微生物膠凝材料固結(jié)性能及其抑塵研究

詹其偉，張爽爽，周娟蘭，張永勝，王安輝，馮 蕾

(1.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，鎮(zhèn)江 212100)(2.江蘇省交通工程集團有限公司，鎮(zhèn)江 212100)(3.中建安裝集團有限公司，南京 210046)

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，空氣污染問題日益嚴峻，受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注.目前，我國處于城市化進程的快速發(fā)展階段，全國各大城市均在繁忙的建設(shè)之中，涉及房屋建設(shè)施工、道路與管線施工、鐵路建設(shè)、物料運輸、物料堆放等，產(chǎn)生的揚塵對空氣中顆粒物的貢獻率為18[1-3].由此可見，揚塵是造成空氣污染的重要因素.當前，揚塵控制方法主要有灑水法、覆蓋法、物理化學抑塵劑表面固化等.灑水是應用較為普遍的抑塵方法，但水資源浪費嚴重；覆蓋法采用塑料抑塵網(wǎng)覆蓋，抑塵效果較為顯著，但長期使用后塑料抑塵網(wǎng)難以回收利用，其自然降解是一個漫長的過程；物理化學抑塵劑可改變土層的性能，在表面形成團聚或固化層，有效阻止揚塵顆粒的運動遷移，實現(xiàn)揚塵抑制的目的[4-7].盡管上述方法抑塵效果較為顯著，但普遍存在工藝復雜、成本高、二次污染等弊端，難以規(guī)模化推廣應用[8-9]，研發(fā)生態(tài)性能好、價格低廉的新材料和新方法迫在眉睫[10-11].

文中采用微生物膠凝材料固結(jié)松散土形成具有一定力學性能的固結(jié)層，研究固結(jié)層的物相組成、微生物膠凝材料用量對固結(jié)層強度與硬度、保濕性能、抗凍融性能和抗風蝕性能的影響，論證微生物膠凝材料固結(jié)土抑塵的可行性.

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所用微生物膠凝材料由實驗室自制，由微生物、鈣源、營養(yǎng)物三部分組成.微生物為膠質(zhì)芽孢桿菌菌株，遴選自土壤環(huán)境，革蘭氏陰性菌，適宜生長溫度為5～45 ℃、pH環(huán)境為中性或弱堿性，在恒溫振蕩條件下培養(yǎng)，培養(yǎng)基由1.0 L去離子水、12.0 g蔗糖、3.0 g牛肉浸膏、10.0 g蛋白胨組成，微生物生長過程包括芽孢萌發(fā)、營養(yǎng)體生長、微生物繁殖3個過程，經(jīng)噴霧干燥后可制得粉狀菌粉；鈣源可為硝酸鈣、乳酸鈣、氯化鈣等，文中選用鈣源為工業(yè)硝酸鈣.試驗所用松散土質(zhì)，經(jīng)干燥、除雜、研磨后作為被固結(jié)介質(zhì)，其粒徑分布、化學組成如表1、2.

表1 土的粒徑分布

表2 土的化學組成

1.2 試驗方法

采用風蝕盤作為成型裝置，風蝕盤由不銹鋼外圈、不銹鋼內(nèi)圈、土工布組成，不銹鋼外圈、內(nèi)圈內(nèi)徑分別為202 mm、200 mm，高度20 mm，壁厚1 mm.將微生物膠凝材料、土、去離子水按照比列混合均勻，裝入風蝕盤中，裝填厚度20 mm，風蝕盤底部固定土工布，可防止顆粒從風蝕盤底部流出，同時可以保證紗布上下通透，不影響水的滲透和空氣的傳輸.在25 ℃恒溫條件下靜置72 h，之后放入烘箱中干燥，烘箱溫度60 ℃、干燥時間48 h，脫模后即獲得土固結(jié)層.

1.3 分析方法

(1) 物相組成

采用德國Bruker D8-Discover型X射線衍射儀分析固結(jié)層物相組成，2θ角度從10°到80°對樣品進行連續(xù)式掃描；采用德國布魯克VERTEX 70v型傅里葉紅外光譜儀分析結(jié)構(gòu)和化學鍵，檢測器DTGS KBr.

