风积沙的微生物固化试验研究

张世参 骆亚生 田堪良 杜玉鹏 赵耀斌 李多

摘 要：風积沙主要分布在干旱少雨的沙漠地区，是一种结构松散、颗粒细小而均匀、自稳能力差且不易压实的特殊土体。为探讨大体积风积沙微生物固化规律，采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术，利用巴氏芽孢杆菌，在饱和状态下对风积沙沙柱进行了微生物加固试验，测定了沙柱内不同深度处的细菌浓度以及细菌吸附量、酶活性、尿素浓度等指标。同时，分析了不同深度处固化试样的干密度、无侧限抗压强度和碳酸钙含量的变化规律。试验结果表明，细菌在沙柱中的最佳静置时间为4 h，胶结液在沙柱中的最佳静置时间为24 h。通过在风积沙中灌注巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液可以在风积沙颗粒之间生成碳酸钙结晶，从而将沙颗粒黏结在一起，形成具有一定强度的整体。固化风积沙的无侧限抗压强度在0.43～7.13 MPa之间。微生物诱导碳酸钙沉淀技术固化风积沙的有效深度为0.2～0.7 m，固化沙柱不同位置处的干密度、无侧限抗压强度和碳酸钙含量随深度的变化规律相似，都是先升高后降低，在0.4 m左右处达到峰值。因此，采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术可有效加固沙漠风积沙，能明显改善风积沙的工程性质。

关键词：微生物固化;微生物诱导碳酸钙沉积;风积沙;巴氏芽孢杆菌;工程力学性能

中图分类号：TU441 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.028

引用格式：张世参，骆亚生，田堪良，等.风积沙的微生物固化试验研究[J].人民黄河，2021，43（10）：144-149，160.

Abstract： Aeolian sand mainly distributes in arid and rainless desert areas. It is a kind of special soil with loose structure， fine and uniform particles， poor self-stabilization ability， and difficult to compact. Strengthening aeolian sand can improve the stability and wind erosion resistance of sand slope. Sporosarcina pasteurii was used to reinforce the aeolian sand column by microbial induced calcite precipitation. The bacterial concentration， adsorption capacity， enzyme activity and urea concentration of the samples at different depths in the sand column were measured. At the same time， the variation of dry density， unconfined compressive strength and calcium carbonate content of solidified samples at different depths were analyzed. The results show that the optimal static time of bacteria in sand column is 4 hours， and the optimal static time of cementing fluid in sand column is 24 hours. Calcium carbonate crystals can be formed between aeolian sand particles by filling sporosarcina pasteurii and cementing solution in aeolian sand， thus bonding sand particles together to form a certain strength of the whole. The unconfined compressive strength of solidified aeolian sand is between 0.43 MPa and 7.13 MPa. The effective depth of microbial-induced calcium carbonate precipitation solidifying aeolian sand is 0.2-0.7 m. The dry density， unconfined compressive strength and calcium carbonate content at different locations of reinforced sand column vary with depth similarly. They all increase first and then decrease， reaching the peak at about 0.4 m. Therefore， microbially induced calcite precipitation technology can effectively reinforce desert aeolian sand and significantly improve the engineering properties of aeolian sand， providing technical support for reinforcement of aeolian sand slope and improvement of wind erosion resistance.

Key words： microbial solidification; microbially induced calcium precipitation; aeolian sand; sporosarcina pasteurii; engineering mechanical properties

1 引 言

风积沙主要分布在干旱少雨的沙漠地区，是一种结构松散、颗粒细小而均匀、自稳能力差且不易压实的特殊土体，作为建筑物基础时须进行加固处理[1-2]。传统的沙土固化方法大都依靠机械碾压、水泥或其他有机材料，这些方法不仅需要消耗大量的能源，对生态环境也会造成不同程度的污染[3-5]。微生物诱导碳酸钙沉淀MICP（microbially induced calcite precipitation）是一种新型的生物矿化技术，在岩土工程领域有十分广阔的应用前景[6]。它利用特定微生物在新陈代谢活动中与含氮有机物发生反应，并结合环境中的钙离子，生成具有胶结作用的碳酸钙结晶，从而将松散颗粒胶结成一个具有一定强度的整体[7]。巴氏芽孢杆菌是一种土壤中常见的脲酶细菌，具有较强的环境适应性，在MICP技术的研究中得到了广泛应用[8-9]。细菌在沙土颗粒表面附着后，通过其新陈代谢活动中产生的脲酶催化尿素水解，生成铵根离子和碳酸根离子，在引入钙离子的情况下发生化学反应，生成碳酸钙结晶，从而将沙土颗粒胶结在一起[10-11]。

