基于最优含水率的红层泥岩微生物改良材料优化研究.pdf

收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 1基金项目:国家自然科学基金重点项目(U 2 0 3 4 2 0 3,U 2 2 A 2 0 6 0 0)通信作者:邓华锋(1 9 7 9-),男,教授,博士,主要从事岩石力学相关的教学与科研工作.E-m a i l:d h f 8 0 1 0c t g u.e d u.c nD O I:1 0.1 3 3 9 3/j.c n k i.i s s n.1 6 7 2-9 4 8 X.2 0 2 3.0 4.0 1 0引用格式:程雷,邓华锋,肖瑶,等.基于最优含水率的红层泥岩微生物改良材料优化研究 J.三峡大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 5(4):6 1-6 6.基于最优含水率的红层泥岩微生物改良材料优化研究 程 雷1,2 邓华锋1,2 肖 瑶1,2 熊 雨1,2 黄小芸1,2 朱文羲1,2(1.三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学),湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2;2.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2)摘要:在采用拌合法对红层泥岩路基垫层材料进行微生物改良处理时,一般要受到土体最优含水率的限制,改良用的菌液、胶结液等材料总量是一定的,相关材料的配比和浓度直接影响改良处理效果.基于此,论文考虑胶菌比、胶结液浓度、菌液浓度等主要影响因素,以碳酸钙沉积量作为评价指标,分别设计进行了单因素试验和响应面试验,研究结果显示:在单因素试验过程中,胶菌比、胶结液浓度、菌液浓度对碳酸钙沉积量均具有明显影响,存在优化的区间范围;通过响应面试验分析确定了最优含水率下微生物最优材料配比,胶菌比4.1 61、胶结液浓度3.2 1m o l/L、菌液浓度O D6 0 0=1.7 8;在优化方案下,红层泥岩垫层材料微生物拌合法改良处理后,碳酸钙沉积量可达到4.7 7%,无侧限抗压强度达到了0.3 6MP a,能较好地满足工程需求.相关研究成果可为土体的微生物改良处理提供参考.关键词:红层泥岩;最优含水率;拌合法;碳酸钙沉积量;响应面中图分类号:TU 4 4 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-9 4 8 X(2 0 2 3)0 4-0 0 6 1-0 6R e s e a r c h o n O p t i m i z a t i o n o f M i c r o b i o l o g i c a l I m p r o v e m e n t M a t e r i a l s f o r R e d M u d s t o n e B a s e d o n O p t i m a l W a t e r C o n t e n tCHE NG L e i1,2 D E N G H u a f e n g1,2 X I AO Y a o1,2X I ONG Y u1,2 HUAN G X i a o y u n1,2 Z HU W e n x i1,2(1.K e y L a b o r a t o r y o f G e o l o g i c a l H a z a r d s o n T h r e e G o r g e s R e s e r v o i r A r e a,M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.,Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2,C h i n a;2.C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g&A r c h i t e c t u r e,C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.,Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t Wh e n t h e m i x i n g m e t h o d i s u s e d t o c a r r y o u t m i c r o b i a l i m p r o v e m e n t t r e a t m e n t o n s u b g r a d e o f r e d-b e d m u d s t o n e,i t i s g e n e r a l l y l i m i t e d b y t h e o p t i m a l w a t e r c o n t e n t o f s o i l.W i t h a c o n s t a n t a m o u n t o f t h e b a c t e r i a l i q u i d a n d c e m e n t i n g l i q u i d u s e d f o r i m p r o v e m e n t,t h e r a t i o a n d c o