1. 北京工商大学 理学院, 植物资源研究与开发北京市重点实验室, 北京 100048;
2. 清华大学 土木工程系, 北京 100084
收稿日期：2019-02-25
基金项目：国家自然科学基金项目(50908122)
作者简介：李萌(1981-), 女, 副教授
通信作者：郭红仙, 副研究员, E-mail:guohx@tsinghua.edu.cn
摘要：微生物封堵技术研究表明可以通过向岩土中微生物提供营养物质从而在较短时间形成封堵。该文对砂土中混凝土裂缝利用微生物封堵法进行试验，设置两个试验组灌入不同的营养物质，分别记录试验过程中的环境温度和湿度，对流出液的pH值、电导率、氧化还原电位、OD600及不同种类微生物数量变化进行了检测。结果表明：在灌入不同营养物质25 d后，试块均发生较明显的封堵现象，单位时间内的流量有了显著降低，其中一个灌注马铃薯提取物的试验模型由平均85 mL/h下降至0.5 mL/h，另一个灌注加铁的马铃薯提取物的试验模型由平均70 mL/h下降至0.3 mL/h。研究结果证实了微生物代谢在砂土中混凝土裂缝封堵过程中发挥了重要作用。
关键词：渗漏微生物封堵混凝土砂土
Experimental study of microbial clogging of concrete cracks in sand
LI Meng1, YOU Shiquan1, KANG Shaobin2, CHENG Xiaohui2, GUO Hongxian2
1.Beijing Key Laboratory of Plant Resources Research and Development, School of Sciences, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China;
2.Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: Studies on microbial clogging techniques have shown that the provision of sufficient suitable nutrients for the microorganisms in geotechnical soils can produce effective microbial clogging in relatively short periods of time. This study applied various nutrients to two sand columns each with a cracked concrete slab. The tests recorded the ambient temperature and humidity, the pH, electrical conductivity, redox potential, OD600 and the number of different microorganisms. Blocking occurred after various nutrients had been supplied for 25 days. The flow per unit time was significantly reduced with one test slab with potato exact dropping from an average of 85 mL/h to 0.5 mL/h and the other test slab with potato exact and Fe dropping from an average of 70 mL/h to 0.3 mL/h. The tests show that microbial metabolism plays an important role in concrete crack sealing in sand.
Key words: leakagemicrobial cloggingconcretesand
地下水渗漏是土建工程中常见的问题，防渗封堵技术和措施在保证工程安全以及正常使用方面不可缺少。防渗封堵技术包括渗漏勘察和加固封堵两个方面。常规工程水文勘察方法，如测压管、观测井和渗漏检测仪等，不易发现渗漏相关的信息，且成本较高、适用性受限。常规加固封堵方法，如混凝土防渗墙、劈裂帷幕灌浆等，需要采用大型或重型设备，施工难度大、价格高昂，且施工深度小、地层适应性差、难以深入渗漏位置。这些技术往往不能准确找到渗漏源，封堵效果不佳，且会对环境造成不良影响。因此，寻找一种有效、经济且对环境友好的封堵方法成为土木工程领域研究的热点之一。微生物封堵技术在这种情况下应运而生，并显示出广泛的应用前景和经济价值[1-4]。
