引言

近年来，微生物诱导碳酸钙（microbially induced carbonate precipitation，MICP）作为一种新兴的绿色可持续技术，在土木工程等领域展现了巨大的应用潜力。目前，该技术已广泛应用于提高砂土强度、减轻砂土液化、边坡加固、文物修复等。

MICP反应过程中通常受到许多因素的影响，随着研究的进行其反应机理逐渐完善。Wang等研究发现，在低细菌浓度下有助于在早期形成稳定的碳酸钙晶体，但需要较长的沉淀时间。Yi等研究发现，在pH值7～9时，巴氏芽孢杆菌脲酶活性随着pH值的升高而增大，脲酶呈高活性，但在pH≥9时，脲酶活性下降。彭劼等对10～25℃环境下MICP加固效果进行了研究，结果发现温度越高，加固土体强度越高，渗透性越低。Mahawish等研究发现，向粗颗粒中加入细颗粒可以增加粗颗粒间的有效胶结，进而影响固化试样的力学性能。张继生等研究发现，当菌量数量相同时，低浓度菌液多次灌浆的固化效果优于高浓度菌液单次灌浆。孙潇昊等向培养中添加尿素，发现尿素添加对脲酶活性具有促进作用，而对菌种生长具有抑制作用，当培养液中添加尿素含量为20g/L时，砂颗粒粒径越大，得到的砂柱强度越大。影响MICP反应的因素众多，但菌液中初始碳酸根对MICP反应全过程的影响却很少关注。尿素通常作为细菌的营养物质和碳酸根来源，一部分培养基中会添加尿素以提高细菌的脲酶活性，而在细菌培养过程中，菌液中已经产生了碳酸根，当加入钙源后，这部分碳酸根与钙源迅速发生化学反应生成碳酸钙沉淀，固化反应大大加快。而在砂土固化试验中，研究人员往往采用高浓度菌液来提高砂土固化效果，但由于过高的菌液浓度和脲酶活性，导致MICP速率过快，常造成注浆口处堵塞，导致碳酸钙分布不均匀。考虑实际工程应用，本文采取低浓度菌液，验证初始碳酸根提高MICP技术固化砂土的强度可行性。

本文通过系列试验探究了初始碳酸根对细菌吸附率、MICP反应砂土固化能力是否有促进效果。为避免菌液中游离脲酶的干扰，将菌液离心，得到无菌生理盐水重悬，通过添加碳酸钠，引入与细菌培养过程中尿素水解产生的等量碳酸根离子。本次砂土固化试验采用低浓度菌液多次注浆的方法，得到初始碳酸根在不同灌浆次数下对砂土固化能力的影响。

1 材料与方法

1.1试验材料

1.1.1 微生物及胶结液

试验选用巴士芽孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii, BNCC337394）。培养基由牛肉膏3.0g/L、蛋白胨10.0g/L和尿素20.0g/L组成，pH调至7.0，121℃下灭菌20min。待冷却后接种细菌，于30℃、180r/min摇床中培养24h。培养完成后，测得菌液OD₆₀₀=0.586。胶结液由1mol/L氯化钙和1mol/L尿素组成。将培养好的菌液于离心机中以5000r/min离心10min，用无菌生理盐水重悬液重悬底部细菌得到重悬液。胶结液为1mol/L尿素和1mol/L氯化钙。

1.1.2砂及砂柱装置

试验用砂为福建（中国）ISO标准砂。试样尺寸为直径50mm、高100mm。采用PVC模具装样，缓慢加入标准砂，分层振捣，并在试样顶部和底部分别布置一层纱布。

1.2试验方法

1.2.1 MICP试验

本次MICP试验分为重悬液组（RS）和含0.3mol/L碳酸钠的重悬液组（RS+Na₂CO₃）（每组设置三个平行样）。取6mL生物液与30mL胶结液加入培养皿，胶结液浓度为1mol/L，搅拌均匀后，用保鲜膜密封培养皿，静置于30℃恒温培养箱中反应24h，测0，3，6，9，12，15，18，21，24h的四组生物液的碳酸钙产量，在试验过程中需去除漂浮于溶液中的碳酸钙，仅留底部沉淀。碳酸钙产量计算公式为：

