（岩土工程专业论文）微生物对膨胀土工程性质影响的试验研究.pdf

微生物对膨胀土工程性质影响的试验研究 摘要 本文介绍了膨胀土对土木工程巨大的影晌和危害，以及目前常用的 预防和处理膨胀土病害的化学改性方法。而地球表面的土体里含有丰富 活跃的微生物，是地质环境中重要的组成部分。通过对膨胀土的胀缩机 理、化学改良机理及微生物特性的分析发现，将微生物引入到膨胀土的 土性处理中是可行的，且具有巨大的经济效益和工程意义。 本研究从膨胀土的胀缩性质、改性机理出发，由土中分离出适宜的 菌株，制成固体茵剂。将制好的微生物菌剂添加到膨胀土中，经过标准 培养后，以自由膨胀率为判定标准进行初筛，筛选出4 株使膨胀土自由 膨胀率有明显降低的菌株。并对这4 株菌株作用后的膨胀土进行直剪试 验和其他胀缩性试验( 无荷载膨胀量、有荷载膨胀量、膨胀力和收缩试 验) ，由此试验结果对菌株进行复筛，得到1 株筛选株( 暂时定名a 。) 。 为得到筛选株a 。对膨胀土工程性质的影响，通过多项试验研究了掺 入a 。前后的膨胀土在培养不同天数后的胀缩特性、强度特性等方面的变 化，同时借助x 射线衍射、扫描电镜测试技术，研究了膨胀土在微生物 作用下矿物成分和细观结构的变化，为下一步揭示微生物改变膨胀土工 程性质的机理研究提供了试验基础。 。 关键词：微生物膨胀土自由膨胀率胀缩性质菌种分离筛选 e x p e rim e n t a lr e s e a r c ho ft h ee f f e c to nt h e e n g i n e e r i n gp r o p e r t yo fe x p a n s i v ec l a yb ym i c r o o r g a n i s m a b s t r a c t t h i sp a p e rh a si n t r o d u c t e dt h ee n o r m o u si n f l u e n c ea n dd a n g e ro nt h e a r c h i t e c t u r a l e n g i n e e r i n gb ye x p a n s i v ec l a y , a n d a l s oi n t r o d u c t e dt h e c o m m o n l yc h e m i c a li m p r o v e m e n tm e t h o dw h i c hc a l lp r e v e n t sf r o mt h es o i l d i s e a s ed a m a g e db yt h ee x p a n s i v ec l a y t h es u r f a c eo ft h ee a r t hc o n t a i nr i c h a c t i v em i c r o o r g a n i s mw h i c hh a v e b e e nt h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h e g e o l o g i c a le n v i r o n m e n t a c c o r d i n g t ot h e a n a l y s i s o fs w e l l s h r i n k e d m e c h a n i s mo fe x p a n s i v ec l a y , m e c h a n i s mo fc h e m i c a li m p r o v e m e n ta n d c h a r a c t e r i s t i co fm i c r o o r g a n i s m w eh a v ef o u n di ti sf e a s i b l et o p u t m i c r o o r g a n i s mi n t oe x p a n s i v ec l a yf o ri m p r o v i n gi t sp e r f o r m a n c e ，a n dt h e r e a r eg r e a te c o n o m i cb e n e f i t st ot h ee n g i n e e r i n gp r o j e c t t h es t u d ys t a r t e df r o mt h eb l o a t c o n t r a c t e dp r o p e r t ya n di m p r o v e m e n t m e c h a n i s mo f e x p a n s i v ec l a y t a k et h es u i t a b l em i c r o b i a ls t r a i no u to ft h es o i l a n dm a k es o l i dp h a r m a c e u t i c a ls e e d s a d dt h em i c r o b i a lp h a r m a c e u t i c a ls e e d s i n t ot h es o i l a f t e rt h