菌液密封状态对微生物加固粉土的影响

王玮，赵志峰，朱效博

(南京林业大学土木工程学院，南京 210037)

通过微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)对土体进行加固具有环境友好、适应性强的特点，已成为现阶段土木工程和材料工程的研究热点[1-3]。当前使用最广泛的微生物为巴氏芽孢杆菌，它既能为尿素水解提供大量脲酶，还能为碳酸钙晶体的生成提供成核点。国内外学者的研究表明，微生物在土中的均匀分布和持续发挥作用是加固的关键[4-5]。

微生物加固方法主要有注浆法、拌合法、入渗法。无论采用何种方法，开始阶段均要使包含微生物的菌液进入待加固土体内部，并使微生物能吸附在土颗粒上。目前的研究中，基本都使菌液充满土中孔隙，即土体处于饱和状态；并在密封状态下静置一段时间使微生物吸附于土粒[6-7]。然而也有学者认为，试样处于非饱和状态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应过程复杂，很难预判菌液静置时的饱和状态对加固效果的影响。因此，随着对微生物加固技术研究的深入，有必要开展该方面的研究。

笔者以海相粉土为研究对象，在前期采用微生物技术对该粉土进行有效加固的基础上[9]，通过试验研究菌液在土中的密封状态对加固效果的影响。

1 试验方案

1.1 试验材料

粉土取自江苏省盐城市东台条子泥吹填工程。该粉土干密度1.46 g/cm3,含水率27.08%,孔隙比0.84,塑性指数8,渗透系数6.61×10-5cm/s。根据级配分析(图1)，粒径为0.005～0.075 mm的粉粒占73.3%，黏粒质量分数低于3%。不均匀系数Cu=3.29，曲率系数Cc=1.42，级配不良。

图1 粉土的级配曲线Fig. 1 Particle distribution curve of silt

试验所用巴氏芽孢杆菌，购买于德国菌种保藏中心(DSMZ)。培养液采用DSMZ推荐的培养液[10]。将营养液配置完成后，放置于高温高压蒸汽灭菌锅进行灭菌。试验所用菌液的菌种为初代细菌接种培养后所得：在无菌操作台上将菌液与营养液按体积比1∶8接种于400 mL的营养液中。随后将盛有接种后菌液的锥形瓶放置于30 ℃、130 r/min的恒温振荡培养箱中培养12 h，OD600控制在1.6左右。酶活性约为6.1 U[(1 U=1 mmol/(L·min-1)]。

胶结液为尿素与氯化钙的混合溶液，按照物质的量浓度比1∶1进行配置。其中氯化钙为MICP进程提供钙源，尿素水解为结晶提供碳酸根离子。

1.2 试验装置与加固方法

采用将微生物拌入粉土中，然后表面入渗胶结液的方法来加固粉土，该方法已经通过前期大量试验证明了有效性。盛土容器为内径47.5 mm、高150 mm的PVC管，PVC管放置于内径50 mm的底座上，底座上铺有4层纱布，底座中部开有5 mm的孔洞以控制液体的流出(图2)。将烘干的粉土(265 g)按四分法取样，将1.2倍孔隙体积(Vv)约98 mL的菌液与干土充分拌和，均匀装入PVC管中，并使菌液在土中静置12 h。菌液静置过程中，可打开或关闭底座孔洞，以控制菌液在土中的密封状态。本次试验中共尝试了5种方案，均设置了平行试样，试验方案详见表1。

图2 试验装置Fig. 2 Experimental setup

表1 试验方案Table 1 Experimental scheme

菌液静置完成后，从试样顶部入渗胶结液，此时打开底座的孔洞使多余液体能够流出。胶结液浓度选取为1.25 mol/L，入渗轮数为4轮；每轮胶结液体积为1.0Vv，胶结液入渗间隔时间为12 h。

1.3 加固效果测试

全部胶结液入渗结束后，为避免拆样时PVC管与试样粘连，静置12 h后用大量去离子水冲洗试样以去除未反应的杂质，然后拆样。将试样放置于烘箱中烘干24 h，然后进行无侧限抗压强度测试。测试前将试样两端切削平整并满足长径比 2∶1 的要求；然后将试样放置于传压板中央进行加压，加载速率为1 mm/min。将破裂后的土样按照试样上部、中部、下部进行分类，用盐酸浸泡法确定CaCO3生成量，并除以干土质量得到CaCO3生成量百分比。