n c e n t r a t i o n o f r e l a t e d m a t e r i a l s d i r e c t l y a f f e c t t h e i m p r o v e m e n t t r e a t m e n t e f f e c t.I n t h i s p a p e r,t h e m a i n i n f l u e n c i n g f a c t o r s s u c h a s t h e r a t i o o f c e m e n t i n g f l u i d t o b a c t e r i a l f l u i d,t h e c o n c e n t r a t i o n o f c e m e n t i n g f l u i d a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f b a c t e r i a l f l u i d a r e c o n s i d e r e d,a n d t h e a m o u n t o f c a l c i u m c a r b o n a t e d e p o s i t i o n i s s e l e c t e d a s t h e e v a l u a t i o n i n d e x t o d e s i g n a n d c a r r y o u t t h e s i n g l e f a c t o r t e s t a n d r e s p o n s e s u r f a c e t e s t r e s p e c t i v e l y.T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t:I n t h e p r o c e s s o f s i n g l e f a c t o r t e s t,r a t i o o f c e m e n t i n g f l u i d t o b a c t e r i a l f l u i d,t h e c o n c e n t r a t i o n o f c e m e n t i n g f l u i d a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f b a c t e r i a l f l u i d a l l h a v e s i g n i f i c a n t e f f e c t s o n t h e a m o u n t o f c a l c i u m c a r b o n a t e d e p o s i t i o n,a n d t h e r e i s a n o p t i m a l r a n g e;T h e o p t i m a l r a t i o o f m i c r o b i a l m a t e r i a l s u n d e r t h e 第4 5卷 第4期2 0 2 3年8月三峡大学学报(自然科学版)J o f C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.(N a t u r a l S c i e n c e s)V o l.4 5 N o.4A u g.2 0 2 3c o n d i t i o n o f o p t i m a l w a t e r c o n t e n t i s d e t e r m i n e d b y r e s p o n s e s u r f a c e a n a l y s i s.T h e r a t i o o f c e m e n t i n g f l u i d t o b a c t e r i a l f l u i d i s 4.1 61,t h e c o n c e n t r a t i o n o f c e m e n t l i q u i d i s 3.2 1 m o l/L,a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f b a c t e r i a l l i q u i d O D6 0 0 i s 1.7 8.(3)U n d e r t h e o p t i m a l s c h e m e,t h e a m o u n t o f c a l c i u m c a r b o n a t e d e p o s i t i o n c a n r e a c h 4.7 7%a n d t h e u n c o n f i n e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h c a n r e a c h 0.3 6 MP a a f t e r t h e i m p r o v e d t r e a t m e n t o f t h e r e d m u d s t o n e c u s h i o n m a t e r i a l w i t h m i c r o b i a l m i x i n g m e t h o d,w h i c