微生物封堵技术利用了土壤中丰富的微生物资源，通过灌注营养液的方法激发微生物进行各种生物化学反应，如有的微生物可以诱导生成具有胶凝性质的碳酸钙矿物，有的微生物则可以在营养物质的激发下，生长代谢产生矿物或矿物-微生物复合物，最终达到防渗封堵的效果。微生物还能够自动聚集到渗漏处并进行有效防渗，达到探查和防渗封堵二合一的效果[5-6]。对堤坝管涌、隧道渗水、海水入侵以及地下水污染物扩散等问题，由于复杂的工程水文地质环境和混凝土或岩土的裂缝和裂隙所构成结构的不均匀性，传统的探查与封堵方法难以实施，利用微生物技术则可以简单有效地对渗漏处进行封堵，而且这种封堵耐久性较好，不会因为材料的老化而失效[7-10]。
本文模拟地下隧道中与砂土相连的衬砌出现渗漏的情况，进行试验设计，通过向砂土中的混凝土裂缝灌注营养物质，激发微生物对混凝土裂缝进行封堵，记录流出液流量并分析封堵前后土壤性质的变化，以判断封堵位置和效果；并进一步检测流出液pH、电导率、吸光值、氧化还原电位和微生物数量，分析封堵效果与土壤性质变化的关系。
1 微生物封堵试验1.1 试验材料及装置1.1.1 试验材料1) 砂土。本试验所用砂土取自于北京市海淀区中关村的建筑工地地基的砂层，该种砂土普遍存在于砂层中。砂土经过筛分去除了尺寸较大的颗粒，D50和D10分别为0.331和0.183 mm，粒径范围在10-4~10-1 mm[7]。
2) 混凝土试块。在钢筋混凝土结构中，选取有裂缝的地方钻取得到混凝土试块。由于混凝土裂缝的结构不均匀，两个试块不完全相同，为了方便描述，分别编号为RC1和RC2。两个试块均为圆柱体，RC1直径5.3 cm，RC2直径5.6 cm，侧面基本光滑，下端为平面，上端面凹凸不平。裂缝大致位于下端面的中部，RC1裂缝长为5 cm，RC2裂缝长为5.1 cm，裂缝贯穿整个混凝土试块，裂缝的平均宽度小于1 mm。
3) 营养物质。根据本试验案例中土的性质，选用的营养物质为马铃薯提取物和铁。马铃薯提取物浓度为200 g/L, 煮沸后过滤。试块RC1灌注马铃薯提取物溶液，试块RC2灌注加铁的马铃薯提取物溶液，硫酸亚铁的质量浓度为50 g/L。
1.1.2 试验装置试验装置如图 1所示。PVC管柱的高度为75 cm，直径为10 cm。PVC管柱的侧面通过乳胶管与6个测压管相连，这些测压管用来监测给定位置的水头高度，并判断封堵位置，从下至上编号为SP1—SP6。入水口与PVC管底部距离为5 cm，底部测压管SP1与PVC管底部距离为15 cm，相邻测压管之间距离为10 cm。在SP4与SP5之间有一个隔板，隔板中间有一个接近矩形(4 cm×2 cm)的孔槽，使试验系统能够模拟水渗入到混凝土裂缝中的过程[7]。PVC管的入水口通过乳胶管与水箱相连，出水口通过乳胶管连通到收集装置。两个PVC管中充满砂土并分别在隔板上方放置混凝土试块RC1和RC2。在底部入水口处，装填了约10 cm的滤水石，便于水和营养物质的进入，也防止入水口堵塞。
 |
| 图 1 试验装置示意图 |
| 图选项 |
1.1.3 封堵系数计算公式封堵系数的计算公式为
| $F=\frac{Q_{t}}{Q_{0}}.$ | (1) |
1.2 封堵试验将RC1和RC2侧面用透明胶带封好，使其侧面不漏水，只留上下端面可以过水，最大程度保证水从中间裂缝流过。将两个试块完全放入水中，充分浸泡15 min，使其内部尽量充满水。然后，取出试块，将其正立放置，从上端面倒入100 mL水，让水在重力的作用下，流过混凝土试块，记录水全部流完的时间，结果分别为85 min 27 s和121 min 6 s。参阅《地下防水工程质量验收规范》[10]，本文中所用的混凝土渗漏应属于滴漏。
在试验装置连接完毕之后，打开水箱阀门，开始通水。以试验室地面为0点，起始水头为110 cm，PVC柱出水口高度为78 cm。通水阶段共持续6天，测得两个含混凝土试块的PVC砂柱初始流出液流量分别为77和79 mL/h。
从第7天开始向含有裂缝混凝土试块RC1的砂柱灌注马铃薯提取物溶液，向含有裂缝混凝土试块RC2的砂柱灌注加铁的马铃薯提取物溶液。从砂柱的入水口处，随水流灌注营养物质，灌注的方式为每天1次，每次灌入100 mL。每天记录流出液流量，并对流出液进行收集和保存。
图 2所示为流出液流量随灌注时间的变化。在通入营养液一段时间之后，两个砂柱流出液流量持续减小，在第25天时，RC1组下降至0.5 mL/h，RC2组下降至0.3 mL/h。这说明添加营养物质和铁，可以对混凝土砂柱体系产生封堵作用。分别计算两个砂柱封堵系数F来判断封堵效果，F值持续小于0.2为有效封堵。两个砂柱在灌注营养物质25 d后，处于有效封堵状态，如图 3所示。