es t a n d a r dc u l t i v a t i o nw eh a v es c r e e n e da l lo fs t r a i n r e g a r d i n ga st h ef r e es w e l l i n gr a t i o na n dt h e ns e l e c t4s t r a i n sw h i c hm a k et h e f r e es w e l l i n gr a t i o no ft h ee x p a n s i v ec l a yd e c r e a s eo b v i o u s l y t h e nt h e yw e r e r e s c r e e n e db yd o i n gd i r e c ts h e a rt e s ta n do t h e rs w e l l s h r i n k e dt e s t s ( n o n e p r e s s u r ee x p a n s i o nt e s t ，p r e s s u r ee x p a n s i o nt e s t ，s w i l l i n gf o r c et e s t ，s h r i n k e d t e s t ) as t r a i na 9 ( n a m e dt e m p o r a r i l ya 9 ) w a sp i c k e du pa c c o r d i n gt ot h et e s t r e s u l t i no r d e rt og e tt h ei n f l u e n c eo np r o j e c tp r o p e r t i e so fe x p a n x i v ec l a yb y a g , d e p a n do ns o m et e s t sw es t u d y e do nt h ec h a n g eo fs w e l l s h r i n k e da n d s t r o n gc h a r a c t e r i s t i co fe x p a n s i v ec l a yw h i c hw a sa d d e di n t oa 9 f o rd i f f e r e n t i l t i m ea n db e f o r ed oi t , a sw e l la st h em i n e r a l sc o m p o n e n ta n dm i c r o s t r u c t u r e b yu s e o f x r a yd i f f r a c t i o na n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p a l lo f t h ew o r k s h a v em a k et h ef o u n d a t i o no ft e s tf o rt h ef u r t h e rr e s e r c ho nt h ec h a n g eo f e n g i n e e r i n gp r o p e r t y o fe x p a n s i v ec l a yw h i c hh a v e b e e nm a d e b y m i c r o o r g a n i s m k e y w o r d s ：m i c r o o r g a n i s m ；e x p a n s i v ec l a y ；f r e es w e l l i n g r a t i o n ； s w e l l s h r i n k e dp r o p e r t y ；m i c r o b i a ls t r a i ni s o l a t i o n ； m i c r o b i a ls t r a i ns c r e e n i n g i n 广西大学硕士学位论文第一章引言 1 1 研究的目的和意义 第一章引言 膨胀士是土中粘粒成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收 缩两种变形特性的粘性土。膨胀上在天然状态下常处于较- 簪硬的状态，遇水后强度急 剧下降。有“晴天一把刀，陶天一团糟”，“天晴张大嘴，雨后吐黄水”1 等通俗生 动的描写，这也是对膨胀土强度特性和胀缩特性规律的高度概括和逼真写照。由于膨 胀土这些特殊的性质，使得它给工程带来了巨大的影响和危害。这些危害表现在地表 建筑物上，也反应在地下工程中。它不仅对铁路，公路、渠道的边坡、路基和路面， 也对房屋基础、地坪，同时对地下洞室及隧道围岩、衬砌，甚至对这些工程所采取的 稳定性措施，如护坡，挡土墙和桩等也产生破坏。因而从某种意义上讲，膨胀土对工 程建筑的危害无所不包，成了浅表层轻型工程建设的全球性技术难题。尤其是对铁 路、公路、水渠的破坏作用更加突出，故有“逢颦必滑，无堤不塌”之说。且对工程 建设的危害往往具有多发性、反复性及长期潜在性。为此，美国工程界称膨胀土为“隐 藏的危害”0 1 。 