CN109142092A - 一种碳酸酐酶矿化菌固化砂土效果研究方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳酸酐酶矿化菌固化砂土效果研究方法，该方法包括以下步骤：步骤1、固化试件制作；步骤2、直接剪切实验；步骤3、碳酸钙含量测定；步骤4、X射线衍射实验制样；步骤5、电子扫描显微镜实验制样。本发明探究了不同注浆方式的固化效果后，又进行了钙源种类、固化环境温度、胶结液浓度以及颗粒粒径等因素固化砂土实验，对比固化效果优选出固化效果最佳的方式与浓度等。固化试件的固化效果主要通过对比分析不同条件下加固试件的抗剪强度，碳酸钙沉积量来进行固化效果的表征，通过X射线衍射仪得到碳酸钙的晶型，扫描电镜来观察固化试件的微观图像。

Description

一种碳酸酐酶矿化菌固化砂土效果研究方法
技术领域
本发明属于微生物灌浆加固土壤技术领域，涉及一种碳酸酐酶矿化菌固化砂土效果研究方法。
背景技术
生物矿化固化砂土过程是一个生物化学反应同时进行的一个过程，砂土固化的效果受多种因素的影响，如菌液浓度、pH、温度、钙源种类、胶结液浓度、反应时间、养护条件等等，这些影响因素直接影响固化后砂土试件的强度(直接剪切强度、无侧限抗压强度以及三轴抗压强度等)。现有技术中，还没有关于生成碳酸钙的含量、晶型与晶体形貌是否是影响固化后砂土的强度的主要因素的相关研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳酸酐酶矿化菌固化砂土效果研究方法。该方法探究了不同注浆方式的固化效果后，又进行了钙源种类、固化环境温度、胶结液浓度以及颗粒粒径等因素固化砂土实验，对比固化效果优选出固化效果最佳的方式与浓度等。固化试件的固化效果主要通过对比分析不同条件下加固试件的抗剪强度，碳酸钙沉积量来进行固化效果的表征，通过X射线衍射仪得到碳酸钙的晶型，扫描电镜来观察固化试件的微观图像。
其具体技术方案为：
一种碳酸酐酶矿化菌固化砂土效果研究方法，包括以下步骤：
步骤1、固化试件制作
1.1注浆方式固化试件制作
1.2钙源固化试件制作
设置钙源种类为氯化钙、硝酸钙、醋酸钙。将培养好的菌液、1M钙源溶液以及1M碳酸氢钠溶液各取100mL，于烧杯中混合后，用塑料滴管吸取后注入。每天注入一次，于30℃恒温培养箱中固化，固化周期为7d，固化完成于60℃烘箱中烘干。
1.3固化环境温度固化试件制作
设置温度梯度为10℃、30℃、50℃模拟低温、适温、高温环境。将培养好的菌液、1M氯化钙溶液以及1M碳酸氢钠溶液各取100mL，于烧杯中混合后，用塑料滴管吸取后注入。每天注入一次，于30℃恒温培养箱中固化，固化周期为7d，固化完成于60℃烘箱中烘干。
1.4胶结液浓度固化试件制作
设置胶结液浓度为0.5M、1M、1.5M、2M。将培养好的菌液、不同浓度氯化钙溶液以及碳酸氢钠溶液各取100mL，于烧杯中混合后，用塑料滴管吸取后注入。每天注入一次，于30℃恒温培养箱中固化，固化周期为7d，固化完成于60℃烘箱中烘干。
1.5颗粒粒径固化试件制作
设置颗粒粒径为d≤0.28mm、0.28mm≤d＜0.85mm、d＞0.85mm，将培养好的菌液、1M氯化钙溶液以及1M碳酸氢钠溶液各取100mL，于烧杯中混合后，用塑料滴管吸取后注入。每天注入1次，于30℃恒温培养箱中固化，固化周期为7d，固化完成于60℃烘箱中烘干。
步骤2、直接剪切实验
土在外力作用下，在单位剪切面积上所能承受的最大剪应力，称为土的抗剪强度，是确定地基承载力的关键指标。抗剪强度通过直接剪切试验测定，主要仪器为直接剪切仪。将样品放入剪切盒内，在50kPa竖向压力下，以每分钟0.8mm的剪切速度进行剪切，手轮转动一次测记测力计读数，直至测力计读数出现峰值，继续剪切至剪切位移4mm停止。抗剪强度取剪切位移与剪应力图中峰值，如无峰值，则取剪切位移4mm处剪切应力值，试件尺寸为直径61.8mm，高20mm，试件初始截面面积为30m2，测力计率定系数为1.87N/0.01mm。
步骤3、碳酸钙含量测定
剪切后回收破坏后试件，称重，得碳酸钙与砂总重，记为m0，加入无菌水反复清洗4～5次后，再加入1M盐酸进行酸洗，待无气泡产生后，用无菌水洗净，于60℃烘箱中烘干后，再次称重，得净砂重，记为m1，碳酸钙沉积量mc＝m1-m0。
步骤4、X射线衍射实验制样
将剪切破坏后试件取少量研磨至无颗粒感，进行X射线衍射实验，衍射角度为3°～80°，得到衍射图谱后用“粉末衍射标准联合会(JCPDS)”负责编辑出版的“粉末衍射卡片(PDF卡片)”进行物相分析，得到沉积所得碳酸钙晶型。
步骤5、电子扫描显微镜实验制样
取剪切破坏后的试件中的小颗粒，在电镜下观察不同条件下固化试件里砂粒与砂粒间、砂粒与碳酸钙颗粒间、碳酸钙颗粒间的粘结作用，也为不同条件下固化试件抗剪强度不同的原因分析提供参考。
进一步，步骤1.1注浆方式固化试件制作具体为：
(1)混合注浆法：将培养好的菌液、1MCaCl2溶液以及1MNaHCO3溶液各取100mL，混合后，用塑料滴管吸取后注入。
