摘 "要：為提高砂土的微生物固化效果，考慮沸石作為吸附材料具有多孔的特性，通過(guò)宏觀物理力學(xué)試驗(yàn)和微細(xì)觀檢測(cè)，系統(tǒng)分析了沸石對(duì)微生物固化砂土的增強(qiáng)效果。研究結(jié)果表明：沸石能夠顯著提高砂土微生物加固過(guò)程中的固菌率。與常規(guī)微生物固化相比，摻入沸石后，固菌率提升約5.5倍，抗壓強(qiáng)度提升39.35%，滲透系數(shù)減小71.94%。摻入沸石，一方面能夠增加碳酸鈣沉淀生成量，并改善其分布均勻性；另一方面，沸石周圍的碳酸鈣沉淀對(duì)兩側(cè)砂顆粒起到良好的橋接作用，能夠增強(qiáng)砂顆粒之間的結(jié)構(gòu)性及試樣的整體性。研究成果為進(jìn)一步優(yōu)化微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積；沸石；固菌率；微生物固化；碳酸鈣生成量

中圖分類號(hào)：TU446 " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " " " " 文章編號(hào)：1008-0562（2024）03-0304-06

Study on the effect of zeolite-enhanced sand microbial solidification

ZHU Wenxi1，2， DENG Huafeng1，2， LI Jianlin1，2， XIONG Yu1，2， CHENG Lei1，2， HUANG Xiaoyun1，2， CHEN Yongqi1，2

（1. Key Laboratory of Geological Disasters in Three Gorges Reservoir Area of Ministry of Education ，

Yichang 443002， China; 2. College of Civil Engineering amp; Architecture， China Three Gorges University， Yichang 443002， China）

Abstract： To enhance the microbial solidification of sand， zeolite was considered as an adsorbent material due to its porous properties. Involving macroscopic physical and mechanical tests as well as micro-fine observations to systematically analyze the strengthening effects of zeolite on microbial solidified sand. The results indicate that zeolite significantly improves the bacteria fixation rate during the microbial reinforcement process of sand. Compared to conventional microbial solidification， the inclusion of zeolite increased the bacteria fixation rate by approximately 5.5 times， enhanced the compressive strength by 39.35%， and reduced the permeability coefficient by 71.94%. The addition of zeolite not only increased the quantity of calcium carbonate precipitate but also improved its distribution uniformity. Furthermore， the calcium carbonate precipitates around the zeolite effectively bridged the adjacent sand particles， enhancing the structural integrity between the sand particles and the overall integrity of the samples. These findings provide a reference for further optimization of MICP （microbially induced calcite precipitation，MICP） technology.

Key words： microbially induced calcite precipitation; zeolite; fixation rate; microbial solidification; calcium carbonate production

0 "引言

為了盡快實(shí)現(xiàn)“3060”“雙碳”目標(biāo)，巖土工程領(lǐng)域亟須研發(fā)綠色低碳加固技術(shù)。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（MICP）技術(shù)作為一種綠色低碳加固技術(shù)，其工作原理是利用自然界某些特定微生物反應(yīng)產(chǎn)生的礦物結(jié)晶對(duì)巖土體進(jìn)行加固[1-2]。與傳統(tǒng)灌漿加固技術(shù)相比，MICP技術(shù)具有擾動(dòng)小、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，為巖土體的加固改良提供了新思路。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞影響MICP技術(shù)加固效果的相關(guān)理化、生物因素開(kāi)展了大量研究，包括灌漿工藝[3]、顆粒粒徑[4]、菌液濃度[5]、溫度[6]和pH值[7]等，取得了豐富的研究成果。由于砂土孔隙較大，菌液在顆粒間的接觸位點(diǎn)較少，在加固過(guò)程中存在菌液利用率較低的問(wèn)題。

