本文摘要：微生物巖土技術被廣泛應用于巖土材料的改良和加固[1-2]，其中，利用微生物誘導碳酸鈣沉淀(MICP)加固鈣質砂已經(jīng)取得良好的效果[3]。但傳統(tǒng)MICP過程中，副產物NH+4難以回收，大面積應用時會對環(huán)境產生嚴重威脅。為了消除NH+4的不利影響，可對MICP技術進行改進
微生物巖土技術被廣泛應用于巖土材料的改良和加固[1-2]，其中，利用微生物誘導碳酸鈣沉淀(MICP)加固鈣質砂已經(jīng)取得良好的效果[3]。但傳統(tǒng)MICP過程中，副產物NH+4難以回收，大面積應用時會對環(huán)境產生嚴重威脅。為了消除NH+4的不利影響，可對MICP技術進行改進，使NH+4反應生成鳥糞石(MAP)，以此作為礦化產物進行鈣質砂的礦化處理，達到加固鈣質砂的目的。鑒于此，筆者研究了模擬海水環(huán)境下微生物誘導MAP沉淀(MISP)加固鈣質砂的效果及其影響因素。為最大限度消除NH+4的不利影響，必須提高MAP的產率，回收多余的NH+4。
MAP沉淀的產率主要受pH值和N、P、Mg比例的調控。為保證MAP的產率，將反應體系的pH值控制在8.5～9.0。在既有研究基礎上[4-5]，設置9個N∶P∶Mg物質的量比例不同的試驗組，控制N的物質的量比值為1，P的比值分別為1、1.5、2，Mg的比值為2、2.5、3。每個試驗組按比例配置50mL溶液，包括48mL尿素(2mmol)、K2HPO4、MgCl2的混合溶液和2.0mLOD600值為1.7的巴氏芽孢桿菌菌液，培養(yǎng)礦化7d后收集全部沉淀物，沖洗、烘干。
2-C組(N∶P∶Mg=1∶2∶2.5)的沉淀質量最高且沉淀物為純凈的MAP，沒有出現(xiàn)其他副產物，而其他試驗組中檢測到磷酸鎂和碳酸鎂的吸收峰，還有一些非晶體物質，這不利于NH+4的最大化去除。因此，將N、P、Mg的比例設置為1∶2∶2.5，并以此作為后續(xù)鈣質砂加固試驗N、P、Mg的最佳比例。
在N、P、Mg的最佳比例下，進行模擬海水環(huán)境下鈣質砂加固試驗。南海海水的平均鹽度為3.5%，因此，在處理溶液中添加0.6mol/L的NaCl模擬海水鹽度，并與不添加NaCl的試驗組對比分析。采用蠕動泵在鈣質砂砂柱中先注入55mL(1.5PV)的A液(巴氏芽孢桿菌菌液和NaCl、K2HPO4溶液)，再注入55mLB液(MgCl2和NaCl、尿素溶液)，注漿速率為1mL/min，靜置24h，為一個輪次。每個試驗組設置3個平行試樣，分別進行3、4、5、6輪次的礦化處理。礦化完成后，經(jīng)過沖洗、烘干、拆模，得到膠結完好的砂柱。
砂柱表面幾乎全部覆蓋白色的MAP，顆粒之間的孔隙也都被MAP填補;對砂柱進行UCS測試，測試過程中砂柱內出現(xiàn)上下貫通的裂縫，最終發(fā)生整體剪切破壞。使用去離子水和模擬海水不同礦化輪次鈣質砂柱的UCS試驗的應力應變曲線表明，隨著注漿輪次的增加，砂柱的平均UCS值不斷提高;但模擬海水試驗組的UCS值均低于對應輪次的去離子水試驗組，說明模擬海水中的鹽度對MAP生成具有一定抑制作用，鹽度可能會抑制微生物在礦化過程中的生長活性，同時不利于Mg2+、HPO2-4與NH+4在帶負電荷的細菌表面生成MAP，限制MAP晶體生長，最終表現(xiàn)為鈣質砂砂柱UCS值的下降。
即便如此，經(jīng)過6輪MAP礦化處理后，模擬海水環(huán)境下鈣質砂的UCS值也能達到1.2MPa，相比原狀鈣質砂有顯著提高，可以滿足一般工程需要。模擬海水和去離子水環(huán)境下鈣質砂柱的XRD分析結果表明，二者鈣質砂砂柱中主要成分均為文石和礦化處理后新產生的MAP，沒有其他磷鎂沉淀副產物生成，處理后MAP的純度良好。模擬海水環(huán)境下鈣質砂柱的SEM圖像顯示，大部分MAP為柱狀長斜方晶型，與先前的研究結果吻合，但也出現(xiàn)了部分不規(guī)則的MAP晶體，說明鹽度可能會改變MAP的晶體形狀。
巖土論文投稿期刊：巖土工程學報是中國水利學會、中國土木工程學會、中國力學學會、中國建筑學會、中國水力發(fā)電工程學會、中國振動工程學會聯(lián)合主辦的1979年創(chuàng)刊的期刊，已經(jīng)成為水利、土木工程、力學等領域的核心期刊。
不同形狀的MAP填充了粒間孔隙，將鈣質砂顆粒膠結成一個整體，這是鈣質砂力學強度提高的直接原因。模擬海水環(huán)境下MAP加固鈣質砂效果良好，加固后鈣質砂平均UCS值可達1.2MPa，證明可以用微生 物誘導鳥糞石礦化對南海鈣質砂進行加固處理。事實上，南海鳥糞石資源非常豐富，用鳥糞石加固鈣質砂具有良好的環(huán)境相容性，未來在南海島礁建設中可以使用環(huán)保型鳥糞石作為生物礦化產物進行鈣質砂地基的加固處理。
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作者：董博文a，劉士雨a，b，高歆雨a，王閏鎧a
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