2 结果与分析

2.1 密封时间对菌液活性的影响

尿素水解后，溶液中的电导率会增加，电导率可用于反映脲酶活性的变化及微生物工作效率[11]。使用移液枪提取渗出液与纯水混合搅拌均匀后，测量其电导率(σ)。

随着菌液密封时间的增加，渗出液的电导率(σ0)也不断增加(表2)。拌菌后密封时间由0 h增至4 h时，电导率几乎不变；密封时间由4 h增至8 h时，电导率增加了约4%；密封时间达到12 h时，电导率相比方案1增加了约21%。

除了测定菌液密封结束时渗出液的电导率，还测定了菌液静置结束时(即第一轮胶结液入渗时)渗出液的电导率，此时的电导率能反映出静置后菌液的脲酶活性。渗出液电导率(σ1)随着菌液密封时间的增加而逐渐升高。在密封时间为0～8 h时间段，电导率的提高比较明显。当密封时间超过8 h后，电导率的变化趋于平缓。由表2可知，根据方案4和方案5进行加固应该能取得较好的加固效果。

表2 不同密封状态下渗出液电导率Table 2 Conductivity of exudates under different sealing states

2.2 菌液密封时间对胶结液尿素水解的影响

在微生物吸附于土颗粒后，CaCO3的结晶沉积依赖于胶结液的加入。胶结液中的尿素水解对结晶过程和加固效果有重要影响，而尿素水解与微生物的活性有关。菌液密封时间是否会影响到后续多轮胶结液入渗时的工作效率，需要通过试验来验证。采用相同浓度、体积和轮数的胶结液进行入渗，测量每轮胶结液入渗后渗出液的电导率，结果如图3所示。

图3 渗出液电导率随入渗轮数的变化Fig. 3 Variation of exudate conductivity with the percolation treatments

由图3可知，菌液密封时间对入渗1轮时渗出液的电导率有一定影响，几种方案下电导率的差值为3.7 mS/cm。当入渗轮数增加至2轮后，电导率的波动减小，入渗4轮时，电导率的差值仅为0.9 mS/cm。因此可认为入渗4轮后渗出液的电导率基本相同。随着入渗轮数的增加，菌液密封时间对细菌脲酶活性的影响逐渐减小。

2.3 菌液密封时间对加固效果的影响

对不同菌液密封时间处理的试样，入渗4轮1.0Vv、1.25 mol/L的胶结液，测定CaCO3生成量和无侧限峰值抗压强度。

不同密封时间各部分碳酸钙生成质量分数见图4。从图中可发现：1)菌液密封时间在0～8 h时，各试样上部CaCO3质量分数较低，且CaCO3含量随着密封时间的增加而上升。密封时间达到12 h时，上部CaCO3含量明显提高，增至16.2%。2)试样中部CaCO3含量受密封时间的影响不明显。3)各试样下部的CaCO3百分比在13.5%左右，可认为处于同一水平。从CaCO3的分布来看，方案4(12/0)的试样中CaCO3分布相对较均匀，方案3和方案5次之，方案1(0/12)的CaCO3分布最不均匀。

图4 不同试样中碳酸钙分布Fig .4 Calcium carbonate distribution in different samples

各试样的无侧限抗压强度和整体碳酸钙生成百分比见图5。各试样的无侧限抗压强度为819～1 347 kPa。密封时间在0～12 h时，强度随着菌液密封时间的增加而逐渐提高；密封时间达到12 h时(方案4)，强度达到最大值1 347 kPa，相比密封时间0 h(方案1)提高了64%。而同样菌液密封12 h、但解封12 h后才入渗胶结液(方案5)，强度却降低了12%，与密封8 h试样(方案3)相近。

图5 不同试样的无侧限抗压强度与碳酸钙生成总质量分数Fig. 5 Unconfined compressive strength and overall calcium carbonate ratio in different samples

CaCO3总生成量随着密封时间的增加逐渐增多，为11.9%～13.5%。方案4试样中CaCO3总生成质量分数最高。值得注意的是，方案1(0/12)试样中的CaCO3含量与方案5(12/12)相差不足1%，但强度较低。其原因主要是方案1试样中CaCO3分布不均匀(图4)，这也表明加固强度不仅取决于CaCO3的数量，还取决于分布的均匀性[12]。

