微生物诱导成矿胶结钙质砂试验研究

张国庆，李征，张表志，朱纪康，周杨

[1.北京新桥技术发展有限公司，北京 100088；2.新疆维吾尔自治区交通运输厅规划设计研究中心，新疆 乌鲁木齐 830099；3.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；4.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074]

0 引言

钙质砂主要存在于北纬30°和南纬30°之间的热带和亚热带大陆架，主要由海洋生物的残渣和骨骼组成。因为它们的碳酸盐矿物学和独特的颗粒特征，钙质砂区别于最常见的陆源砂、淤泥和黏土的机械行为。从工程角度来看，钙质砂具有高空隙率、压碎性和低硬度[1]，且极易在海风、洋流等作用下流失。常规土体加固手段因高耗能、高污染等问题并不适用于吹填岛礁的加固，亟需寻求一种能够有效、高效、清洁的地基加固手段对吹填岛礁的松散钙质砂进行胶结加固，提升岛礁抗侵蚀能力，提高地基承载力，为工程建设提供有利条件。

新兴的微生物诱导成矿胶结加固手段（Microbial Induced Calcite Precipitation，以下简称MICP）是利用产脲酶微生物分解尿素等有机物生成碳酸根，并为其提供一定的钙离子，使二者生成具有胶凝效果的碳酸钙微晶胶结松散砂土体，是一种高效清洁的岩土体加固手段[2]。

在对天然钙质砂胶结体的研究中发现[3]，某些胶结体内部存在微生物微晶，并发挥较为关键的胶结作用。微生物诱导成矿技术通过人工干预，加快具有胶结性的生物微晶形成，与自然界中的生物成因碳酸钙生成类似，且高效、清洁、环保。若能大规模应用于吹填岛礁加固，对海洋生态环境保护与“生态岛礁”建设具有十分重要的意义。

众多学者已经对陆源砂土的微生物诱导成矿胶结开展了大量的试验研究。Jason等[4]从微观和宏观角度解释了MICP技术对砂土体加固的机理。Mortensen等[5]基于大量的MICP试验研究，分析了环境因素对Sporosarcina pasteurii沉积碳酸钙速率的影响。为提高胶结效率，Harkes和Kucharski等[6-8]提出一种分步灌浆方法，以尿素作为分解底物与钙离子生成具有胶凝作用的碳酸钙，实现砂土体的胶结。针对不同的砂土体的微生物胶结，许朝阳等[9]开展了一系列粉土改性试验，研究了生物胶结土体的渗透性，无侧限强度及微观结构特征。王保生等[10]研究了菌种对细菌生长的影响，以及硝酸钙溶液、硝酸钙固体对微生物矿化的影响，发现修复试件的渗透系数离散性较大，但其抗渗性能有明显提高。徐晶等[11]探索了影响注浆固化砂土的若干因素，发现脲酶活性会导致碳酸钙含量差异，从而影响砂土固化强度。张永胜等[12]采用微生物矿化技术针对冶炼废渣进行了资源化利用，发现延长矿化时间与增大碳化压力有利于提高制品的力学性能。

针对海洋环境下的砂土体，方祥位等[13]对南海的珊瑚砂进行了胶结试验研究，并对其渗透性、抗压强度等进行测试分析，此外其团队基于微生物诱导成矿技术开展了一系列珊瑚砂胶结影响因素试验研究[14-16]，为岛礁加固提供了一定的参考。

目前大部分研究集中于陆源砂微生物胶结的胶结方法、影响因素及胶结体力学性能研究；海洋钙质砂的微生物胶结研究偏向于胶结影响因素与胶结体性能研究；对微生物诱导成矿的渗流演化过程的探究还未深入。此外，微生物诱导成矿产物与钙质砂的主要成分相近，2种钙质之间的相互作用机理与胶结常规陆源砂土有较大区别，对此鲜见相关研究。

