)加固效果的影響

對(duì)不同菌液密封時(shí)間處理的試樣，入滲4輪1.0Vv、1.25 mol/L的膠結(jié)液，測定CaCO3生成量和無側(cè)限峰值抗壓強(qiáng)度。

不同密封時(shí)間各部分碳酸鈣生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖4。從圖中可發(fā)現(xiàn)：1)菌液密封時(shí)間在0～8 h時(shí)，各試樣上部CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，且CaCO3含量隨著密封時(shí)間的增加而上升。密封時(shí)間達(dá)到12 h時(shí)，上部CaCO3含量明顯提高，增至16.2%。2)試樣中部CaCO3含量受密封時(shí)間的影響不明顯。3)各試樣下部的CaCO3百分比在13.5%左右，可認(rèn)為處于同一水平。從CaCO3的分布來看，方案4(12/0)的試樣中CaCO3分布相對(duì)較均勻，方案3和方案5次之，方案1(0/12)的CaCO3分布最不均勻。

圖4 不同試樣中碳酸鈣分布Fig .4 Calcium carbonate distribution in different samples

各試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和整體碳酸鈣生成百分比見圖5。各試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為819～1 347 kPa。密封時(shí)間在0～12 h時(shí)，強(qiáng)度隨著菌液密封時(shí)間的增加而逐漸提高；密封時(shí)間達(dá)到12 h時(shí)(方案4)，強(qiáng)度達(dá)到最大值1 347 kPa，相比密封時(shí)間0 h(方案1)提高了64%。而同樣菌液密封12 h、但解封12 h后才入滲膠結(jié)液(方案5)，強(qiáng)度卻降低了12%，與密封8 h試樣(方案3)相近。

圖5 不同試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣生成總質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 5 Unconfined compressive strength and overall calcium carbonate ratio in different samples

CaCO3總生成量隨著密封時(shí)間的增加逐漸增多，為11.9%～13.5%。方案4試樣中CaCO3總生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。值得注意的是，方案1(0/12)試樣中的CaCO3含量與方案5(12/12)相差不足1%，但強(qiáng)度較低。其原因主要是方案1試樣中CaCO3分布不均勻(圖4)，這也表明加固強(qiáng)度不僅取決于CaCO3的數(shù)量，還取決于分布的均勻性[12]。

不同試樣在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試中的破壞形態(tài)見圖6。密封時(shí)間在0 h時(shí)，試樣僅在上部發(fā)生塑性破壞，強(qiáng)度也最低(819 kPa)；密封時(shí)間提升到4 h時(shí)，破壞范圍明顯增大；密封時(shí)間達(dá)到8 h時(shí)，剪破面繼續(xù)往下發(fā)展，試樣呈現(xiàn)中部及上部破壞；當(dāng)密封時(shí)間達(dá)到12 h時(shí)，剪切面貫穿整個(gè)試樣高度，試樣呈現(xiàn)整體劈裂破壞，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也最高。圖4～6的結(jié)果表明，菌液密封時(shí)間對(duì)CaCO3的分布均勻性有明顯影響，進(jìn)而影響加固強(qiáng)度。密封時(shí)間較短時(shí)試樣上部的CaCO3含量低，其原因是菌液受重力作用下滲，試樣上部的菌液含量較低，致使生成的CaCO3相對(duì)較少。

圖6 試樣在無側(cè)限抗壓測試中的破壞狀態(tài)Fig. 6 Failure modes of samples in unconfined compressive tests

2.4 不同濃度菌液的試驗(yàn)結(jié)果

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)菌液在密封狀態(tài)下靜置12 h后入滲膠結(jié)液的加固效果最好。為了驗(yàn)證采用不同濃度菌液時(shí)，密封時(shí)間是否對(duì)加固效果也有相同的影響，選取OD值2.2的菌液進(jìn)行了類似試驗(yàn)。采用如表2方案中的5種菌液密封時(shí)間，入滲膠結(jié)液的參數(shù)均與之前試驗(yàn)相同，并設(shè)置了平行試樣,結(jié)果見表3。