為了提高加固過(guò)程中的固菌率，HARKES等[8] 采用氯化鈣作為固定液，通過(guò)增加菌液體積，將固菌率提高至14%左右。LI等[9]在土體中加入羧甲基纖維素鈉，研究表明，羧甲基纖維素鈉能有效提高砂樣中的固菌率。但是由于羧甲基纖維素鈉本質(zhì)上是一種鹽，會(huì)導(dǎo)致吸附在砂樣中的細(xì)菌分布不均勻[10]。張培培[11]以鈉基膨潤(rùn)土為基質(zhì)，對(duì)微生物固化過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。研究表明，當(dāng)鈉基膨潤(rùn)土摻量為3%時(shí)，與常規(guī)微生物固化相比，固菌率提高了約3倍。但是在實(shí)際工程中，由于膨潤(rùn)土抗化學(xué)腐蝕能力較弱，當(dāng)有機(jī)溶液、電解質(zhì)溶液濃度增大或在強(qiáng)酸作用下，膨潤(rùn)土的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致以鈉基膨潤(rùn)土為基質(zhì)的改良土的滲透系數(shù)呈數(shù)量級(jí)增大[12]。上述研究均為提高M(jìn)ICP技術(shù)在加固過(guò)程中的固菌率提供了思路，但是從加固效果來(lái)看，仍需進(jìn)一步提高固化后砂土試樣的強(qiáng)度和抗?jié)B性能。

沸石作為一種良好的土壤改良劑，摻入土體后能夠增強(qiáng)土體的離子交換性能和吸附性能，在土壤修復(fù)中應(yīng)用廣泛[13-14]。沸石良好的吸附性能可以有效提高加固過(guò)程中的細(xì)菌留存量，從而增強(qiáng)MICP技術(shù)的固化效果[15]。結(jié)合MICP技術(shù)加固過(guò)程中微生物的生長(zhǎng)特征及沸石的多孔特性，將沸石作為外加劑，應(yīng)用于砂土MICP技術(shù)加固，通過(guò)宏觀物理力學(xué)試驗(yàn)和微細(xì)觀檢測(cè)，分析沸石對(duì)砂土微生物固化的增強(qiáng)效果及作用機(jī)制，為進(jìn)一步優(yōu)化MICP技術(shù)提供參考。

1 "試驗(yàn)材料及方法

1.1 "試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)石英砂，見(jiàn)圖1。經(jīng)篩分試驗(yàn)得到石英砂的不均勻系數(shù)Cu為10.90，曲率系數(shù)Cc為0.78。沸石的物理參數(shù)見(jiàn)表1。

將試樣分為2組，分別為A組（對(duì)照組）和B組（試驗(yàn)組）。為了提高試樣的密實(shí)度，A組試樣采用粒徑為0.5～0.75 mm、摻量為總質(zhì)量5%的石英砂進(jìn)行顆粒級(jí)配優(yōu)化[16]。B組試樣采取粒徑為0.5～0.75 mm、摻量為總質(zhì)量5%的沸石進(jìn)行顆粒級(jí)配優(yōu)化。優(yōu)化前后的顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)采用蠟樣芽孢桿菌（bacillus cereus）[17]，其具有環(huán)境適應(yīng)性高、活性及成礦能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。液體培養(yǎng)基配方見(jiàn)表2。

1.2 "試樣的制備與加固流程

為了對(duì)比分析沸石對(duì)砂土微生物加固的增強(qiáng)效果，對(duì)A組試樣進(jìn)行微生物灌漿加固試驗(yàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[17]的研究經(jīng)驗(yàn)，在樣品制備時(shí)采用硅膠管作為模具，模具尺寸為直徑50 mm、高100 mm，頂部開(kāi)口，底部用打孔PVC板粘接，孔直徑為1 mm。將140 g石英砂分5層裝入模具，每裝入1層石英砂后進(jìn)行擊實(shí)，砂柱的初始干密度為1.43 g/cm3。參考文獻(xiàn)[18]和文獻(xiàn)[19]的灌漿加固流程，先向試樣頂部注入20 mL菌液，固定菌液1 h，采用BT100S蠕動(dòng)泵以5 mL/min的速度從頂部持續(xù)灌入膠結(jié)液（即1 mol/L的氯化鈣和1 mol/L的尿素等體積的混合溶液）1 d，然后關(guān)閉蠕動(dòng)泵，靜置反應(yīng)1 d。共進(jìn)行8個(gè)周期的灌漿加固，加固結(jié)束后將試樣放入烘箱，烘箱溫度設(shè)置為60 °C，烘干48 h。固化后的砂土試樣見(jiàn)圖3。

