不同制备工艺下微生物水泥固结不同砂质效果分析

摘要：不同的松散颗粒和制备工艺均会影响微生物水泥的固结效果。为此，首先采用超景深显微镜分别对海砂、河砂、珊瑚砂进行外观形貌分析，同时研究3种颗粒对微生物吸附性的影响，然后分别对采用浇注工艺和拌合工艺制备的微生物水泥砂柱进行抗压强度、方解石含量、渗透速度和微观结构分析。研究结果表明：珊瑚砂颗粒对微生物的吸附性最好，颗粒间的孔隙更易被碳酸钙晶体填充密实；与海砂柱、河砂柱相比，采用浇注和拌合两种制备工艺固结的珊瑚砂柱效果更好，抗压强度分别为1.45 MPa和2.07 MPa，方解石含量分别为4.19%和0.99%，渗透速度降低为0；采用拌合工艺制备的微生物水泥基材料均匀性比采用浇注工艺制备的微生物水泥基材料更好，且操作更簡便。

关 键 词：微生物水泥； 珊瑚砂； 制备工艺； 抗压强度； 微观结构

中图法分类号： TQ172.1 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.028

0 引 言

随着中国海洋强国战略的不断推进，加大对海洋资源的开发利用具有十分重要的现实意义［1］。南海珊瑚岛礁广泛分布［2］，岛礁上蕴含丰富的珊瑚砂主要由珊瑚碎屑组成，化学成分主要为碳酸钙，为钙质砂土［3］。珊瑚砂的物质组成和结构使之疏松多孔、质脆易碎，同陆源砂相比有着完全不同的工程性质［4］。若使用传统的地基处理方法［5］如置换、排水固结、振密与挤密、灌入固化物等处理珊瑚砂，可能会遇到机械设备和原材料运输量大、能量消耗大、碳排放和环境污染等问题［6］。

微生物水泥及其应用技术是目前岩土工程领域里新兴的一种能改善砂土性能的土壤改良材料和技术［7-8］。砂土具有良好的透水性，微生物可以在松散颗粒间孔隙内发生矿化活动，同时底物溶液也容易渗透在松散颗粒间的孔隙中与微生物发生化学反应［9］。微生物矿化诱导生成碳酸钙晶体使松散砂土颗粒黏结成整体并能填充砂土的孔隙［10-13］，具有反应过程稳定可控、生成物黏结性强、环境污染小等优点［4，14-15］。

目前，广大学者大多从颗粒级配、底物浓度以及外部环境等因素来探究微生物固结珊瑚砂的效果，并取得了大量成果。如Mahawish等［16］研究了生化处理次数、尿素用量、CaCO3沉淀量和初始相对密度等因素对微生物固结粗砂工程性质的影响，证明了微生物水泥在提高粗砂强度和硬度等方面的有效性；Shahrokhi等［17］研究了颗粒级配、不同浓度的微生物溶液和尿素-氯化钙溶液对微生物水泥固结石英砂的影响，研究发现采用浓度较低的微生物溶液产生的方解石晶体分布更均匀；李婕等［18］对不同颗粒级配的珊瑚砂试样在相同条件下进行了微生物固结试验，研究发现适中的孔隙比能保证砂颗粒对细菌的吸附性与渗透性达到最优平衡；李昊等［19］通过设置不同尿素浓度的胶结液以及通过不同环境下获得的试验结果进行对比分析，得出最优尿素浓度且发现微生物水泥材料和技术能够适用海洋环境，对钙质砂的加固效果比淡水环境更佳；陈适等［20］选取颗粒粒径、脲酶活性、底物溶液浓度和配比4个主要影响因素，对珊瑚砂进行了微生物固结正交试验，得到珊瑚砂微生物固结的最优条件。综上发现，国内外目前关于松散颗粒本身性质以及固结工艺对于微生物水泥固结砂土影响的研究还较少。

因此，本文对海砂、河砂、珊瑚砂3种不同种类的砂土开展浇注工艺、拌合工艺两种微生物固结工艺的室内试验，结合松散砂粒本身的相关性质以及固结土体的强度、渗透性、方解石含量和微观结构指标，深入分析砂土种类和固结工艺对微生物水泥固结砂土效果的影响，以期进一步推广微生物水泥的应用。

1 试验材料

（1） 微生物水泥。

本次试验采用光密度在 600 nm 波长下吸光值为0.811的微生物。配制的微生物培养基为1 L去离子水中含有3 g牛肉膏和5 g胰蛋白胨。配制尿素和氯化钙的混合溶液作为固结溶液，混合后两者浓度均为1.5 mol/L。