(1)

式中：m_c为生成碳酸钙质量；m_t为烘干后总质量；m_m为培养皿质量；m_l为滤纸质量；m_n为添加碳酸钠所产生的碳酸钙质量。

1.2.3砂柱试验

试验分为两组，分别为重悬液组和添加0.3mol/L碳酸钠的重悬液组，每组均灌浆6次，分别测定灌浆1-6次时的细菌吸附率。将50mL生物液泵入试样，静置2h后，泵入80mL胶结液，灌注速度均为3mL/min，之后每隔24小时重复一次。当泵入胶结液时收集50mL流出液，含初始碳酸根组的流出液需静置10min后去除沉淀，重悬液组的流出液不做处理。将流出液分别加入到足量胶结液中反应，完全反应后记碳酸钙生成量为M₁，并设置对照组，将50mL重悬液足量胶结液完全反应后，测碳酸钙生成量为M₂，根据式（2）计算求得细菌吸附率。

(2)

2结果与讨论

2.1诱导生成碳酸钙能力及碳酸钙形貌分析

MICP试验结果如图1所示。在27h前，两组生物诱导生成碳酸钙沉淀产量均随反应时间增长，之后趋于稳定。由此可见，在低浓度菌液的情况下，MICP反应是一个缓慢的过程。在21h前，RS+Na₂CO₃组的碳酸钙产量高于RS组，但在21h后则反之。在MICP反应过程中，微生物为碳酸钙的形成提供了成核点位，随着碳酸钙沉淀的不断形成，菌体逐渐被包裹，失去脲酶活性，最终限制了尿素水解和碳酸钙生成。由于反应初期两者菌量及脲酶活性相等，而碳酸钙产量却存在明显差异，这可能是由于初始碳酸根在与钙离子反应的过程中吸附了部分细菌，随着反应的进行，这些被吸附的细菌以初始碳酸钙为成核点位，加快了碳酸钙的生长阶段，但在反应后期，其存活的菌量小于RS组。

碳酸钙的生成形态与分布特征如图2所示。RS诱导生成的碳酸钙分布均匀，培养皿侧壁存在胶结的碳酸钙（A箭头处），但同时也有部分碳酸钙以絮状的形态悬浮于溶液中，未完全沉降。RS+Na₂CO₃生成的碳酸钙则在RS基础上表现出更明显的沉淀效果，生成的碳酸钙颗粒感更明显，溶液中悬浮的碳酸钙更少，其沉淀更彻底、胶结更紧密，且出现了明显的碳酸钙团聚体结构（B箭头处），而在RS中并未发现这一现象。这说明初始碳酸根的存在能够影响MICP生成碳酸钙的分布，初始碳酸根会与钙离子迅速结合形成早期碳酸钙沉淀，这些碳酸钙在形成过程中可吸附部分细菌，后续通过生物法形成的碳酸钙沉淀，则以这些早期沉淀为核心进行定向生长，从而逐渐发展成尺寸更大、结构更致密的团聚体。

2.2细菌吸附率

两组生物液在不同灌浆次数下的细菌吸附率如图3所示，在灌浆1-5次，两组生物液的细菌吸附率均随灌浆次数增大，在灌浆5次后，细菌吸附率趋于稳定，且低于100%。在第一次灌浆中，重悬液组的细菌吸附率仅为73.9%，含碳酸钠的重悬液组的细菌吸附率明显大于重悬液组，为78.7%，在灌浆1-4次时，均表现出相同规律，这是由于碳酸钠的添加为菌液提供了初始碳酸根，在胶结液泵入试样的过程中，初始碳酸根与胶结液中的钙离子迅速发生化学反应，产生了碳酸钙，且在这个过程中，由于细菌的细胞膜表面带有负电荷，会吸引钙离子，在化学反应过程中，部分细菌被吸附于碳酸钙表面，同时，该部分化学法生成的碳酸钙随着胶结液的灌注向试样底部缓慢移动，在这个过程中造成了一部分孔隙的堵塞，起到了对细菌的拦截作用。随着MICP反应的进行，砂颗粒的胶结达到一定程度后，灌浆次数对细菌吸附率不再产生影响。