膨胀土在世界范田内分御极广，至今发现存在膨胀土的国家达4 0 多个“”，遍及 六大洲，其地理位置大致在北纬6 0 0 到南纬5 0 0 之间。我国是膨胀土分布最广的国家 之一，至今发现有膨胀土的省自治区达2 0 多个，总面积约在1 0 万k m 2 以上。掘报导， 美国每年因膨胀土问题引起的损失达9 0 亿美元“】，是美国最严重的自然灾害。我国 有3 亿以上的人口生活在膨胀土分卸地区”1 。南昆铁路运营以来，每年的膨胀土路堤、 边坡灾害处理及维修费用达3 0 0 0 万元左右”。云南楚( 雄) 一大( 理) 高速公路修建时 ( 1 9 9 6 1 9 9 8 ) ，多处路段遇到膨胀上问题。其巾k 3 9 + 3 3 2 k 3 9 + 6 8 4 路帮丌挖中，两 侧膨胀土边坡出现多次滑塌；3 5 3 m 长的路爷经反复整治，耗资1 0 0 0 余力元，其中， 7 0 多万方挖除膨胀土全部作废方远弃，造成生态环境的破坏和工程投资的增加1 。 随着西部大开发拉开序幕，新一轮高速公路的建设达到高潮。根据中科院地质所 曲永新“”“”等研究员对我国膨胀土的成因、时代、分布、工程特性等进行详细归类整 理，在此基础上对交通网上发稚的规划建设中的国道主干线及西部8 条省际区域路网 广西大学硕士学位论文第一章引言 沿线地质条件进行分析与预测，初步可确定西部拟建的2 1 0 0 0 k m 公路里程中将有近 3 3 0 0 k m 路段穿越膨胀土分布区。在这些路段上交通量大，行车速度快，开通后进行 中断交通的养护比较困难，所以对工程质量要求更高。由此可见，膨胀土问题已成为 西部公路建设中最突出的工程问题之一。按照我幽公路路基设计规范上兕定，膨胀 土一般不能作为高等级公路的路基填料“”。然而，由于我国土地资源十分珍贵，有些 地区的路基填料必须采用膨胀土。因此，研究膨胀土的改性处理是摆在岩土工程技术 人员面前的一项十分艰巨的任务。 日f 狗仃父膨胀上土陛改良的方法仃很多，如华中理工大学罗逸等人研究的h 2 4 膨 胀土稳定剂“”“，广西交通科研所研制的改良膨胀土的d m h 喷洒液，此外还有在土 中掺入一些石灰“、粉煤灰、氯化钠、氯化钙等添加料。印度学者z e n e m 通过对 白蚁蚁巢的研究发现，白蚁颚中的木质素可以使散粒泥土胶结在一起，起到固化的作 用，这样筑成的蚁巢内壁湿润且具有一定塑性，外壁十分坚硬，其强度和稳定性与日 俱增，往往需要强有力的工具或炸药才能将其摧毁。杨承志、冯庆贤等人研究了微 生物采油机理，指出：微生物在发酵过程中，能产生醇、酸、酶及各种游离态离子， 从而与原油及油藏环境产生各种生物化学作用。 本文考虑将微生物引入到膨胀土的土性处理中，通过微生物膨胀土。”的相互 作用，以达到减弱或消除膨胀土胀缩性的目的。目前直接切入微生物对膨胀土工程性 质影响问题这一领域的研究国内外尚未见报道。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外膨胀土研究概况 早在2 0 世纪的2 0 年代至3 0 年代早期，一些国家的砖石结构出现了砖层裂缝， 有的路毕也发，上变形破坏。于是工程师们在分析和处理建筑物丌裂与破坏的，i 三产实践 中，逐步认识剑存在着地基土的膨胀问题。遗随的是这些问题并未引起研究者们的足 够重视，直到6 0 年代中期彳。在有关文献中见到对这方面的论述。1 9 6 5 年在美国首次 召开了第一届国际膨胀土会议，到1 9 9 2 年共召开了七届国际膨胀土会议基于膨胀 土是一类典型的非饱和土，1 9 9 5 年9 月在巴黎召丌的第一届国际非饱和会议上决定， 今后每3 年召丌一次非饱和土国际会议以取代原来定期召开的国际膨胀土会议。迄今 2 广西大学硕十学位论文第一章引言 为止，美国、英国、俄罗斯、日本和罗马尼亚等国家都先后制定了膨胀土试验及建筑 设计规范，颁发了各种国家标准文件”1 。 据文献记载，我国地质学家早在3 0 年代初期，曾从土壤学和地层学观点出发， 对典型的“成挪粘上”以及晋东i _ j 新生代后期“紫色岩系”等膨胀上进行过研究， 5 0 年代早期，在成渝铁路修建中，首先遇到了成都粘土膨胀危害的问题”1 。6 0 年代 修建汉月线、成昆线北段和7 0 年代修建阳安线、焦枝线等进一步揭示了膨胀土在我 国的广泛存在以及它所产生的各种问题的严重性和复杂性。随后，许多城市开发、水 利1 程、公路、矿山和地一f 工程筲都酱遍遇剑了膨胀上所产q 三的各种工程地质问题。 2 0 世纪7 0 年代中期，我国丌始有组织、有计划地在全国丌展了大规模的膨胀土 普查工作，建立了科学研究试验基地，进行了各种卓有成效的膨胀土试验与研究，无 论在膨胀土的基本理论或工程实践与试验研究方法等方面，都取得了十分可喜的成 果。 2 0 世纪8 0 年代，我国制定了膨胀土地区建筑技术规范( g b j l l 2 8 7 ) ，规 范涉及到膨胀土的判别方法，膨胀土建筑场地的综合评价，关于膨胀土地基的变形计 算问题，膨胀土地基上的建筑物变形，大气影响深度等五个方面。1 9 9 4 年在武汉召 开了“中加非饱和土学术研讨会”乜7 嘲，标志着我国非饱和土理论研究已经达到一个 新的领域。在这期间，有关膨胀土问题的专著陆续出版，其中影响力较大的有：1 9 8 4 年出版廖世文编著的膨胀土与铁路工程“1 。