生蚝壳作为微生物固化砂土钙源的试验研究

梁仕华，林坚鹏,2，牛九格，冯德銮，龚 星，罗庆姿

（1. 广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006；2. 桂林联勤保障中心 76174部队，广西 桂林 512200）

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)是一种新兴的、有应用潜力的土体加固技术[1-2]，其处理过程会消耗大量钙离子，目前大多数试验研究主要选用化学分析钙作为MICP钙源，氯化钙是常用的一种[3]。但由于化学分析钙价格比较昂贵，且氯化物具有一定腐蚀性，国内外相关学者在MICP钙源来源方面做了一些尝试探究。Cheng等[4]利用海水中溶解的钙离子作为MICP过程中的钙源，用尿素和海水混合物冲刷多孔沙质土壤200次获得300 kPa的强度。Choi等[5]利用醋酸提取蛋壳中的钙离子作为MICP钙源固化砂柱，固化后砂柱抗压强度达400 kPa，渗透系数从10–4m/s降低到10–6～10–7m/s。Liu等[6]利用乙酸从钙质砂中浸出可溶性钙，用于MICP固化钙质砂，随着胶结溶液量的增加，钙质砂柱的强度、刚度呈指数增长，可溶性钙处理样品无侧限抗压强度最高达2.458 MPa，SEM和XRD分析表明，钙质砂颗粒表面及其接触点处形成了文石沉淀结晶。Choi等[7]利用木质素纤维生物质热解的乙酸提取石灰石中的钙离子作为MICP钙源固化砂柱，其抗压强度可达1.1 MPa。以上研究说明若能通过一定的方法将钙质量分数丰富的物质中的钙转换成游离的钙离子，便可作为钙源应用于微生物固化砂土。

生蚝作为一种营养丰富的海产品备受人们喜爱，目前我国主要加工利用生蚝可食用部分，大量的蚝壳被作为垃圾丢弃，蚝壳的资源化利用不足，蚝壳中的有机物在长期堆放过程中由于腐败会对环境造成严重的污染[8-9]。蚝壳的主要成分是CaCO3，若能将其利用，不但能够代替MICP常用的化学分析钙，而且解决了蚝壳污染问题。笔者通过硝酸提取蚝壳中的钙离子作为MICP钙源，采用无侧限抗压强度试验、渗透试验、碳酸钙质量分数测试、干密度试验和扫描电镜试验(SEM)等探讨以蚝壳作为MICP固化砂土钙源的可行性，为含钙丰富污染物质的处理提供新的思路。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 细菌及扩大培养

本文选用从荷兰DSM公司购买的编号为DSM33的巴氏芽孢八叠球菌冻干粉，细菌扩大培养的培养液配方是：酵母提取物20 g/L，硫酸铵10 g/L，氢氧化钠2 g/L，pH调节在9左右。活化后的菌液通过测定电导率和OD600来评价细菌活性。

1.1.2 营养液

营养液成分主要是钙源和尿素混合液，蚝壳提取钙源的方法是取厨余蚝壳进行清洗烘干粉碎，然后用质量分数为10%稀硝酸溶解蚝壳，待蚝壳完全溶解后静置36 h，取上清液进行过滤，用质量分数为20%的NaOH溶液调整pH保持在6.5～7.0之间。用滴定法测定溶液钙离子浓度，结果见表1。由于本试验生蚝壳钙源是利用硝酸提取的，为了验证其可以代替氯化钙，因此本试验采用化学分析钙硝酸钙、氯化钙作为钙源对照组。试验中每种钙源试样的平行试件为4组。

表1 蚝壳钙源的钙离子浓度和pHTable 1 Calcium ion concentration and pH of clam shell calcium source

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备

生物固化砂土的试样尺寸为直径39 mm，高80 mm，采用PVC模具控制装样密度1.5 g/cm3。将称取的标准砂分3次缓慢加入模具，分层捣实至同一高度，在试样的顶部和底部分别覆盖一层土工布。采用间歇分步循环灌浆方式给每个试样分别利用蠕动泵以恒定速率泵入菌液或者营养液[10-13]。

1.2.2 测试方法

(1) 无侧限抗压强度试验。将烘干的试样放在试验机上，调整试验机底座，使试样和试验机上下加载板刚好接触，将力清零后开始试验，直至试样破坏后读取无侧限抗压强度值。

(2) 渗透系数试验。采用变水头试验，参照土工试验方法标准(GB/T50123-1999)测定一定间隔时间Δt内，水头初始高度h1和终止高度h2，结合水管横截面积a，试样高度l和试样横截面积A，根据式(1)计算试样的渗透系数。

(3) 碳酸钙质量分数试验。取试验后未压碎的砂块，每组选取砂块的质量均为50 g左右，称其质量m1，再用5 mol/L的浓盐酸溶液浸泡砂块直至没有气泡产生。用去离子水将反应后的砂样冲洗干净后，放入烘箱中烘干，称反应后砂样的质量m2，通过式(2)得到碳酸钙质量分数CCa。

(4) 干密度试验。将砂柱试样放置于鼓风烘干箱中在80 ℃下烘干至恒重，然后取出试样在自然温度下冷却，测得冷却后试样的质量、高度和直径，计算出试样的密度，即为砂柱试样的干密度。

(5) 扫描电镜试验(SEM)。试验采用Merlin场发射扫描电子显微镜（蔡司公司，德国），扫描电压5.0 kV，选取破碎的砂样用烘箱烘干，然后取出烘干的砂样，放在砂样夹上，进行抽真空预处理，喷金20 s。然后把砂样放入电镜扫描真空仓中进行扫描，按试验方案拍摄放大500倍和3 000倍的SEM照片。