Whiffin[12]在2004年首次将MICP技术应用于一维松散沙土的固化，试验采用50 mL注射器多次注入细菌及尿素/钙离子混合液的方式，使沙土试样的强度得到了明显提高，其无侧限抗压强度可达到30 MPa 。为了固化大体积的沙柱，Whiffin等[13]采用低压灌浆的方法，依次注入菌液、固定液（0.05 mol/L）和胶结液（尿素和氯化钙的混合溶液），成功胶结出长5 m、直径66 mm的沙柱。对固化沙柱进行分段测试，结果发现，不同位置处碳酸钙的分布并不均匀，近注射口处的碳酸钙含量相对较高，而远离注射口处的碳酸钙含量较低。Whiffin等认为，尿素分解速率与反应物输送速率达到平衡是实现沙柱中碳酸钙均匀分布的前提条件。Qabany等[14]对胶结液（尿素和碳酸钙混合溶液）浓度、反应持续时间、有效注入速率等影响微生物诱导碳酸钙沉淀效率的因素进行了研究，结果表明，胶结液注入速率低于0.042 mol/（L·h）时，碳酸钙沉淀效率很高，可以达到100%，碳酸钙沉淀效率受胶结液浓度影响不大。然而，进一步研究发现，较低的胶结液浓度可以有效防止局部堵塞，在碳酸钙含量相同的条件下，可以获得更高的强度。Cheng等[15-16]开发了一种便于应用的表面渗流技术处理非饱和沙土，采用菌液及胶结液交替入渗的方法，得到了强度相对均匀的沙柱。然而，沙柱中碳酸钙的分布并不均匀，沙柱底部碳酸钙含量较高，约为顶部的3倍。由于沙土的有效强度主要取决于颗粒之间的胶结作用，因此沙柱中生成的碳酸钙晶体越多，沙柱的强度就越高[17]。Rong等[18-19]从微观角度揭示了微生物在松散沙颗粒间诱导生成碳酸钙的过程。同时，利用MICP成功胶结出高0.5 m、直径5 cm的沙柱。试验研究发现，随着远离注射口，沙柱的抗压强度不断降低，抗冻性减弱。不同颗粒粒径对微生物固化沙土强度的影响研究结果表明，颗粒粒径较小的沙土有效碳酸钙晶体比例较大，强度较高。Li等[20]以风积沙为研究对象，采用不同浓度胶结液对风积沙进行微生物固化处理。结果发现，胶结液浓度越高，固化风积沙中的碳酸钙含量越高，密度越大，渗透系数越小，无侧限抗压强度也越大，无侧限抗压强度最大可以达到18 MPa。

目前，MICP技术固化土体的研究多应用于水成沙，研究方法也多集中于饱和沙土灌漿处理，对沙漠环境中风积沙的微生物固化方法和效果的研究却鲜有报道。笔者利用巴氏芽孢杆菌，在饱和状态下对100 cm高的柱状风积沙进行了加固试验。测定了沙柱内部不同深度细菌浓度和胶结液浓度的变化规律，测定了不同深度固化沙土的干密度、无侧限抗压强度和碳酸钙含量，分析了固化沙土的物理力学性质的变化规律及固化效果，以期为采用MICP技术固化大体积风积沙及其工程应用提供参考。

2 试验材料

2.1 巴氏芽孢杆菌

试验选用的脲酶菌为巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii，编号ATCC 11859），源自美国菌种保藏中心。菌种经活化后，进行培养扩繁，采用CASO AGAR（大豆胰蛋白琼脂）为培养基，配比为酪蛋白胨15 g、大豆蛋白胨5 g、氯化钠5 g、尿素20 g、琼脂20 g、超纯水1 L，其中琼脂仅在固体培养基中添加。在恒温30 ℃，转速200 r/min的摇床中培养24～48 h，用紫外可见分光光度计（UV-1670）测得菌液的细菌浓度（OD600）在2.0～2.2之间;pH值为9.18～9.31。培养好的菌液放置于4 ℃冰箱内备用。

