碳酸钙沉积在土壤微生物的化学反应中是一种很普遍的自然现象,只要在适宜的条件下,几乎所有的微生物都可以进行生化反应生成碳酸钙晶体。微生物诱导方解石沉积法(microbial induced calcite precipitation,以下简称MICP)是指某些细菌在自身的代谢活动中,通过其生长过程中所产生出的酶与周围环境中的介质不断发生酶化作用而生成碳酸根离子,当环境中有钙离子存在的条件下便可以生成具有胶结作用的方解石晶体。王剑云等用海藻酸钠作为载体将菌株固载于水泥石表面,为菌株的生长繁殖、酶化反应及矿化沉积过程提供微环境,4 d后在水泥石表面生成均匀连续并与基材黏结紧固的白色复合层。毛细吸水试验结果表明,相比于覆膜之前,覆膜后的水泥石吸水系数降低了一个数量级,水泥石的抗渗性能得到了显著提高。王瑞兴用涂刷的方法,将琼脂作为载体把营养物质和菌株固载在水泥石表面,为细菌的生长、酶化和碳酸钙沉积创造微环境,7 d后在水泥石表面紧密附着了一层厚度1 001 ma左右的碳酸钙膜,相比于覆膜之前,其表面吸水率可以降低到15%以下。朱飞龙等尝试采用水泥砂浆粉作为新的覆膜载体,通过巴氏芽孢杆菌对水泥砂浆进行表面处理。这种方法能够使巴氏芽孢杆菌在水泥试块表面矿化沉积出碳酸钙,从而有效增强水泥砂浆的抗渗能力。当使用含有尿素的培养基培养微生物时,表面改性后的水泥砂浆吸水系数降低了58%。用压汞测试仪(MIP)分析了覆膜前后的水泥试块表层孔隙率以及孔的结构特征,发现采用巴氏芽孢杆菌处理后,样品的孔隙率有了明显的降低,大孔含量也明显减少很多,当使用含有尿素的培养基培养微生物时,总孔隙率降低了40%。

学术界采用微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)技术进行生物覆膜解决水利工程中堤坝护坡防渗及稳定问题的相关研究较少。国内外的少数研究机构尝试的办法是利用微生物的矿化作用在混凝土的表面进行覆膜防护。让微生物沉积碳酸钙的过程发生在混凝土表面,不断缓慢的矿化沉积出碳酸钙颗粒附着在混凝土表面,并逐渐形成整体,从而达到表面防护的作用。目前针对混凝土表面覆膜的工艺主要有三种,分别是浸泡、喷涂和涂刷固载。浸泡法要求必须将混凝土试件长期浸泡在细菌培养液中,才能保证细菌的正常繁殖和整个矿化沉积反应中所需要的足量营养物质。显然,这种方法很难对既有混凝土工程进行表面处理,只能局限在实验室环境中。喷涂法尽管可以将菌液和营养液高度浓缩,且多次持续喷涂于试件表面,可以创造出碳酸钙形成的微环境,但是细菌数量和营养源还是供给不够充分,并且此种方法使营养物质极易在混凝土试件表面流失,由于营养供给不足导致细菌的新陈代谢缓慢,沉积环境条件欠缺,生成的碳酸钙数量少,覆膜厚度较薄,防护效果不佳。涂刷固载法是将琼脂和海藻酸钠作为载体固载细菌和营养物质,涂刷于混凝土试件表面,使得细菌能在表面附着生长,虽然这种方法相比于喷涂法能够减少营养物质的流失,优化微环境,但是由于琼脂和海藻酸钠本身具有一定的重量,涂刷在混凝土试件侧面的液体受重力作用下会向下堆积,导致菌液和营养物质分布不均,进而覆膜的厚度也不均匀。此外,琼脂和海藻酸钠凝固干燥后与混凝土表面的黏结性较差,导致覆膜之后很容易从混凝土表面剥落,防护效果短暂。

与其他学者在混凝土表面覆膜的方式不同,直接利用MICP技术进行铺砂覆膜是一个比较新颖的思路。将细菌和反应底物直接作用于砂土,在砂土表层将砂颗粒间的孔隙填充,同时将砂颗粒连接的更为紧密,使得砂土表面形成整体覆膜,进而可以提高其防渗性能和强度。相比于现有的在混凝土表面覆膜的方法,该方法的材料相容性更好,更适合在大型施工现场操作,且操作过程简单易行。在水利工程中,可以应用到堤坝和护坡的修复和防渗。具体做法可以先将堤坝和护坡的表层土壤胶结成一个整体的“防渗层”,然后就地取材,将周围的砂子铺在已经形成的防渗层之上继续胶结。这种方法不仅提高了防渗能力,也大大增强了抗压和抗折强度。在生物覆膜的同时还能继续种植绿色植物,节约材料,绿色环保,符合可持续发展的宗旨,具有很多传统方法无法比拟的优势。用这种方法替代化学方法更加绿色环保,而且与建筑基材相容性好,具有很好的发展前景,能够为社会带来巨大的环境效益和经济效益。