表3中的數(shù)據(jù)表明，菌液濃度提高后不同方案下滲出液的電導(dǎo)率相比表2(OD600為1.6)均有所增大。密封時(shí)間從0增至4 h時(shí)，滲出菌液的電導(dǎo)率提高了0.27 mS/cm；密封時(shí)間從8 h增至12 h后僅提高了0.07 mS/cm。方案4和方案5的電導(dǎo)率相差不大。采用不同菌液濃度，密封時(shí)間的延長都有助于脲酶活性提高。

表3 不同密封狀態(tài)時(shí)滲出液電導(dǎo)率(OD600為2.2)Table 3 Conductivity of exudates under different sealing state(OD600為2.2)

提高OD值后試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖7。隨著菌液密封時(shí)間從0 h增至12 h，試樣中生成的CaCO3逐漸增加。與圖5相似，最高強(qiáng)度和最大CaCO3生成量均出現(xiàn)于方案4(12/0)，這表明該方案有利于土體加固。當(dāng)菌液在試樣中的靜置時(shí)間延長至24 h(方案5)后，強(qiáng)度有較大幅度下降，說明菌液靜置時(shí)間并不是越長越有利。提高菌液濃度并未使加固強(qiáng)度有明顯提高，反而略有下降，這主要是由于高濃度菌液分解尿素速度較快，不利于較大碳酸鈣晶體在粉土中的生成[13-14]。

圖7 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣生成總質(zhì)量分?jǐn)?shù)(OD600為2.2)Fig. 7 Unconfined compressive strength and overall calcium carbonate ratio in different samples(OD600為2.2)

3 討 論

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，菌液在土中靜置時(shí)的密封狀態(tài)對(duì)粉土的加固效果有不可忽略的影響。當(dāng)使用拌菌結(jié)合多輪膠結(jié)液入滲的方法時(shí)，菌液處于完全密封狀態(tài)(方案4)能獲得更高的加固強(qiáng)度。與之相反，當(dāng)菌液處于非密封狀態(tài)(方案1)時(shí)的加固強(qiáng)度最低。由于本次試驗(yàn)用粉土粒徑較小，具有較強(qiáng)的保水能力。當(dāng)菌液與土拌合裝樣后即打開底蓋小孔，并靜置12 h，流出的菌液體積約為10 mL，此時(shí)試樣的飽和度從完全飽和下降至約88%。

有學(xué)者認(rèn)為，砂土中的菌液處于非飽和狀態(tài)時(shí)，更有利于微生物吸附于土顆粒接觸點(diǎn)，在顆粒接觸點(diǎn)生成更多碳酸鈣晶體[15]。本次在使用相同種類菌液和膠結(jié)液的情況下，試驗(yàn)結(jié)果并不支持此觀點(diǎn),其原因可能是處理土的種類不同。之前大部分研究建議的方法、參數(shù)主要適用于砂土;而本次所用粉土的粒徑級(jí)配和物理性質(zhì)與砂土有較大差別。這也表明，在處理不同種類土?xí)r，應(yīng)通過試驗(yàn)來選擇試驗(yàn)參數(shù)，確定更合理的加固方法。

4 結(jié) 論

通過微生物技術(shù)加固海相粉土，重點(diǎn)研究了菌液密封時(shí)間對(duì)加固效果的影響，得到以下結(jié)論：

1)菌液在土中靜置時(shí)的密封狀態(tài)對(duì)微生物的酶活性有直接影響。不同方案的對(duì)比表明，菌液在土中密封時(shí)間達(dá)到12 h時(shí)的電導(dǎo)率較高。

2)隨著膠結(jié)液的多輪入滲，菌液密封時(shí)間對(duì)酶活性的影響逐漸減小。

3)在其他參數(shù)不變的情況下，菌液密封時(shí)間對(duì)碳酸鈣生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)和均勻性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有明顯影響。菌液在密封狀態(tài)下靜置12 h后入滲膠結(jié)液進(jìn)行加固的效果最好。