故此，本文以钙质砂作为胶结对象，开展微生物诱导成矿胶结试验，分析渗流胶结反应过程的有效胶结作用，研究胶结体的整体与宏观性能，探究钙质砂与诱导生成的碳酸钙之间的相互作用，为后续的试验研究和吹填岛礁钙质砂微生物胶结工程实践提供参考。

1 试 验

1.1 胶结试验材料

钙质砂：取自南海某吹填岛礁，颗粒密度2.69 g/cm3，颗粒级配如图1所示。不均匀系数cu=2.00，曲率系数cc=0.81，颗粒级配不良。

图1 钙质砂的颗粒级配

（2）微生物：选用Sporosarcina pasteurii芽孢八叠球菌（ATCC-11859）进行试验研究。培养基成分：尿素20 g/L，酪蛋白胨15 g/L，大豆蛋白胨5 g/L，氯化钠5 g/L，pH值7.3；使用高压蒸汽灭菌，按1%的接种量在30℃恒温培养24 h。

一定的细菌浓度与脲酶活性能够保证尿素被充分分解，为碳酸钙微晶析出提供充足的碳酸根离子。使用上海仪电L5S紫外可见分光光度计对微生物浓度进行测试，使用上海雷磁DDS-307A型电导率仪对微生物脲酶活性进行测试分析，结果如图2所示。

图2 微生物生长曲线及脲酶活性曲线

由图2可知，随着时间的延长微生物浓度和脲酶活性先逐渐增加，在24 h后达到稳定，其中微生物最大OD600值为0.71，脲酶活性最大为0.42 mmol/（h·L），二者增减趋势一致。

1.2 胶结试验模具

采用自行设计的渗流胶结模具对钙质砂进行胶结，试验模型装置内腔长200 mm，直径50 mm的柱形有机玻璃模具。为使钙质砂充分饱和，排除砂土体内部空气的影响，从下至上灌注胶结液系，试验装置实物如图3所示。

图3 胶结试验装置

1.3 胶结试验设置及操作步骤

为保证胶结液中的尿素能够充分分解，每次加注胶结液的体积为钙质砂孔隙体积的1.2倍。胶结次数与胶结体性能有密切关系，随胶结次数增加，胶结体性能提升，但在一定的胶结次数后胶结体性能提升幅度降低，即存在最优胶结次数，结合以前的研究成果[17]，本研究拟定灌浆次数为7次。

胶结试验操作流程[6]为：（1）固定液（0.05 mol/L的氯化钙溶液）以10 mL/min速率注入砂土体内部；（2）培养24 h的菌液以5 mL/min速率注入砂土体内部，并在30℃环境下恒温静置2 h；（3）胶结液（1 mol/L的尿素和氯化钙混合溶液）以10 mL/min速率注入，并在30℃环境恒温养护，24 h后再次进行胶结；（4）经过7次胶结试验后，将钙质砂胶结体进行冲洗、脱模、烘干等步骤，得到胶结体如图4所示。

图4 胶结试样

1.4 胶结试验现象及原理

按照试验流程，首先灌注固定液。第1次固定液注入砂土体会发生轻微的水密；之后几个循环注入固定液是将上一个胶结反应循环的胶结液废液排出，排出液为无色、具有氨气气味的液体，偶有白色的不溶颗粒状物质。这证明在胶结养护过程中尿素被分解，其生成的碳酸根与钙离子反应生成了碳酸钙颗粒，但由于某些原因，小部分碳酸钙并未被固定。固定液含有一定的钙离子，可与自然状态下呈电负性的钙质砂和微生物之间发生相互作用，提高微生物吸附、固定于钙质砂的效率，其反应过程如式（1）所示，同时其还可饱和钙质砂土、排除气泡，为胶结反应提供有利环境。