 |
| 图 2 流出液流速变化曲线 |
| 图选项 |
 |
| 图 3 封堵系数F变化曲线 |
| 图选项 |
在第31天，对含RC1试块的砂柱采取分步抬高水头的方法来测试封堵的稳定性。水头从初始的110 cm，进行了7次抬高，具体情况如表 1所示。
表 1 抬高水头后每h流量记录
| 水头高度/cm | 110 | 137 | 148 | 159 | 169 | 178 | 188 | 198 |
| 系统水头差/cm | 32 | 59 | 70 | 81 | 91 | 100 | 110 | 120 |
| 流量/(mL·h-1) | 0.5 | 0.7 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 1.5 | 4.9 |
表选项
由表 1中可以看到，在系统水头差到120 cm时，流量只增大到4.9 mL/h，远小于试验通水阶段的77 mL/h，封堵系数为0.063 6，远小于0.2，为有效封堵。
2 封堵过程分析2.1 流出液化学性质分析对于试验的流出液进行了收集、编号和保存，并对流出液的pH值、电导率、吸光值和氧化还原电位进行检测和分析，如图 4所示。从图 4a可以看出，RC1组和RC2组的pH值一直保持在7~8，随营养液灌注时间有所下降但不明显，这可能是由于混凝土试块为碱性，对溶液的pH值造成了影响。从图 4b可以看出，RC1组和RC2组的电导率在灌注营养液阶段比通水阶段都有所上升，这是由于在微生物诱导封堵过程中溶液中的离子浓度有所增加。从图 4c可以看出，RC1组和RC2组600 nm处的吸光值略有增加，表明在微生物诱导封堵过程中，溶液中微生物的数量有所增加。从图 4d可以看出，RC1组和RC2组的氧化还原电位在封堵过程中有所降低，表明微生物的生长消耗了氧气。
 |
| 图 4 流出液化学性质分析 |
| 图选项 |
2.2 渗漏处微生物数量变化2.2.1 微生物计数方法制备平板：制备营养琼脂培养基(蛋白胨10.0 g，牛肉膏3.0 g，氯化钠5.0 g，琼脂15.0 g，加入蒸馏水至1 000 mL)、高氏一号培养基(可溶性淀粉20 g，硝酸钾1 g，磷酸氢二钾0.5 g，硫酸镁0.5 g，氯化钠0.5 g，硫酸亚铁0.01 g，琼脂20 g，加入蒸馏水至1 000 mL)、察氏培养基(氯化钾0.5 g，硫酸亚铁0.01 g，氯化钠60 g，蔗糖30 g，琼脂20 g，加入蒸馏水至1 000 mL)。琼脂培养基、高氏一号培养基、察氏培养基分别用来培养细菌、放线菌、真菌。将培养基在115 ℃高温蒸气灭菌后, 倒入无菌培养皿中。
制备砂土稀释液：用天平称取10 g土样，置于90 mL含玻璃珠的无菌水中，振荡10 min，静置1 min，制得土样原液(10-1稀释液)，再用1 mL无菌吸管吸取1 mL上清液加到9 mL无菌水中，充分混匀，制得10-2稀释液。依次类推，制得10-3~10-7稀释液。
分别取3个合适的稀释液接入相应的培养基表面，每一稀释度涂布3个平板。用无菌玻璃刮铲按稀释度由高到低顺序依次轻轻涂布，不要刮破培养基表面。细菌置于37 ℃恒温箱中倒置培养并在第2天观察并计数；放线菌和真菌置于28 ℃恒温箱中倒置培养，在第5天观察并计数。
结果：每g土样中的菌数(cfu)=同一稀释度菌落的平均数×10×稀释倍数。
硫酸盐还原菌、铁细菌的分析采用绝迹分析法，即将待测定的土样悬液逐级倒入试管中进行接种稀释，直到最后一个试管中无菌生长为止，然后根据细菌生长情况和稀释倍数，计算出水样中细菌的数量[7]。
2.2.2 砂柱中微生物数量对不同处理砂柱中微生物进行稀释平板计数，分析砂土中细菌、真菌、放线菌的数量，并采用绝迹分析法分析硫酸盐还原菌和铁细菌的数量。结果如表 2所示，通入隔板小孔处混凝土下方砂样所含各类微生物数量(SP4-SP5)最多。这说明微生物的数量和代谢活性提高，对封堵起了积极作用。
表 2 不同砂柱中每g砂土培养的微生物数量
| 105 cfu | ||||||||||||||
| 砂土样品 | 细菌 | 真菌 | 放线菌 | 硫酸盐还原菌 | 铁细菌 | |||||||||
| RC1 | RC2 | RC1 | RC2 | RC1 | RC2 | RC1 | RC2 | RC1 | RC2 | |||||
| 原始砂土 | 170 | 170 | 0.19 | 0.19 | 1.36 | 1.36 | 0.02 | 0.02 | 0.04 | 0.04 | ||||
| 入水口-SP1 | 2 580 | 3 260 | 0.20 | 0.20 | 4.20 | 4.80 | 0.60 | 1.08 | 0.86 | 1.27 | ||||