1.1 试验材料

巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii)是一种好氧的革兰氏阳性菌,属于化能异养型,能在15～37 ℃生长,新陈代谢过程中产生大量脲酶。本研究所用巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii,也称为Bacillus pasteurii),其菌种(冻干粉)购买于美国菌种保藏中心(American Type CultureCollection, ATCC),编号为 ATCC 11859,如图1所示。

图1 ATCC 11859(巴氏芽孢杆菌)

胶结液主要成分是氯化钙、尿素和蒸馏水。不同浓度的胶结液中氯化钙和尿素的摩尔比始终固定为1 ∶1。在此基础上设计了0.5 mol/L、1 mol/L、1.5 mol/L三种等摩尔浓度的氯化钙和尿素混合溶液作为胶结液。

1.2 试验方法

将巴氏芽孢杆菌保藏菌种转接在新鲜试管的斜面,在30 ℃的无菌环境中培养24 h;之后用4 ℃冰箱保存备用。从保存的斜面培养基中用接种环挑取5环菌苔接种于装有100 mL液体培养基的250 mL锥形瓶中,放置在30 ℃、150 r/min的摇床里培养24 h,最后保存于4 ℃冰箱备用。

细菌数量可以通过测量菌液的吸光度(比浊法)来表示。其原理主要依据细胞浓度与其菌液混浊度成正比,因此与吸光度也成正比。该法方便快捷,是微生物浓度检测常用的方法之一。

试验中采用EDTA滴定法检测钙离子浓度。滴定原理是在碱性溶液中(PH>12),先将镁离子生成氢氧化镁沉淀后,然后用乙二胺四乙酸二钠盐(简称EDTA)单独与钙离子反应生成稳定的无色络合物。最后用钙红指示剂指示滴定终点。

微生物矿化作用的覆膜试验在一个有机玻璃材质的装置中进行,试验装置如图2所示。内径12 cm的有机玻璃管通过玻璃胶与支撑架连接成为一个整体。装置下部通过螺栓固定了一个有机玻璃圆板,起到承载砂样的作用。圆板中心有一个内径1 cm的开口,用于流出多余的液体。

图2 覆膜装置(单位:cm)

试验过程中先在装置底部铺一层土工布防止砂子从底部中间排液口流出。然后每次取267 g细砂均匀的铺在装置底部,保证试样厚度为15 mm。取一个孔隙体积用量的菌液(70 ml)均匀的喷洒在细砂表面,静置后再取70 ml胶结液喷洒在细砂表面,静置到对应工况的设计时间,再次喷洒70ml胶结液,一共喷洒四次胶结液。喷1次菌液和4次胶结液记为1个胶结批次,循环3个胶结批次结束。试验过程中始终保持装置底部的阀门为开启状态,保证装置中的液体可以在重力作用下自然排出。

2 试验结果与分析

探究影响微生物覆膜效果的试验以胶结时间和胶结液浓度为两个变量,一共设有9种工况,如表1所列,胶结液浓度是主要影响因素,胶结时间为次要影响因素。根据预试验的探究结果,菌液静置时间统一选用2 h。胶结批次选定为3次。

表1 试验工况汇总 （注:加1次菌液和4次胶结液记为1个胶结批次）

2.1 渗透系数

覆膜后的试样由于渗透系数很小,单位时间内流经土体的水量很少,难以通过常水头试验直接准确的测量,因此采用变水头法进行测定。变水头法是指在整个的试验过程中,水头是随着时间而变化的,其试验装置如图3所示。

图3 变水头法试验装置

试样的一端与细玻璃管连接,试验的过程中只要测出在某一时段内细玻璃管中水位的变化情况,就可以通过达西定律的原理求出生物覆膜的渗透系数。细玻璃管内的横截面积设为a,砂样的横截面积记为A。试验时先在玻璃管内充水至所需高度后,开动秒表,记录初始水头差h ,经过时间t后,再记录最后的水头差h ,利用瞬时达西定律建立计算公式,便可以推算出渗透系数k。

