多浓度营养盐处理对微生物胶结砂土均匀性与强度的影响

王绪民++郭伟+余飞+易朝+孙霖

摘要：采用二次注入菌液方式，制备不同浓度营养盐处理的MICP（微生物诱导碳酸钙沉淀）胶结砂样。选用巴氏芽孢杆菌作为固化细菌，采用单一浓度（0.5、1.0 mol/L）和多浓度相结合（前期采用0.5 mol/L，后期采用1.0 mol/L）的处理方式注射营养盐（尿素/氯化钙混合液），研究多浓度营养盐结合处理方式对微生物固化砂土强度及均匀性的影响。基于试验测试分析了固化砂土试样不同区间段的强度、弹性模量以及碳酸钙含量。试验结果表明，多浓度营养盐处理方式对固化砂土试样的强度及碳酸钙含量有明显影响；多浓度营养盐结合处理方式能够保证试样有较好的均匀性条件下获得较高强度及弹性模量。基于多浓度营养盐处理方式，探讨分析了影响试样强度和均匀性的基本因素。

关键词：碳酸盐沉淀；胶结砂；抗压强度

中图分类号：TU433文献标志码：A文章编号：16744764（2017）03014506

Abstract：The MICP（microbial induction of calcium carbonate precipitation）cemented sand samples are prepared by injecting twice bacteria solution with different concentrations of nutrient salt treatment. S. pasteurii is used to induce calcite precipitation， and all the specimens were prepared by injecting a single concentration or multiconcentration nutrient solutions. In this study， 0.5 and 1.0 mol/L ureacalcium chloride solutions are used for the former grouting treatment， while for the latter one， 0.5 mol/L ureacalcium chloride solution is firstly injected； and subsequently， 1.0 mol/L ureacalcium chloride solution is utilized. Based on the experiment， the strength， modulus of elasticity and calcite content of MICP specimens ' different sections are analyzed. From the experimental results， it can be found that multiconcentration nutrient treatment has significant influence on the unconfined compressive strength of biocemented sand and calcite content. The multiconcentration nutrient treatment can ensure the high strength and elastic modulus of the sample under the condition of good uniformity. Finally， the basic factors that affect the strength and uniformity of samples were discussed based on the method of multiconcentration nutrient treatment.

Keywords：carbonate precipitation；cemented sand； compressive strength

細菌广泛存在于自然界中，大多数细菌均可在矿化沉积过程中扮演着重要的角色，其参与诱导或控制无机矿物沉积的形成，如磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐、硫化物及氧化物等[12]。近年来鉴于传统的土壤改良材料对于自然环境、人文环境的污染，如1974年，日本一起丙烯酰胺灌浆造成四例饮用水中毒事件，因此细菌诱导矿化这一环境友好土壤改良方法引起众多学者的关注。

研究表明，通过巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀方法改良土壤后，土壤硬度可增加3倍，明显提高土壤的工程参数[3]。Paassen等[45]利用注入巴氏芽孢杆菌的方法进行了MICP固化土壤的研究，发现当碳酸钙含量为0%到24%时，无侧限抗压强度的范围为1到12 MPa，同时也进行了较大规模的试验（100 m3），发现MICP法可有效提高颗粒状土壤的硬度。Rong等[6]研究发现固定注射速率、非连续注浆方式有利于细菌吸附，且采用该方式可获得较高强度的试样。Qabany等[7]发现营养盐浓度、反应间隔时间和有效注射速率对碳酸钙置换率有显著影响。张越等[8]研究发现Ca（CH2COO）2作为钙源，碳酸盐沉淀对试样有较大的强度提高。

纵观以上研究，菌液多为一次注入或循环注入。单次注入菌液在后期注营养盐过程中，菌株易被冲刷出试样造成菌株的大量减少。循环注入菌液则造成试验成本的增加及操作的繁复。为此本次室内试验在砂样内形成一定碳酸钙后二次注入菌液，对砂样内的附着的菌株进行补充。本次试验基于这一操作方式来研究单一或多浓度营养盐结合处理对胶结试样强度及均匀性的影响。

2微生物固化试验

2.1试验材料

实验采用厦门ISO标准砂（99.7%石英），最小干密度1.53 g/mL，最大干密度1.81 g/mL，不均匀系数Cu为5.08。试验菌种为巴氏芽孢杆菌（S. pasteurii，编号 ATCC 11859），购自美国菌种保藏中心。细菌接种培养至培养基出现浑浊。采用波长为600 nm的紫外可见分光光度计测得细菌光密度并将菌液浓度调至2.0（OD600）。