微生物改性水泥土的制备与力学特性研究

　　摘要:花岗岩残积土在我国华南地区广泛分布，由于其具有明显的遇水崩解特性，往往带来山体滑坡等地质灾害。基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MicrobiallyInducedCalcitePrecipitation,MICP)采用巴氏芽孢杆菌对水泥加固花岗岩残积土的工程性质、工程技术进行改良研究，探究以水泥掺入量、钙离子浓度和钙源等因素为变量时，MICP技术对水泥土强度、应力应变关系等力学性能的影响。通过无侧限抗压强度(UnconfinedCompressiveStrength,UCS)试验，分析了经MICP加固后水泥土的力学强度，得到以下结论：(1)MICP技术可以明显增强花岗岩残积土为基材的水泥土的强度、刚度和韧性等工程性质;(2)与对照组相比，试验组强度最大增长率为87.5%，最经济的水泥掺入量为15%;(3)氯化钙和乙酸钙为钙源都可以改善试样的韧性，而乙酸钙的效果更好，与对照组相比，试验组应变最大增长率为69.67%，此时所对应的钙离子浓度为0.5mol/L。

　　关键词：岩土工程;巴氏芽孢杆菌;微生物诱导碳酸钙沉淀技术;水泥土;力学特性

　　1研究背景

　　我国南方地区包括香港澳门等地花岗岩残积土分布十分广泛，主要分布在低山丘陵地带。花岗岩残积土是一种特殊类型的土，在不同区域其矿物成分有微小差距。广东地区，花岗岩残积土高岭石含量在70%～94%之间[2]。花岗岩残积土具有遇水易崩解、易软化，亲水性强等工程性质，Lin等[3]对花岗岩残积土在不同含水率下强度变化的性质表现，做了系列研究[4]，发现这种性质使得在极端气候下，特别是暴雨季节，花岗岩残积土地基、山坡在地基沉降、边坡失稳等工程问题有很大的安全隐患。

　　目前对花岗岩残积土的研究主要是通过添加水泥等外掺剂[6]来改良其抗剪强度，提高抗崩解能力.赵磊军[8]采用三种方法对花岗岩残积土进行改良研究，得出用石灰改良花岗岩残积土的效果最好也最经济。刘胜等[9]采用粉煤灰改良花岗岩残积土，实验结果表明，在花岗岩残积土中加入一定量的粉煤灰可以明显提高其水稳性。然而水泥的大规模应用不仅会增加工程造价而且会造成大气污染，加剧温室效应等[10]。

　　微生物诱导碳酸钙沉积技术(MicrobiallyInducedCarbonatePrecipitation，MICP)是近年来伴随着生物学科、化学学科和土木工程学科交叉研究的不断发展而形成一项新技术它是利用微生物在新陈代谢活动中发生的一系列生化反应，与周围环境共同作用产生具有胶结作用的碳酸钙的过程，该过程不产生有毒物质，绿色环保高效。MICP技术所使用的溶液和传统化学浆体相比稠度低，更容易渗入岩土体内部[12]，对处理较深的裂缝或者深部岩土体有明显效果[13]。Adolphe等[14]首次将MICP技术用于修复石材的裂隙，从而推动了该技术在世界范围内的研究。

　　Whiffin[15]率先提出利用微生物诱导产生的碳酸钙胶结砂土，并通过试验证明该方法切实有效。VanPaassen等[16]利用MICP技术进行100m的大规模原位砂土实验，成功将将近1/2的砂土胶结在一起，并通过无侧限抗压强度(UCS)试验证明经MICP技术处理过的砂土其力学强度有大幅度提高。除了在强度[17]方面的研究外，在刚度[19]、渗透性[21]、耐久性[23]方面也得到了大量的科研成果。基于上述成果，本研究开展微生物诱导碳酸钙沉积技术改性水泥加固花岗岩残积土工程特性的研究，期望能在较短的养护龄期和较低的水泥用量下使水泥土强度等满足工程特性需要。

　　2材料与方法

　　2.1试验土样

　　试验采用的泥土为广东省汕头市桑浦山表层以下30cm处的花岗岩残积土，土样实地取样后在105℃进行24的烘干，粉碎后用孔径为mm的圆孔筛进行筛分，参照《土工试验方法标准》(GB/T501231999)。取过筛的土作为试验土样。测定其物理力学指标。试验所用水泥为P.O42.5，所用水为去离子水。

