微生物胶凝材料固结性能及其抑尘研究

詹其伟，张爽爽，周娟兰，张永胜，王安辉，冯 蕾

(1.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，镇江 212100)(2.江苏省交通工程集团有限公司，镇江 212100)(3.中建安装集团有限公司，南京 210046)

随着社会经济的高速发展，空气污染问题日益严峻，受到了国内外科研工作者的广泛关注.目前，我国处于城市化进程的快速发展阶段，全国各大城市均在繁忙的建设之中，涉及房屋建设施工、道路与管线施工、铁路建设、物料运输、物料堆放等，产生的扬尘对空气中颗粒物的贡献率为18[1-3].由此可见，扬尘是造成空气污染的重要因素.当前，扬尘控制方法主要有洒水法、覆盖法、物理化学抑尘剂表面固化等.洒水是应用较为普遍的抑尘方法，但水资源浪费严重；覆盖法采用塑料抑尘网覆盖，抑尘效果较为显著，但长期使用后塑料抑尘网难以回收利用，其自然降解是一个漫长的过程；物理化学抑尘剂可改变土层的性能，在表面形成团聚或固化层，有效阻止扬尘颗粒的运动迁移，实现扬尘抑制的目的[4-7].尽管上述方法抑尘效果较为显著，但普遍存在工艺复杂、成本高、二次污染等弊端，难以规模化推广应用[8-9]，研发生态性能好、价格低廉的新材料和新方法迫在眉睫[10-11].

文中采用微生物胶凝材料固结松散土形成具有一定力学性能的固结层，研究固结层的物相组成、微生物胶凝材料用量对固结层强度与硬度、保湿性能、抗冻融性能和抗风蚀性能的影响，论证微生物胶凝材料固结土抑尘的可行性.

1 试验

1.1 试验材料

试验所用微生物胶凝材料由实验室自制，由微生物、钙源、营养物三部分组成.微生物为胶质芽孢杆菌菌株，遴选自土壤环境，革兰氏阴性菌，适宜生长温度为5～45 ℃、pH环境为中性或弱碱性，在恒温振荡条件下培养，培养基由1.0 L去离子水、12.0 g蔗糖、3.0 g牛肉浸膏、10.0 g蛋白胨组成，微生物生长过程包括芽孢萌发、营养体生长、微生物繁殖3个过程，经喷雾干燥后可制得粉状菌粉；钙源可为硝酸钙、乳酸钙、氯化钙等，文中选用钙源为工业硝酸钙.试验所用松散土质，经干燥、除杂、研磨后作为被固结介质，其粒径分布、化学组成如表1、2.

表1 土的粒径分布

表2 土的化学组成

1.2 试验方法

采用风蚀盘作为成型装置，风蚀盘由不锈钢外圈、不锈钢内圈、土工布组成，不锈钢外圈、内圈内径分别为202 mm、200 mm，高度20 mm，壁厚1 mm.将微生物胶凝材料、土、去离子水按照比列混合均匀，装入风蚀盘中，装填厚度20 mm，风蚀盘底部固定土工布，可防止颗粒从风蚀盘底部流出，同时可以保证纱布上下通透，不影响水的渗透和空气的传输.在25 ℃恒温条件下静置72 h，之后放入烘箱中干燥，烘箱温度60 ℃、干燥时间48 h，脱模后即获得土固结层.

1.3 分析方法

(1) 物相组成

采用德国Bruker D8-Discover型X射线衍射仪分析固结层物相组成，2θ角度从10°到80°对样品进行连续式扫描；采用德国布鲁克VERTEX 70v型傅里叶红外光谱仪分析结构和化学键，检测器DTGS KBr.

(2) 强度和硬度

采用德国Bareiss Shore D型邵氏硬度计测量固结层的表面硬度，为提高测定精度，应在不同的位置选择多点测量，取其平均值作为固结层的硬度；采用美国MTS(SANS)CMT8502型微机控制电子万能试验机测试抗压强度，荷载精度为±0.5%，采用位移控制方式，加载速率为1 mm/min.

(3) 抗风湿性能

采用上海锦川RE2000风洞试验仪测量固结层的抗风蚀性能，将固结层置于风洞试验装置的洞体中，设定吹蚀风速为12 m/s、吹蚀角度为0，连续稳定吹蚀1 h后，通过质量变化计算风蚀量M：

(1)

式中：M为风蚀量，g/m2；mo为初始质量，g；mi为吹蚀后质量，g；S为表面面积，m2.

(4) 保湿性能

将去离子水均匀喷散在烘干后的固结层的表面，待去离子水完全渗入固结层后，放入烘箱中干燥，设置干燥温度为65 ℃，每间隔3 h称重，通过水分的残留量表征固结层的保水性能：

(2)

式中：η为保水率，%；mo为初始质量，g；mw为喷水后质量，g；mh为干燥后质量，g.

(5) 抗冻融性能

将去离子水均匀喷散在烘干后的固结层的表面，待去离子水完全渗入固结层后，放入-20 ℃的低温环境静置2 h，再将固结层放入20 ℃环境静置2 h，以此作为一个冻融循环，分析不同冻融循环次数下固结层质量损失.