(2)分步注浆法：将100mL培养好的菌液注入试件中，静置30分钟，使细菌充分吸附在标准砂颗粒表面。然后注入20mL 1MCaCl2溶液，再注入20mL 1MNaHCO3溶液，反复流通5遍，确保固化反应较为充分。
(3)浸泡法：将菌液、1MCaCl2溶液以及1MNaHCO3溶液按照体积比1∶1∶1的比例配成沉积体系，将试件浸泡于其中，表面覆一层保鲜膜，以免空气中灰尘落入体系中，影响实验结果。
实验周期为7天，每天注浆1次，实验完成后，脱模放入60℃烘箱中烘干后，进行抗剪强度、最大干密度、碳酸钙含量测定，以及X射线衍射实验与SEM扫描电镜实验进行微观观察。
进一步，步骤1.3中，固化温度为50℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将固化试件放置于不同温度的恒温培养箱中固化7d，每天注浆一次，固化完成后于60℃烘箱中烘干，进行直接剪切实验，测得应力应变曲线与抗剪强度。收集经过直剪的破化试件，采用酸洗法(1M盐酸浸泡)，测定酸洗前后质量，质量差为碳酸钙沉积量，而后取破坏试件进行SEM实验，得固化试件微观形貌。并将破坏后试件取少量研磨至无颗粒感后，进行XRD实验，得沉积物晶型。通过改变固化环境温度、钙源、胶结液浓度、固化方式等影响因素，对比分析固化后试件的抗剪强度，碳酸钙沉积量，并通过XRD与SEM测定沉积物晶型晶貌与观察碳酸钙在颗粒间沉积情况，通过对固化试件从宏观与微观层面分析后，得到在不同固化条件下砂土试件的固化效果，从而确定最适的砂土固化条件，为后续碳酸酐酶微生物诱导沉积碳酸钙固化砂土研究提供数据参考。
附图说明
图1是不同固化方式固化试件观察，其中，图1a)空白散砂，图1b)混合注浆试件，图1c)分步注浆试件，图1d)浸泡试件；
图2是应力应变图，其中，图2a)混合注浆试件，图2b)分步注浆试件，图2c)空白散砂；
图3是抗剪强度与碳酸钙含量图；
图4是XRD图谱；
图5是固化后电镜扫描图片，其中，图5a)空白散砂，图5b)混合注浆，图5c)分步注浆，图5d)混合注浆(6kx)，图5e)混合注浆(16kx)，图5f)分步注浆(1kx)；
图6是不同钙源固化试件，其中，图6a)氯化钙，图6b)硝酸钙，图6c)醋酸钙，图6d)氯化钙试件表面，图6e)硝酸钙试件表面，图6f)醋酸钙试件表面，图6g)氯化钙剪切后形态，图6h)硝酸钙剪切后形态，图6i)醋酸钙剪切后形态；
图7是剪切应力位移变化图与抗剪强度值图，其中，图7a)氯化钙固化试件，图7b)硝酸钙固化试件，图7c)醋酸钙固化试件，图7d)不同钙源固化试件抗剪强度图；
图8是不同钙源固化试件碳酸钙沉积量图；
图9是XRD图谱；
图10是不同钙源固化砂土微观形貌图，其中，图10a)醋酸钙试件(100x)，图10b)醋酸钙试件(200x)，图10c)氯化钙试件，图10d)硝酸钙试件，图10e)氯化钙试件砂粒表面碳酸钙(2kx)，图10g)氯化钙试件碳酸钙晶体(5kx)，图10f)硝酸钙试件砂粒表面碳酸钙(2kx)；
图11是不同温度下固化试件图，其中，图11a)10℃，图11b)30℃，图11c)50℃；
图12是剪切应力位移图与抗剪强度图，其中，图12a)10℃固化试件剪切应力应变图，图12b)30℃固化试件剪切应力应变图，图12c)50℃固化试件剪切应力应变图，图12d)固化试件抗剪强度随温度变化图；
图13是不同温度下碳酸钙沉积量；
图14是XRD图谱；
图15是不同温度下在砂粒表面沉积碳酸钙形貌图，其中，图15a)10℃下试件表面碳酸钙形貌(200x)，图15b)30℃下试件表面碳酸钙形貌(200x)，图15c)50℃下试件表面碳酸钙形貌(200x)，图15d)10℃下试件表面碳酸钙形貌(500x)，图15e)30℃下试件表面碳酸钙形貌(500x)，图15f)50℃下试件表面碳酸钙形貌(500x)；
图16是不同胶结液浓度固化试件，其中，图16a)0.5M，图16b)1.0M，图16c)1.5M，图16d)2.0M，图16e)2.0M试件正面，图16f)2.0M试件底部；
图17是剪切应力与剪切位移图，其中，图17a)0.5M固化试件，图17b)1.0M固化试件，图17c)1.5M固化试件，图17d)2.0M固化试件；
图18是抗剪强度随浓度变化图；
图19是不同胶结液浓度固化试件碳酸钙含量图；
图20是XRD图谱；
图21是不同浓度固化试件电镜图，其中，图21a)0.5M固化试件(200x)，图21b)1.0M固化试件(200x)，图21c)1.5M固化试件(200x)，图21d)2.0M固化试件(200x)，图21e)0.5M固化试件(500x)，图21f)1.0M固化试件(500x)，图21g)1.5M固化试件(500x)，图21h)2.0M固化试件(500x)；
