粒径对微生物固化砂土抗风蚀扬尘能力的影响_白龙威.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202204072开放科学（资源服务）标识码（OSID）粒径对微生物固化砂土抗风蚀扬尘能力的影响白龙威1，李向东1，冯聪睿2，曾 承1，张敏霞2，赵晓帅2（1.深圳市市政工程总公司，广东深圳518131；2.河南理工大学土木工程学院，河南焦作454003）摘要：为探究颗粒粒径对微生物固化砂土抗风蚀能力的影响，选用 4 种不同粒径范围的土样，通过风洞试验以及表面强度、碳酸钙含量测定等试验，从宏观角度分析粒径对微生物固化砂土抗风蚀能力的影响；采用 SEM 扫描电镜观测，从微观角度对微生物固化砂土的作用机理进行研究。结果表明：颗粒粒径较小的土样，孔隙面积和孔喉直径较小，更易发挥碳酸钙晶体的填充和胶结作用，土体表面形成的固结层更加密实，抗风蚀能力更强且时效性更好。关键词：微生物固化；抗风蚀扬尘；颗粒粒径；风洞试验；微观结构中图分类号：TU472.99文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0083 06 0 引言微生物固化砂土是岩土工程领域新兴起的一种土体改良技术，相比传统施工工艺，该技术具有绿色、节能、易操作等优势1，常见的微生物固化过程有尿素水解过程2、反硝化过程3、硫还原过程4、铁还原过程5。其中，尿素水解过程由于机制简单、反应迅速且易控制，受到了众多学者的广泛关注。其基本机理为：微生物通过自身新陈代谢和呼吸作用与周围环境进行生物化学反应，生成碳酸钙晶体，利用其填塞与胶结作用，以提高土体强度、刚度和抗渗性6-8。微生物诱导生成碳酸钙沉淀的过程受自身以及环境因素影响较大，例如菌种类型9、菌液浓度10、环境温度11、pH 值12、胶结液中的钙源及钙离子浓度13-14等。目前微生物固化土体技术的研究，大多集中于环境因素对生成微生物固化土体强度的影响，而对于土体性质方面的影响和固化土样抗风蚀能力的研究略有提及。谭慧明等15研究发现微生物固化生成碳酸钙的反应速率在土体中会显著加快，但当土颗粒粒径减小到一定范围，碳酸钙沉淀所产生的封堵效果会使反应速率降低；梁仕华等16研究了在不同土颗粒粒径下纤维对微生物固化砂土强度影响，结果表明：当粒径为 0.250.50 mm时，纤维对固化砂土强度有增加效果，但在粒径为 0.080.25、0.501.00、1.002.00 mm 时，强度有所下降；崔明娟等17对比分析 3 种不同粒径范围的土样对微生物固化砂土强度的影响，研究发现颗粒粒径越小的土样，碳酸钙晶体填充越密实，无侧限抗压强度越大。现有研究主要针对粒径对微生物固化砂土的效果，在粒径对微生物固化砂土抗风蚀扬尘能力和风蚀前后微生物固化土的物理特性研究相对较少。裸土风蚀扬尘是空气颗粒物污染的主要来源之一，利用微生物固化裸土的方法，使土样表面形成固结层，提高其抗风蚀扬尘的能力，减少工程在现场施工时尘土对环境的污染18。本文首先对 4 种粒径不同范围的土样进行微生物固化试验，然后进行风洞试验和 EDTA 滴定试验，得到不同粒径固化土样的碳酸钙含量和风洞试验前后质量损失、表面强度差。通过对试验结果进行对比分析，探究颗粒粒径对微生物固化砂土抗风蚀能力的影响。1 材料与方法 1.1 试验用菌及活性测定试验菌种为巴氏芽孢杆菌，以冻干粉的状态存于真空安瓿瓶中。采用固体培养基进行菌种活化，微生物培养基成分，见表1。所配置的培养基用1 mol/L氢氧化钠将溶液 pH 值调至 9，单一成分灭菌后，取 0.5 ml 培养液，滴入安瓿瓶中，轻轻振荡，使冻干粉溶解成悬浮液。用平板划线法接种少量悬浮液至固体培养基中，放于 30 的恒温环境下进行培养，直至固体培养基中长出乳白色菌落，即代表 收稿日期：2022 06 13基金项目：国家自然科学基金项目（51580166）；河南理工大学骨干教师项目：采动区桩基沉降特性研究作者简介：白龙威（1981），男，广东深圳人。