　　2.2菌种及培养

　　试验所用细菌为巴氏芽孢杆菌(购买自中国普通微生物菌种保藏管理中心，编号CGMCC1.3687)，按表配制培养基，通过添加氢氧化钠溶液将培养基的pH值调至8.0，然后将培养基放到高压蒸汽灭菌锅中灭菌个小时，放进无菌操作台冷却备用。在无菌环境中将巴氏芽孢杆菌菌种接种至250锥形瓶中，瓶中取200培养液，密封处理后将含有菌种的培养液放置于恒温振荡培养箱(30℃，150r/min)36得到细菌悬浊液测定其OD600=1.0。

　　3结果与讨论

　　水泥掺量的影响黄小满[25]通过对软土地基水泥土搅拌桩的研究表明，水泥土强度随水泥掺量的增加而增大，而在实际工程中，水泥掺量一般控制在8%~20%以内较为合理。嵇晓雷等[26]研究表明，由淤泥质粉质黏土制作的水泥土试块，水泥掺入量在10%~25%时，当水泥掺量为15%时强度增幅最大。

　　本节设计了不同水泥掺量(10%，15%，20%)下的微生物改性水泥土试验。以无菌水泥土作为空白对照组，试验方法如前所述，Ca2+浓度与尿素浓度为mol/L，钙源为氯化钙。不同水泥掺量试件典型的应力应变曲线。由图可知，对照组与试验组的应力应变曲线在初始阶段都经历了孔隙的压密阶段，弹性阶段和塑性阶段，随后达到峰值，试件开始破坏。试验中取三个平行试件平均值作为强度值。当水泥掺入量提高时，试样的峰值应力都得到了明显的提高，说明水泥的掺入量可以明显增强试样峰值应力。钙离子浓度的影响由于钙离子浓度的多少会影响巴氏芽孢杆菌的活性从而会影响到巴氏芽孢杆菌产生脲酶的多少，而脲酶作为MICP过程中重要原料，脲酶的多少又会影响到CaCO的生成量，进而会影响到的试件的无侧限抗压强度。

　　本节设计了以氯化钙为钙源下，不同钙离子浓度(0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L)下的微生物改性水泥土试验。以无菌水泥土作为空白对照组，尿素浓度为mol/L，水泥掺入量为15%，试验方法如前所述。如前所述两组实验的水泥土典型的应力应变曲线的试样都经历了压密阶段、线弹性阶段、塑性阶段、到达峰值、试样破坏阶段。试验组的峰值应力都得到了提高。

　　矿产论文投稿刊物：《化工矿产地质》杂志是经原国家科委批准、中化地质矿山总局主管、中化地质矿山总局地质研究院主办、国内外公开发行的学术类科技期刊。

　　4结论

　　(1)巴氏芽孢杆菌改性水泥土可以有效加固水泥土的UCS，与普通水泥土相比，添加巴氏芽孢菌菌液的水泥土的UCS有大幅度提高。通过比较不同水泥掺入量对试样的UCS的增长率，15%是更为经济的水泥掺入量。(2)当以氯化钙为钙源时，钙离子浓度为0.5mol/L时，水泥土的UCS提升最大。浓度区间在0.5～1.5mol/L时，高浓度的钙离子浓度有利于改善水泥土的韧性。(3)钙源为乙酸钙的试验组中水泥土试样的UCS增加不明显，但可以改善水泥土的韧性，最大应变增长率可达69.67%。而钙源为氯化钙的试验组，则可以较大程度的提高水泥土的强度同时改善水泥土的韧性，最大应变增长率为48.36%，且氯化钙较为廉价，因此氯化钙更适合作微生物改性水泥土的钙源。

　　参考文献(References)：

　　[1]陈子敬汕头市花岗岩残积土的工程特性及路堑边坡稳定分析[J].华南地质与矿产,2007(2).

　　[2]孙成伟花岗岩残积土工程特性及地铁深基坑设计技术研究[D].武汉：中国地质大学，2014.

　　[3]LinPeng,ChenHuimei,WangYanqun.BehavioroftheUnsaturatedGraniteResidualSoilandItsEffectsonEarthDamProject[C]//.ASCE，GeotechnicalSpecialPublications(GSP)217，ISSN16721144，2011,6875

　　[4]张抒广州地区花岗岩残积土崩解特性研究[D].武汉：中国地质大学,2009.

　　[5]梁仕华周世宗张朗等广州东部地区花岗岩残积土物理力学指标统计分析[J].广东工业大学学报,2015(1):293.

　　作者：曾庆杰，李悦，黎金杭，林民杰，刘冬1,2,3，王延宁1,2,3