图22是不同颗粒粒径固化试件，其中，图22a)d≥0.85mm，图22b)，0.28mm d＜0.85mm，图22c)d＜0.28mm，图22d)d≥0.85mm固化试件底部，图22e)0.28mm d＜0.85mm固化试件底部，图22f)d＜0.28mm固化试件底部；
图23是不同颗粒粒径固化试件抗剪强度图，其中，图23a)d≥0.85mm应力应变图，图23b)0.28mm d＜0.85mm应力应变图，图23c)d＜0.28mm应力应变图，图23d)粒径与抗剪强度关系图；
图24是不同粒径的固化试件内碳酸钙含量；
图25是XRD图谱；
图26是不同粒径固化试件电镜图，其中，图26a)d≥0.85mm固化试件，图26b)d＜0.28mm固化试件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
1实验材料
1.1实验材料及仪器
1.1.1细菌溶液
实验用菌液培养基采用牛肉膏蛋白胨液体培养基，制备方式与菌液培养方式如下。
配制待测菌液。制作牛肉膏蛋白胨液体培养基，调节pH为7，分装于锥形瓶后，每瓶100mL，放于高温灭菌锅中灭菌。待培养基温度降至室温后，挑取一环菌种接种于种子液培养基中，于30摄氏度，120r/min振荡培养箱培养24小时后制成种子液。再按1％(v/v)的接种量，从种子液中移取1mL，接种于新鲜牛肉膏蛋白胨液体培养基中，再于30摄氏度，120r/min振荡培养箱培养24小时，制成待测菌液。培养基配比见下表1。
表1牛肉膏蛋白胨培养基配比表
1.1.2实验用砂
实验用砂为厦门标准砂(内含99.8％石英)，这种砂级配不均匀，级配系数Cu＝6.4，曲率系数Cc＝0.5，中值粒径(D50)为0.67mm，干燥散砂最大干密度为1.478，砂子在实验前都先用1M的HCl溶液浸泡，待无气泡产生时，用去离子水反复清洗4-5次，烘干待用。
1.1.3实验用胶结液
从前章中得出在0.5M～1.5M的胶结液浓度范围内，沉积效果随浓度的增加越佳，在本发明的单因素实验中，不同固化方式、钙源、温度、颗粒粒径砂土加固实验中，选取中间值1.0M作为实验胶结液浓度进行砂土加固实验。固化方式胶结液用量配比见表2。钙源加固砂土实验所用胶结液用量见表3。
表2不同固化方式胶结液用量表
表3不同钙源溶液配制用量表
1.1.4实验仪器
ZJ型应变控制式直剪仪、日本理学D/max2200VPC型X射线衍射仪(XRD)、高低可变真空场发射扫描电镜(SEM)。
2实验方法
2.1固化试件制作方法
2.1.1注浆方式固化试件制作方法
2.1.2钙源固化试件制作方法
2.1.3固化环境温度固化试件制作方法
2.1.4胶结液浓度固化试件制作方法
2.1.5颗粒粒径固化试件制作方法
2.2直接剪切实验方法(快剪)
2.3碳酸钙含量测定方法
2.4 X射线衍射实验制样方法
2.5电子扫描显微镜实验制样方法
3结果与分析
3.1注浆方式对砂土固化效果的影响
3.1.1固化试件表观分析
将固化后的试件脱模烘干后观察，其中a)为固化前散砂，b)为混合注浆试件，c)为分步注浆试件，d)为浸泡法固化试件。固化前试样为干燥的散砂，由图1可见，混合注浆法与分步注浆法均能将散砂固化成一个整体，浸泡法固化试件未能完全成型，试件表面覆有厚达3mm的碳酸钙沉积层，混合注浆试件底部平整且碳酸钙分布均匀，分步注浆试件底部凹凸不平且不断掉落砂粒。
3.1.2试件抗剪强度测定结果分析
将固化后试件进行直剪实验，得到了图2注浆方式固化试件的应力应变图。在图2应力应变图中，可看出固化试件与散砂均为先上升后下降的变化趋势，由于空白组中无碳酸钙，砂粒与砂粒之间的孔隙大，所得抗剪强度主要来源于砂粒与砂粒之间的作用力，而分步注浆试件内部虽有碳酸钙沉积，但分布不均匀，当试件一受力，立刻成为散砂状，但由于砂粒上包裹着碳酸钙，因此仍然具有一定黏聚力。混合试件中碳酸钙的分布较分步注浆试件均匀，砂样中的粘结作用更明显。同时也因为注浆方式的不同，导致碳酸钙的流失量不同，混合注浆时，混合溶液能够快速的以矿化菌为成核位点形成碳酸钙沉积物，碳酸钙既有化学沉积也有生物诱导沉积所得，而分步注浆方式中由于先注入菌液，静置后加入胶结液，分步注浆试件强度可能是由于试件中沉积的碳酸钙大多为化学沉积所得，其粘结性能不佳，在砂粒间的黏结力不强，故分步注浆试件的抗剪强度低于混合注浆试件。
3.1.3碳酸钙沉积量测定结果分析
从图3中可见，浸泡加固法碳酸钙沉积量最多，为20.15g，由于整个试件浸泡在沉积体系中，能够完成整个从化学沉积到化学沉积物分解后进行生物沉积的过程，碳酸钙流失较少。混合注浆法试件内部碳酸钙的沉积量与浸泡法相差不多，可能是因为灌入胶结液时会导致一部分的未沉积在标准砂缝隙之间的碳酸钙流出。分步注浆法中，可能是后灌入的碳酸氢钠溶液会对附着于标准砂上的菌液与氯化钙有冲刷作用，因此分步注浆试件碳酸钙沉积量最少。对固化后试件进行最大干密度测定，从图4可看出混合注浆法固化试件最大干密度最大，为1.820，分步注浆固化试件为1.721，空白组为1.467。
3.1.4试件内沉积碳酸钙晶型晶貌分析