高级工程师，主要从事道路与桥梁、建筑工程环境等方面的工作。E-mail：。白龙威，等：粒径对微生物固化砂土抗风蚀扬尘能力的影响 83 微生物活化成功。活化后的细菌接种到液体培养基，在温度为 30，转速为 200 r/min 的培养箱中培养 24 小时，直至液体培养基出现浑浊，证明微生物菌液培养成功。表1微生物培养基成分成分酵母浸出粉/(gL1)氯化铵/(gL1)硫酸锰/(mgL1)氯化镍/(mgL1)琼脂/(gL1)液体培养基20101024固体培养基2010102415 微生物的生长状态和活性对微生物固化砂土效果的影响较大，采用两种仪器对微生物生长状态和活性进行测定，以控制菌液因素对试验影响19-20。采用721G 型可见分光光度计测定菌液在波长600 nm时的光密度值 OD600，即测定菌液的透光度，进行公式换算得菌液中细胞数量，测定微生物生长状态。将 2 ml 菌液与 18 ml 的 1.1 mol/L 尿素混合，使用电导率仪测量菌液每分钟电导率的变化，其原理是利用碳酸根离子和氢氧根离子的导电率来表示尿素的水解量，从而反映菌液中微生物的活性。1.2 试验用土及试样制备采用河南省焦作市山阳区河砂作为试验用土，分别用不同孔径的圆孔套筛，将砂土筛分为 4 种不同 粒 径 范 围 的 土 样，分 别 为 2.50 1.25 mm（A 组），1.250.60 mm（B 组），0.600.30 mm（C 组）和 0.300 mm（D 组）。试验所用各土样物理参数，见表 2。表2试验所用各土样物理参数土样编号粒径范围/mm比重干密度/（gcm3）孔隙比e最小最大控制A2.501.252.521.331.471.370.84B1.250.602.421.351.451.370.76C0.600.302.291.291.401.370.67D0.3002.221.191.401.370.62 无顶有机玻璃箱长 400 mm、宽 250 mm、高150 mm，可直接观察微生物固结过程中溶液的入渗情况及固结效果。砂土试样制备过程采用控制干密度法将试验用土装满模型箱，见图 1。图1试验制备的试样 箱顶表面铺平，试样表土面积 0.1 m2，不同粒径各制备 3 组试样。采用喷洒法对土样表面进行微生物固结处理21，每次喷洒的菌液量和胶结液量分别为 100 ml 和 200 ml，室温下进行养护，喷洒时间间隔1 天，共进行3 轮喷洒，胶结液浓度为1 mol/L。1.3 风蚀前后质量损失测定风速是裸土扬尘的重要影响因素之一，采用小型风洞试验机，见图 2。设置不同风速进行风洞试验。起动风速一般 47 m/s，北方地区为我国裸土风蚀扬尘主要释放源区，该区出现 8 级以上风速的天数较少，试验设计 6、9、12、15 m/s 四个等级风速，分别对应 47 级风，每级风速下试验持续时间 10 分钟。记录试验前后试样的质量，质量差即代表试样在该级风蚀前后的质量损失，反映不同粒径对微生物固化砂土抗风蚀能力的影响。试验段进风口800750放样窗h=300风速仪蜂窝器h=400出风口图2试验用风洞试验机（单位：mm）1.4 试样表面强度及碳酸钙含量的测定试样表面强度是表征试样抗风蚀能力的一个重要指标。表面强度测试，见图 3。图3表面强度测试 在试样进行风蚀前后采用 WXGR-2 型微型贯入仪对土样测定，测量时将测头慢速贯入土内至测头上刻度线与土面接触为止，单个试样在表面取3 个点进行测定，测定数据取均值进行面积单位换算，求得土样在单位面积上的表面强度。通过试样风蚀前后试样表面强度差判断试样的稳定性及耐久性。试验采用土工试验方法标准（GB/T 501232019）中 EDTA 滴定法测定微生物固结试样中碳酸钙含量，此方法利用溶液中钙离子浓度差值进而换算碳酸钙的含量，见图 4。取微生物固结试样表土，先溶于蒸馏水中静止 30 分钟，再取上清液进行洗酸处理，为排除胶结液中未反应钙离子的影响，在洗酸处理前后分别对溶液进行 EDTA-2Na滴定，由滴定溶液的体积进行换算，得出洗酸处理前后溶液中钙离子浓度的差值，以测定微生物固化生成碳酸钙的质量。