微生物对红黏土强度的改良效应及机理研究

王连锐，陈 筠，杨 恒，黄 阳，黄 洋

(1.贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳 550025； 2.贵州理工学院，贵阳 550003；3.贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司，贵阳 550000)

1 研究背景

红黏土是一种性质独特的地域性土，广泛分布于我国南方地区，其独特的物理力学性质造成诸多工程问题[1]。课题组前期对贵州红黏土进行了大量研究，利用碱液[2-5]、木质素[6]等材料对红黏土工程性质进行改良，取得了一定的研究成果。然而这些改良方法污染环境、成本昂贵、改良效果不稳定，影响了土体的改良效应。

近年来，微生物岩土技术已得到广泛应用[7-9]。微生物岩土技术指利用自然界广泛存在的微生物的新陈代谢，与环境中的物质发生生物化学反应，改变土体的物理力学性质，达到净化环境、加固土体、治理污染等目的[10]。相对于传统的土体加固方法，微生物反应是土体生态系统中本就存在的过程，对环境的影响较小。在微生物反应过程中，会产生一些结晶或非结晶的无机化合物，这些无机化合物可以充填土体孔隙，胶结土体颗粒[11]。这个微生物反应过程被称为微生物的矿化作用，常见的反应过程有尿素水解过程[12]、铁还原过程[13]、硫还原过程[14]等。

课题组前期已开展了一些微生物改良红黏土工程性质的相关研究，分别利用红黏土中天然赋存的原生细菌和微生物诱导碳酸盐沉淀技术(MICP)中常用的巴氏芽孢杆菌，对贵阳红黏土进行改良研究[15-16]。试验结果表明微生物对红黏土工程性质的改良有积极作用，但改良效果不明显，推测是因为红黏土中孔隙过小，微生物和营养液无法在土中自由迁移，影响微生物的生存与繁殖。本文选取巴氏芽孢杆菌和铁细菌为研究对象，结合固定化微生物技术，选用椰壳活性炭为载体，开展微生物对红黏土的固化效应研究，是岩土工程、生物化学、环境工程等学科的创新性结合，为红黏土工程性质改良提供了一种新的思路。

2 试验材料

2.1 微生物的来源与培养

试验所采用的菌种为巴氏芽孢杆菌和铁细菌。巴氏芽孢杆菌来自美国菌种保存中心(ATCC)，编号是ATCC-11859，菌种的活化、培养使用NH4-YE培养基，培养基的成分如表1所示。铁细菌提取自贵阳某污水水样，铁细菌的具体培养基成分参照周锋[17]的方案，如表2所示。

表1 NH4-YE培养基成分Table 1 Components of NH4-YE medium

表2 铁细菌培养基成分Table 2 Components of iron bacteria culture medium

将2种菌种置于相应培养基中活化，活化好的菌种置于恒温振荡箱中，设置温度28 ℃，振荡速率190 r/min，利用紫外-分光光度计每隔2 h测定一次菌种的微生物浓度(OD600)。图1是2种微生物的生长曲线，可见随时间变化，微生物浓度先缓慢增加，然后迅速上升，最后趋于稳定。如图2(a)所示，巴氏芽孢杆菌菌液出现浑浊，加入反应液(CaCl2和尿素)后出现碳酸钙沉淀，证明巴氏芽孢杆菌活化成功；如图2(b)所示，铁细菌菌液呈分层现象，上部液体澄清，呈黄色透明状，底部出现大量红棕色沉淀，许朝阳等[18]称其为铁基络合物，证明铁细菌活化成功。

图1 微生物生长曲线Fig.1 Microbial growth curves

图2 活化成功的微生物液体Fig.2 Successfully activated microbial fluid

2.2 红黏土、活性炭与反应液

2.2.1 红黏土

试验土样取自贵阳市花溪区某基坑红黏土，取土深度为1～10 m，红黏土的主要物理指标见表3。将红黏土自然风干、磨碎，过2 mm的筛。按照66%的含水率(红黏土天然含水率为66%)制备试验土样，制备微生物土样的时候，将菌液与反应液共同作为66%含水率的液体加入土样，不再加入水。

表3 红黏土的主要物理指标Table 3 Main physical indexes of red clay

2.2.2 活性炭

细菌的直径约0.5～3.0 μm[11]，而红黏土中孔隙直径多<0.74 μm[19]。过小的孔隙导致微生物和营养物质无法在土中自由迁移，影响微生物的生存和繁殖。结合固定化微生物技术，选取椰壳活性炭作为载体，将活性炭过2 mm的筛，掺入土中，提供有利环境使微生物大量聚集、快速繁殖。活性炭的参数见表4。