2 "沸石對(duì)MICP技術(shù)加固過(guò)程的影響

為量化加固過(guò)程中沸石對(duì)細(xì)菌的吸附效果，參照文獻(xiàn)[20]的方法，開(kāi)展固菌率試驗(yàn)。固菌率是反應(yīng)載體材料對(duì)細(xì)菌的吸附效果及留存能力的重要指標(biāo)[20]，其定義為試樣注入菌液后滯留在材料內(nèi)部的細(xì)菌數(shù)量，可表示為

（1）

式中：Y為注漿過(guò)程中的固菌率；X為注漿前菌液的細(xì)菌密度；Z為注漿過(guò)程中流出的菌液的細(xì)菌密度。通過(guò)測(cè)定注漿前后的細(xì)菌密度可以量化試樣對(duì)細(xì)菌的吸附性能。

同時(shí)，為了量化沸石對(duì)MICP技術(shù)加固過(guò)程中碳酸鈣生成量（即碳酸鈣質(zhì)量與試樣總質(zhì)量之比）的影響，采用參考文獻(xiàn)[21]中的酸洗法對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，得到不同固化方案下的固菌率與碳酸鈣生成占比，見(jiàn)圖4。

由圖4可知，與A組相比，摻入沸石后，B組試樣的固菌率提高約4.5倍。A組試樣碳酸鈣沉淀生成占比均值為11.68%，B組試樣碳酸鈣沉淀生成占比均值為19.28%，表明摻入沸石后，能夠提高細(xì)菌的留存率，增大膠結(jié)溶液與菌溶液的接觸面積，生化反應(yīng)更充分，促進(jìn)膠凝物碳酸鈣生成，顯著提高M(jìn)ICP膠結(jié)試樣的碳酸鈣生成量，增強(qiáng)其力學(xué)性能。

3 "沸石增強(qiáng)MICP技術(shù)固化效果分析

對(duì)不同固化方案下的微生物加固試樣開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖5，試樣的滲透系數(shù)見(jiàn)表3。

由圖5可知，無(wú)論是否摻入沸石，在試樣達(dá)到峰值應(yīng)力前，軸向應(yīng)力均隨軸向應(yīng)變的增大快速增大。達(dá)到峰值應(yīng)力后，隨著軸向應(yīng)變的增加，兩組試樣軸向應(yīng)力的下降速率相差較大。A組試樣破壞時(shí)的應(yīng)變平均值為2.63%，B組試樣破壞時(shí)的應(yīng)變平均值為5.43%。當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，B組試樣對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變明顯大于A組試樣的軸向應(yīng)變，表明摻入沸石后，微生物固化體的屈服階段明顯延長(zhǎng)，達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)試樣能夠承受的變形量更大，延性破壞特征更加明顯。B組試樣的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.32 MPa，比A組試樣的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大了39.35%，表明摻入沸石能夠增大試樣的抗壓強(qiáng)度。

由表3可知，摻入沸石后，試樣的滲透系數(shù)明顯減小，B組試樣滲透系數(shù)的平均值為2.660×10-5 cm/s，與A組試樣相比，平均滲透系數(shù)減小了71.94%，表明摻入沸石能夠顯著增強(qiáng)試樣的抗?jié)B性能。

通過(guò)以上分析可知，加固體的抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)與碳酸鈣生成量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。隨著碳酸鈣生成量的增加，加固體的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，滲透系數(shù)逐漸減小。

4 "沸石增強(qiáng)MICP技術(shù)固化效果機(jī)制

4.1 "固化體微觀結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)一步分析沸石增強(qiáng)MICP技術(shù)固化效果的作用機(jī)制，采用掃描電鏡（SEM），分析固化體的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)。試樣固化后掃描電鏡結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖6。

由圖6（a）可知，摻入沸石前，砂顆粒表面較光滑，碳酸鈣晶體未能將砂顆粒表面完全包裹，碳酸鈣晶體以細(xì)菌作為成核位點(diǎn)，在細(xì)菌表面形成和生長(zhǎng)[22]。表明摻入沸石前，砂顆粒表面的細(xì)菌附著量較少，碳酸鈣晶體對(duì)孔隙的填充效果較差，顆粒間的黏結(jié)作用較弱。這是由于砂顆粒表面帶有較多的負(fù)電荷，細(xì)菌在新陳代謝過(guò)程中由于細(xì)胞壁的特殊結(jié)構(gòu)也帶負(fù)電荷[23]，在靜電斥力的作用下，細(xì)菌很難直接吸附在砂顆粒表面，導(dǎo)致細(xì)菌在小孔隙發(fā)生堵塞，產(chǎn)生瀝濾現(xiàn)象，進(jìn)而生成碳酸鈣。