2 结果与讨论

2.1 微生物诱导形成矿化产物特性

自然界中广泛存在的某些微生物，能够诱导矿化沉积具有一定胶凝特性的矿物，可将松散颗粒胶结成为一个整体，有效改善土体的工程性质，这一过程被称为微生物诱导沉积，并将其矿化产物作为新一代胶凝材料[12].微生物胶凝材料具有胶结作用，其本质原因是微生物诱导产生了具有胶凝作用的矿化产物.文中采用X射线衍射仪、红外光谱仪分析了微生物胶凝材料胶结土形成的固结层，试验结果如图1、2.由图1可以看出，固结层的物相组成除了二氧化硅、氧化铝等以外，还出现了新的产物，经与标准谱图比对定性为方解石；由图2可以看出，伸缩振动频率1 443 cm-1、893 cm-1对应为C-O键，伸缩振动频率1 022 cm-1、826 cm-1对应为Si-O键，伸缩振动频率3 420 cm-1对应为结晶水，而伸缩振动频率3 710 cm-1对应为羟基，红外谱图出现C-O键伸缩振动频率，进一步证实证实了方解石的产生.微生物诱导产生的方解石，具有固结作用，这是微生物胶凝材料能够固结松散介质的原因[13-15].

图1 固结层的XRD谱图Fig.1 XRD patternsof consolidated layer

图2 固结层的红外谱图Fig.2 FTIR patterns of consolidated layer

2.2 微生物胶凝材料用量对固结层性能影响

微生物胶凝材料用量对固结层硬度和强度的影响如图3.由图3可以看出，随着微生物胶凝材料用量的增加，固结层的硬度和强度呈现逐渐增大的趋势.与未加微生物胶凝材料的对照试验相比，微生物胶凝材料显著改善了固结层的力学性能；当微生物胶凝材料用量为0.8 kg/m2时，固结层的硬度和强度相对较低，但与对照试验相比有了大幅的提升；与微生物胶凝材料用量0.8 kg/m2相比，微生物胶凝材料用量为1.6 kg/m2时固结层的抗压强度提升了102.0%；随着用量的进一步增加，固结层的抗压强度有所提高，但增幅不明显.综合力学性能和经济性两方面的因素，微生物胶凝材料用量为1.6 kg/m2较为适宜.

图3 微生物胶凝材料用量对固结层性能影响Fig.3 Effect of microbial cementdosage on mechanical properties of consolidated layer

2.3 微生物胶凝材料用量对抗风蚀性能影响

微生物胶凝材料可以有效固结松散的土颗粒，形成具有一定力学性能的固结层，为扬尘控制创造了条件.采用风洞试验仪模拟风力侵蚀，以此评价其抗风蚀性能，微生物胶凝材料固结土的抗风蚀性能如图4.由图4可以看出，在未使用微生物胶凝材料的对照试验中，质量损失极为明显，高达1 980.6 g/m2；当采用微生物胶凝材料胶结时，在不同用量下质量损失都很低，均不超过30.0 g/m2.由此可见，微生物胶凝材料固结松散土具有良好的抗风蚀性能，微生物胶凝材料可以作为一种抑尘剂使用.

图4 微生物胶凝材料用量对固结层抗风蚀性能影响Fig.4 Effect of microbial cementdosage on wind erosion resistance of consolidated layer

2.4 微生物胶凝材料用量对保湿性能影响

目前，控制扬尘的方法较多，其中包括具有保湿作用的抑尘剂，即通过延长土质中水分的蒸发提高抑尘性能.鉴于此，文中研究了微生物胶凝材料的保湿性能，试验结果如图5.由图5可以看出，在未使用微生物胶凝材料的对照试验中，水分散失很快，20 h左右即完全丧失；在微生物胶凝材料固结形成的固结层中，水分散失明显受阻，随着微生物胶凝材料用量的增加，水分散失更为困难.由此可见，微生物胶凝材料固结形成的固结层具有保湿作用，有利于提升抑尘性能.

图5 微生物胶凝材料用量对保湿性能影响Fig.5 Effect of microbial cementdosage on water-retention of consolidated layer

2.5 微生物胶凝材料用量对抗冻融性能影响

我国幅员辽阔，昼夜温差、季节温差较大，对微生物胶凝材料的抗冻融性能提出了更高的要求.微生物胶凝材料用量对抗冻融性能的影响如图6.由图6可以看出，在不同冻融循环周期下固结层均有质量损失，随着冻融循环周期的增加，质量损失呈现不断上升的趋势.然而，随着微生物胶凝材料用量的增加，质量损失有了明显的改善.因此，在温差较大的地方使用微生物胶凝材料时，可适度增加微生物胶凝材料的用量，从而改善固结层的抗冻融性能，延长微生物胶凝材料的抑尘周期.

图6 微生物胶凝材料用量对抗冻融性影响Fig.6 Effect of microbial cement dosage on freeze thaw resistance of consolidated layer

3 结论

通过研究固结层的物相组成、微生物胶凝材料用量对固结层强度、硬度、抗风湿性能、保湿性能及抗冻融性能的影响，可以得到以下结论：

(1) 根据XRD图谱分析可知，微生物胶凝材料固结松散土形成的固结层中除了二氧化硅、氧化铝等物相以外，出现了新的物相，即微生物诱导矿化产物方解石，这是微生物胶凝材料固结松散介质的本质原因；

(2) 通过微生物胶凝材料用量对固结层性能的影响可知，微生物胶凝材料的最适宜的用量为1.6 kg/m2，微生物胶凝材料固结土形成的固结层具有良好的抗风蚀性能，风力侵蚀下质量损失大幅改善，固结层兼具保湿性能和抗冻融性.