| SP2-SP3 | 2 990 | 3 350 | 0.20 | 0.20 | 3.96 | 4.68 | 0.46 | 0.92 | 0.55 | 0.81 | ||||
| SP4-SP5 | 46 000 | 51 000 | 0.30 | 0.30 | 9.82 | 10.20 | 9.45 | 10.89 | 12.33 | 18.78 | ||||
表选项
3 结论土壤中含有丰富的微生物，通过向土壤灌注营养液，可以激发微生物进行生物化学反应，加快微生物的新陈代谢速度，使其产生矿物或矿物-微生物复合物达到封堵渗漏的效果，同时微生物还能够自动聚集到渗漏处进行有效封堵，达到探查和堵漏二合一[11]。所灌注的营养物质为微生物的生长提供营养，其成分与常用微生物培养基类似[12]。在实施微生物封堵时，根据裂缝中地下水的渗出情况，大致推测出渗流路径即可，无需对渗漏部位进行精确探查；向混凝土裂缝灌注营养物质，可达到同时对渗漏处探查和封堵的目的[13-14]。
本文采用了微生物防渗封堵技术，设计了含有带裂缝混凝土的砂柱模型，通过分析渗流量和流出液的性质，初步揭示了微生物生长代谢与混凝土裂缝封堵的关系。结果表明，通过灌注马铃薯提取液或者加铁的马铃薯提取液，可以有效封堵砂土中混凝土裂缝。微生物诱导封堵技术产生的封堵在一定范围内是稳定的。在微生物诱导封堵过程中溶液的离子浓度有所增加，溶液中微生物的数量增加，溶液的氧化还原电位降低。在模拟渗漏处附近区域，微生物数量大幅增加。本文通过微生物诱导防渗封堵技术，对砂柱中带裂缝混凝土进行了有效封堵，可为实际工程中处理渗漏问题提供参考。
参考文献
| [1] | DEJONG J T, SOGA K, KAVAZANJIAN E, et al. Biogeochemical processes and geotechnical applications:Progress, opportunities and challenges[J]. Geotechnique, 2013, 63(4): 287-301. DOI:10.1680/geot.SIP13.P.017 |
| [2] | GUO H X, CHENG X H, LI M. Experimental analysis of bio-stimulated sealing process in environmental geotechnical engineering[J]. Science China Technological Sciences, 2013, 56(3): 732-738. DOI:10.1007/s11431-012-5103-3 |
| [3] | MITCHELL J K, SANTAMARINA J C. Biological considerations in geotechnical engineering[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005, 131(10): 1222-1233. DOI:10.1061/(ASCE)1090-0241(2005)131:10(1222) |
| [4] | UMAR M, KASSIM K A, PING CHIET K T. Biological process of soil improvement in civil engineering:A review[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2016, 8(5): 767-774. DOI:10.1016/j.jrmge.2016.02.004 |
| [5] | LESLEY K, KENT N, JULIANA R. Biostimulation of groundwater microorganisms in fractured bedrock through nutrient addition: A field trial[C]//Proceedings of 1st International Conference on BGCE. Delft, Netherlands: Delft University of Technology, 2008: 67-75. |
| [6] | 张越, 郭红仙, 程晓辉, 等. 微生物诱导碳酸钙沉积技术治理某地下室渗漏的现场试验[J]. 工业建筑, 2013, 43(12): 138-143. ZHANG Y, GUO H X, CHENG X H, et al. Field experiment of microbial induced carbonate precipitation technology in leakage treatment of a basement[J]. Industrial Construction, 2013, 43(12): 138-143. (in Chinese) |