2.3 抗压强度分析

RS与RS+Na₂CO₃组在灌浆6次条件下，固化完成的砂柱无侧限抗压强度分别达到961.79和869.13KPa，相较灌浆1次时的强度，分别提高了386.2%和262.5%，试验数据如图4所示。两组砂柱的强度均呈现递增趋势，且在灌浆次数超过5次后，RS组表现出更好的固化效果。在灌浆1-3次时，RS+Na₂CO₃组固化后砂柱的强度明显高于RS组；但在灌浆4次后则相反。其原因在于RS+Na₂CO₃混合液中外添的碳酸根在胶结液灌入过程中，能迅速与钙离子结合生成碳酸钙沉淀，这部分由化学反应产生的碳酸钙在渗流作用下，在砂柱底部形成积聚，不仅减少了砂柱内的孔隙，也增强了对细菌的拦截效果，从而在灌浆次数较少时提高了固化效率。

2.4 碳酸钙产量分布

由图5可见，随着灌浆次数的增加，两个实验组在各部位的碳酸钙产量均呈现显著上升趋势。在灌浆次数为3次时，两组碳酸钙产量标准差分别为0.729、0.758；在灌浆次数增至6次时，其碳酸钙产量标准差分别为0.489、0.799。这些数据表明，经过RS固化处理的砂柱内碳酸钙分布更加均匀，同时也反映出初始碳酸钙的存在会对后续沉积的空间分布均匀性产生一定影响。在图5(a)中，三个部位的碳酸钙产量均随灌浆次数增加呈现稳定增长的趋势，始终遵循上部＞下部＞中部的分布规律。由于RS中不存在初始碳酸根，因此在灌浆次数较少时并未出现下部产量高于上部的现象，进一步印证了初始碳酸钙对分布形态的影响。而在图5（b）中，在灌浆次数小于4次的情况下，下部和上部的碳酸钙产量基本相当，这是由于初始碳酸根在渗流作用下，大量堆积在砂柱下部，并迅速生成碳酸钙沉淀，在减少了砂柱下部孔隙率的同时起到了截留细菌的作用。

2.5 微观形貌分析

图6为3000倍放大情况下灌浆6次试样的扫描电镜图样，对比两种不同形式生物液固化的砂样。在RS固化后的砂样电镜图像中，则观察到了更多的方解石形态的碳酸钙颗粒，碳酸钙团聚体也更少，晶体颗粒明显小于RS+Na₂CO₃组生成的碳酸钙颗粒。在RS+Na₂CO₃固化后的砂样电镜图像中，方解石形态的碳酸钙颗粒最少，砂颗粒表面附着了大量由小晶体堆叠形成的碳酸钙团聚体，碳酸钙大小差异。由此可见，初始碳酸根的存在能够对MICP生成碳酸钙的大小及相貌产生一定的影响。初始碳酸根与钙离子结合生成的碳酸钙无法起到胶结作用，但在反应过程中，细菌表面的负电荷吸引钙离子附着于细胞壁表面，在MICP反应初期，这部分化学法生成的碳酸钙沉淀主要堆积在砂颗粒孔隙中，但随着反应的进行，这部分碳酸钙表面及内部吸附了一定的细菌，这些细菌以碳酸钙为成核点位，在原有的基础上，碳酸钙逐渐生长，最终形成大量团聚体，而距离砂颗粒接触点较近的初始碳酸钙，也逐渐随着碳酸钙的生长起到了连接砂颗粒的作用。

3结论

在灌浆过程中，初始碳根与钙离子直接反应，生成的初始碳酸钙填充了部分砂颗粒孔隙，提高了细菌的吸附率。

含有初始碳酸根的低浓度菌液，可在灌浆次数较低的条件下显著提升砂土强度，该方法适用于快速加固工程，且成本大大降低。

初始碳酸根与钙离子直接反应生成碳酸钙的过程中吸附了部分细菌，在提供成核点位的同时加速了碳酸钙的生长。

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