微生物岩土技术被广泛应用于岩土材料的改良和加固^[1-2]，其中，利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)加固钙质砂已经取得良好的效果^[3]。但传统MICP过程中，副产物NH₄⁺难以回收，大面积应用时会对环境产生严重威胁。为了消除NH₄⁺的不利影响，可对MICP技术进行改进，使NH₄⁺反应生成鸟粪石(MAP)，以此作为矿化产物进行钙质砂的矿化处理，达到加固钙质砂的目的。鉴于此，笔者研究了模拟海水环境下微生物诱导MAP沉淀(MISP)加固钙质砂的效果及其影响因素。

为最大限度消除NH₄⁺的不利影响，必须提高MAP的产率，回收多余的NH₄⁺。MAP沉淀的产率主要受pH值和N、P、Mg比例的调控。为保证MAP的产率，将反应体系的pH值控制在8.5~9.0。在既有研究基础上^[4-5]，设置9个N:P:Mg物质的量比例不同的试验组，控制N的物质的量比值为1，P的比值分别为1、1.5、2，Mg的比值为2、2.5、3。每个试验组按比例配置50 mL溶液，包括48 mL尿素(2 mmol)、K₂HPO₄、MgCl₂的混合溶液和2.0 mL OD₆₀₀值为1.7的巴氏芽孢杆菌菌液，培养矿化7 d后收集全部沉淀物，冲洗、烘干。沉淀物的质量如图 1所示。2-C组(N:P:Mg=1:2:2.5)的沉淀质量最高且沉淀物为纯净的MAP，没有出现其他副产物(图 2)，而其他试验组中检测到磷酸镁和碳酸镁的吸收峰，还有一些非晶体物质，这不利于NH₄⁺的最大化去除。因此，将N、P、Mg的比例设置为1:2:2.5，并以此作为后续钙质砂加固试验N、P、Mg的最佳比例。

图 1

图 1 不同试验组的沉淀产量 注:柱状图上方的数字为N、P、Mg的比例

图 2

图 2 试验组2-C矿化产物的XRD分析 注:S-鸟粪石

在N、P、Mg的最佳比例下，进行模拟海水环境下钙质砂加固试验。南海海水的平均盐度为3.5%，因此，在处理溶液中添加0.6 mol/L的NaCl模拟海水盐度，并与不添加NaCl的试验组对比分析。采用蠕动泵在钙质砂砂柱中先注入55 mL(1.5 PV)的A液(巴氏芽孢杆菌菌液和NaCl、K₂HPO₄溶液)，再注入55 mL B液(MgCl₂和NaCl、尿素溶液)，注浆速率为1 mL/min，静置24 h，为一个轮次。每个试验组设置3个平行试样，分别进行3、4、5、6轮次的矿化处理。矿化完成后，经过冲洗、烘干、拆模，得到胶结完好的砂柱(图 3(a))。砂柱表面几乎全部覆盖白色的MAP，颗粒之间的孔隙也都被MAP填补；对砂柱进行UCS测试，测试过程中砂柱内出现上下贯通的裂缝，最终发生整体剪切破坏(图 3(b))。

图 3

图 3 砂柱UCS测试

使用去离子水和模拟海水不同矿化轮次钙质砂柱的UCS试验的应力-应变曲线(图 4)表明，随着注浆轮次的增加，砂柱的平均UCS值不断提高；但模拟海水试验组的UCS值均低于对应轮次的去离子水试验组，说明模拟海水中的盐度对MAP生成具有一定抑制作用，盐度可能会抑制微生物在矿化过程中的生长活性，同时不利于Mg²⁺、HPO₄^2-与NH₄⁺在带负电荷的细菌表面生成MAP，限制MAP晶体生长，最终表现为钙质砂砂柱UCS值的下降。即便如此，经过6轮MAP矿化处理后，模拟海水环境下钙质砂的UCS值也能达到1.2 MPa，相比原状钙质砂有显著提高，可以满足一般工程需要。

图 4

图 4 模拟海水和去离子水环境下砂柱的应力-应变曲线

模拟海水和去离子水环境下钙质砂柱的XRD分析结果表明，二者钙质砂砂柱中主要成分均为文石和矿化处理后新产生的MAP，没有其他磷镁沉淀副产物生成，处理后MAP的纯度良好。

模拟海水环境下钙质砂柱的SEM(图 5)图像显示，大部分MAP为柱状长斜方晶型，与先前的研究结果吻合，但也出现了部分不规则的MAP晶体，说明盐度可能会改变MAP的晶体形状。不同形状的MAP填充了粒间孔隙，将钙质砂颗粒胶结成一个整体，这是钙质砂力学强度提高的直接原因。

图 5

图 5 模拟海水环境钙质砂砂柱的SEM图像

模拟海水环境下MAP加固钙质砂效果良好，加固后钙质砂平均UCS值可达1.2 MPa，证明可以用微生物诱导鸟粪石矿化对南海钙质砂进行加固处理。事实上，南海鸟粪石资源非常丰富，用鸟粪石加固钙质砂具有良好的环境相容性，未来在南海岛礁建设中可以使用环保型鸟粪石作为生物矿化产物进行钙质砂地基的加固处理。