（2） 骨料。

Rebatalanda［21］认为颗粒粒径为50～400 μm最有利于碳酸钙在颗粒内部沉积；谈叶飞等［22］对4种不同粒径砂柱进行生物固结试验，结果表明，粒径较大的砂柱内部具有良好的营养物质输送通道，但相对小粒径砂柱而言，钙质沉积在大粒径砂柱表面的分布较为凌乱，附着不均匀。因此，本文骨料采用粒径为300～600 μm的海砂、河砂和珊瑚砂。

2 制备工艺

采用两种固结工艺分别成型直径3 cm、高6 cm左右的圆柱体砂柱。

（1） 浇注工艺固砂。采用50 mL塑料注射器作为试模，内径为3.0 cm，高为11.0 cm。装入松散砂粒之前，首先在注射器底部放入0.1 cm高的纱布，然后放入砂颗粒，使砂粒高度达到6.0 cm，边装入边轻轻拍打试管中部，尽可能使松散砂粒密实，最后在砂粒顶部放入0.1 cm 高的纱布。所有试验均在20±2 ℃下进行。

具体固结程序如下：① 取20 mL菌液倒入烧杯中，使用蠕动泵以1 mL/min的速度将菌液灌入试样顶部，使菌液在试样内自上而下缓慢渗流，静置24 h；② 取浓度均为1.5 mol/L的固结溶液20 mL倒入烧杯中，使用蠕动泵以1 mL/min的速度将固结溶液灌入试样顶部，使固结溶液在试样内自上而下缓慢渗流，静置24 h；③ 重复上述步骤直至试样几乎不渗透后停止试验，将试样放入40 ℃恒温烘箱中养护3 d定型，再将试样取出放入70 ℃恒温烘箱中烘干4 d获得砂柱。

（2） 拌合工艺固砂。采用PVC管作为试模，将PVC管从中间剪开，用橡皮塞堵住底部并用胶带固定橡皮塞和PVC管，防止液体从底部和侧面渗漏，在PVC管底部放入0.1 cm高的纱布。

具体固结程序如下：将骨料、尿素、氯化钙、菌液按照表1所列的配比在烧杯中混合均匀，静置2 min，倒入PVC管中，轻轻振荡使内部尽可能均匀减少气泡。

后续对上述固结成的海砂柱、河砂柱和珊瑚砂柱的抗压强度、方解石含量、渗透性等性能进行分析。

3 试验方法

本文涉及到的研究内容包括不同砂质颗粒的外观形貌以及微生物在不同砂质颗粒中的吸附性，同时研究微生物水泥对不同砂质颗粒固结后的力学性能、渗透性、CaCO3含量和微观结构的影响，具体试验方法如下。

（1） 外观形貌。

采用超景深显微镜（VHX-600K，KEYENCE，Japan）对不同种类松散颗粒进行外观形貌分析。

（2） 微生物的吸附性。

取体积相同、不同种类的松散颗粒放于50 mL烧杯中，加入足量的蒸馏水静置24 h后，将水過滤出来加入20 mL的菌液，并设置一只加菌液的空白对照组，静置24 h后将微生物溶液滤出并加入蒸馏水补全4组溶液使其控制在20 mL，以便排除试样和蒸发微生物溶液内水的影响。采用超景深显微镜比较4组微生物溶液的浓度以测试不同松散颗粒对微生物吸附性的影响。

（3） 力学性能。

采用微机控制电液式压力试验机（YAW-2000J）对微生物水泥砂柱进行抗压强度测试，加载速率为1 mm/min。

（4） 渗透性。

采用浇注工艺固砂时每固化一次，取10 mL蒸馏水倒入烧杯中，将蒸馏水直接倒入试样顶部，测量蒸馏水渗出试样的时间，从而反映不同种类砂柱的渗透性。

（5） CaCO3含量。

取破坏后的试样磨成粉末放入烘箱中进行风干处理，采用Q600型同步热分析仪对试样进行热重分析，利用碳酸钙分解的质量损失计算CaCO3含量。

（6） 微观结构。

取破坏后的试样磨成粉末烘干，随后采用JEC-3000FC AUTO FINE COATER 全自动离子溅射仪将试样喷金处理，并利用JSM-7800F扫描电子显微镜对其内部微观结构进行分析。

4 结果与讨论

4.1 不同松散颗粒对微生物吸附性的影响

不同松散颗粒的外观形貌如图1所示。从图1中可以看出，相比海砂、河砂，珊瑚砂表面黏附更多的细小颗粒，使得珊瑚砂总体比表面积增大。本次试验使用的菌液初始活性基本保持一致，放入试样后菌液浓度的变化如图2所示，菌液浓度越低表明吸附在试样中的细菌量越大。从图2中可以看出，未加松散颗粒的菌液浓度为3.89×108 cfu/mL，而经不同砂质吸附后的菌液浓度不同，放入海砂、河砂、珊瑚砂后的菌液浓度分别为8.8×107，5.5×107，4.3×107 cfu/mL。其中加入珊瑚砂对细菌的吸附性最好，相比于原菌液浓度降低了88.95%。这是因为相比海砂、河砂，珊瑚砂颗粒表面黏附更多细小颗粒，内部孔隙疏松，颗粒间接触点更多，比表面积增大，更有利于细菌的吸附。

