本文摘要：微生物巖土技術被廣泛應用于巖土材料的改良和加固[1-2]，其中，利用微生物誘導碳酸鈣沉淀(MICP)加固鈣質砂已經取得良好的效果[3]。但傳統MICP過程中，副產物NH+4難以回收，大面積應用時會對環境產生嚴重威脅。為了消除NH+4的不利影響，可對MICP技術進行改進
微生物巖土技術被廣泛應用于巖土材料的改良和加固[1-2]，其中，利用微生物誘導碳酸鈣沉淀(MICP)加固鈣質砂已經取得良好的效果[3]。但傳統MICP過程中，副產物NH+4難以回收，大面積應用時會對環境產生嚴重威脅。為了消除NH+4的不利影響，可對MICP技術進行改進，使NH+4反應生成鳥糞石(MAP)，以此作為礦化產物進行鈣質砂的礦化處理，達到加固鈣質砂的目的。鑒于此，筆者研究了模擬海水環境下微生物誘導MAP沉淀(MISP)加固鈣質砂的效果及其影響因素。為最大限度消除NH+4的不利影響，必須提高MAP的產率，回收多余的NH+4。
MAP沉淀的產率主要受pH值和N、P、Mg比例的調控。為保證MAP的產率，將反應體系的pH值控制在8.5～9.0。在既有研究基礎上[4-5]，設置9個N∶P∶Mg物質的量比例不同的試驗組，控制N的物質的量比值為1，P的比值分別為1、1.5、2，Mg的比值為2、2.5、3。每個試驗組按比例配置50mL溶液，包括48mL尿素(2mmol)、K2HPO4、MgCl2的混合溶液和2.0mLOD600值為1.7的巴氏芽孢桿菌菌液，培養礦化7d后收集全部沉淀物，沖洗、烘干。
2-C組(N∶P∶Mg=1∶2∶2.5)的沉淀質量最高且沉淀物為純凈的MAP，沒有出現其他副產物，而其他試驗組中檢測到磷酸鎂和碳酸鎂的吸收峰，還有一些非晶體物質，這不利于NH+4的最大化去除。因此，將N、P、Mg的比例設置為1∶2∶2.5，并以此作為后續鈣質砂加固試驗N、P、Mg的最佳比例。
在N、P、Mg的最佳比例下，進行模擬海水環境下鈣質砂加固試驗。南海海水的平均鹽度為3.5%，因此，在處理溶液中添加0.6mol/L的NaCl模擬海水鹽度，并與不添加NaCl的試驗組對比分析。采用蠕動泵在鈣質砂砂柱中先注入55mL(1.5PV)的A液(巴氏芽孢桿菌菌液和NaCl、K2HPO4溶液)，再注入55mLB液(MgCl2和NaCl、尿素溶液)，注漿速率為1mL/min，靜置24h，為一個輪次。每個試驗組設置3個平行試樣，分別進行3、4、5、6輪次的礦化處理。礦化完成后，經過沖洗、烘干、拆模，得到膠結完好的砂柱。
砂柱表面幾乎全部覆蓋白色的MAP，顆粒之間的孔隙也都被MAP填補;對砂柱進行UCS測試，測試過程中砂柱內出現上下貫通的裂縫，最終發生整體剪切破壞。使用去離子水和模擬海水不同礦化輪次鈣質砂柱的UCS試驗的應力應變曲線表明，隨著注漿輪次的增加，砂柱的平均UCS值不斷提高;但模擬海水試驗組的UCS值均低于對應輪次的去離子水試驗組，說明模擬海水中的鹽度對MAP生成具有一定抑制作用，鹽度可能會抑制微生物在礦化過程中的生長活性，同時不利于Mg2+、HPO2-4與NH+4在帶負電荷的細菌表面生成MAP，限制MAP晶體生長，最終表現為鈣質砂砂柱UCS值的下降。
即便如此，經過6輪MAP礦化處理后，模擬海水環境下鈣質砂的UCS值也能達到1.2MPa，相比原狀鈣質砂有顯著提高，可以滿足一般工程需要。模擬海水和去離子水環境下鈣質砂柱的XRD分析結果表明，二者鈣質砂砂柱中主要成分均為文石和礦化處理后新產生的MAP，沒有其他磷鎂沉淀副產物生成，處理后MAP的純度良好。模擬海水環境下鈣質砂柱的SEM圖像顯示，大部分MAP為柱狀長斜方晶型，與先前的研究結果吻合，但也出現了部分不規則的MAP晶體，說明鹽度可能會改變MAP的晶體形狀。
巖土論文投稿期刊：巖土工程學報是中國水利學會、中國土木工程學會、中國力學學會、中國建筑學會、中國水力發電工程學會、中國振動工程學會聯合主辦的1979年創刊的期刊，已經成為水利、土木工程、力學等領域的核心期刊。
不同形狀的MAP填充了粒間孔隙，將鈣質砂顆粒膠結成一個整體，這是鈣質砂力學強度提高的直接原因。模擬海水環境下MAP加固鈣質砂效果良好，加固后鈣質砂平均UCS值可達1.2MPa，證明可以用微生 物誘導鳥糞石礦化對南海鈣質砂進行加固處理。事實上，南海鳥糞石資源非常豐富，用鳥糞石加固鈣質砂具有良好的環境相容性，未來在南海島礁建設中可以使用環保型鳥糞石作為生物礦化產物進行鈣質砂地基的加固處理。
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作者：董博文a，劉士雨a，b，高歆雨a，王閏鎧a
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