由圖6（b）可知，摻入沸石后，固化后的試樣體積及孔隙數(shù)量均有不同程度的減少，試樣內(nèi)部大小砂顆粒之間連接較為緊密，小砂顆粒之間的孔隙填充程度較高，碳酸鈣晶體較大，且具有良好的微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)沸石位于砂顆粒表面時(shí)，由于沸石達(dá)到電導(dǎo)率峰值的時(shí)間和復(fù)原時(shí)間均比砂顆粒短，沸石與外界發(fā)生陽(yáng)離子交換作用的能力更強(qiáng)[24]。溶液中的高價(jià)鈣離子通過(guò)陽(yáng)離子交換作用置換出沸石表面的低價(jià)陽(yáng)離子，導(dǎo)致沸石表面鈣離子含量增加，促進(jìn)了砂顆粒表面碳酸鈣的生成。當(dāng)沸石位于砂顆粒之間時(shí)，沸石表面吸附的細(xì)菌會(huì)將孔隙填充，在后續(xù)微生物固化過(guò)程中作為成核位點(diǎn)將砂顆粒膠結(jié)，有利于碳酸鈣的生成。

4.2 "沸石增強(qiáng)MICP技術(shù)固化效果機(jī)制及成因

沸石增強(qiáng)砂土MICP技術(shù)固化效果作用機(jī)制見(jiàn)圖7，其中，Cell表示細(xì)胞。

沸石增強(qiáng)MICP技術(shù)固化效果的主要原因如下。

（1）摻入沸石后能夠有效填充砂顆粒間的孔隙，從本質(zhì)上改善孔隙結(jié)構(gòu)。與沸石相鄰的砂顆粒在沸石自身及其表面碳酸鈣的橋接作用下實(shí)現(xiàn)了范圍更廣的膠結(jié)作用，進(jìn)一步增大了能夠提供黏結(jié)作用的碳酸鈣占比，增強(qiáng)了試樣的結(jié)構(gòu)性，進(jìn)而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大顆粒之間的連接強(qiáng)度及整體密實(shí)度，表現(xiàn)為試樣抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)性能的增強(qiáng)。

（2）沸石作為一種多孔吸附材料，內(nèi)部孔隙體積可以達(dá)到自身體積的一半，比表面積可以達(dá)到400～1 000 m2/g。同時(shí)，其內(nèi)部骨架構(gòu)造稀疏，有利于微生物的進(jìn)入，從而提高試樣的固菌率，在后續(xù)微生物固化過(guò)程中，能夠?yàn)樘妓徕}沉淀提供更多的成核位點(diǎn)。

5 "結(jié)論

采用沸石作為吸附材料，進(jìn)行砂土MICP技術(shù)加固，通過(guò)相關(guān)物理力學(xué)試驗(yàn)及微細(xì)觀測(cè)試分析，得出如下結(jié)論。

（1）摻入沸石能夠有效提高砂土MICP技術(shù)固化過(guò)程中的固菌率。與不摻入沸石的MICP技術(shù)固化體相比，摻入沸石后，固化體的固菌率從14.05%增至78.71%，且固化后砂柱中的碳酸鈣含量顯著增加，表明沸石對(duì)細(xì)菌有較強(qiáng)的吸附作用及固定效果。

（2）摻入沸石能夠增強(qiáng)砂土MICP技術(shù)固化體的各項(xiàng)性能。與不摻沸石的MICP技術(shù)固化體相比，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大了39.35%，破壞時(shí)的應(yīng)變?cè)龃笾?.43%，平均滲透系數(shù)減小了71.94%，表明摻入沸石能夠提高固化體強(qiáng)度、提升整體密實(shí)度和抗?jié)B性能，以及增強(qiáng)固化體破壞時(shí)的延性特征。

（3）摻入沸石能夠提高M(jìn)ICP技術(shù)固化過(guò)程中試樣內(nèi)部細(xì)菌的留存率，優(yōu)化碳酸鈣沉淀的分布方式，增大顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)固化效果。

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