4.2 抗压强度

利用不同制备工艺固结不同砂质形成的砂柱抗压强度结果如图3所示。浇注工艺下，固结的海砂柱、河砂柱和珊瑚砂柱的抗压强度分别为1.20，1.09，1.45 MPa；拌合工艺下，固结的海砂柱、河砂柱和珊瑚砂柱的抗压强度分别为1.25，1.18，2.07 MPa。从图3中可以看出，不管采用哪种工艺固结松散颗粒，其抗压强度均为珊瑚砂柱最高，而河砂柱最低。这是因为珊瑚砂颗粒表面附着更多细小颗粒，吸附细菌的数量更多，从而固结效果更好，抗压强度高。

另外，通过图3可明显看到，采用拌合工艺固结的砂柱其抗压强度均高于采用浇注工艺固结的砂柱。这是因为在固结松散砂颗粒过程中，采用拌合工艺固结砂颗粒时，由于菌液与钙源充分接触，且与松散颗粒混合均匀，使得砂柱固结均匀。而采用浇注工艺固结砂颗粒时，由于菌液与固结溶液都从上端注入，注射器底端的微生物浓度和消耗尿素的量均降低，使得提供的CO32-离子少，从而导致底部的松散颗粒的固结效果较差。因此，采用拌合工艺固结的砂柱与采用浇注工艺固结的砂柱相比，前者内部固结更均匀，进而使得其抗压强度高于后者。

4.3 方解石含量

图4是微生物水泥固结不同砂质试验组和对照组的热重（TG）与微商热重（DTG）曲线。由图4分析可知，首先在200～300 ℃温度范围内，TG曲线出现了第一个失重台阶，即尿素的分解过程，采用拌合工艺固结的试样中尿素分解质量平均损失达3.24%，而采用浇注工艺固结的试样中尿素分解质量平均损失仅为0.34%；DTG曲线在温度300 ℃左右达到波峰，此时峰面积反映的是未反应的尿素含量多少，采用微生物拌合工艺固结砂明显高于采用微生物浇注工艺固结砂。由此可知，采用拌合工艺的尿素损失含量多于采用浇注工艺。当温度到达705～760 ℃时，TG曲线出现了第二个失重台阶，即碳酸钙的分解过程，采用浇注工艺固结的试样中碳酸钙受热分解质量平均损失为3.52%，而采用拌合工艺固结试样中碳酸钙受热分解质量平均损失仅为0.42%；DTG曲线试验组分别在710 ℃和750 ℃左右形成波峰，由此可发现采用浇注方式固结试样大于采用拌合方式固结试样的峰面积，表明采用浇注方式固结试样生成的碳酸钙含量高于采用拌合方式固结试样。综上可以分析得出，尿素损失的含量均与碳酸钙分解的含量分析结果相吻合，因此相比采用微生物拌合方式固结试样，采用微生物浇注方式固结试样更能充分利用细菌脲酶分解尿素产生二氧化碳，二氧化碳溶于溶液生成碳酸根，与钙源结合生成碳酸钙沉淀。

再由图4（a）、（c）和（e）分析可知，当温度达到705～760 ℃时，采用浇注工艺固结珊瑚砂、海砂和河砂试样中碳酸钙受热分解含量分别为4.19%，3.15%，3.23%，采用拌合工艺固结珊瑚砂、海砂和河砂试样，碳酸钙受热分解含量分别为0.99%，0.15%，0.12%。可以发现利用微生物固结珊瑚砂颗粒的函数面积明显大于另外两种松散颗粒。因此在制备工艺相同的条件下，与微生物固结海砂、河砂相比，利用微生物固结珊瑚砂颗粒所生成碳酸钙含量最高。这是由于珊瑚砂颗粒内部孔隙疏松，吸附微生物的能力最优，从而造成在试样内部分解尿素产生的碳酸根离子更多，进而发生的矿化反应最强，形成的碳酸钙晶体最多，该结果与细菌吸附性和抗压强度的分析结果相吻合。

4.4 渗透性

在试验过程中，发现采用拌合工艺下固结的海砂柱、河砂柱和珊瑚砂柱几乎没有渗透。这是因为采用拌合工艺固结颗粒时，菌液与钙源充分接触，生成的碳酸钙与松散颗粒混合均匀且填满孔隙。