h b e t t e r m e e t s t h e e n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t s.T h e r e s e a r c h r e s u l t s c a n p r o v i d e a g o o d r e f e r e n c e f o r s o i l m i c r o b i a l i m p r o v e m e n t t r e a t m e n t.K e y w o r d s r e d-b e d m u d s t o n e;o p t i m a l w a t e r c o n t e n t;m i x m e t h o d;t h e a m o u n t o f c a l c i u m c a r b o n a t e d e p o s i t i o n;r e s p o n s e s u r f a c e 微生物沉积碳酸盐现象在自然界中普遍存在,近年来,基于微生物诱导碳酸盐沉淀(m i c r o b i a l l y i n-d u c e d c a l c i t e p r e c i p i t a t i o n,M I C P)的土体固化技术在岩土方面应用较广,该技术绿色、生态、可持续,具有良好的工程应用前景1-6.在岩土体和混凝土结构微生物加固中,常用的方法主要有灌浆法、浸泡法等,并在砂土加固7-9、水泥基材改性1 0-1 2、混凝土裂缝修复1 3-1 5等方面展现了较好的加固效果.然而,由于施工流程限制,这些方法在软弱地基土加固、路基填筑材料改良处理中存在困难.基于此,根据实际施工过程,有的学者尝试在砂土加固中采用微生物拌合法,并取得了一定的成效,马瑞男等1 6拌合加固钙质砂使其渗透系数降低了12个数量级,J i a n g等1 7采用拌和法处理砂砾土,土体的抗渗流侵蚀能力明显提升,沈吉云等1 8采用拌和法在石英砂中形成了部分胶结,X i a o等1 9采用拌合法加固软黏土,其无侧限抗压强度达到了4 3.3 1k P a.这些研究为推广微生物技术在岩土工程领域的应用提供了较好的思路,但相关的处理流程还需要进一步的优化提升.例如,将微生物技术应用于路基填筑材料改良,除了要考虑改良效果,还要考虑施工流程以及土体最优含水率问题,浸泡法已经不能适用,拌和法是一种可选的方法,但在最优含水率条件下,所能使用的菌液、胶结液的量是有限制的.因此,为了达到较好的改良效果,亟需进一步优化各微生物改良材料的浓度及配比,以提升碳酸钙沉积量.基于此,论文针对典型红层泥岩路基换填材料微生物改良,在最优含水率条件下,考虑菌液浓度、胶结液浓度以及胶菌比三个因素,通过单因素试验和响应面试验,研究确定适合于红层泥岩微生物拌合法改良的优化材料参数.1 红层泥岩基本物理力学性能试验所用土样为红层泥岩开挖料,取自郑万高铁巴东段,土样及颗粒分布曲线如图1所示,最大干密度为2.0 7g/c m3,最优含水率 为1 0.8 7%,液限为1 8.2 3%,塑限为4.2 3%.根据规范要求2 0,属于D组填料,高铁路基基床垫层通常采用的是A、B组填料以及改良土,因此,需要对红层泥岩开挖料进行改良处理后使用2 1.图1 红层泥岩开挖料颗粒分布曲线2 试验材料及方案2.1 M I C P材料采用自主提取的蜡样芽孢杆菌(B a c i l l u s c e r e u s)作为M I C P矿化菌种,该菌种在以往研究2 2中展现出较好的固化效果,参考以往经验,菌种培养采用NA-尿素培养基,其成分由3g/L牛肉膏、1 0g/L蛋白胨、5 g/L氯化钠、6 0.0 6 g/L尿素组成.胶结液采用氯化钙和尿素等浓度等体积混合溶液,作为M I C P反应所需的氮源以及钙源.2.2 试验方案基于微生物拌合法的工艺流程,待改良土体的最优含水率直接决定了拌入土体中M I C P改良材料的总量.根据以往的研究2 3,菌液、胶结液的浓度及配比直接影响M I C P过程中碳酸钙的沉积量.受限于土体最优含水率,菌液和胶结液的总体积是恒定不变的,那么两者本身的浓度及之间的比例肯定存在一个最优关系.结合本文红层泥岩路基基床垫层改良处理的要求,选取胶菌比(胶结液与菌液的体积比)、胶结液浓度、菌液浓度O D6 0 0等3个因素进行分析.根据26三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年8月以往的研究经验2 4,为了优化试验流程,首先开展单因素的试验分析,确定各因素的优化范围,然后开展多因素响应面试验,进一步确定优化的参数,见表1.表1 单因素试验方案试验组AB/(m o lL-1)C111,21,31,41,51,61,71,811.01.02110.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.01.03111.00.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0 注:A为胶菌比,B为胶结液浓度,C为菌液浓度O D6 0 0.在各组试验方案中,主要以碳酸钙沉积量作为对比指标,具体流程为:(1)按照试验方案制备不同试验组所需的胶结液和菌液;(2)在小试管(容量5 0m L)中按比例加入预定量的菌液、胶结液摇匀,如图2所示(每组方案中菌液、胶结液的总体积恒定4 0m L);(3)将各组试管放入试管架中静置反应7d;(4)滤去多余水分后,置于6 0烘干至恒重,称其质量.