随后向砂土体内部注入培养24 h的浑浊棕黄色菌液，排出液为无色无味透明液体，即未与菌液反应的固定液，此时砂柱内微生物与固定液发生式（1）所示的吸附反应，此过程中微生物发生吸附、解吸、固定等多个可逆反应，因而恒温静置2 h使其达到平衡。菌液主要为胶结反应提供产脲酶微生物与脲酶，微生物分解尿素生成碳酸根离子，并为碳酸钙结晶提供成核位点[17]。

待吸附反应达到平衡，将胶结液注入砂土体内部，可以发现，首先排出的是培养基色液体，有轻微的氨气味道，与菌液相比此部分排出液较为清澈。这是由于较大数量的微生物有效地被吸附、固定于钙质砂体内，而菌液中的底物未发生吸附，在渗流作用下排出砂柱。灌注到一定体积后，可以观测到大量白色絮状不溶物质排出，直到胶结液灌注结束。这是微生物在培养基生长繁殖过程中分解底物生成碳酸根达到一定浓度，与胶结液中的钙离子相互作用，钙离子与碳酸根的离子积超过碳酸钙的溶度积，即[Ca2+][CO32-]>Ksp（CaCO3），发生沉淀反应，因而在极短的时间内快速生成大量结晶不完全的絮状碳酸钙，如式（2）所示：

絮状碳酸钙未在反应过程中与钙质砂颗粒发生有效的固定、胶结作用，在蠕动泵渗透力的作用下流出砂柱。随胶结次数的增加，出现白色絮状的不溶物质时灌注的胶结液体积逐渐减少，砂土体内部孔隙体积随胶结次数的增加在逐渐减少。

随后结束此循环的注浆操作，将砂柱在30℃恒温环境下养护24 h，此过程中被吸附固定的微生物分解尿素，如式（3）所示：

生成的碳酸根与胶结液中的钙离子反应生成具有胶结性的碳酸钙，如式（4）所示，将钙质砂颗粒有效胶结，提高了钙质砂柱的整体性和力学性能[18]。

2 试验结果及分析

2.1 有效胶结作用分析

在试验过程中发现，随胶结次数的增加胶结液系排出液发生了较大的变化，因而对菌液和胶结液注入、排出情况进行检测，并根据检测结果提出微生物固定率与钙离子利用率2个用于评价胶结反应历程的指标，以监测胶结反应进程和胶结反应效果。

2.1.1 微生物固定率分析

微生物吸附固定效率对胶结反应环境中的碳酸根离子的浓度、诱导成矿成核位点等起着决定性的作用。由上可知，菌液灌注和排出时的液体浑浊度相差较大，取菌液和菌液排出液（以现象控制为准，取排出液的清澈部分）进行微生物浓度测试，微生物固定率按式（5）计算，得到结果如图5所示。

图5 微生物在钙质砂柱内的固定率

式中：M——微生物固定率，%；

mo——菌液中微生物初始浓度，cells/mL；

m1——菌液排出液中微生物浓度，cells/mL。

微生物浓度通过换算溶液OD600值计算，如式（3）所示。

式中：Y——微生物浓度；

Z——OD600测试值，仅在OD600值在0.2~0.6范围内有效。

由图5可知，微生物在钙质砂柱内的固定率随胶结次数的增加而逐渐增大，由初始的70%逐渐线性增大到第7次时的90%。这是因为，在胶结过程中，微生物诱导生成的碳酸钙微晶不断沉积、胶结于钙质砂颗粒表面，此类碳酸钙颗粒颗粒小、比表面积大、晶格缺陷多，更加容易与外界发生相互吸附和聚集，增加了钙质砂土体内部的比表面积，可供微生物吸附、固定的位点逐渐增多，因而微生物固定率不断增大[2]。由于不同试样内部砂颗粒之间的相互接触关系不同，固定率增长出现了一定的波动，但整体趋势明显。