表4 椰壳活性炭参数Table 4 Parameters of coconut shell-based activated carbons

2.2.3 反应液

巴氏芽孢杆菌诱导生成碳酸钙过程中，需要反应液提供钙离子和尿素，反应液成分为尿素和CaCl2混合液。铁细菌不需要反应液，在培养液中即可产生铁基络合物，反应液即为其培养基成分。

3 试验方案设计

根据课题组前期试验结果[20]，确定2种微生物固化红黏土的最佳养护条件为：养护温度30 ℃，养护时间5 d，菌液与反应液配比1∶1。试验所有土样均在最佳养护条件下制备。

3.1 活性炭掺入量试验方案

取定量的风干红黏土，加入质量百分比分别为4%、7%、10%、15%的活性炭，再加入不同的菌液与反应液，制备不同活性炭掺量的微生物土样，在最佳养护条件下进行养护。并设置原土样(无添加重塑土样)、活性炭(掺量7%)土样作为对照组。利用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透仪进行固结不排水剪切试验(CU)，根据试验结果确定活性炭的最优掺量。

3.2 基本物理力学试验方案

根据最佳养护方案、最优活性炭掺入量，制备2种微生物土样(巴氏芽孢杆菌土样和铁细菌土样)，以原土样为对照组，将3组土样进行基本物理力学试验。对比不同土样的物理力学指标，分析微生物对红黏土物理力学性质的影响。物理试验包括密度试验、含水率试验、比重试验，通过土的3项指标换算孔隙比。力学试验包括固结不排水剪切试验和无侧限抗压强度试验，固结不排水剪切试验具体方案见表5,K0为静止侧压系数。

表5 固结不排水剪切试验方案Table 5 Schemes of consolidated undrained shear test

4 试验结果分析

4.1 活性炭掺量的确定

由表6可知，活性炭土样与原土样相比，抗剪强度指标略有下降；铁细菌土样与原土样相比，黏聚力增加，内摩擦角下降，且随活性炭掺量的增加，铁细菌土样的黏聚力先增加后减少，内摩擦角变化不大。当活性炭掺量为10%时，铁细菌对红黏土改良效果最佳，有效应力抗剪强度指标c′ 较原土样提高了58%。巴氏芽孢杆菌土样与原土样相比，同样呈现黏聚力增加、内摩擦角下降的现象。随活性炭掺量的增加，巴氏芽孢杆菌土样的黏聚力先增加后减少，内摩擦角持续下降。同样在活性炭掺量为10%时，改良效果最佳，此时巴氏芽孢杆菌土样的抗剪强度指标c′ 较原土样提高了1倍。综合2种微生物对于红黏土的改良效果来看，10%的活性炭掺量为最优掺量。

表6 不同土样的力学指标试验结果Table 6 Test results of mechanical indices of different soil samples

红黏土具有高孔隙率、高含水率但同时力学性质又比较好的特点，这主要是因为红黏土中孔隙多为小孔或微孔，即孔径<0.74 μm。活性炭的加入破坏了土体的骨架结构，使得土中大孔隙增多，颗粒与颗粒之间的接触点减少，导致土体黏聚力和内摩擦角下降。铁细菌能利用土体中的无机盐、水分和氧气，将土中Fe2+氧化成Fe3+并形成氢氧化铁沉淀，氢氧化铁可以吸附土壤中的金属阳离子和菌体，形成铁基络合物将土中松散颗粒胶结在一起，增加土体黏聚力[21]。巴氏芽孢杆菌的新陈代谢活动产生大量的高活性脲酶，该脲酶可以水解尿素产生大量的碳酸根离子和铵根离子，碳酸根离子与周围环境中的钙离子结合生成碳酸钙[22]。碳酸钙附着在细菌表面形成结晶，充填土体孔隙，胶结土体颗粒，增加土体黏聚力。

当活性炭掺量为0%时，由于细菌的直径约0.5～3 μm，而红黏土的孔隙直径多<0.74 μm，过小的土体孔隙使得2种微生物难以在土中生存和繁殖，产生的胶结沉淀物有限，宏观力学特征表现为黏聚力只是略有增加。而当菌液和反应液加入土中，铁细菌反应液中的高价阳离子(镁离子和钙离子)和巴氏芽孢杆菌反应液中的高价阳离子(钙离子)会与土中的单价金属离子(钠离子和钾离子)发生置换反应，土颗粒双解电层变薄，结合水转变为自由水[23]，加上土体受到剪切力时，大量生成物的边角被折断、剪断，残余部分嵌入土体孔隙，使得土体内摩擦角下降。随着活性炭掺量的增加，土中大孔隙增多，为微生物和反应液的迁移提高通道，同时活性炭巨大的比表面积和发育的孔隙结构也为微生物提供了足够的生存空间，使微生物充分反应，产生更多生成物充填土体孔隙，胶结土体颗粒，提高微生物对土体的胶结固化效应，这种固化效应主要体现在土体黏聚力的增加，对于内摩擦角的影响不大。随着活性炭掺量持续增加，活性炭对于土体的破坏效应将大于微生物的固化效应，所以在活性炭掺量为15%时，土体抗剪强度出现骤降现象。