路基工程 84 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）（a）滴定起始时紫红色（b）滴定终点时蓝色图4EDTA 滴定法测定碳酸钙含量 2 结果与分析 2.1 微生物菌液生长及活性曲线首先对微生物菌液的生长和活性进行测定，菌液活性（细菌浓度）随时间变化曲线，见图 5。0123456789培养时间/h延迟期对数期稳定期衰亡期248.527727.30368.313102030405060708070.232细菌浓度OD600图5菌液活性随时间变化曲线 不同时间段内细菌浓度（OD600）的差别，根据浓度可以将细菌的生长大致分为 4 个时期：延迟期（07 小时）、对数期（724 小时）、稳定期（2436 小时）、衰亡期（36 小时后）。其中，在对数期菌液浓度达到最大值（OD600=8.527），细菌数量在这一时期呈几何级数增长，在稳定期细菌的生长与死亡数量基本相等，此时菌液浓度处于动态平衡状态，即稳定状态。细菌生长曲线，见图 6。1020304050607080024681012141618202224生长时间/h细菌活性/（mscm1min1）图6细菌生长曲线随着菌液浓度的增加，细菌活性也逐渐增长，细菌活性变化曲线与细菌生长变化曲线从时间的角度来看具有高度一致性。菌液培养时间不足 24 小时时，即细菌处于延迟期和对数期，此时微生物的活性极不稳定，菌液浓度也在大幅变化着，所以延迟期和对数期的菌液不宜用于微生物固结试验；当菌液培养超过 36 小时后，即细菌生长进入衰亡期，细菌数量减少，活力不足，导致尿素水解效率下降，从而影响试验效果，故培养时间超过 36 小时的菌液也不宜用于微生物固结试验。本试验采用培养时间为 24 小时左右，并将细菌浓度（OD600）稀释至 4.0 的菌液。2.2 风蚀前后质量损失土样 AD 组在各级风速下的质量损失，见图 7。69121505101520ABCD风蚀前后质量损失/g风速/（ms1）图7微生物固结不同粒径土样风蚀前后质量损失 土样的起动风速随颗粒粒径的增大而增大，A 组在风速为 6、9、12 m/s 时均不产生质量损失，到最大风速 15 m/s 时才产生了 19 g 的质量损失，即 A 组起动风速为 15 m/s；D 组在风速为 6 m/s时就产生了 3 g 的质量损失，即 D 组的起动风速为 6 m/s，随着风速的增加，损失的质量也逐级递加，每增加一级风速土体的质量损失就增加 5 g 左右；B 组、C 组的起动风速分别是 9、12 m/s，质量损失同 D 组一样随着风速的增大而增加。由此可见：试样粒径逐渐增大时，固结试样的起动风速逐渐增大，但在最大风速 15 m/s 时，4 种不同粒径范围的土样质量总损失都在 20 g 以下，导致这种现象的主要原因是试样固结效果存在差异及土颗粒自身重力大小影响。粒径较小的土样虽起动风速较小，但在经历了风速分别为 6、9、12、15 m/s的风洞循环后质量损失与粒径较大的土样相差不大，可见微生物在粒径较小的土样表面固化所形成的固结层致密性良好，使其抗风蚀能力大幅提升；粒径较大的土样虽起动风速较大，但总体质量损失与粒径较小的土样相差不大，究其原因：粒径较大的土颗粒自身重力较大，再加上微生物固结生成的碳酸钙晶体附着于土颗粒表面，使其体积增大，从而提高土样的抗风蚀扬尘能力。2.3 风蚀前后表面强度微生物诱导碳酸钙沉积在土体表面而形成的固结层，其强度是土体抗风蚀扬尘能力的关键因素之一。不同粒径微生物固结试样表面强度对比，见图8。白龙威，等：粒径对微生物固化砂土抗风蚀扬尘能力的影响 85 ABCD050100150200250300微生物固结试样风蚀前风蚀后表面强度/kPa图8不同粒径微生物固结试样表面强度对比 随着 A、B、C、D 试样颗粒逐渐减小，微生物固化后其表面强度分别为 67、86、195、208 kPa，即试验土样粒径越小，微生物固化后表面强度