这是一本较为系统全面对膨胀土研究 的专著，此书对膨胀土的概念、分布与成因、地质地貌特征、物质成分与结构、胀缩 机理、判别与分类及在具体工程中的应用进行了详细的阐述。1 9 9 2 年，李生林等编 著的中国膨胀土工程地质研究。1 ，该书重点介绍了膨胀土微观结构研究的新技术， 系统展示了我国各地典型膨胀土的区域研究成果，结合具体工程论证了运用生石灰改 良膨胀土胀缩性的机理与效果，较详细地讨论了运用塑性图判别膨胀土的理论与实 践。1 9 9 4 年，刘特洪”1 在总结研究南水北调工程中膨胀上研究成果的基础上，出版 了工程建设中的膨胀土问题一对膨胀上体结构面的成因类型及j ( 特陛、膨胀 土变形与强度特性、求解膨胀土问题的数学模型和数值分析方法及在水利工程中的处 理方法进行了深入研究，取得了卓有成效的成果。到目前为止，已经先后召开了8 届国际膨胀土研究与工程会议，在膨胀土的成分、结构、强度、膨胀机理以及变形等 方面取得了许多很有价值的研究成果“。 在公路方面，对于膨胀土研究起步较晚，目前大多是借鉴建筑和铁路部门的研究 广西大学硕士学位论文 第一章引言 成果，现行的公路路基设计规范( j t j 0 1 3 - 9 5 ) 与公路路基施工技术规范嘲1 ( 3 t j 0 3 3 - 9 5 ) 中，对膨胀土路基有了相应的规定。在膨胀土的判定、路基设计的基 本原则、填料、边坡形式以及排水和支挡防护设计等方面作了基本的要求。但是尚未 有一个系统、准确、全面的专门上见范，远远不能满足实际工程殴计和施工的：高耍。因 此，现已在全国组织有关单位的专家丌展膨胀土地区公路修筑成套技术研究。研 究内容包括全国性的膨胀土分布、基本特性的调查，确定适合施工及质量控制方法、 路基路面协调设计、膨胀土地基基础加固、膨胀土地区公路排水防护以及环境保护景 观设计等。 1 2 2 国内外膨胀土改- 陛的发展概况 大量的工程实践证明通过化学方法处理膨胀土地基是十分有效的，其作用机理是 在膨胀土中加入某种添加剂，使添加材料与膨胀土中的粘土颗粒发生某种化学反应或 物质交换过程，以达到降低膨胀土膨胀潜势、增加强度和提高水稳定性的目的嘲。该 处理方法的最大优点在于能从本质上改善膨胀土的不良工程性质，理论上可以根本消 除膨胀土的胀缩性，是国内外膨胀土工程处理技术中的热点领域。目静，应用于改变 膨胀土工程特性的添加剂有石灰、水泥、粉煤灰等。6 0 年代后化学溶液处理膨胀土 的方法开始在国内外一些工程丌始应用。 1 ) 石狄添加剂 最为广泛使用的添加剂是石灰，石厌加入膨胀土中会和土发生一系列物理化学反 应。汤姆森于1 9 6 6 年阐述了其反应过程：阳离子的交换，凝聚与结块，碳化作用和 凝硬反应，前两个作用可以使土的可塑性增大，因而改变了粘土矿物的电荷；后两个 作用过程是粘结反应过程，使土的承载强度提高。因此，石灰稳定分为两个阶段，第 一阶段包括粘上表面阳离子交换与凝聚过程：第二阶段是从枯土矿物品格中分离二氧 化硅( 和微苗氧化铝) 。初期的离子交换与化学反应引起钙质硅酸盐的凝胶，使土颗 粒发生胶结，进而包裹成粘上【i 粒并坫塞土孔隙。钙质硅酸盐凝胶逐渐结晶，形成一 种连锁结构“。8 0 年代以来，国内很多研究人员结合具体工程的需要对石灰改良加 固膨胀土的机理、试验、微观结构及施工方法等方面进行研究，得到了对工程建设有 指导意义的结论。 李新民针对宁连一级公路的膨胀土进行生石灰改良的试验研究m m ”；罗雄章对南 4 广两大学硕士学位论文第一章引言 宁和上思的膨胀土进行了石灰改良的胀缩性质和强度性质的试验研究：余湘娟对江 苏淮江高速公路淮阴段的膨胀土填料不掺石灰和掺石灰处理后的胀缩性及物理、力学 性进行了试验研究，得出了掺石灰对改善膨胀土路基填料工程性质的影响规律“”； 戴霜红、尤昌龙，王保罔、武良金、向文俊”，程平姚海林李文斌安骏勇“， 探讨了采用石狄处理膨胀土的作用机理及效果，研究了用石灰改良膨胀土的胀缩性、 强度、力学性质等方面的变化；张小平、施斌“”对石灰改良后的膨胀土的微孑l 结构进 行了定量研究，采用美国产的a s a p - 2 0 i o m + c 表面吸附仪对在石灰土压实土样进行了 表面吸阿f 试验研究，测得土样加从后的b e t 比表面积和n j h 微孔比表面积减少、b j f t 微孔体积、微孔孔径及孔径中值变大导致粘粒活性降低，亲水性减小，粒间连接力增 大。 石灰处理膨胀土是一种经济可靠的处理方法。石灰的加入使土的p h 值增高，从 而使土的有效交换阳离子总量降低，使膨胀土的胀缩性降低或消除。但石灰添加剂也 有不尽人意的地方，如现场施工情况复杂，处理效果受粉碎、拌和、压实、养护、含 水量、石灰的数量与质量、气候、环境等因素的影响；且石灰土的拌和质量不易得到 保证，对路基填料处理较为适用，但对边坡处理难度较大；此外，施工中掺拌石灰时 易扬尘( 尤其是掺生石灰) ，造成一定环境污染，且易使灰土出现龟裂现象，需要进 一步加强施工工艺的改进。”。 2 ) n c s 、沥青添加剂 n c s 添加剂“2 1 是一种新型复合粘性土固化材料的简称，是由石灰、水泥等合成添 加剂改性而成。n c s 加入填料中除具有石灰、水泥对土的改性作用外，它还可以使土 粒和n c s 发生一系列物理化学反应，使膨胀土颗粒问紧密，彼此聚焦成土团，增强了 土的可压实性。