摘要:花崗巖殘積土在我國華南地區廣泛分布，由于其具有明顯的遇水崩解特性，往往帶來山體滑坡等地質災害。基于微生物誘導碳酸鈣沉淀技術(MicrobiallyInducedCalcitePrecipitation,MICP)采用巴氏芽孢桿菌對水泥加固花崗巖殘積土的工程性質、工程技術進行改良研究，探究以水泥摻入量、鈣離子濃度和鈣源等因素為變量時，MICP技術對水泥土強度、應力應變關系等力學性能的影響。通過無側限抗壓強度(UnconfinedCompressiveStrength,UCS)試驗，分析了經MICP加固后水泥土的力學強度，得到以下結論：(1)MICP技術可以明顯增強花崗巖殘積土為基材的水泥土的強度、剛度和韌性等工程性質;(2)與對照組相比，試驗組強度最大增長率為87.5%，最經濟的水泥摻入量為15%;(3)氯化鈣和乙酸鈣為鈣源都可以改善試樣的韌性，而乙酸鈣的效果更好，與對照組相比，試驗組應變最大增長率為69.67%，此時所對應的鈣離子濃度為0.5mol/L。

　　關鍵詞：巖土工程;巴氏芽孢桿菌;微生物誘導碳酸鈣沉淀技術;水泥土;力學特性

　　1研究背景

　　我國南方地區包括香港澳門等地花崗巖殘積土分布十分廣泛，主要分布在低山丘陵地帶。花崗巖殘積土是一種特殊類型的土，在不同區域其礦物成分有微小差距。廣東地區，花崗巖殘積土高嶺石含量在70%～94%之間[2]。花崗巖殘積土具有遇水易崩解、易軟化，親水性強等工程性質，Lin等[3]對花崗巖殘積土在不同含水率下強度變化的性質表現，做了系列研究[4]，發現這種性質使得在極端氣候下，特別是暴雨季節，花崗巖殘積土地基、山坡在地基沉降、邊坡失穩等工程問題有很大的安全隱患。

　　目前對花崗巖殘積土的研究主要是通過添加水泥等外摻劑[6]來改良其抗剪強度，提高抗崩解能力.趙磊軍[8]采用三種方法對花崗巖殘積土進行改良研究，得出用石灰改良花崗巖殘積土的效果最好也最經濟。劉勝等[9]采用粉煤灰改良花崗巖殘積土，實驗結果表明，在花崗巖殘積土中加入一定量的粉煤灰可以明顯提高其水穩性。然而水泥的大規模應用不僅會增加工程造價而且會造成大氣污染，加劇溫室效應等[10]。

　　微生物誘導碳酸鈣沉積技術(MicrobiallyInducedCarbonatePrecipitation，MICP)是近年來伴隨著生物學科、化學學科和土木工程學科交叉研究的不斷發展而形成一項新技術它是利用微生物在新陳代謝活動中發生的一系列生化反應，與周圍環境共同作用產生具有膠結作用的碳酸鈣的過程，該過程不產生有毒物質，綠色環保高效。MICP技術所使用的溶液和傳統化學漿體相比稠度低，更容易滲入巖土體內部[12]，對處理較深的裂縫或者深部巖土體有明顯效果[13]。Adolphe等[14]首次將MICP技術用于修復石材的裂隙，從而推動了該技術在世界范圍內的研究。

　　Whiffin[15]率先提出利用微生物誘導產生的碳酸鈣膠結砂土，并通過試驗證明該方法切實有效。VanPaassen等[16]利用MICP技術進行100m的大規模原位砂土實驗，成功將將近1/2的砂土膠結在一起，并通過無側限抗壓強度(UCS)試驗證明經MICP技術處理過的砂土其力學強度有大幅度提高。除了在強度[17]方面的研究外，在剛度[19]、滲透性[21]、耐久性[23]方面也得到了大量的科研成果。基于上述成果，本研究開展微生物誘導碳酸鈣沉積技術改性水泥加固花崗巖殘積土工程特性的研究，期望能在較短的養護齡期和較低的水泥用量下使水泥土強度等滿足工程特性需要。

　　2材料與方法

　　2.1試驗土樣

　　試驗采用的泥土為廣東省汕頭市桑浦山表層以下30cm處的花崗巖殘積土，土樣實地取樣后在105℃進行24的烘干，粉碎后用孔徑為mm的圓孔篩進行篩分，參照《土工試驗方法標準》(GB/T501231999)。取過篩的土作為試驗土樣。測定其物理力學指標。試驗所用水泥為P.O42.5，所用水為去離子水。