| [7] | 李萌, 郭红仙, 程晓辉, 等. 自源型微生物在地基渗漏封堵过程中的群落变化分析[J]. 工业建筑, 2015, 45(7): 13-18. LI M, GUO H X, CHENG X H, et al. Analysis of the changes of microbial communities in process of biosealing grounds[J]. Industrial Construction, 2015, 45(7): 13-18. (in Chinese) |
| [8] | IVANOV V, CHU J. Applications of microorganisms to geotechnical engineering for bioclogging and biocementation of soil in situ[J]. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2008, 7(2): 139-153. DOI:10.1007/s11157-007-9126-3 |
| [9] | 张贺超, 郭红仙, 李萌, 等. 砂土介质中微生物诱导封堵试验研究[J]. 工业建筑, 2015, 45(1): 139-142. ZHANG H C, GUO H X, LI M, et al. Experimental research of microbial-induced clogging in sands[J]. Industrial Construction, 2015, 45(1): 139-142. (in Chinese) |
| [10] | SEIFERT D, ENGESGAARD P. Sand box experiments with bioclogging of porous media:Hydraulic conductivity reductions[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2012, 136-137: 1-9. DOI:10.1016/j.jconhyd.2012.04.007 |
| [11] | 中华人民共和国住房和城乡建设部.地下防水工程质量验收规范: GB 50208-2011[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2011. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Code for acceptance of construction quality of underground waterproof: GB 50208-2011[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2011. (in Chinese) |
| [12] | THULLNER M. Comparison of bioclogging effects in saturated porous media within one-and two-dimensional flow systems[J]. Ecological Engineering, 2010, 36(2): 176-196. DOI:10.1016/j.ecoleng.2008.12.037 |
| [13] | ACHAL V, MUKHERJEE A. A review of microbial precipitation for sustainable construction[J]. Construction and Building Materials, 2015, 93: 1224-1235. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2015.04.051 |
| [14] | FRANCISCA F M, GLATSTEIN D A. Long term hydraulic conductivity of compacted soils permeated with landfill leachate[J]. Applied Clay Science, 2010, 49(3): 187-193. DOI:10.1016/j.clay.2010.05.003 |