2.2 风积沙

试验所用沙漠风积沙取自宁夏回族自治区中卫市沙坡头区的腾格里沙漠（北纬37°33′59″，东经105°01′52″， 海拔 1 221.7 m）。风积沙颗粒细小，且粒间无黏聚力。对其进行筛分分析发现，粒径小于0.25 mm 的颗粒占总质量的94.1%，中值粒径（D50）为0.15 mm;曲率系数Cu为1.57，小于5;不均匀系数Cc为0.85，小于 1。风积沙属于颗粒均匀，级配不良的细沙。风积沙的基本理化性质和颗粒级配见表1和图1。

2.3 胶结液

胶结液的主要作用是给MICP过程提供尿素和钙离子。Abo-El-Enein等[21]发现使用氯化钙做钙源能够获得更佳的物理力学性能。根据微生物诱导碳酸钙沉淀过程中尿素水解的化学反应方程式可知，尿素和氯化钙的最佳摩尔比为1∶1。Li等[20]对微生物固化风沙土的研究表明，1.5 mol/L的尿素和氯化钙混合溶液可以使固化后的风积沙具有较高的强度。因此，本试验研究中胶结液采用1.5 mol/L的尿素和氯化钙混合溶液。

3 试验方法

3.1 风积沙的微生物固化试验

试验模具采用内径为100 mm的有机玻璃管，有机玻璃管长度为120 cm，共分为4节，每节高为30 cm，节与节通过有机玻璃法兰连接，法兰用螺栓和螺母固定并密封，底部为孔板。在管壁对称位置每隔10 cm打一小孔，孔径为10 mm，试验时采用橡胶密封塞封堵小孔。在有机玻璃底部放一层土工布作为反滤层，然后分层填入风积沙，每层高度为20 cm，按照干密度为1.61 g/cm3控制，沙柱总高度为105 cm，沙柱顶部整平，覆盖一层土工布，防止加注溶液时冲刷破坏。沙柱微生物固化试验装置见图2。

试验时，先打开沙柱试样底部的排水阀，使沙柱可以自由排水。一次性倒入规定量（1倍孔隙体积）的菌液，待菌液液面到达沙柱顶面时，关闭排水阀，使沙柱处于饱和状态。第一次注入菌液后，静置24 h，分别在1、2、4、12、24 h时，用5 mL的针筒从沙柱侧面的开孔中抽取适量菌液，用紫外可见分光光度计测定细菌的浓度，计算沙柱不同高度处细菌的相对吸附量，分析细菌在沙柱中的分布情况，确定细菌在沙柱中的最佳静置时间。

菌液静置完毕后，打开沙柱试样底部的排水阀，使细菌溶液自由流出。待沙柱中的细菌溶液排放完毕后，一次性注入规定量（1倍孔隙体积）的胶结液，关闭排水阀，使沙柱处于饱和状态。第一次注入胶结液后，静置48 h，分别在2、4、6、12、24、48 h时，用5 mL的针筒从沙柱侧面的开孔中抽取适量胶结液，通过对二氨基苯甲醛比色法测定尿素的浓度[22]，计算沙柱不同高度处尿素的消耗量，分析胶结液在沙柱中的反应情况，确定胶结液在沙柱中的最佳静置时间。这样就完成了一次固化处理。经过三次处理后，沙柱的渗透速率明显下降，菌液和胶结液渗透沙柱时的流速变得很缓慢，表明微生物固化风积沙达到了比较好的效果，固化试验完成。

3.2 固化沙柱的物理力学性能测定试验

试验时，去除固化沙柱表面5 cm的疏松沙，将固化沙柱分割为10段，每段长度为10 cm，分别测试每段沙柱的干密度、碳酸钙含量及无侧限抗压强度，分析固化沙柱的均匀性、强度变化和固化效果。

3.2.1 干密度的测定

试验前，用超纯水浸泡、溶解和冲洗固化试样中残留的可溶盐。将固化后的风积沙试样在烘箱中烘干12 h，至质量不再变化，称量试样的质量。采用游标卡尺量取试样的高度和直径，计算每块固化沙柱的体积，计算其干密度。

3.2.2 无侧限抗压强度的测定

将烘干后的试样两端打磨平整，试样高径比为1∶1。采用微机控制万能试验机（TYE-300）进行无侧限抗压强度测试，控制加载速率为1 mm/min，连续加载直至试样破坏，取峰值应力，得到固化沙柱的无侧限抗压强度。