浇注工艺下固结过程中各试样的渗透速度变化情况具有差异，如图5所示。经过9次固结后海砂柱的渗透速度从0.617 mL/s降低到0，河砂柱的渗透速度经过10次固结后从0.498 mL/s降低到0，珊瑚砂柱的渗透速度经过7次固结后从0.143 mL/s降低到0。随着固结次数的增加，各试样中的砂颗粒不同程度地被生成的碳酸钙附着黏结，然而海砂和河砂试样的渗透性从第一次固结开始就比珊瑚砂质更好，渗透速度降低幅度更大。对比前述不同砂质对细菌吸附性的试验结果可知，海砂与河砂试样渗透性良好，却无法有效地吸附大量细菌，固结效果不佳；珊瑚砂颗粒表面黏附更多细小粒径的砂颗粒，对细菌的吸附性更好，其内部砂颗粒更容易被微生物固结生成的碳酸钙黏结，从而渗透性相对较差。

4.5 微观结构

图6～7为两种制备工艺固结后试样放大3 000倍的扫描电镜照片。各试样内部生成的碳酸钙外观形貌基本一致，均为带棱角的不规则矩形块状结晶，砂颗粒之间通过碳酸钙产生黏结。不论哪种制备工艺，珊瑚砂颗粒表面与颗粒间碳酸钙连续密集分布，整体结构性好，强度高；而海砂、河砂试样颗粒间碳酸钙分布不均匀。浇注工艺下的试样相比拌合工艺颗粒表面存在未被碳酸钙附着的区域，颗粒间存在明显孔隙，整体结构性较差，强度不高。结合前述关于渗透速度的试验结果可以发现，珊瑚砂试样结构性好，渗透速度低，强度高；而海砂、河砂由于在固结过程中碳酸钙更多的是附着在砂颗粒表面，颗粒间碳酸钙黏结较少，因此渗透速度较高。在本次试验设计条件下，珊瑚砂试样由于颗粒间的接触点更多、接触面更广，有利于微生物作为晶核的碳酸钙结晶的产生，颗粒间的黏结较好。同样，采用拌合工艺固结不同砂质时，由于各部分松散颗粒与菌液和钙源混合均匀，固结产生的碳酸钙分布均匀紧密，使得颗粒间的黏结更好。

5 结 论

本文分析了海砂、河砂、珊瑚砂的外观形貌及其对微生物吸附性的影响，并对浇注工艺和拌合工艺下固结的微生物水泥基材料抗压强度、方解石含量、渗透速度和微观结构进行了研究，研究结果发现：

（1） 相比海砂、河砂，珊瑚砂颗粒间接触点多，对细菌的吸附性最好，其吸附后的菌液相比于原菌液浓度降低了88.95%，且采用拌合和浇注两种制备工艺固结的珊瑚砂柱，其抗压强度、方解石含量、抗渗性和均匀性均更好。

（2） 采用拌合工艺制备的微生物水泥基材料性能总体优于采用浇注工艺制备的微生物水泥基材料。其中，尽管拌合工艺获得的方解石含量相比浇注工艺较少，但因为拌合工艺可使各部分松散颗粒与菌液和钙源混合均匀，整体性更好，进而使得固结后的砂柱抗压强度和抗渗性能表现更好。

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（编辑：胡旭东）

Effect analysis of using microbial cement to consolidate different sands under different preparation processes

AI Fengquan

（China Railway Construction and Bridge Engineering Bureau Group Construction and Assembly Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China）

Abstract： Different loose particles and preparation processes will affect the consolidation effect of microbial cement.Therefore，in this paper，the appearance of sea sand，river sand and coral sand were analyzed by super depth of field microscope，and the influence of three particles on microbial adsorption were studied.The compressive strength，calcite content，penetration rate and micro structure of microbial cement consolidated sand columns prepared by pouring process and mixing process were analyzed respectively.The results showed that coral sand particles had the best microorganisms absorption，and the pores between particles were more easily filled with calcium carbonate crystals.Compared with sea sand column and river sand column，the consolidation effect of coral sand column was better under the two preparation processes of pouring and mixing，the compressive strength was 1.45 MPa and 2.07 MPa respectively，and the calcite content was 4.19% and 0.99% respectively，the infiltration rate was reduced to 0 after consolidation.The uniformity of microbial cement-based materials prepared by mixing process was better than that prepared by pouring process，and the operation was simpler.

Key words： microbial cement；sandy material；preparation process；compressive strength；microscopic structure

收稿日期：2022-07-25

基金項目：国家自然科学基金项目（52178264）

作者简介：艾峰全，男，高级工程师，主要从事新型建材技术相关研究工作。E-mail：756475792@qq.com