不同试样在无侧限抗压强度测试中的破坏形态见图6。密封时间在0 h时，试样仅在上部发生塑性破坏，强度也最低(819 kPa)；密封时间提升到4 h时，破坏范围明显增大；密封时间达到8 h时，剪破面继续往下发展，试样呈现中部及上部破坏；当密封时间达到12 h时，剪切面贯穿整个试样高度，试样呈现整体劈裂破坏，无侧限抗压强度也最高。图4～6的结果表明，菌液密封时间对CaCO3的分布均匀性有明显影响，进而影响加固强度。密封时间较短时试样上部的CaCO3含量低，其原因是菌液受重力作用下渗，试样上部的菌液含量较低，致使生成的CaCO3相对较少。

图6 试样在无侧限抗压测试中的破坏状态Fig. 6 Failure modes of samples in unconfined compressive tests

2.4 不同浓度菌液的试验结果

以上试验结果表明，当菌液在密封状态下静置12 h后入渗胶结液的加固效果最好。为了验证采用不同浓度菌液时，密封时间是否对加固效果也有相同的影响，选取OD值2.2的菌液进行了类似试验。采用如表2方案中的5种菌液密封时间，入渗胶结液的参数均与之前试验相同，并设置了平行试样,结果见表3。

表3中的数据表明，菌液浓度提高后不同方案下渗出液的电导率相比表2(OD600为1.6)均有所增大。密封时间从0增至4 h时，渗出菌液的电导率提高了0.27 mS/cm；密封时间从8 h增至12 h后仅提高了0.07 mS/cm。方案4和方案5的电导率相差不大。采用不同菌液浓度，密封时间的延长都有助于脲酶活性提高。

表3 不同密封状态时渗出液电导率(OD600为2.2)Table 3 Conductivity of exudates under different sealing state(OD600为2.2)

提高OD值后试样的无侧限抗压强度和碳酸钙质量分数见图7。随着菌液密封时间从0 h增至12 h，试样中生成的CaCO3逐渐增加。与图5相似，最高强度和最大CaCO3生成量均出现于方案4(12/0)，这表明该方案有利于土体加固。当菌液在试样中的静置时间延长至24 h(方案5)后，强度有较大幅度下降，说明菌液静置时间并不是越长越有利。提高菌液浓度并未使加固强度有明显提高，反而略有下降，这主要是由于高浓度菌液分解尿素速度较快，不利于较大碳酸钙晶体在粉土中的生成[13-14]。

图7 无侧限抗压强度与碳酸钙生成总质量分数(OD600为2.2)Fig. 7 Unconfined compressive strength and overall calcium carbonate ratio in different samples(OD600为2.2)

3 讨 论

从以上试验结果可以看出，菌液在土中静置时的密封状态对粉土的加固效果有不可忽略的影响。当使用拌菌结合多轮胶结液入渗的方法时，菌液处于完全密封状态(方案4)能获得更高的加固强度。与之相反，当菌液处于非密封状态(方案1)时的加固强度最低。由于本次试验用粉土粒径较小，具有较强的保水能力。当菌液与土拌合装样后即打开底盖小孔，并静置12 h，流出的菌液体积约为10 mL，此时试样的饱和度从完全饱和下降至约88%。

有学者认为，砂土中的菌液处于非饱和状态时，更有利于微生物吸附于土颗粒接触点，在颗粒接触点生成更多碳酸钙晶体[15]。本次在使用相同种类菌液和胶结液的情况下，试验结果并不支持此观点,其原因可能是处理土的种类不同。之前大部分研究建议的方法、参数主要适用于砂土;而本次所用粉土的粒径级配和物理性质与砂土有较大差别。这也表明，在处理不同种类土时，应通过试验来选择试验参数，确定更合理的加固方法。

4 结 论

通过微生物技术加固海相粉土，重点研究了菌液密封时间对加固效果的影响，得到以下结论：

1)菌液在土中静置时的密封状态对微生物的酶活性有直接影响。不同方案的对比表明，菌液在土中密封时间达到12 h时的电导率较高。

2)随着胶结液的多轮入渗，菌液密封时间对酶活性的影响逐渐减小。

3)在其他参数不变的情况下，菌液密封时间对碳酸钙生成质量分数和均匀性、无侧限抗压强度有明显影响。菌液在密封状态下静置12 h后入渗胶结液进行加固的效果最好。