3.2.3 碳酸钙含量的测定

取无侧限抗压强度试验破坏后的试样，采用酸洗法测定试样中的碳酸钙含量[23]。试验前，用超纯水浸泡、溶解、冲洗试样中残留的可溶盐，放入烘箱中烘干，然后称重。将试样置于过量的盐酸中，使碳酸钙充分溶解，直至沙颗粒全部分散开，且无气泡生成。反应完成后过滤，并用超纯水反复冲洗沙颗粒5次，置于烘箱中烘干，试样处理后的质量损失即为碳酸钙含量。每段沙柱取三个代表性试样，碳酸钙含量取其平均值。

4 试验结果及分析

4.1 细菌浓度与脲酶活性

在沙柱中第一次注入菌液后，静置第1、2、4、12、24 h时测定沙柱不同位置处的细菌浓度和脲酶活性，计算沙柱不同位置处细菌的相对吸附量和脲酶活性，其中脲酶活性用每分钟溶液中尿素水解量表示，脲酶活性与细菌浓度的比值为单位脲酶活性。沙柱中不同位置处的细菌平均相对吸附量和平均单位脲酶活性随静置时间的变化如图3所示。

由图3可以看出，随着细菌在沙柱中静置时间的延长，细菌的相对吸附量呈增加趋势。在4 h内，细菌平均相对吸附量迅速增长，4 h时达到了7.2%，之后增速逐渐放缓，24 h时达到最大8.9%。表明菌液加入沙柱后，细菌逐渐向沙颗粒聚集，并附着在沙颗粒表面，由于沙颗粒吸附细菌的能力有限，随着时间推移细菌附着在沙颗粒表面越来越困难，最后也仅有8.9%的细菌被吸附在沙颗粒表面。细菌在沙柱中的平均单位脲酶活性随着时间的延长呈下降趋势，在前4 h，平均单位脲酶活性保持稳定，其值在1.16～1.20之间。4 h以后，平均单位脲酶活性开始较快地下降，24 h时达到最低值0.64，比初始平均脲酶活性降低了近50%。这表明随着时间的延长，沙柱中没有补充营养物质，细菌的浓度降低，测得的脲酶活性也逐渐降低。微生物固化风积沙时，需要较高的细菌平均相对附着量和平均单位脲酶活性，因此，细菌在沙柱中的最佳静置时间为4 h。

每次注入菌液后，测定沙柱中不同位置处的细菌浓度，得到细菌浓度随深度的变化如图4所示。

从图4可以看出，随着深度的增加，细菌浓度呈现先增长后降低的趋势，在40～50 cm处达到峰值，随后逐渐下降。这主要是沙颗粒较小且均匀，颗粒间的孔隙较小，对细菌有一定的过滤作用，同时，沙颗粒对细菌具有吸附作用，致使细菌浓度随着深度的增加而降低。同时，注入细菌溶液时，在沙柱上部的流速较快，细菌溶液渗入下层，造成细菌浓度在0～40 cm范围内小幅度增高。通过对比三次测试的结果可以看出，随着处理次数的增加，试样上部（深度50 cm以上）细菌浓度稍有增高，而试样下部（深度50 cm以下）细菌浓度明显降低。原因是固化处理次数的增加，在沙颗粒表面及孔隙中生成的碳酸钙增多，沙柱的孔隙比减小，增强了对细菌的过滤作用，使得细菌进入沙柱深层更加困难，从而造成沙柱上部细菌增加而下部细菌减少的现象。

4.2 尿素浓度

在沙柱中第一次注入胶结液后，分别在第2、4、6、12、24、48 h时测定了沙柱不同位置处的尿素浓度，计算沙柱尿素的平均消耗情況。沙柱中平均尿素浓度随时间变化情况如图5所示。图5 平均尿素消耗浓度随静置时间的变化

由图5可以看出，沙柱中尿素平均消耗浓度随着反应时间的延长而逐渐增高，消耗的速度先快后慢，24 h之后，尿素平均消耗浓度变化趋于平缓。这表明随着固化反应的进行，沙柱中的细菌受到自身寿命、营养物质和周围环境等因素的影响，活性逐渐下降，分解尿素的能力也随之降低。因此，尿素的水解和生成碳酸钙的反应主要发生在加注胶结液后的24 h内，微生物固化试验时，加注胶结液后的最佳静置时间为24 h。