通过X射线衍射实验得出固化后的试件内部沉积物的晶型。由图4XRD图谱可看出，石英为实验用标准砂的主要成分，对照标准卡片得出混合注浆与浸泡法试件中均生成了方解石、球霰石晶型的碳酸钙，而分步注浆固化试件中只生成了方解石晶型方解石，在第三章中验证了有矿化菌的参与后会生成球霰石晶体，因此分步注浆试件内的碳酸钙主要是化学沉积形成的，由此也证明了对分步注浆试件抗剪强度低的分析的正确性，同时结果也表明不同的注浆方式会对生成的碳酸钙晶型有一定影响。从SEM图中可看出，碳酸酐酶矿化菌诱导生成碳酸钙沉积在砂样缝隙中，同时附着于砂样表面。碳酸钙形状大多呈颗粒状物，有极少部分呈层状菱方体形，同时也能看到沉积物上有矿化菌留下的菌坑。在碳酸酐酶矿化菌诱导沉积碳酸钙过程中，碳酸钙晶体以矿化菌为成核位点，沉积在砂土颗粒表面及颗粒间缝隙之中，其尺寸因碳酸钙晶体的不断堆叠而逐渐增大，最终导致相邻砂土颗粒表面的碳酸钙晶体颗粒簇发生胶结进而实现将原本相邻但并未接触的颗粒胶结成一整体，碳酸钙晶体在过程中先为填充作用后发生胶结作用，从而提升砂样的整体性与强度。混合注浆试件中大量晶体形状为颗粒簇状，或是以聚集体状态粘贴在啥样表面，而分步注浆试件表面附着许多散碎小颗粒状碳酸钙晶体，颗粒聚集体较少，而聚集体的含量能够在一定程度上决定颗粒间，颗粒与砂样间的粘结作用的大小。
3.2钙源对砂土固化效果的影响
3.2.1固化试件表观分析
使用三种钙源进行固化砂土实验后，发现氯化钙与硝酸钙固化后的试件均能成规则平整的圆柱形状，由于固化过程中碳酸酐酶不断催化二氧化碳的可逆水合反应，因此注浆过程中会不断产生二氧化碳气体，因此固化试件表面均有小孔，硝酸钙固化试件表面有细小裂缝。醋酸钙试件整体呈白色，试件周围也呈颗粒脱落状。从固化试件表观分析来看，使用氯化钙与硝酸钙作为钙源时，固化试件均能较好的成型，脱模后并无较多的散砂脱落。而使用醋酸钙作为钙源时，固化试件并未形成规则形状，固化效果较差。从剪切后的破坏形态观察，硝酸钙的固化效果更佳，剪切后仍有完整的试件上半部份。剪切后，硝酸钙试件能剪切成两部分，上部分为圆饼状，下部分为块状，氯化钙试件呈破碎的块状，醋酸钙呈散砂状。
3.2.2试件抗剪强度测定结果分析
将固化试件进行直接剪切实验后，得到图7剪切应力与位移变化图与固化试件的抗剪强度值图。从图7中可看出，当硝酸钙作为钙源时，固化试件的抗剪强度最高，可达到62.33kPa，氯化钙固化试件次之，抗剪强度达到了41.97kPa，醋酸钙的固化效果最差，强度最低，为11.19kPa，但对比空白散砂样的抗剪强度均有所提升(氯化钙固化试件强度提升461％，硝酸钙固化试件强度提升733％，醋酸钙固化试件强度提升50％)，表明不同钙源均能使得实验用砂固结成一整体。但固化后的抗剪强度硝酸钙固化试件最佳，强度最高，这可能是由于硝酸钙做作为钙源，可以为土壤芽孢杆菌在固化过程中继续提供氮源，供其继续生长，不断分泌碳酸酐酶，使二氧化碳水合作用不断进行。而氯化钙为钙源时，在固化过程的后期无法提供足够的营养使芽孢杆菌保持生长，芽孢杆菌在已有的营养物质消耗完后便产生芽孢，进入休眠状态，碳酸酐酶便不再发挥作用。醋酸钙虽为有机钙源，但由于芽孢杆菌的参与固化沉积过程，生成的碳酸钙大多为球霰石，而球霰石热力学稳定性极差，在砂粒间无法形成稳定状态，使得砂粒间的碳酸钙只能起到填充作用，胶结作用及其微弱，不能将砂粒与砂粒黏结起来，因此其抵抗剪切的能力最弱，抗剪强度最低。硝酸钙试件的剪切过程中，到达峰值后有一段位移内强度下降极快，这可能是试件被剪切后成两部分后强度下降过多，而后的强度缓慢下降，但强度值仍高于其他两种钙源，从图10不同钙源固化砂土微观形貌图中可看到硝酸钙与氯化钙固化试件均有大量的聚集体，聚集体之间的粘结作用会之间影响最终固化强度，从微观图中可看出硝酸钙试件表面的碳酸钙晶体更密集，这可能是硝酸钙强度高于氯化钙强度的原因之一，醋酸钙固化试件表面附着碳酸钙极少，散落在导电胶上颗粒大多也呈球状的球霰石，胶结作用及其微弱，且醋酸钙试件的强度低于空白散砂组，可能是醋酸钙试件未固化完全，也可能因为剪切过程中由于试件内部的球霰石减弱了砂粒间的作用力。
3.2.3碳酸钙沉积量测定结果分析
使用酸洗法去除试件表面与内部的碳酸钙后，得到固化过程中沉积的碳酸钙含量，得到图8不同钙源固化试件碳酸钙沉积量图。从图8中可看到，氯化钙与硝酸钙作为钙源时，沉积在试件表面及内部的碳酸钙含量相差不大，但硝酸钙固化试件抗剪强度比氯化钙固化试件高出38％，醋酸钙固化试件的碳酸钙含量最多，为26.36g，但其固化试件抗剪强度最低，较空白散砂强度提升最少。可见碳酸钙含量不是抗剪强度的主要影响因素，在试件的表面及内部需要有足够的碳酸钙沉积，才能填充砂粒间的孔隙，从而减小孔隙率与渗透系数，增加密实度，更重要的是在碳酸钙的堆砌填充作用之后发挥胶结作用，将砂粒粘结起来成为具有强度的一个整体。醋酸钙固化试件虽然碳酸钙含量最多，但内部碳酸钙的胶结作用十分微弱，剪切一开始便全部压碎呈散砂样(图6-i)，胶结作用微弱也与沉积的碳酸钙晶型有关，氯化钙与硝酸钙为钙源时，生成的碳酸钙主要为方解石，少量为球霰石，而醋酸钙为钙源时，生成的碳酸钙主要为球霰石，第三章中的XRD图谱中球霰石特征峰显著，方解石的热力学稳定性最优，因此氯化钙与硝酸钙固化试件的强度要更优于醋酸钙固化试件。