同时，膨胀土颗粒在n c s 水化反应中生成新的水化硅酸钙和水化铝酸 钙，加强了土体的强度和稳定性。 a z m s a l h o m o u d 等利用沥青加固剂对约旦土的膨胀潜势与洱陷潜势进行研究， 得出如f 结论： 稀释的沥青可以把土颗粒粘结在一起束增大土的枯聚力，又可以起到防水剂的 作用，并在土颗粒间形成沥青薄膜从而保持土的粘聚力。 土中稀释沥青含量的增加使土的最大干密度与对水的敏感性都减小。而使土的 总含水量增加。 用稀释的沥青进行处理，土的膨胀潜势与湿陷潜势将明显减小。 s 广西大学硕士学位论文 第一章引言 3 ) 其他化学添加剂 随着对膨胀土膨胀机理认识的逐步深入，用可以产生离子交换反应的各种化学添 加剂加固改良的措施纷纷浮出水面。 早在1 9 4 9 年，关国学名d t d a v i d s o n 和e g l o b 通过肘依阿华州高塑性地基上 进行实验研究发现，能提供大量有机阳离子化合物的水溶液可减小塑性土样的塑性、 收缩性及膨胀性，并认为将它们作为高塑性土的稳定剂具有极大的前途“”。 7 0 年代，美国科罗拉多州丹佛市土工技术公司采用7 0 5 和7 0 6 专利溶液处理丹 佛枯上页岩重塑上，进行膨胀及渗透实验，结果表明土的膨胀潜势极大地降低了，并 且能渗透不透水性土，其渗透性约为每年1 8 2 8 8 m “，虽然随后的现场试验末获成 功，但为后来的研究提供了有益的信息和经验。 1 9 9 4 年，罗逸“”“”在第三届全国岩石力学与工程学术会议上首次报道了某些有 机化合物可改善膨胀土的性质，并就化学改良方法的可能性进行了初步探讨。此后研 制出了一种膨胀土稳定剂，它是一种以有机阳离子化合物为主要成分的水溶液， 这些化合物能和土中的无机阳离子进行有效的阳离子交换吸附。这种吸附作用及吸附 膜的形成在参与降低土的亲水性，膨胀性和强度衰减性的过程中起到了重要的作用。 此外，还有中财科贸“删研制丌发的膨胀土生态改良剂( c m a ) 可应用于膨胀土地基 和边坡工程中， c m a 是一种离子交换剂，通过离子交换改变土粒的亲水特性，所以 改性后的土壤中阳离子下降，但这种离子交换作用并不影响矿物质的成份结构。在南 水北调中线工程中，长委“7 于1 9 9 6 年引入电化学土壤处理剂c 0 n d o r s s ，它通过 中和土粒表面的负电荷，释放土粒表面的极性水，来减少土粒之间的距离、降低土体 对环境中水分变化的灵敏性，以达到降低土体膨胀性的效果。1 9 9 7 2 0 0 1 年以来， 长委又引进一种美国生产的生物化学处理剂p z 一2 2 z ，它通过催化作用，可改变 土壤分子的结构，加速土壤颗粒的“熔合”，经压实后，使土壤排除水分、空气，从 而形成紧密、高强度、几乎不透水的地层。长安大学硕士研究生王浩”4 利用d a h 石灰 混合溶液渗透方法时膨胀上的上性改良进行研究。 分析上述各种膨胀土改性方法，实质上是利用掺入物与膨胀土问的物理化学作用 来实现的。其作用机理归纳如下： 对膨胀土中亲水性粘土矿物进行改性。通过向膨胀土中加入一定的物质( 如石 灰、水泥、沥青等) ，使之与膨胀土矿物成分发生化学反应，生成硅酸盐、硅酸凝胶 等产物，使其吸水性减弱且具有一定的胶结能力。 6 广西大学硕七学位论文 第一章引言 扩散层吸附特性改性。通过向膨胀土中加入一定的无机离子、有机离子( 如 h 。) 。这些离子能和土中的无机阳离子进行有效的阳离子交换吸附。这种吸附作用可 以加强矿物分子问的联结，增加其憎水性，减少吸水膨胀。 但侄实际应用中，上述膨胀土改洼方法或多或少地存在以下三个弱点：一足施工 过程繁琐，改良效果不易控制，改良方法本身尚待完善；二是处理费用较高；三是对 场地生态环境可能产生不良影响，甚至是破坏作用，应用上有一定的局限。因此，有 必要寻找一些新的更理想的膨胀土改良方法。 1 3 利用微生物对膨胀土进行改性的可行性分析 地球表面存在着非常丰富且活跃的微生物。这些微生物对矿物的形成，岩土土体 的性质都有显著影响。胡明安嘲在对两个欧洲铅锌硫化物矿床的研究表明：在铅锌成 矿过程中硫酸盐的还原是通过硫酸盐还原细菌来完成的。谢先德，张刚生在微生 物一矿物相互作用之环境意义的研究一文中指出t 微生物一矿物的相互作用是地球上 广泛发生的一种地质作用，它直接导致矿物的溶解和沉淀，并进而对环境产生重要的 影响。如会属还原细菌( d m r b ) 可通过与f e 吒氧化物矿物的相互作用催化氧化降解含 芳香环的化合物如苯酸盐、苯、甲苯等。因此本文考虑将微生物引入膨胀土的治理中， 即找到某些微生物可以改变膨胀土中粘土矿物的亲水性或改变膨胀土的双电层结构， 达到减小或根除膨胀土的胀缩性的目的，又对环境没有污染，通过下面的分析发现答 案是可能的。 1 3 1 利用生物表面活性剂对膨胀土进行改性的设想 表面活性剂的应用非常广泛，其中一种是作为助滤剂，其助滤机理在于降低滤液 表面张力和使颗村表面疏水化，后者作用更大。山于表面活性剂足双极性分子，当它 吸附片覆盖在颗粒表面时，非极性基朝外，这样就会使颗粒表面疏水，既有助于降低 孔隙的毛细压力，又可压缩、破坏固体表面水化膜，这样一方面可减少固体表面的附 着水，另一方面又起着减小毛细管壁的阻滞力和扩大毛细管直径的作用，有利于疏通 滤液流动的通道，这种作用对于细粒级物料更为重要。