4.3 固化沙柱物理力学特性

微生物固化完成的沙柱试样，经过超纯水浸泡去除未反应的氯化钙等易溶盐，然后烘干，测定了干密度、无侧限抗压强度和碳酸钙含量，得到深度为0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm的固化沙柱的物理力学性质见表2。

4.3.1 干密度

图6为固化沙柱试样干密度随深度的变化曲线。从表2和图6可以看出，原风积沙的干密度为1.61 g/cm3，经过微生物固化后的沙柱，不同位置处试样的干密度均有不同程度的增大，最大值达到了2.10 g/cm3。原因是微生物固化过程中在沙颗粒表面及其孔隙中生成了碳酸钙结晶，填充了风积沙的孔隙，使其密度增大。固化风积沙的干密度随深度增大而增大，在深度约为43 cm处达到最大值，之后随深度增加干密度逐渐减小。

4.3.2 无侧限抗压强度

微生物诱导产生了具有胶结作用的碳酸钙晶体，从而增强了沙颗粒间的黏结力，使松散沙成为具有一定强度的整体。图7为固化沙柱中试样的无侧限抗压强度随深度的变化曲线。从图7中可以看出，固化沙柱试样不同位置处，无侧限抗压强度差异很大。随着注入深度的增加，试样的无侧限抗压强度呈现先增长后降低的趋势，在40～50 cm处达到峰值，最大值为7.13 MPa。由于深度为10 、80、90、100 cm处的试样在拆模后仍处于松散状态，因此，这4组试样的强度为0 MPa。

4.3.3 碳酸钙含量

图8为固化沙柱试样的碳酸鈣含量随深度的变化曲线。从图8可以看出，固化后沙柱不同位置处均有碳酸钙生成，随着深度的增加，固化试样的碳酸钙含量呈现先增加后减少的趋势，在40～50 cm处达到峰值，最大值为36.57%。

通过微生物固化在风积沙中生成碳酸钙结晶将沙颗粒黏结在一起，碳酸钙的生成量直接影响着固化风积沙的物理力学特性[24-26]。图9为固化风积沙试样的无侧限抗压强度与其碳酸钙含量关系拟合曲线。试样的无侧限抗压强度随碳酸钙含量的增加而增大，两者正相关。

由固化沙柱试样的干密度、无侧限抗压强度和碳酸钙含量随深度的变化情况可以看出，三者均在深度40～50 cm处达到峰值，这与细菌浓度随试样深度的变化规律一致。这表明，在沙柱深度为40～50 cm处细菌浓度最高，在该处微生物固化反应生成的碳酸钙也最多，沙柱试样的孔隙比最小，干密度最大，因而，该处的无侧限抗压强度也最大。

5 结 论

（1）采用巴氏芽孢杆菌和胶结液可以有效地固化风积沙，改善风积沙的工程性质，无侧限抗压强度最高达7.13 MPa。

（2）采用微生物灌注的方法固化风积沙时，由于均匀而细小的沙颗粒对细菌有吸附和过滤作用，因此细菌在沙柱中的分布是不均匀的。随着深度的增加，细菌浓度呈现先增高后降低的趋势，在40～50 cm处达到峰值，随后，逐渐下降。

（3）细菌加注到沙柱中后，风积沙中的细菌平均相对附着量和平均单位脲酶活性均约在4 h时达到峰值。因此，细菌在沙柱中的最佳静置时间为4 h。尿素的水解和生成碳酸钙的反应主要发生在加注胶结液后的24 h内，微生物固化试验时，加注胶结液后的最佳静置时间为24 h。

（4）微生物诱导碳酸钙沉淀技术固化风积沙的有效深度为20～70 cm，无侧限抗压强度最低为0.43 MPa。固化沙柱不同位置处的干密度、无侧限抗压强度和碳酸钙含量随深度的变化规律相似，都是先升高后降低，在40 cm左右处达到峰值。

（5）微生物诱导产生了具有胶结作用的碳酸钙晶体，使得试样干密度和无侧限抗压强度均显著增大。固化风积沙的无侧限抗压强度随碳酸钙含量的增高而增大，两者正相关。

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【責任编辑 赵宏伟】