3.2.4试件内沉积碳酸钙晶型晶貌分析
将三种钙源固化试件研磨后进行了X射线衍射实验后，得到了XRD图谱，见图9钙源固化试件XRD图谱。通过XRD图谱可看到在砂土中沉积，氯化钙为钙源时主要生成的是方解石碳酸钙，而硝酸钙为钙源时同时生成了方解石与球霰石，醋酸钙为钙源时主要生成了球霰石，硝酸钙固化试件强度高于氯化钙，可能是由于碳酸钙颗粒间的粘结是以小颗粒的球霰石为连接键，然后相互粘结起来(图10f)这样使得颗粒间的粘结作用更强，从而砂粒间的胶结作用也更强，也表明单一的晶体晶型可能不能发挥出更大的粘结作用。将剪切后的试件，选取小颗粒进行扫描电镜实验，得到不同钙源下砂粒与碳酸钙微观形貌图，见图10不同钙源固化砂土微观形貌图。从图10中可看到碳酸钙晶体均附着于砂粒表面，醋酸钙固化试件的砂粒上附着极少的碳酸钙晶体，散落在导电胶上的晶体大多为球状球霰石晶体，其他为小颗粒散碎颗粒无定型晶体，而硝酸钙与氯化钙固化试件砂样表面几乎全覆盖有碳酸钙晶体，晶体形态主要以聚集体的形式呈现，极少数晶体呈现单颗粒的状态。从图10(e、f)中可看到晶体颗粒与颗粒之间的粘结形成较大的聚集体，颗粒聚集体又粘结到砂样表面。在放大到5000倍后(图10g)中可清晰看到颗粒与颗粒相互粘黏在一起，同时芽孢杆菌菌体嵌在晶体中的形态也清晰可见。这表明了氯化钙与硝酸钙固化试件中的碳酸钙颗粒在不断的堆砌过程中，先起着填充作用后产生胶结作用，使得颗粒与颗粒相粘结，晶体尺寸增大，而后与相邻砂粒上附着的晶体相粘结，最终使散砂固结成型并具有一定强度。醋酸钙固化试件中的碳酸钙仅发挥了其填塞作用，因此散砂能固结成型但强度提升不显著。
3.3温度对砂土固化效果的影响
3.3.1固化试件表观分析
从图11中可看出，在10℃、30℃与50℃固化环境下，散砂均能固结成型，且表面较为平整，接触时掉落砂粒极少，从固化试件外观上观察，不同固化环境温度均能使试件固化成型，固化效果较好。
3.3.2试件抗剪强度测定结果分析
将脱模烘干后的试件进行直接剪切实验后，得到了图12剪切应力位移图与抗剪强度图。从图14中得出在不同的固化温度下，干燥散砂均能固化成型，从图12中看出固化试件的抗剪强度均有所提升，当固化环境温度为50℃时，固化试件剪切过程中强度增加速率极快，抗剪强度值最高，为127.37kPa，抗剪强度提升效果最显著，比30℃、10℃环境中固化的试件强度分别提升了184％、751％。在10℃环境下的固化试件强度最低，可能是由于此温度不适宜芽孢杆菌生长，温度较低使得灌入砂样后的芽孢杆菌大大得降低了生长速度，还可能使得芽孢杆菌产生大量休眠体(芽孢)，进入休眠状态，产生的碳酸酐酶酶量也随之减少，砂样缝隙中不能沉积足够的有效碳酸钙晶体。而30℃是细菌适宜的生长温度，因此细菌也能以正常的生长速度进入细菌生长的衰亡期，在衰亡期中细菌分泌的胞外产物对细菌的生长有抑制作用，因此酶活也降低，从而碳酸酐酶催化固化过程中水和反应的速率也会大大降低，同时也会不断累积胞外产物在碳酸钙晶体与砂样中。从图12中也可看出，在温度为50℃以内时，随着温度的增长，抗剪强度也随之增大。固化试件的抗剪强度在固化环境温度为50℃时最高，灌入菌液与胶结液时，芽孢杆菌处于对数生长期，细菌数量最多，碳酸酐酶酶活性最强，此时生成的碳酸钙颗粒大部分为更加稳定的方解石晶型，灌入砂样中后，温度过高可能导致细菌与碳酸酐酶失活，同时灌入的培养基也极快的蒸发出去，试件中没有营养物质使得细菌可以继续生长，因此砂样缝隙中沉积的碳酸钙晶体仍为初始灌入时的方解石晶型的碳酸钙，因此在50℃固化环境下的固化试件抗剪强度最高。
3.3.3碳酸钙沉积量测定结果分析
在图13中，不同温度下固化试件内部沉积的碳酸钙量相差不大，而50℃环境下固化试件的碳酸钙含量相比之下最多，当温度过高，碳酸酐酶失活后，不再促进二氧化碳水合可逆反应的进行，因此生成的碳酸钙水解的速率大大降低，而且高温条件下，试件中的水分蒸发极快，因此碳酸钙的分解量也会大大减少，因此在50℃环境下的固化试件的碳酸钙含量最多。
3.3.4试件内沉积碳酸钙晶型晶貌分析
将不同温度固化试件研磨后进行了X射线衍射实验后，得到了XRD图谱，见图14钙源固化试件XRD图谱。从不同温度固化试件的XRD图谱中可看到，不同温度下均生成了方解石与球霰石两种晶型，但随着温度的升高，球霰石的衍射峰越不明显，表明高温确实会对菌的生长与酶活造成影响，使得酶活蛋白质破坏失活。将剪切后的试件碎块进行扫描电镜实验后，得到不同温度下在砂粒表面沉积碳酸钙的形貌，见图15不同温度下砂粒表面沉积碳酸钙形貌图。对比图15(a、b、c)发现，随着温度的升高，砂粒表面附着的碳酸钙晶体颗粒越来越多，从图13(c)中也可以清晰看到砂粒之间的缝隙被碳酸钙颗粒填充的很密实。从图15(d、e、f)中看到，10℃下试件表面附着的碳酸钙晶体有许多直径较小的球状晶体，而30℃与50℃下的试件表面附着的碳酸钙晶体几乎全部呈现为颗粒聚集体的形式，有极少量的直径极小的球状晶体，主要都是颗粒簇状的类球状晶体。同时随着温度的升高，颗粒聚集体的数量也大大增加，也正是因为大量聚集体的存在，沉积在试件中的碳酸钙晶体能够不断发挥填充与胶结作用，使得试件成型并具有较高的强度。