4.2 基本物理力学试验结果

按养护温度30 ℃，养护时间5 d，菌液与反应液配比1∶1，活性炭掺量10%制备2种微生物土样，进行基本物理力学试验，并与原土样对比分析，试验结果如下。

4.2.1 含水率变化

如图3所示，对比原土样，2种微生物土样的含水率略有下降，但下降幅度很小，铁细菌土样下降1.5%，巴氏芽孢杆菌土样下降1.65%，说明微生物土体强度的提高并不是含水率下降造成的。含水率下降的原因主要是微生物反应消耗了土中自由水。

图3 含水率变化Fig.3 Change in moisture content

4.2.2 密度变化

如图4所示，对比原土样，2种微生物土样的密度均提高，侧面反映了微生物诱导产物的生成。从试验结果来看，巴氏芽孢杆菌土样提高幅度大于铁细菌土样，说明在相同条件下，巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙的生成量要大于铁细菌生成铁基络合物量。

图4 密度变化Fig.4 Change of density

4.2.3 孔隙比变化

如图5所示，对比原土样，2种微生物土样的孔隙比均下降，证明微生物诱导生成物充填了土体孔隙。巴氏芽孢杆菌土样下降幅度远大于铁细菌土样，再次证明巴氏芽孢杆菌诱导生成物充填孔隙的效率要优于铁细菌，试验结果与密度变化相对应。

图5 孔隙比变化Fig.5 Changes of porosity

4.2.4 固结不排水剪切试验

峰值强度就是试样破坏时的主应力差[24]，本试验无峰值时取15%轴向应变的主应力差为峰值强度。如图6所示，2种微生物土样破坏时的峰值强度均大于原土样，佐证了微生物对红黏土的固化效应。从试验结果来看，不同围压下巴氏芽孢杆菌土样的峰值强度均大于铁细菌土样，证明巴氏芽孢杆菌的固化效率要优于铁细菌。

图6 不同围压下的峰值强度Fig.6 Peak strength under different confining pressures

根据试验所得不同围压下的峰值强度和孔隙水压，在平面上绘制总应力摩尔应力圆和有效应力摩尔应力圆。根据摩尔应力圆绘制强度包络线，确定抗剪强度参数，试验结果如表7所示。2种微生物诱导产物的生成，充填土体孔隙，胶结土体颗粒，使得土体黏聚力上升，从试验结果来看，巴氏芽孢杆菌对红黏土的固化胶结效应要远大于铁细菌。对比原土样，巴氏芽孢杆菌土样的有效抗剪强度c′ 提高了1倍。但2种微生物土样的内摩擦角均下降了，其原因有2个：①反应液中的高价阳离子会与土中的单价金属离子发生置换反应，土颗粒双解电层变薄，结合水转变为自由水；②土体受到剪切力时，大量生成物的边角被折断、剪断，残余部分嵌入土体孔隙，减少颗粒之间的滑动摩擦和咬合摩擦。

表7 原土样与2种微生物土样的抗剪强度指标Table 7 Shear strength indices of original soil and modified soil samples

4.2.5 无侧限抗压强度试验

相比于三轴压缩试验，无侧限抗压试验能更直接地反映地基土体强度及灵敏度。如图7所示，2种微生物土样的无侧限抗压强度qu较原土样均有提高，巴氏芽孢杆菌土样的无侧限抗压强度达到了原土样的2倍多，远大于铁细菌的提高幅度。试验结果与之前的物理力学试验结果具有一致性，再次说明2种微生物均有固化红黏土的作用，而巴氏芽孢杆菌的固化效率远优于铁细菌。

图7 无侧限抗压强度变化Fig.7 Change of unconfined compressive strength

5 微观分析

为分析2种微生物对红黏土的微观作用机理，对2种微生物土样进行电镜扫描和能谱分析。铁细菌采用日本JSM-7800F型扫描电子显微镜，巴氏芽孢杆菌采用德国Zeiss电子扫描显微镜。