图2 典型M I C P小试管胶结图3 微生物固化材料优化分析3.1 单因素试验结果分析图35分别显示了不同胶菌比、胶结液浓度、菌液浓度下O D6 0 0的碳酸钙沉积量.图3 不同胶菌比碳酸钙沉积量柱状图图4 不同胶结液浓度碳酸钙沉积量柱状图图5 不同菌液浓度O D6 0 0下碳酸钙沉积量柱状图由图35可知:碳酸钙沉积量随胶菌比呈现出先增加后减小的趋势,在胶菌比41时达到最大,为4.4 8 g;随胶结液浓度的增大,碳酸钙沉积量也呈现先增加后减小的趋势,当胶结液浓度为3m o l/L时,碳酸钙沉积量达到最大,为6.3 9g;随着菌液浓度O D6 0 0值的提高,碳酸钙沉积量呈现总体一致的变化趋势,当菌液浓度O D6 0 0值提高到1.6时,碳酸钙沉积量达到最大,为3.0 1 g.总体来看,在总量已定的情况下,菌液和胶结液存在一个优化的比例,而且,胶结液和菌液浓度均存在一个上限,过高的胶结液浓度会抑制微生物的活性,过高的菌液浓度也会降低单个细菌的成矿能力,导致产钙量降低,这与以往研究得到的总体趋势是一致的2 3.3.2 基于响应面法的优化分析上述单因素试验结果确定了对应条件下的优化参数,为进一步得到各因素交互作用下的最优值,采用三因素不同设计方案进行响应面分析试验,见表2.共设置1 7个试验组,重复试验5次,用于试验误差估计,响应面试验结果见表3.表2 响应面因素分析设计表方案因素A B/(m o lL-1)C1312.01.42413.01.63514.01.836第4 5卷 第4期 程雷,等 基于最优含水率的红层泥岩微生物改良材料优化研究 表3 响应面试验结果试验组AB/(m o lL-1)CY/g13121.67.9 525121.69.8 233141.61 0.8 145141.61 1.9 853131.41 1.4 865131.41 2.8 773131.81 1.9 685131.81 4.9 794121.41 0.0 81 04141.41 3.8 91 14121.81 0.7 11 24141.81 4.2 31 34131.61 7.1 11 44131.61 6.7 91 54131.61 6.8 91 64131.61 6.4 81 74131.61 7.0 8 试验以胶菌比A、胶结液浓度B以及菌液浓度O D6 0 0值C为试验因素,以碳酸钙沉积量Y为响应值,各因素两两之间交互作用项A B、A C、B C的响应面如图6所示.图6 碳酸钙沉积量各影响因素响应面图从图6中可以看出:1)A B交互关系图显示,随着胶菌比和胶结液浓度的变化,碳酸钙沉积量的变化不断增加,当各因素变化到一定值时碳酸钙沉积量达到最高,继续变化时碳酸钙沉积量反而降低,说明胶菌比和胶结液浓度两者交互作用下存在梯度优化;同理分析A C以及B C交互关系图,可知A、B以及C两两之间有着相似的规律.2)A和B交互关系的等高线图呈明显椭圆分布,说明A B交互关系较为明显,纵坐标的等高线相比于横坐标更为密集,这说明B相较于A对Y的影响作用更大;同理分析A C和B C等高线图,可知对于Y的影响作用,AC,BC.综合上述分析可知,各影响因素对于碳酸钙沉积量的影响程度为:BAC.3.3 回归模型建立以及显著性检验根据表3试验结果,参考以往的研究经验2 4,采用D e s i g n E x p e r t 8.0软件对响应面试验结果进行多元二次回归拟合分析,得到碳酸钙沉积量的预测模型为:Y=-3.0 6 8 7 5A2-3.6 6 1 2 5B2-2 4.5 3 1 2 5C2-0.1 7 5A B+2.0 2 5A C-0.3 6 2 5B C+2 2.7 6 5A+2 4.7 9 1 2 5B+7 3.7 0 6 2 5C-1 3 0.7 6 2 5 针对碳酸钙沉积量Y的数学模型进行方差分析和回归系数的显著性检验,见表4.表4 回归模型的方差分析和回归系数的显著性检验方差来源平方差自由度FP模型1 3 7.4 9 0 097 2.1 2 0 00.0 0 0 1A6.9 2 0 013 2.6 6 0 00.0 0 0 7B1 9.0 7 0 019 0.0 0 0 00.0 0 0 1C1.5 8 0 017.4 4 0 00.0 2 9 5A B0.1 2 2 510.5 7 8 30.4 7 1 8A C0.6 5 6 113.1 0 0 00.1 2 1 8B C0.0 2 1 010.0 9 9 30.7 6 1 9A23 9.6 5 0 011 8 7.1 8 0 00.0 0 0 1B25 6.4 4 0 012 6 6.4 4 0 0F0.0 5(3,9)=3.8 6 3,表明模型在9 5%水平下是非常显著的,同时P值胶菌比(A)菌液浓度(C),以碳酸钙沉积量为响应指标建立了数学预测模型,确定了最优含水率下,红层泥岩微生物改良材料的优化配比,胶菌比、胶结液 浓 度 和 菌 液 浓 度O D6 0 0值 分 别 为4.1 61、3.2 1m o l/L和1.7 8,显著性检验表明模型合理可信.3)按照优化后的方案进行了红层泥岩微生物拌合法改良处理,碳酸钙沉积量可以达到4.7 7%,无侧限抗压强度达到了0.3 6MP a,相比于素土提升了一倍,说明试样密实性以及抗压性能均得到提升,较好地满足了路基垫层材料改良的要求;同时电镜扫描分56第4 5卷 第4期 程雷,等 基于最优含水率的红层泥岩微生物改良材料优化研究 析结果显示,微生物诱导生成的碳酸钙沉淀与土颗粒成络状分布,相互之间堆积嵌固,较好地改善了土体结构和胶结强度.