3.4胶结液浓度对砂土固化效果的影响
3.4.1固化试件表观分析
从图16中可看到，不同的胶结液浓度均能使试件固化成整体，观察试件表面，发现随着浓度的增大，砂粒被碳酸钙颗粒包裹的越来越密实，试件表面的空隙也逐渐减小。胶结液浓度为2M时的固化试件在脱模烘干后，表层出现明显的裂缝，表面也极不平整。从4-19(f)的试件底部图也看到碳酸钙的分布极不均匀，主要集中在中间区域，同时在固化过程中，注入胶结液的难度随着注浆次数的增加而增大，由于胶结液浓度高，碳酸钙沉积量大，注浆3次后已经慢慢出现了饱和的状态，注入时，胶结液大部分会溢出，少部分保留在了试件内部，试件的上半部分的碳酸钙的沉积量就相对较多。
3.4.2试件抗剪强度测定结果分析
将固化后试件进行直接剪切实验后得到不同胶结液浓度下固化试件的剪切应力与剪切位移图，与抗剪强度值随浓度变化图，见下图17与图18。从图17中可看到，各浓度下固化试件到达峰值的剪切位移均不同，随着浓度的提升，到达峰值的剪切位移越短，这可能因为试件内部的碳酸钙含量及其分布的均匀性有关。0.5M固化试件的碳酸钙含量最少，其含量仅仅起到填充的作用，胶结作用甚微，因此剪切过程可能主要是砂样间作用力，而随着浓度的升高，碳酸钙含量越多，胶结作用也越显著。同时抗剪强度也与碳酸钙的分布均匀性相关，从图16(f)中也看出2.0M固化试件内部的碳酸钙分布并不均匀，因此试件强度降低。胶结液浓度是碳酸钙生成量的直接影响因素，也是直接影响微生物诱导矿化固化土壤效果的重要因素。浓度过低，生成的碳酸钙量不足填充砂样间的空隙，浓度过高，则有可能会降低细菌的活性，抑制酶的催化作用。从图18中可看出，当胶结液浓度为1.5M时，固化试件的抗剪强度最高，达到84.15kPa，比胶结液浓度为0.5M、1.0M、2.0M固化试件的抗剪强度分别提升了271％、60％、116％。同时随着胶结液浓度的增大，抗剪强度值呈现先增加后降低的变化趋势，在浓度为1.5M时出现峰值。在胶结液浓度为0.5M～1.5M的浓度范围内，由于碳酸钙的沉积量越来越多，能够使得填充在砂粒间的碳酸钙颗粒堆积的越多，能够发挥粘结作用的碳酸钙颗粒也越来越多，从而使得颗粒与颗粒间，颗粒与砂样间的粘结作用越来越强，固化后试件的抗剪强度值也逐渐增大。当胶结液浓度为2M时，固化试件的抗剪强度便大大降低，原因可能高浓度的胶结液抑制了细菌的生长与酶活，使得碳酸酐酶不能发挥催化作用，但由于浓度较高，生成的碳酸钙量极大，也能在砂样缝隙中起到填充作用，因此抗剪强度也是比0.5M浓度固化试件强度高的。
3.4.3碳酸钙沉积量测定结果分析
经过去离子水与酸洗处理后，得到了固化7d后的试件碳酸钙含量，得到图17不同浓度固化试件碳酸钙含量图。从图17中可看出，碳酸钙的沉积量随着胶结液浓度的增大而增加。在浓度范围为0.5M～1.5M内时，随着碳酸钙含量的增加，固化试件的抗剪强度也随之增加呈线性正相关关系。胶结液浓度为2M时，试件内沉积的碳酸钙含量最多，但试件的抗剪强度比1.5M固化试件降低了116％。可见在一定的浓度范围内抗剪强度值与碳酸钙沉积量能保持线性正相关关系，超过范围后，抗剪强度值可能会随着碳酸钙沉积量的增加而降低，即成线性负相关关系。
3.4.4试件内沉积碳酸钙晶型晶貌分析
将不同温度固化试件研磨后进行了X射线衍射实验后，得到了XRD图谱，见图20钙源固化试件XRD图谱。从图20中可看出随着浓度的升高，球霰石的衍射峰更加明显，0.5M固化试件内部的球霰石衍射峰极不显著，表明随着浓度的增加，球霰石晶型的碳酸钙晶体也随之增加，在1.5M时的方解石与球霰石混合胶结作用最佳，从图21(g)中也看到存在大量的聚集体形式的碳酸钙晶体，而2.0M固化试件中的球霰石量可能过多，导致粘结作用减弱，从而使得抗剪强度下降。从图21(a、b、c、d)中观察到随着胶结液浓度的增加，砂样表面与四周的碳酸钙颗粒含量越来越多，当胶结液浓度为1.0M时，砂粒之间仍有未被碳酸钙颗粒填充的空隙，但相邻砂粒的表面均附着了大量的碳酸钙颗粒。在图21(e)中，砂粒表面有许多直径极小的碳酸钙颗粒，大部分为球状或是无定形的晶体。在图21(f、g、h)中均有大面积的颗粒聚集体，聚集体有球状、正方体状、颗粒簇状等形状组成，彼此相互粘结在一起。但图(h)2.0M固化试件表面也出现了跟0.5M固化试件中分散的小颗粒碳酸钙晶体。在其他两个浓度下的电镜图(f、g)中，这种小颗粒的碳酸钙晶体或是粘结在较大的颗粒或是小颗粒聚集在一起形成大颗粒晶体，但在2.0M浓度下固化试件可能由于高浓度抑制酶活，使得生物胶结作用大大降低，不能使小颗粒粘结成较大颗粒的颗粒簇状晶体形成有效的碳酸钙晶体，因此颗粒间的粘接作用减弱，因此2.0M浓度固化试件的抗剪强度降低。