原始细砂的渗透系数和9组覆膜试验后的渗透系数如表2所列。相比于原始细砂,覆膜之后的防渗能力有了明显的提高,渗透系数最多降低了3个数量级。综合表2和图4,可以发现胶结液浓度相同时,胶结时间越长的覆膜渗透系数越小,但是同一个胶结浓度对应的渗透系数都处于同一个数量级;胶结时间相同时,胶结液浓度越大的覆膜渗透系数越小。每增大0.5 mol/L的钙离子浓度,渗透系数会对应降低一个数量级。因此胶结液的浓度是影响覆膜效果的主要因素,胶结时间的影响次之。试验中覆膜样本的最小渗透系数相当于粉土。

表2 各工况渗透系数

图4 各工况渗透系数组合

2.2 抗折强度

由于覆膜的材料较脆,并且尺寸也比较小,故抗折试验的标准依照《普通混凝土力学性能试验方法标准》将混凝土抗折试验的标准尺寸缩小10倍,将试件切割打磨,打磨之后的试件尺寸为15 mm×15 mm×60 mm,跨距为45 mm。对打磨好的试件采用济南时代试金WAW-600C微机控制电液伺服万能试验机进行四点弯曲试验,加载速率为0.2 mm/min。根据规范规定辊棒直径选择为4 mm。测得的抗压结果范围是0.32～1.62 MPa,抗折结果如表3所列。

表3 9种工况抗折强度汇总

图5 9种工况试样

图6 四点弯曲试验

图7 切割打磨之后的试样

图8 抗折破坏

可以总结出,适当的提高胶结液浓度和延长胶结时间可以提高试样的抗折强度,但是如果胶结液浓度过高,致使碳酸钙层全部累积在试样表层,虽然能起到防渗作用,抗折强度却会有所下降。

2.3 抗压强度

依照《普通混凝土力学性能试验方法标准》将混凝土立方体抗压试验的标准尺寸按照一定比例缩小,将试件切割打磨成边长为15 mm的小立方体进行抗压试验。得到9种工况的抗压结果,如表4所列。

通过表4中的数据可以分析得出,相同浓度下的胶结时间越长,试样能承受的抗压强度越大,适当的增大胶结液浓度可以提高抗压强度。但是当胶结液浓度过大时,菌液和胶结液在试样顶部迅速反应生成了致密的碳酸钙层,使得后面加入的菌液和胶结液难以透过碳酸钙层渗入到试样底部。碳酸钙层下面的砂颗粒由于缺少足够的胶结原料,致使砂颗粒间的空隙大部分没有被碳酸钙填充,砂样底部胶结效果差,因此胶结液的浓度不宜过大。

表4 9种工况抗压强度汇总

图9 立方体抗压试验

2.4 碳酸钙含量

试验中采用盐酸滴定法测试碳酸钙含量 。首先从9种工况压碎的试样中各取10 g样品,再研磨器中研磨成粉末,用去离子水反复冲洗若干次,放置烘箱烘干、称重W 。然后加入过量的盐酸至反应完全再无气泡产生。再次用去离子水反复冲洗,目的是洗去新生成的氯化钙。最后放入烘箱烘干、称重W 。两次称重的质量差即为碳酸钙的质量。9种工况每10 g样品中碳酸钙的含量如表5所列。

表5 9种工况每10 g样品中碳酸钙含量

图10中所示的趋势是碳酸钙含量在逐渐升高。试验编号1—9对应工况a—i,通过趋势图可以看出工况a、b、c的碳酸钙含量百分比较为接近,工况d、e、f的碳酸钙含量百分比较为接近,说明胶结液浓度是影响碳酸钙含量的主要因素。而相同浓度下的工况g、h、i的碳酸钙含量却有明显的上升趋势,这是因为在低浓度的工况下,胶结液和菌液一部分发生反应,还有一部分缓慢的渗流出去,而在高浓度条件下,微生物矿化反应全部发生在试样表层形成致密的碳酸钙层,导致后面加入的反应液无法自然下渗,只能全部在碳酸钙层上面反应,导致碳酸钙量逐渐积累增多,所以图中工况g、h、i的碳酸钙含量会有明显的上升趋势。

图10 九种工况碳酸钙含量趋势

2.5 扫描电镜(SEM)结果

试验中从每一个胶结好的试样上取出一小部分砂颗粒,用去离子水和酒精缓慢冲洗,以去除杂质的影响。烘干,取出一小块砂颗粒喷金处理,采用德国蔡司公司生产的LEO1530VP型场发射扫描电子显微镜观察样品外观。