但就压缩、破坏固体表面水化 膜而言，仅使固体表面个别、局部地疏水，是没有明显效果的，要大幅度降低滤饼水 7 广西大学硕士学位论文第一章引言 分，须使颗粒表面大面积疏水化。从某种程度而言，表面活性剂助滤剂在物料表面上 吸附使物料表面疏水面积越大，则其强化物料脱水、降低滤饼水分的作用越明显。作 者认为，要大幅度地降低滤饼水分，就必须侵颗粒表面“大面积疏水”化”“。 研究表明，上物表面活注剁和一般的化学表血活性卉0 一样，都粕有亲水和疏水基 团，是微生物生长在水不溶的有机物中的代谢产物嘞1 。生物表面活性剂附着在粘土 矿物的表面上可以降低液面张力和使粘土矿物表面疏水化，二者对降低矿物的毛细压 力均有贡献，除此之外，更重要的是使颗粒表面疏水、破坏矿物表面水化膜或使之变 薄。符结合水膜薄，则粒问粘结力大，土的抗剪强度提高，胀缩性减小。同时水足膨 胀土胀缩的主要原因，如果膨胀土吸水特性降低，则胀缩性将有所改变。因此，利用 生物表面活性剂来对膨胀土进行改性是可行的。并且这种生物表面活性剂必须具有以 下特点或功能： 1 ) 能吸附于膨胀土的矿物成分蒙脱石、伊利石表面； 2 ) 可以降低气液界面张力，降低孔隙毛细压力； 3 ) 使颗粒表面“大面积疏水”，减小或破坏颗粒表面的结合水膜，减少矿物成分 表面的附着水，降低毛细管壁的亲水阻滞力。 1 3 2 微生物改变膨胀土双电层结构的设想 粘土形成过程中，粘土矿物晶体产生电荷并显负电性，矿物晶体表面吸附带有相 反电荷的水化阳离子，形成所谓的双电层( 水化膜) 。遵循电中性原理，如有等量的异 性离子吸附在粘土表面，由于原已吸附的无机阳离子( n a + 、m g “等) 易被吸附力更强的 正电性质点所取代，从而产生交换吸附现象。具有的抑制膨胀作用就是基于上述 原理，并能在粘粒表面形成一层牢固的斥水吸附膜，从而能阻止土壤中易溶盐和胶结 物的溶解，增强粘粒i 玎j 的胶结作用“。另外，已知掺石灰对膨胀土土粒表面结合水 膜也自类似的影响，且离子交换能力愈大者使水化膜扩散层愈薄，膨胀土中掺入石狄 使土中c a 。离子含量提高，凶而使上粒问的结合水膜变簿，胀缩性减小，强度提高。 寻找某些具有类似h 。或c a ”离子性质的微生物及其代谢产物，利用离子交换原 理，使其吸附在粘土表面，改变土壤结构微粒表面双电层结构的作用，通过吸附、胶 结、斥水等方式达到改变膨胀土的物理一化学性质，抑制水敏序胀，使结合膜变薄， 粒问粘结力增大，胀缩性减小，进而提高土体强度。 s 广西大学硕士学位论文第一章引言 有报道，国外已经研究出可以给手机充电的细菌，这种细菌( r h o d o f e r a x f e r r i r e d u c e n s ) 可以将糖分解成电子并直接把电子传输到电极上，把这种性质用于 膨胀土中，改变粘土矿物颗粒带有负荷的性质，使颗粒周围无法形成静电场，则颗粒 表面就无法吸附带有1 日反电荷的水化阳离子，不能组成所谓的双电层( 水化膜) 。则固 体颗粒之b j 的距离不会有太大变化，土体膨胀性得到抑制。 1 3 3 微生物封堵孔隙和裂隙 细菌的新踢、代谢活动，可以通过改变原始地质环境使矿物直接从介质中沉淀。矿 物沉积和死亡豹细菌尸体保留下来，产生胶结或填塞孔隙。例如，利用b a o i l l a s p a s t e u r l l 细菌更能有益于碳酸钙沉淀，并且这种细菌成因的胶结在数小时内就能产 生。在石油开采中利用这一过程封堵产水区裂缝、防止高产水已见报道嘲1 。 利用微生物促进矿物沉积的特性可在粒间孔隙和土体裂隙中引起自然胶结和封 堵。由此，寻找某种微生物，使其在膨胀土中大量繁殖，死亡后充填在粘土矿物的晶 格构造中，或促进矿物颗粒间的胶结，从而减小不良土的压缩性，提高土体抗剪强度， 是完全可能的。 通过上述分析表明，利用微生物消除或减小膨胀土的胀缩性，提高土体强度是可 能实现的。关键在于寻找具有下列特点的微生物及其代谢产物： 能改变粘土矿物表面电荷电性或对膨胀土有疏水作用，达到减小结合水膜厚 度，降低膨胀土的胀缩性，提高土体强度的目的； 能在膨胀土中生存且能大量繁殖，死亡后可胶结填塞孔隙。 1 4 论文的主要研究思路和内容 研究思路： 从膨胀上改性机理着手，以自由膨胀率为初筛杯准，其他胀缩性指标为复筛标准， 筛选出对膨胀土胀缩性有明显降低的菌株。并深入研究筛选株对膨胀土工程性质和细 观结构的影响。 本文的主要工作： 1 ) 对已有膨胀土改性处理措施进行总结，对微生物在石油、采矿、成矿，化工 9 广西大学硕士学位论文第一章引言 以及污染物的降解转化等方面的应用进行分析，论述微生物改变膨胀土胀缩性的可行 性； 2 ) 菌株的分离，通过微生物试验从土中分离各种菌株，进行培养，制成菌剂： 3 ) 菌株的筛选，将微，上物引入膨胀上后，通过自由膨胀率试验和膨胀上的胀缩 性试验对菌株进行初筛和复筛，找出对膨胀土胀缩性质改变最为明显的菌株作为筛选 株； 4 ) 对筛选株进行特征试验、物理力学性质及细观结构试验。 本文工作流程图如图1 一l 所示。 