3.5颗粒粒径对砂土固化效果的影响
3.5.1固化试件表观分析
对三种颗粒粒径的砂样用氯化钙作钙源，胶结液浓度为1M进行微生物固化7d天后，发现试件均能成型。颗粒粒径d≥0.85mm固化试件表面能清晰可见有较大的孔隙，从图22(d)中也能明显看到碳酸钙的分布极不均匀，碳酸钙主要分布在试件的中间。d＜0.28mm固化试件的固化效果较差，试件的底部出现了脱落。对比其他两种粒径的固化试件，0.28mm≤d＜0.85mm固化试件的底部相对分布更加均匀，试件表面的孔隙也较少，从外观上看固化效果更优。
3.5.2试件抗剪强度测定结果分析
将试件脱模干燥进行直接剪切实验后，得到图23不同粒径的固化试件的剪切应力与剪切位移变化曲线图、抗剪强度随粒径变化图。从图23(a、c)中可看出，不同粒径的固化后的试件的抗剪强度均有所提升，d≥0.85mm固化试件抗剪强度对比空白组提升了154％，d＜0.28mm固化试件抗剪强度对比空白组提升了56％。表明混合注浆法均能将试件固化成型并提升强度，但在氯化钙为钙源，固化环境温度为30℃，胶结液浓度为1M，固化周期为7d的同等条件下，微生物注浆法对粒径在0.28mm≤d＜0.85mm范围内的砂样固化效果最佳，固化后抗剪强度最高，为40.52kPa。d≥0.85mm固化试件的强度较低，原因可能是由于粒径较大，砂粒堆积后内部空隙较大，而1M的胶结液浓度产生的碳酸钙量不足以填充砂样间空隙，也不能产生较大的生物胶结作用，因此砂粒与砂粒之间的粘结作用极小，抵抗剪切的能力弱故而抗剪强度较低。d＜0.28mm固化试件的抗剪强度虽也有提升，但提升的程度很小，这可能是因为砂样间空隙极小，当注浆时碳酸钙沉积在试件上层后，后续注浆时碳酸钙就累积在了试件上层，很难下渗到试件下层，因此下层仍是砂样，上层则是砂样与碳酸钙的混合砂浆。
3.5.3碳酸钙沉积量测定结果分析
由于胶结液浓度均为1M，因此不同粒径的固化试件内的碳酸钙含量相差不多，但d≥0.85mm固化试件在固化过程中，砂粒间空隙较大，内部沉积的碳酸钙大部分可能会在注浆过程中被冲刷到试件底部垫的土工布，因此d≥0.85mm固化试件的碳酸钙含量低于其他粒径。
3.5.4试件内沉积碳酸钙晶型晶貌分析
将不同温度固化试件研磨后进行了X射线衍射实验后，得到了XRD图谱，见图25固化试件XRD图谱。从图25中可看出，试件内部孔隙过大或者过小，生成的碳酸钙晶体均为方解石，而前面提到虽然球霰石晶型性质不稳定，但诱导生成的球霰石可作为碳酸钙晶体颗粒之间的连接键，将颗粒与颗粒相连接，从而发挥胶结作用。从图26电镜图中可看出不论在哪一种粒径的固化试件中均有碳酸钙晶体聚集体产生，图26(b)中制样取的试件上半部分砂样，因此可以看到砂粒表面是附着了较多的碳酸钙晶体的。可见砂粒粒径并不会对沉积的碳酸钙晶体的形貌产生影响，影响不同粒径砂样固化强度的是碳酸钙含量与分布均匀程度。粒径较小砂土内部孔隙小，试件内部生成一定量的碳酸钙后，孔隙极容易被堵塞，这使菌液和胶结液无法完全渗入整个试件中，导致砂粒间的粘结效果变差。砂粒间的孔隙随砂样颗粒粒径的增大而变大，这也更利于碳酸钙在孔隙中的沉积。但当砂土颗粒粒径过大时，可能产生的碳酸钙量过少不足以填充砂粒间的孔隙，不能产生足够的粘结作用将试件固化成一个整体。本发明首先采用不同的注浆方式探究其对砂土试件的固化效果，结果表明混合注浆法固化试件的强度最高，碳酸钙的含量也最高。而后探究了不同的钙源、固化环境温度与胶结液浓度对固化试件的固化效果影响，发现在不同的条件下，散砂均能固结成一个整体，强度均有所提升，通过扫描电镜实验，发现试件内部均有颗粒聚集体形式存在的碳酸钙晶体，晶体之间相互粘结。当硝酸钙作为钙源时，固化试件的抗剪强度最高，由于浓度胶结液的浓度均为1M，因此不同钙源固化试件内部沉积的碳酸钙量相差不大，抗剪强度出现显著显著差异的原因一是硝酸钙为有机钙源可为细菌的后续生长提供氮源，碳酸酐酶催化作用可持续较长时间，二是因为不同钙源生成的碳酸钙晶体类型不同，醋酸钙生成的碳酸钙晶体主要为球霰石晶型，一种热力学极不稳定的晶型。将试件置于10℃、30℃、50℃三种温度中进行固化实验，结果表明试件均能成型并具有一定强度，固化温度为50℃的试件的强度提升最大，比10℃固化试件强度提升751％，固化效果最佳。使用不同的胶结液浓度进行固化实验，发现碳酸钙含量随着浓度的增大而增加，胶结液浓度在0.5～1.5M范围内时，试件的抗剪强度与胶结液浓度呈线性正相关，浓度为2M时，固化试件的抗剪强度低于1.0M与1.5M的固化试件。最后对比了微生物加固方法对不同粒径的砂土固化效果，发现试件均能成型，不同粒径的试件的强度均有所提升，粒径范围为0.28mm≤d＜0.85mm的固化试件的固化效果最佳，而d≥0.85mm的固化试件由于砂粒间孔隙较大，胶结液浓度为1.0M，7d的固化周期生成的碳酸钙含量不足以完全填充孔隙。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种碳酸酐酶矿化菌固化砂土效果研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、固化试件制作