(2) 強度和硬度

采用德國Bareiss Shore D型邵氏硬度計測量固結(jié)層的表面硬度，為提高測定精度，應在不同的位置選擇多點測量，取其平均值作為固結(jié)層的硬度；采用美國MTS(SANS)CMT8502型微機控制電子萬能試驗機測試抗壓強度，荷載精度為±0.5%，采用位移控制方式，加載速率為1 mm/min.

(3) 抗風濕性能

采用上海錦川RE2000風洞試驗儀測量固結(jié)層的抗風蝕性能，將固結(jié)層置于風洞試驗裝置的洞體中，設(shè)定吹蝕風速為12 m/s、吹蝕角度為0，連續(xù)穩(wěn)定吹蝕1 h后，通過質(zhì)量變化計算風蝕量M：

(1)

式中：M為風蝕量，g/m2；mo為初始質(zhì)量，g；mi為吹蝕后質(zhì)量，g；S為表面面積，m2.

(4) 保濕性能

將去離子水均勻噴散在烘干后的固結(jié)層的表面，待去離子水完全滲入固結(jié)層后，放入烘箱中干燥，設(shè)置干燥溫度為65 ℃，每間隔3 h稱重，通過水分的殘留量表征固結(jié)層的保水性能：

(2)

式中：η為保水率，%；mo為初始質(zhì)量，g；mw為噴水后質(zhì)量，g；mh為干燥后質(zhì)量，g.

(5) 抗凍融性能

將去離子水均勻噴散在烘干后的固結(jié)層的表面，待去離子水完全滲入固結(jié)層后，放入-20 ℃的低溫環(huán)境靜置2 h，再將固結(jié)層放入20 ℃環(huán)境靜置2 h，以此作為一個凍融循環(huán)，分析不同凍融循環(huán)次數(shù)下固結(jié)層質(zhì)量損失.

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物誘導形成礦化產(chǎn)物特性

自然界中廣泛存在的某些微生物，能夠誘導礦化沉積具有一定膠凝特性的礦物，可將松散顆粒膠結(jié)成為一個整體，有效改善土體的工程性質(zhì)，這一過程被稱為微生物誘導沉積，并將其礦化產(chǎn)物作為新一代膠凝材料[12].微生物膠凝材料具有膠結(jié)作用，其本質(zhì)原因是微生物誘導產(chǎn)生了具有膠凝作用的礦化產(chǎn)物.文中采用X射線衍射儀、紅外光譜儀分析了微生物膠凝材料膠結(jié)土形成的固結(jié)層，試驗結(jié)果如圖1、2.由圖1可以看出，固結(jié)層的物相組成除了二氧化硅、氧化鋁等以外，還出現(xiàn)了新的產(chǎn)物，經(jīng)與標準譜圖比對定性為方解石；由圖2可以看出，伸縮振動頻率1 443 cm-1、893 cm-1對應為C-O鍵，伸縮振動頻率1 022 cm-1、826 cm-1對應為Si-O鍵，伸縮振動頻率3 420 cm-1對應為結(jié)晶水，而伸縮振動頻率3 710 cm-1對應為羥基，紅外譜圖出現(xiàn)C-O鍵伸縮振動頻率，進一步證實證實了方解石的產(chǎn)生.微生物誘導產(chǎn)生的方解石，具有固結(jié)作用，這是微生物膠凝材料能夠固結(jié)松散介質(zhì)的原因[13-15].

圖1 固結(jié)層的XRD譜圖Fig.1 XRD patternsof consolidated layer

圖2 固結(jié)層的紅外譜圖Fig.2 FTIR patterns of consolidated layer

2.2 微生物膠凝材料用量對固結(jié)層性能影響

微生物膠凝材料用量對固結(jié)層硬度和強度的影響如圖3.由圖3可以看出，隨著微生物膠凝材料用量的增加，固結(jié)層的硬度和強度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢.與未加微生物膠凝材料的對照試驗相比，微生物膠凝材料顯著改善了固結(jié)層的力學性能；當微生物膠凝材料用量為0.8 kg/m2時，固結(jié)層的硬度和強度相對較低，但與對照試驗相比有了大幅的提升；與微生物膠凝材料用量0.8 kg/m2相比，微生物膠凝材料用量為1.6 kg/m2時固結(jié)層的抗壓強度提升了102.0%；隨著用量的進一步增加，固結(jié)層的抗壓強度有所提高，但增幅不明顯.綜合力學性能和經(jīng)濟性兩方面的因素，微生物膠凝材料用量為1.6 kg/m2較為適宜.