1 0 广西大学硕上学位论文第一章引言 第一章引言 研究的目的和意义，文献综述，可行性分析 i 第二章曲株的分离 第一阶段 从土中分离菌株，扩大培养，制成曲荆 l l 第三章菌株的筛选 l 试 i 絮 验第二阶段 以自由膨胀率的降低幅度为 标准进行初筛 过i 复 程 1 筛 以胀缩性试验和直剪试验结 果为标准对初筛株进行复筛 1 0 第四章筛选株对膨胀士土性处理影 第二阶段 响试验研究 i ii 筛选株的特征筛选株作_ l j 后膨胀土x 射线衍射测试 试验 的胀缩性和直剪试验扫描屯镜测试 iil i 第五章 结论和后续工作 幽卜i 全文l 作流稃图 广西大学硕上学位论文 第二章菌株的分离 2 1 菌株分离的试验方法 第二章菌株的分离 本章主要阐述了从土中分离菌株的试验方法及分离结果，现大致将其分离流程介 绍如下( 按菌株的走向) ： 培将菌将接三接 养稀株培 试入 角入 瓶含 取 鍪 翻椎 基释 培兼。 接养 中有 若干天 中有 七 培羔 菌 - - 的液种皿 在 培养基 培滴 若干天 到上纯培扩培 士养入试长培养大养 中皿装管出养基培基 一 中有中的的 养的 2 1 1 菌种来源 图2 - 1 菌株分离的流程图 从膨胀土的胀缩性机理、化学改性( 石灰改良、土壤固化剂) 机理出发，选取现 有的一些与土壤作用效果明显的菌株，同时也从水稻土、膨胀土、菜园土等各种土壤 中分离适宜的菌株。 2 1 2 培养基 培养基是按照微生物生长繁殖所需要的各种营养物质用人工方法配制而成的基 质”4 “”。培养基可以为微生物的生长提供能源及调节代谢活动，通过在培养基中加入 有利于某种或某类微，l 三物生长繁殖所需的营养物质，使这类微生物增值速度快于其他 微生物，从而使这类微尘物能在混有多种微生物的培养条件下占有生长优势。也可以 通过加入某些物质或除去某些营养物质以抑制其他微生物的生长，从而有利于某一类 目标微生物的生长。由于微生物种类、营养类型以及我们工作目的的多样性，故培养 基的配方和种类很多 鉴于以前几乎没有关于微生物改变膨胀土胀缩性质的研究。因此，很难确定菌株 1 2 广西大学硕士学位论文 第二章菌株的分离 的富集培养基，故而，本文的研究根据膨胀土的胀缩性机理及化学改良机理，从不同 的方面选择以下培养基。 2 1 2 1 厌气性芽孢杆菌培养基 葡萄糖2 0 9 ，k ：h p o ，l g ，m g s o 。7 h 。00 5 9 ，n a c l0 2 5 9 ，硫酸亚铁0 0 l g ， 硫化锰0 o l g ，蛋白胨0 2 5 9 ，酵母膏0 2 9 蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h 值6 8 7 2 按配方配制，分装于试管中，每试管装l o 1 5 m l ，内放小杜管l 枚，棉塞封口， 1 2 1 灭菌3 0 m i n 。 在上面的培养基中加入0 4 琼脂，即为分离培养基。 2 1 2 2 好气性固氯菌培养基 蔗糖l o g ，m g s 0 4 7 h ：00 5 9 ，c a c o 。0 1 9 ，k 。h p 0 4 3 h 2 02 9 ， f e c l 。6 h ：00 0 0 5 9 ，蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h 值7 0 7 2 按配方配制，分装2 5 0m l 三角瓶装中。每瓶装量为1 0 0l l l l ，棉塞封口，1 2 1 3 0 m i n 灭菌。 在上面培养基的基础上另外加入2 琼脂，即为分离培养基。 2 1 2 3 从膨胀土中分离原生态菌株培养基 1 ) 细菌培养基 牛肉膏蛋白胨培养基 牛肉膏5 o g ，蛋白胨1 0 o g ， n a c l 5 o g ，琼脂2 0 9 ， 蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h 值7 0 7 2 ， 按配方配制，分装于试管中，每试管装l o l s m l 和2 5 0 m l 三角瓶装中，棉塞封 口，1 2 1 灭菌3 0 m i n 。 2 ) 放线菌培养基 高氏一号培养基 可溶性淀粉2 0 9 ， k 、0 ，1 o g ， g s u 7 1 1 。00 5 9 ，k 。h p o 。0 5 9 ，n a c l 0 5 9 ， f e s o ，7 h 。00 1 9 ，蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h 值7 2 7 4 按配方配制，分装于试管中，每试管装1 0 1 5 m l 中，棉塞封口，1 2 1 灭菌3 0 r a i n 。 3 ) 霉菌培养基 马铃薯培养基 马铃薯( 去皮) 2 0 0 9 ，葡萄糖2 0 9 ，琼脂2 0 9 ，蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h 值自然 1 3 广西大学硕士堂垡迨皇 第二章菌株的分离 称取去皮新鲜马铃薯2 0 0 9 切成l c m 见方小块放于小铝锅中，加入1 0 0 0 m l 蒸馏水， 至电磁炉上煮沸2 0 m i n 后，用双层纱布过滤。滤液计量体积后倒入小铝锅中煮沸。加 入称好的蔗糖、琼脂，加热搅拌至琼脂完全溶化，并补足水量至1 0 0 0 m 。趁热用分 装漏斗分装于三角瓶和试管中。棉塞封口。高压蒸汽灭菌，1 2 1 3 0 m i n 灭菌。 