参考文献:1 何稼,楚剑,刘汉龙,等.微生物岩土技术的研究进展J.岩土工程学报,2 0 1 6,3 8(4):6 4 3-6 5 3.2 钱春香,王欣,於孝牛.微生物水泥研究与应用进展J.材料工程,2 0 1 5,4 3(8):9 2-1 0 3.3 肖海,胡欢,吕广柳,等.微生物诱导碳酸钙沉淀影响因素研 究 进 展 分 析 J.三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版),2 0 2 2,4 4(6):6 6-7 5.4 朱效博,赵志峰.利用微生物矿化技术加固粉土试验研究J.三峡大学学报(自然科学版),2 0 2 1,4 3(5):6 9-7 3.5 CHU J,S T A B N I KOV V,I VANOV V.M i c r o b i a l l y i n-d u c e d c a l c i u m c a r b o n a t e p r e c i p i t a t i o n o n s u r f a c e o r i n t h e b u l k o f s o i lJ.G e o m i c r o b i o l o g y j o u r n a l,2 0 1 2,2 9(6):5 4 4-5 4 9.6 李驰,田蕾,董彩环,等.M I C P技术联合多孔硅吸附材料对锌铅复合污染土固化/稳定化修复的试验研究J.岩土力学,2 0 2 2,4 3(2):3 0 7-3 1 6.7 董博文,刘士雨,俞缙,等.靶向激活产脲酶微生物加固钙质砂试验研究J.岩土工程学报,2 0 2 1,4 3(7):1 3 1 5-1 3 2 1.8 郑俊杰,宋杨,赖汉江,等.微生物固化纤维加筋砂土抗剪强度试验研究J.土木与环境工程学报(中英文),2 0 1 9,4 1(1):1 5-2 1.9 肖瑶,邓华锋,李建林,等.海水环境下巴氏芽孢杆菌驯化及钙质砂固化效果研究J.岩土力学,2 0 2 2,4 3(2):3 9 5-4 0 4.1 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P)f o r i n t e r n a l e r o s i o n c o n t r o l i n g r a v e l-s a n d m i x t u r e sJ.G o t e c h n i q u e,2 0 1 7,6 7(1):4 2-5 5.1 8沈吉云.微生物成因土工材料实验及应用研究D.北京:清华大学,2 0 0 9.1 9X I AO J Z,WE I Y Q,C A I H,e t a l.M i c r o b i a l-i n d u c e d c a r b o n a t e p r e c i p i t a t i o n f o r s t r e n g t h e n i n g s o f t c l a yJ.A d v a n c e s i n m a t e r i a l s s c i e n c e a n d e n g i n e e r i n g,2 0 2 0,2 0 2 0:1-1 1.2 0中华人民共和国铁道部.T B 1 0 6 2 12 0 0 9 高速铁路设计规范S.北京:中国铁道出版社,2 0 0 9.2 1郭建湖.软岩填筑高速铁路路基的适用性探讨J.铁道工程学报,2 0 1 4,3 1(6):1 3-1 7.2 2程雷,肖瑶,邓华锋,等.一株本源产脲酶细菌的分离培养及其在裂隙岩体加固中的应用J.岩土力学,2 0 2 2,4 3(S 2):3 0 7-3 1 4.2 3尹黎阳,唐朝生,谢约翰,等.微生物矿化作用改善岩土材料性能的影响因素J.岩土力学,2 0 1 9,4 0(7):2 5 2 5-2 5 4 6.2 4张涛麟,耿汉生,许宏发,等.钙质砂注浆加固材料制备及固结体性能试验研究J.岩土力学,2 0 2 2,4 3(S 2):3 2 7-3 3 6.2 5WH I F F I N V S,VAN P AA S S E N L A,HA R K E S M P.M i c r o b i a l c a r b o n a t e p r e c i p i t a t i o n a s a s o i l i m p r o v e m e n t t e c h n i q u e J.G e o m i c r o b i o l o g y j o u r n a l,2 0 0 7,2 4(5):4 1 7-4 2 3.2 6唐朝生,泮晓华,吕超,等.微生物地质工程技术及其应用J.高校地质学报,2 0 2 1,2 7(6):6 2 5-6 5 4.2 7CHU J,I VANOV V,NA E I M I M,e t a l.O p t i m i z a t i o n o f c a l c i u m-b a s e d b i o c l o g g i n g a n d b i o c e m e n t a t i o n o f s a n dJ.A c t a g e o t e c h n i c a,2 0 1 4,9(2):2 7 7-2 8 5.责任编辑 马建平66三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年8月