2.1.2 钙离子利用率分析

钙质砂微生物胶结体对胶结液中的钙离子有效利用率可以直观反应胶结体性能的变化趋势，从而判断诱导成矿作用对钙质砂柱的有效胶结作用，可对胶结反应进程进行定量判断，对提升工程效率有重要的影响。本文通过滴定法对灌注胶结液排出液（取排出液体积与孔隙体积相等）钙离子浓度进行测试，钙离子利用率按式（7）计算，得到胶结反应过程中的钙离子利用率测试结果如图6所示。

图6 胶结反应过程中的钙离子利用率

式中：K——钙离子利用率，%；

C0——胶结液中钙离子初始浓度，mol/L；

C1——滴定法测得灌注排除液中的钙离子浓度，mol/L。

由图6可知，钙离子利用率随胶结次数的增加先增大后减小。首次胶结钙离子利用率离散性较大，在40%~70%。这是由于钙质砂柱内的微生物固定率较低、碳酸根离子浓度不足导致。随着碳酸钙的不断沉积，微生物吸附效率增加，钙离子利用率增加，在第3次或第4次胶结时钙离子利用率达到最高，在60%~75%。随后钙质砂柱的孔隙体积逐渐减小，在钙质砂柱内提供钙离子并发挥胶结作用的量逐渐减少，胶结液中钙离子与微生物的相互作用减弱，钙离子有效利用率逐渐减小，在第7次微生物胶结时钙离子利用率降到50%左右。

2.2 胶结效果分析

胶结体宏观性能可评价分析微生物诱导成矿技术对松散钙质砂的胶结能力，可为工程实践提供策略与依据。经测试得到钙质砂微生物胶结体沉积量如表1所示。

表1 钙质砂微生物胶结体沉积量统计

由表1可知，在微生物诱导成矿生成的碳酸钙作用下，钙质砂柱质量与密度有了较大的增长。钙质砂柱的质量增长均超过74 g，胶结体干密度均超过1.88 g/cm3，单位密度增长0.27~0.41 g/cm3。

本文对钙质砂微生物胶结体单轴抗压强度进行测试，得到胶结体应力-应变曲线如图7所示。

由图7可知，钙质砂被微生物诱导成矿有效胶结，胶结体具有一定的抗压强度，在1.20~1.82 MPa，其中试样4的抗压强度达到了1.82 MPa。各胶结试样应力-应变曲线变化趋势相似，大致可以分为2段：初始阶段为弹性阶段，应力随着应变而快速增长；随后钙质砂微生物胶结体应力达到峰值发生破坏，具有明显的破坏点，应力随变继续增加而逐渐下降，胶结体进入塑性变化阶段，呈现弹塑性应力-应变模式，但内部胶结不均匀，上下差异较大。

图7 胶结体应力-应变曲线

对沉积量变化及抗压强度进行联合分析，结果如图8所示。

图8 沉积量与抗压强度的关系

由图8可知，胶结体抗压强度与沉积量具有明显的相关性[19]，胶结体抗压强度随沉积量的增加而提高，呈现线性增长的趋势。

2.3 微观结构分析

对钙质砂颗粒及胶结体破坏面的SEM照片分别见图9、图10。

图9 钙质砂颗粒的SEM照片

图10 胶结体破坏后的SEM照片

由图9可见，钙质砂颗粒呈纺锤状、球状、块状等形态，钙质砂颗粒表面有明显的开放孔隙，开放孔隙分布密集且不规则，便于微生物吸附。

由图10（a）可见，经微生物诱导成矿技术胶结后，钙质砂颗粒被有效地胶结在一起。钙质砂颗粒孔隙间有小颗粒和壳状体附着、充填、桥接，壳状体与钙质砂颗粒紧密接触，壳状体是先前完整附着、包裹于钙质砂颗粒表面的诱导成矿碳酸钙。抗压强度测试过程中，在外力作用下钙质砂颗粒与其表面的覆裹物分离形成。这也证明了壳状包裹物与周围钙质砂颗粒相互搭接紧密接触，使得松散的钙质砂颗粒胶结在一起形成整体。由图10（b）可知，与钙质砂颗粒表面不同，经微生物处理的钙质砂表面有一定的碳酸钙晶体附着、包裹，此类型碳酸钙形状不规则，介于球形和斜方晶体之间，这是在碳酸钙结晶过程中，微生物及其分泌的大分子发挥一定的作用，但其作用有限。表面可观测到一定量的长条形或圆形孔洞，孔洞局部紧密搭接，这是微生物参与碳酸钙成核后为碳酸钙结晶提供成核位点，并在残留于其表面，即微生物孔洞[12]。