2 实验结果及分析

2.1 物理力学指标

图1显示了不同钙源固化砂土的物理力学指标，由图1可以看出以生蚝壳为钙源固化后砂柱的碳酸钙质量分数、干密度、渗透系数分别15.28%、2.09 g/cm3、1.12×10–4m/s，碳酸钙质量分数和干密度较以硝酸钙为钙源分别提高了14%和1.4%，渗透系数降低了8.2%，但与氯化钙为钙源的对比，碳酸钙质量分数和干密度分别提高了52%和13%，渗透系数降低27.7%。以生蚝壳为钙源固化后砂柱无侧限抗压强度略高于硝酸钙对照组，但是较氯化钙对照组提高了76.7%。由图1 (c) 可以看出，蚝壳钙源固化砂柱的峰值强度较化学钙源的有提高，但是其延展性较差，脆性破坏比较明显，不同钙源固化砂土的应力应变趋势相似，可分为4个阶段：应力随应变缓慢增长阶段，应力随应变快速增长阶段，峰值应力后应力陡降阶段，应变增加应力稳定阶段。

图1 不同钙源固化砂土的物理力学指标Fig.1 Physical and mechanical indicators of solidified sand with different calcium sources

通过比较3组不同钙源的固化砂柱的物理力学指标可以发现，固化砂柱砂颗粒在碳酸钙质量分数较高时，固化砂柱砂颗粒之间的空隙被填充粘结，使得颗粒间结构更为致密，从而降低了渗透系数，提高了无侧限抗压强度、干密度。另外，也可以发现以硝酸钙为钙源的固化效果较氯化钙更好，这与笔者课题组前期的研究结论[14]保持一致。

2.2 微观及矿物成分分析

通过扫描电镜试验将不同钙源固化后的砂柱放大不同倍数得到固化砂柱的微观形貌及沉淀晶体形态如图2和图3所示。从图2可以看出，不同钙源的固化后砂柱砂颗粒表面都有碳酸钙沉淀生成，从而使其干密度有了一定的提高；碳酸钙沉淀包裹在砂颗粒表面并填充颗粒之间的部分孔隙，使砂颗粒由原先结构松散变成相对致密整体，降低的渗透性同时使砂柱具有一定的强度。沉淀晶体形态如图3所示，通过生蚝壳钙源获得的碳酸钙沉淀表面比较粗糙、伴有微小孔隙的球体形态；通过硝酸钙获得的碳酸钙沉淀是介于球状和棱柱体之间的多棱角的簇状；通过氯化钙获得的碳酸钙沉淀呈现颗粒相互交错堆积的簇状。

为了进一步分析固化砂土的孔隙情况，利用IPP图片处理软件对SEM图片进行了二值化处理[15-16]：通过图片处理软件扫描SEM图像的每个像素值，而SEM图像中不同的阈值刚好对应不同表面孔隙面积，将整个图像呈现出明显的黑白效果，如图4所示，通过二值化图像测算表观孔隙面积，并将表观孔隙面积与图片面积的比值定义为表观孔隙率，统计结果如表2所示。由表2可以看出，生蚝壳为钙源固化的砂柱中，大孔隙(20～50 μm)和孔洞(＞50 μm)占比较高；化学钙源固化的砂柱中，均呈现大孔隙(20～50 μm)占比最高，但是硝酸钙作为钙源固化的砂柱中不存在孔洞(＞50 μm)。生蚝壳为钙源的固化砂柱中虽然平均孔径较大，但是其表观孔隙率最小，碳酸钙质量分数最多，较大孔隙具有个别性，因此以生蚝壳为钙源的固化砂柱的强度也是最高的。

图2 不同钙源固化砂土后的SEM图片Fig.2 SEM picture of different calcium sources after solidifying sand

图3 不同钙源固化砂土碳酸钙沉淀晶体形态图Fig.3 Crystal morphology of precipitated calcium carbonate from different calcium sources

图4 不同钙源固化砂土后的SEM二值化图片Fig.4 SEM binarization picture after curing sand with different calcium sources

表2 不同钙源固化砂柱的微观结构孔径分布统计分析表Table 2 Statistical analysis of microstructure pore size distribution of different calcium source curing sand columns

3 结论

本文分别以生蚝壳为MICP钙源与化学钙钙源固化砂柱，通过物理力学指标和微观对比分析，得出以下结论。

(1) 以生蚝壳为MICP钙源的固化砂柱获得的无侧限抗压强度、渗透系数、碳酸钙质量分数、干密度等物理力学指标均优于化学分析钙的，其无侧限抗压强度为1.45 MPa，满足工程建设地基处理的要求。

(2) 从微观结构上看，不同钙源固化砂柱砂颗粒表面均有碳酸钙沉淀生成，生蚝壳钙源固化砂柱的平均孔径最大，但其表观孔隙率最低，碳酸钙质量分数最多，强度和物理力学指标均要优于化学钙源固化的砂土试样。

(3) 通过生蚝壳钙源获得的碳酸钙沉淀晶体形态表面比较粗糙，伴有微小孔隙的球体形态；通过硝酸钙获得的碳酸钙沉淀是介于球状和棱柱体之间的多棱角的簇状；通过氯化钙获得的碳酸钙沉淀呈现颗粒相互交错堆积的簇状。