　　2.2菌種及培養

　　試驗所用細菌為巴氏芽孢桿菌(購買自中國普通微生物菌種保藏管理中心，編號CGMCC1.3687)，按表配制培養基，通過添加氫氧化鈉溶液將培養基的pH值調至8.0，然后將培養基放到高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌個小時，放進無菌操作臺冷卻備用。在無菌環境中將巴氏芽孢桿菌菌種接種至250錐形瓶中，瓶中取200培養液，密封處理后將含有菌種的培養液放置于恒溫振蕩培養箱(30℃，150r/min)36得到細菌懸濁液測定其OD600=1.0。

　　3結果與討論

　　水泥摻量的影響黃小滿[25]通過對軟土地基水泥土攪拌樁的研究表明，水泥土強度隨水泥摻量的增加而增大，而在實際工程中，水泥摻量一般控制在8%~20%以內較為合理。嵇曉雷等[26]研究表明，由淤泥質粉質黏土制作的水泥土試塊，水泥摻入量在10%~25%時，當水泥摻量為15%時強度增幅最大。

　　本節設計了不同水泥摻量(10%，15%，20%)下的微生物改性水泥土試驗。以無菌水泥土作為空白對照組，試驗方法如前所述，Ca2+濃度與尿素濃度為mol/L，鈣源為氯化鈣。不同水泥摻量試件典型的應力應變曲線。由圖可知，對照組與試驗組的應力應變曲線在初始階段都經歷了孔隙的壓密階段，彈性階段和塑性階段，隨后達到峰值，試件開始破壞。試驗中取三個平行試件平均值作為強度值。當水泥摻入量提高時，試樣的峰值應力都得到了明顯的提高，說明水泥的摻入量可以明顯增強試樣峰值應力。鈣離子濃度的影響由于鈣離子濃度的多少會影響巴氏芽孢桿菌的活性從而會影響到巴氏芽孢桿菌產生脲酶的多少，而脲酶作為MICP過程中重要原料，脲酶的多少又會影響到CaCO的生成量，進而會影響到的試件的無側限抗壓強度。

　　本節設計了以氯化鈣為鈣源下，不同鈣離子濃度(0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L)下的微生物改性水泥土試驗。以無菌水泥土作為空白對照組，尿素濃度為mol/L，水泥摻入量為15%，試驗方法如前所述。如前所述兩組實驗的水泥土典型的應力應變曲線的試樣都經歷了壓密階段、線彈性階段、塑性階段、到達峰值、試樣破壞階段。試驗組的峰值應力都得到了提高。

　　礦產論文投稿刊物：《化工礦產地質》雜志是經原國家科委批準、中化地質礦山總局主管、中化地質礦山總局地質研究院主辦、國內外公開發行的學術類科技期刊。

　　4結論

　　(1)巴氏芽孢桿菌改性水泥土可以有效加固水泥土的UCS，與普通水泥土相比，添加巴氏芽孢菌菌液的水泥土的UCS有大幅度提高。通過比較不同水泥摻入量對試樣的UCS的增長率，15%是更為經濟的水泥摻入量。(2)當以氯化鈣為鈣源時，鈣離子濃度為0.5mol/L時，水泥土的UCS提升最大。濃度區間在0.5～1.5mol/L時，高濃度的鈣離子濃度有利于改善水泥土的韌性。(3)鈣源為乙酸鈣的試驗組中水泥土試樣的UCS增加不明顯，但可以改善水泥土的韌性，最大應變增長率可達69.67%。而鈣源為氯化鈣的試驗組，則可以較大程度的提高水泥土的強度同時改善水泥土的韌性，最大應變增長率為48.36%，且氯化鈣較為廉價，因此氯化鈣更適合作微生物改性水泥土的鈣源。

　　參考文獻(References)：

　　[1]陳子敬汕頭市花崗巖殘積土的工程特性及路塹邊坡穩定分析[J].華南地質與礦產,2007(2).

　　[2]孫成偉花崗巖殘積土工程特性及地鐵深基坑設計技術研究[D].武漢：中國地質大學，2014.

　　[3]LinPeng,ChenHuimei,WangYanqun.BehavioroftheUnsaturatedGraniteResidualSoilandItsEffectsonEarthDamProject[C]//.ASCE，GeotechnicalSpecialPublications(GSP)217，ISSN16721144，2011,6875

　　[4]張抒廣州地區花崗巖殘積土崩解特性研究[D].武漢：中國地質大學,2009.

　　[5]梁仕華周世宗張朗等廣州東部地區花崗巖殘積土物理力學指標統計分析[J].廣東工業大學學報,2015(1):293.

　　作者：曾慶杰，李悅，黎金杭，林民杰，劉冬1,2,3，王延寧1,2,3