5.1 微观试验结果分析

5.1.1 铁细菌土样

在铁细菌土样的SEM图像中，没有找到明显的铁细菌，如图8(a)所示，放大2万倍的图像中，发现呈松散、颗粒状的物质。如图8(b)所示，对铁基络合物放大16万倍进行观察，发现该铁基络合物呈片状、层状分布。对其进行能谱分析，如图8(c)所示，该物质的Fe元素质量百分比为17.22%。周远忠[25]采用光电子能谱法对贵阳红黏土的化学成分进行分析，发现Fe元素质量百分比为4.66%～5.48%。该物质的Fe元素含量远大于红黏土中的Fe元素含量，且没有红黏土中富含的Si、Al等元素，认为该物质是铁细菌的生成物铁基质络合物。

图8 铁细菌土样微观试验结果Fig.8 Microscopic test results of soil samples with iron bacteria

5.1.2 巴氏芽孢杆菌土样

如图9(a)所示，在巴氏芽孢杆菌土样放大3 000倍的图像中，可以清晰地看到活性炭、巴氏芽孢杆菌和生成物的大致位置，巴氏芽孢杆菌呈网状结构大量附着在活性炭表面，说明活性炭的掺入有利于巴氏芽胞杆菌的生存和繁殖。如图9(b)所示，将碳酸钙放大8 000倍观察，发现其呈块状结构，表面粗糙且带有棱角。对巴氏芽胞杆菌诱导生成物进行能谱分析，如图9(c)所示，该生成物的Ca元素质量百分比达到了33.04%。而红黏土中的Ca元素含量很少，陈筠等[16]研究发现贵阳重塑红黏土的Ca元素质量百分比只有0.37%。该生成物Ca元素含量远大于红黏土中的Ca元素含量，且不含红黏土富含的Al、Si、Fe等元素，认为该生成物是巴氏芽孢杆菌诱导生成的碳酸钙。

图9 巴氏芽孢杆菌土样微观试验结果Fig.9 Microscopic test results of soil samples withBacillus pasteurii

5.2 微观作用机理分析

从微观试验结果来看，活性炭的加入为2种微生物提供了有利的生存环境，2种微生物在土体中大量繁殖，生成大量铁基络合物或碳酸钙胶结土体颗粒，充填土体孔隙。从生成物结构上分析，铁基络合物多呈片状、层状结构，而碳酸钙呈块状结构且带有棱角。块状结构要比片状、层状结构更稳定，对颗粒间的胶结力也更大。但是当土体受剪切力时，碳酸钙的棱角部位更易剪断、折断，残余部分嵌入土体孔隙，减少土颗粒之间的咬合摩擦和滑动摩擦，导致土体内摩擦角下降。

微观结构分析结果可与4.1节试验结果相对应，当土体中加入2种微生物和活性炭，因为有生成物的产生，土体黏聚力提高。随着活性炭掺量的增加，微生物能自由生存和繁殖的空间也增加，微生物反应产生的生成物也增加，2种微生物土样的黏聚力都开始逐渐提高，且巴氏芽孢杆菌土样黏聚力的提高程度要大于铁细菌土样。但由于巴氏芽孢杆菌诱导生成物碳酸钙的棱角更易被剪断、折断，所以在巴氏芽孢杆菌土样黏聚力提高的同时，内摩擦角缓慢下降。

6 结 语

红黏土具有高孔隙比、高液塑限、高含水率、中低压缩性的特征，在工程中常导致地基沉降、地面塌陷等问题。目前对于土体改良多使用传统的物理化学方法，比如在土中加橡胶颗粒、纤维或者利用碱液、石灰对土体进行改性。但这些改良方法存在污染环境、成本昂贵、水稳性差等问题。本文利用铁细菌和巴氏芽孢杆菌固化红黏土，以活性炭为载体，进行了物理力学试验和微观机理研究，得到以下结论：

(1)红黏土孔隙过小，微生物难以在土中生存和繁衍，掺入活性炭可以为微生物提供有利的生存环境，提高微生物对土体的固化效率。

(2)活性炭掺入量过少不足以给微生物足够的生存空间，过多时对土体的破坏作用大于微生物的固化作用，10%活性炭掺量为最优掺量。

(3)在最佳养护条件、最优活性炭掺量下，微生物对红黏土物理力学性质的改良效果表现良好，但总体来说巴氏芽孢杆菌的改良效果要优于铁细菌。

(4)从微观作用机理来分析，铁细菌生成铁基络合物充填土体孔隙，胶结土体颗粒，生成的铁基络合物多呈片状、层状附着在土颗粒表面。巴氏芽孢杆菌呈网状结构附在活性炭表面，诱导生成的碳酸钙呈块状结构且带有棱角。块状结构的碳酸钙稳定性要优于层状结构的铁基络合物。

利用微生物固化红黏土是一种环保、经济的方法，但需要注意的是红黏土孔隙过小，需要在土中添加载体给微生物提供良好的生存环境，以促进微生物的大量繁殖。微生物的选择也很重要，合理的菌种能更好地固化土体。