圖3 微生物膠凝材料用量對固結(jié)層性能影響Fig.3 Effect of microbial cementdosage on mechanical properties of consolidated layer

2.3 微生物膠凝材料用量對抗風蝕性能影響

微生物膠凝材料可以有效固結(jié)松散的土顆粒，形成具有一定力學性能的固結(jié)層，為揚塵控制創(chuàng)造了條件.采用風洞試驗儀模擬風力侵蝕，以此評價其抗風蝕性能，微生物膠凝材料固結(jié)土的抗風蝕性能如圖4.由圖4可以看出，在未使用微生物膠凝材料的對照試驗中，質(zhì)量損失極為明顯，高達1 980.6 g/m2；當采用微生物膠凝材料膠結(jié)時，在不同用量下質(zhì)量損失都很低，均不超過30.0 g/m2.由此可見，微生物膠凝材料固結(jié)松散土具有良好的抗風蝕性能，微生物膠凝材料可以作為一種抑塵劑使用.

圖4 微生物膠凝材料用量對固結(jié)層抗風蝕性能影響Fig.4 Effect of microbial cementdosage on wind erosion resistance of consolidated layer

2.4 微生物膠凝材料用量對保濕性能影響

目前，控制揚塵的方法較多，其中包括具有保濕作用的抑塵劑，即通過延長土質(zhì)中水分的蒸發(fā)提高抑塵性能.鑒于此，文中研究了微生物膠凝材料的保濕性能，試驗結(jié)果如圖5.由圖5可以看出，在未使用微生物膠凝材料的對照試驗中，水分散失很快，20 h左右即完全喪失；在微生物膠凝材料固結(jié)形成的固結(jié)層中，水分散失明顯受阻，隨著微生物膠凝材料用量的增加，水分散失更為困難.由此可見，微生物膠凝材料固結(jié)形成的固結(jié)層具有保濕作用，有利于提升抑塵性能.

圖5 微生物膠凝材料用量對保濕性能影響Fig.5 Effect of microbial cementdosage on water-retention of consolidated layer

2.5 微生物膠凝材料用量對抗凍融性能影響

我國幅員遼闊，晝夜溫差、季節(jié)溫差較大，對微生物膠凝材料的抗凍融性能提出了更高的要求.微生物膠凝材料用量對抗凍融性能的影響如圖6.由圖6可以看出，在不同凍融循環(huán)周期下固結(jié)層均有質(zhì)量損失，隨著凍融循環(huán)周期的增加，質(zhì)量損失呈現(xiàn)不斷上升的趨勢.然而，隨著微生物膠凝材料用量的增加，質(zhì)量損失有了明顯的改善.因此，在溫差較大的地方使用微生物膠凝材料時，可適度增加微生物膠凝材料的用量，從而改善固結(jié)層的抗凍融性能，延長微生物膠凝材料的抑塵周期.

圖6 微生物膠凝材料用量對抗凍融性影響Fig.6 Effect of microbial cement dosage on freeze thaw resistance of consolidated layer

3 結(jié)論

通過研究固結(jié)層的物相組成、微生物膠凝材料用量對固結(jié)層強度、硬度、抗風濕性能、保濕性能及抗凍融性能的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1) 根據(jù)XRD圖譜分析可知，微生物膠凝材料固結(jié)松散土形成的固結(jié)層中除了二氧化硅、氧化鋁等物相以外，出現(xiàn)了新的物相，即微生物誘導礦化產(chǎn)物方解石，這是微生物膠凝材料固結(jié)松散介質(zhì)的本質(zhì)原因；

(2) 通過微生物膠凝材料用量對固結(jié)層性能的影響可知，微生物膠凝材料的最適宜的用量為1.6 kg/m2，微生物膠凝材料固結(jié)土形成的固結(jié)層具有良好的抗風蝕性能，風力侵蝕下質(zhì)量損失大幅改善，固結(jié)層兼具保濕性能和抗凍融性.