1.1注浆方式固化试件制作
(1)混合注浆法：将培养好的菌液、1MCaCl2溶液以及1MNaHCO3溶液各取100mL，混合后，用塑料滴管吸取后注入；
(2)分步注浆法：将100mL培养好的菌液注入试件中，静置30分钟，使细菌充分吸附在标准砂颗粒表面；然后注入20mL 1MCaCl2溶液，再注入20mL 1MNaHCO3溶液，反复流通5遍，确保固化反应较为充分；
(3)浸泡法：将菌液、1MCaCl2溶液以及1MNaHCO3溶液按照体积比1∶1∶1的比例配成沉积体系，将试件浸泡于其中，表面覆一层保鲜膜，以免空气中灰尘落入体系中，影响实验结果；
实验周期为7天，每天注浆1次，实验完成后，脱模放入60℃烘箱中烘干后，进行抗剪强度、最大干密度、碳酸钙含量测定，以及X射线衍射实验与SEM扫描电镜实验进行微观观察；
1.2钙源固化试件制作
设置钙源种类为氯化钙、硝酸钙、醋酸钙；将培养好的菌液、1M钙源溶液以及1M碳酸氢钠溶液各取100mL，于烧杯中混合后，用塑料滴管吸取后注入；每天注入一次，于30℃恒温培养箱中固化，固化周期为7d，固化完成于60℃烘箱中烘干；
1.3固化环境温度固化试件制作
设置温度梯度为10℃、30℃、50℃模拟低温、适温、高温环境；将培养好的菌液、1M氯化钙溶液以及1M碳酸氢钠溶液各取100mL，于烧杯中混合后，用塑料滴管吸取后注入；每天注入一次，于30℃恒温培养箱中固化，固化周期为7d，固化完成于60℃烘箱中烘干；
1.4胶结液浓度固化试件制作
设置胶结液浓度为0.5M、1M、1.5M、2M；将培养好的菌液、不同浓度氯化钙溶液以及碳酸氢钠溶液各取100mL，于烧杯中混合后，用塑料滴管吸取后注入；每天注入一次，于30℃恒温培养箱中固化，固化周期为7d，固化完成于60℃烘箱中烘干；
1.5颗粒粒径固化试件制作
设置颗粒粒径为d≤0.28mm、0.28mm≤d＜0.85mm、d＞0.85mm，将培养好的菌液、1M氯化钙溶液以及1M碳酸氢钠溶液各取100mL，于烧杯中混合后，用塑料滴管吸取后注入；每天注入1次，于30℃恒温培养箱中固化，固化周期为7d，固化完成于60℃烘箱中烘干；
步骤2、直接剪切实验
土在外力作用下，在单位剪切面积上所能承受的最大剪应力，称为土的抗剪强度，是确定地基承载力的关键指标；抗剪强度通过直接剪切试验测定，主要仪器为直接剪切仪；将样品放入剪切盒内，在50kPa竖向压力下，以每分钟0.8mm的剪切速度进行剪切，手轮转动一次测记测力计读数，直至测力计读数出现峰值，继续剪切至剪切位移4mm停止；抗剪强度取剪切位移与剪应力图中峰值，如无峰值，则取剪切位移4mm处剪切应力值，试件尺寸为直径61.8mm，高20mm，试件初始截面面积为30m2，测力计率定系数为1.87N/0.01mm；
步骤3、碳酸钙含量测定
剪切后回收破坏后试件，称重，得碳酸钙与砂总重，记为m0，加入无菌水反复清洗4～5次后，再加入1M盐酸进行酸洗，待无气泡产生后，用无菌水洗净，于60℃烘箱中烘干后，再次称重，得净砂重，记为m1，碳酸钙沉积量mc＝m1-m0；
步骤4、X射线衍射实验制样
将剪切破坏后试件取少量研磨至无颗粒感，进行X射线衍射实验，衍射角度为3°～80°，得到衍射图谱后用“粉末衍射标准联合会”负责编辑出版的“粉末衍射卡片(PDF卡片)”进行物相分析，得到沉积所得碳酸钙晶型；
步骤5、电子扫描显微镜实验制样
取剪切破坏后的试件中的小颗粒，在电镜下观察不同条件下固化试件里砂粒与砂粒间、砂粒与碳酸钙颗粒间、碳酸钙颗粒间的粘结作用，也为不同条件下固化试件抗剪强度不同的原因分析提供参考。
2.根据权利要求1所述的碳酸酐酶矿化菌固化砂土效果研究方法，其特征在于，步骤1.1注浆方式固化试件制作具体为：
(1)混合注浆法：将培养好的菌液、1MCaCl2溶液以及1MNaHCO3溶液各取100mL，混合后，用塑料滴管吸取后注入。
(2)分步注浆法：将100mL培养好的菌液注入试件中，静置30分钟，使细菌充分吸附在标准砂颗粒表面。然后注入20mL 1MCaCl2溶液，再注入20mL 1MNaHCO3溶液，反复流通5遍，确保固化反应较为充分。
(3)浸泡法：将菌液、1MCaCl2溶液以及1MNaHCO3溶液按照体积比1∶1∶1的比例配成沉积体系，将试件浸泡于其中，表面覆一层保鲜膜，以免空气中灰尘落入体系中，影响实验结果。
实验周期为7天，每天注浆1次，实验完成后，脱模放入60℃烘箱中烘干后，进行抗剪强度、最大干密度、碳酸钙含量测定，以及X射线衍射实验与SEM扫描电镜实验进行微观观察。
3.根据权利要求1所述的碳酸酐酶矿化菌固化砂土效果研究方法，其特征在于，步骤1.3中，固化温度为50℃。
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