图11(a)至图11(f)表现出来的形貌以正六面体为主,单晶、孪晶和其聚集体,且粒径大小均匀;图11(g)至图11(i)呈现的形貌主要是片状的斜六方晶格 。这主要是由于方解石晶体在其生长过程中所处的环境不同造成的。VAN PAASSEN等 研究发现,微生物诱导生成碳酸钙晶体的类型主要与尿素水解的速率有关。相同菌液浓度的情况下,尿素浓度越高,水解速率越快;但是过高钙离子浓度会抑制脲酶的活性,降低尿素水解速率。当尿素水解速率较快时,形成的主要是球霰石和无定型碳酸钙;当尿素水解速率较慢时,形成的多为方解石。同时,覆膜过程中还发现了碳酸钙晶体出现分层现象,当内部砂粒孔隙里是方解石时,外部包裹的是球霰石,如图12所示。并且还观察到了细菌在MICP过程中留下的痕迹,如图13所示。

图11 9种工况下的SEM图

图12 球霰石形貌

图13 细菌附着在方解石晶体上

2.6 X射线衍射(XRD)结果

根据9种工况的扫描电镜图,可以将碳酸钙晶体的形态大致分成三种:正六面体、纺锤体、球体。选择这三种典型的晶体形态,用X射线衍射仪进行物相分析,将得到的结果如图14所示。对于E1谱图在2θ=20.88°、26.66°、50.14°、54.88°、68.16°等位置附近出现特征衍射强峰。对照ASTMNo.86-2334卡片可知,裂缝中形成的碳酸钙晶体以方解石形式存在。对于E2谱图在2θ=20.94°、26.72°、36.62°、42.5°、50.2°等位置附近出现特征衍射强峰。对照卡片可知,裂缝中形成的碳酸钙晶体以方解石形式存在。对于E3谱图在2θ=20.88°、26.62°、29.38°、42.4°等位置附近出现特征衍射强峰。对照卡片可知,裂缝中形成的碳酸钙晶体以方解石形式存在 。

图14 XRD物相分析

(1)相同胶结液浓度的情况下,胶结时间越长,排出液体中钙离子浓度越小,钙离子利用率越高。随着时间的增长,排出液体中钙离子浓度最后会越来越小,直至趋于稳定。此外,相同胶结时间的情况下,胶结液浓度越大的钙离子利用率越高。

(2)胶结液浓度相同时,胶结时间越长,覆膜渗透系数越小,但是同一个胶结浓度对应的渗透系数都处于同一个数量级;胶结时间相同时,胶结液浓度越大的覆膜渗透系数越小。胶结液的浓度是影响覆膜效果的主要因素,胶结时间的影响次之。

(3)胶结液浓度是影响覆膜抗折强度的主要因素,相同浓度下的胶结时间越长,对应的抗折强度值越大。在低浓度时,胶结时间的长短对于抗折强度的影响较明显,但是随着胶结液浓度的增大,胶结时间对于抗折强度的影响作用逐渐减弱。

(4)相同浓度下的胶结时间越长,试样能承受的抗压强度越大,适当的增大胶结液浓度可以提高抗压强度。但是当胶结液浓度过大时,菌液和胶结液在试样顶部迅速反应生成了致密的碳酸钙层,使得后面加入的菌液和胶结液难以透过碳酸钙层渗入到试样底部。碳酸钙层下面的砂颗粒由于缺少足够的胶结原料,致使砂颗粒间的空隙大部分没有被碳酸钙填充,砂样底部胶结效果差,因此胶结液的浓度不宜过大。

(5)胶结液浓度是影响碳酸钙含量的主要因素,碳酸钙的含量提高有利于覆膜强度的增强,但是当胶结液浓度过高时,碳酸钙含量对于覆膜的强度无意义。

利用砂土进行覆膜防渗能力相当于粉土或者是砂与黏土混合物,相比较原始砂土防渗能力已经有了显著的提高。未来研究建议换用黏土重新进行覆膜试验,探究MICP技术对于黏土的改良效果。试验中采用的是小体积喷洒法进行覆膜试验,由于试验装置小,因此覆膜较为均匀。但是实际水利工程中都是大面积、大体积的情况,因此建议进行大面积、大体积的覆膜试验,深入研究均匀覆膜的方法,探究生物覆膜在大型水利工程中应用的可行性。

水利水电技术

水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。