2.4 胶结机理分析

结合红外光谱、热重分析等化学分析手段，对微生物诱导成矿胶结钙质砂的胶结机理进行探究。

2.4.1 热重测试

通过德国耐驰仪器制造有限公司的STA 409 PC型热重分析仪对钙质砂及钙质砂微生物胶结体的热稳定性进行研究，加热至1000℃停止。其热重曲线如图11所示。

图11 钙质砂及其胶结体热重曲线

由图11可知，钙质砂及其胶结体的分解温度、热稳定性存在一定差异。钙质砂分解温度为714℃，活化能为52.3 kJ/mol，钙质砂微生物胶结体分解温度为736℃，活化能为55.7 kJ/mol，2种碳酸钙的分解温度相差18℃，活化能相差3.4 kJ/mol。上述现象是由Sporosarcina pasteurii及其分泌有机基质大分子与钙质砂以及诱导成矿产物发生了复杂的相互作用[20]。使胶结体的热分解温度和活化能提高，增加了胶结体的热稳定性。

2.4.2 红外光谱测试

采用Nicolet6700傅立叶红外光谱仪对胶结的作用机理进行分析，测试光谱范围4000～500 cm-1，结果如图12所示。

图12 钙质砂及其胶结体FT-IR图谱

由图12可知，钙质砂与微生物诱导成矿胶结体的红外光谱各振动峰出现位置较为相近，但胶结体在1795.96 cm-1处出现了一个有机质多肽的红外振动峰，证明微生物及其分泌的有机质多肽等物质参与诱导成矿过程。胶结体的各红外振动峰在微生物分泌的有机质分子作用下出现了一定的偏移，其中胶结体分子间氢键的波数由3422.84 cm-1变为3406.21 cm-1，这是微生物细胞壁及微生物分泌的多肽等成分中的羟基（—OH）等参与碳酸钙晶体形成过程，加强了分子间氢键（O—H…O）作用，使得成键电子云密度平均化，化学键力常数减小，伸缩震动吸收向低波数移动[2]；该键使C—O之间电子云密度向O原子方向移动，C—O之间的电子云密度降低，振动力减弱，导致对称收缩和反对称伸缩振动频率向低频方向发生移动

3 结 论

（1）微生物诱导成矿胶结反应过程中共生成2种碳酸钙，第1种为在灌浆过程中快速生成的絮状碳酸钙，其碳酸根来源培养基中微生物分解底物产生；第2种为恒温养护阶段缓慢生成的碳酸钙，在砂柱内以颗粒状和壳状存在，表面有微生物活动残迹，碳酸根来源为微生物分解胶结液中尿素产生。

（2）提出了微生物固定率和钙离子利用率2个指标，可综合评价微生物诱导成矿反应进程，微生物固定率随胶结次数的增加而逐渐增大，钙离子利用率随胶结次数增加先增大后减小，在第3或第4次达到最大，可基于此对胶结反应进程进行综合动态评价和控制。

（3）微生物诱导成矿技术可有效胶结钙质砂，在本试验条件下胶结体抗压强度为1.2~1.8 MPa，干密度变化值超过了270 kg/m3，随诱导成矿产物质量的增加，胶结体抗压强度逐渐提高。

（4）在微生物诱导成矿作用下，胶结体的热稳定性和活化能相比于钙质砂有了一定程度的提高，由于多肽的作用使得碳酸钙振动峰发生了一定偏移，加强了碳酸钙内部分子间氢键的作用。