2 1 2 4 配制各种菌剂培养基 1 ) 细菌菌剂培养基 废糖蜜6 ，尿素0 4 ，k h ：p 嘎0 1 ，c a c 吼0 1 ，n a o h 0 1 5 ， p h 值7 o 7 j ( 其中，液体药品按体积体积，固体药品按质鼍体积) 按配方配制，用分装漏斗分装于三角瓶中，棉塞封口。高压蒸汽灭菌，1 2 1 3 0 m i n 灭菌。 2 ) 放线菌菌剂培养基 将有机质分装于三角瓶中，棉塞封口。高压蒸汽灭菌，1 2 1 3 0 m i n 灭菌。 3 ) 霉菌菌剂培养基 同放线菌菌剂培养基 2 1 3 菌种的分离方法 在自然界中，微生物的种类很多，数量很大，为了获得单个菌体，首先必须把要 分离的材料进行适当的释放，按其生长所需要的条件，使其在平板上，由一个菌体繁 殖成单个菌落，这样，就能从中挑选出所需的纯种，由于细菌、放线菌和霉菌所要求 的营养条件不同，利用不同的培养基制成的平板进行分离，然后从菌落形态上的差异， 可以把细菌、放线菌和霉菌三大类群区分并可计算出其数量，分别接种到试管斜面上。 2 1 3 1 厌气性芽孢杆菌的分离 1 ) 厌气性芽孢卡t 菌的富集培养 水稻土样。称奄1 9 冒于装有9 9 m l 无菌水并放有小玻珠的三角瓶中，充分摇动 2 0 分钟，静止3 0 秒，即为l o2 的菌悬液，用l m l 无菌j 吸管吸取此悬液l m l 接入装有 9 m l 无菌水的试管中，换一支l m l 无菌吸管，吹吸三次，让菌液混合均匀，即成l o 。 的菌悬液，吸取l m l 到另一支9 i i l l 无菌水试管中，依次制成1 0 1 、1 0 、1 旷和1 0 。7 的 菌悬液，每个浓度更换一支无菌吸管。 用一支l m l 无菌吸管由低浓度到高浓度的顺序从各稀释度中吸取l m l 菌悬液到装 1 4 广西大学碗堂垡堡塞 第二章菌株的分离 有液体富集培养基的试管中( 带小杜管) ，置2 8 - 3 0 0 c 恒温培养箱中富集培养5 7 天。 观察小杜管的产气情况，选择产气较快较多的试管再进行二次富集，方法同上。 二次富集后同样选择产气多而快的富集培养物进行分离培养。 2 ) 厌气性芽孢柯菌的分离 将富集培养物试管于8 0 水浴锅中加热1 5 m i n ( 固氮菌有芽孢，8 0 0 c 杀不死，但 可以杀死其他杂菌，取加热后的富集培养物l m 加入装有9 9 m l 无菌水并放有小玻珠 的三角瓶中，用手摇匀，使微生物细胞分散，静置2 0 3 0 s ，即成1 0 1 稀释液；以下 操作同富集培养苗悬液的配制。制成1 01 、l o ，1 0 一，1 0 “等一系列秭释度的菌怂 液。同样各稀释度各吸取了l m l 菌悬液放入事先加热溶化的半固体培养基中，置恒温 培养箱中3 0 培养2 - 3 天。 3 ) 厌气性芽孢杆菌的纯培养 观察半固体培养基中出现单菌落情况( 以出现单个气泡为准) ，挑取单个菌落， 一个菌落接入一支液体富集培养基试管中，恒温培养，筛选产气快多的试管作为纯培 养，并镜检作进一步研究。 2 1 3 2 好气性固氮菌的分离 将从广西大学农场采集的土样风干碾碎，分别取各土样1 0 9 加入已灭菌的装有 1 0 0 i i l l 好气性固氮菌富集培养液的2 5 0 m l 三角瓶中，在摇床上培养7 2 h ，无菌操作取 富集培养液2 m l 接入培养基作二次富集，取二次富集培养液0 1 m l 采用稀释平板涂布 分离法进行分离，将分离平板在3 0 恒温培养箱培养4 8 h 后挑取单菌落于试管斜面。 培养分离株纯培养，并分别对其菌落特征鉴别描述，取其中菌落大圆形且粘稠度大的 作为分离菌株。 2 1 3 3 膨胀土中细菌的分离 1 ) 样品稀释液的制备 将膨胀土样品放入研钵中研碲，称取l g 放入9 9 m l 无菌蒸馏水并放有小玻珠的 2 5 0 m l 三角瓶巾，用于摇约2 0 m i n ，使微，上物细胞分散，静置2 0 3 0 s 。h | j 成1 0 m l 稀释液；再用一支l m l 无菌吸管从中吸取l o - 2 稀释液l m l ，移入装有9 m l 无菌水的试 管中，吸吹3 次，让菌液混合均匀，即成1 0 - 3 稀释液，再换一支l m l 无菌吸管，吸 取1 0 1 稀释液l m l 移入装有9 i n l 无菌水的试管中，吸吹3 次，让菌液混合均匀，即 成1 0 1 稀释液，以此类推，连续稀释，制成1 0 一，l o 一，l o - 7 等一系列稀释度菌液。 2 ) 细菌的分离培养 广西大学硕士学位论文第二章菌株的分离 本文选择混合平板培养法，将无菌平板编上1 0 一，1 0 ，1 0 1 号码，每一号码设 置三个重复，用无菌吸管按无菌操作要求吸取1 0 。稀释液各l m l 放入编号1 0 - 7 的三 个平板中，同样吸取1 0 一、1 0 。稀释液各l m l 分别放入编号1 0 一、1 0 的三个平板( 由 低浓度向高浓度时，吸管可不必史换) 。然后在9 个平板中分别倒入已溶化并玲却至 4 5 5 0 。c 的细菌培养基，轻轻转动平板，使菌液与培养基混合均匀，冷凝后倒置，在 2 8 温箱中培养2 3 天。 3 ) 细菌的纯化 观察甲板上的菌落，上长情况，选择生长良好具有代表性的帆菌藩接种剑试管斜 面，同时作涂片检查，若发现不纯，应挑取此菌落做进一步画线分离，或制成菌悬液 再做稀释分离，直至获得纯培养，并留作进一步试验。 2 1 3 4 膨胀土中放线茵的分离 1 ) 样品