摘 要：利用改性黃麻纖維聯(lián)合微生物誘導碳酸鈣沉淀（Microbial induced calcium carbonate precipitation，MICP）技術能有效膠結(jié)充填鈾尾砂中的孔隙，提高堆浸鈾尾砂的抗?jié)B性能。本文通過研究鈾尾砂的顆粒級配、膠結(jié)液濃度以及改性黃麻纖維的長度、質(zhì)量含量和水熱處理時間等因素對改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂的滲透系數(shù)的影響，獲取最優(yōu)的膠結(jié)參數(shù)；采用掃描電鏡和X射線衍射儀等測試設備，表征了改性黃麻纖維聯(lián)合MICP膠結(jié)鈾尾砂形成的碳酸鈣晶體的結(jié)構類型，分析其抗?jié)B機制。研究結(jié)果表明：經(jīng)水熱處理后的纖維表面粗糙度增大，為微生物提供更多的附著場所，促進了微生物在鈾尾砂中的生長、繁殖、遷移和固定，增加了碳酸鈣晶體的生成量，提高了碳酸鈣沉淀的均勻性，降低了鈾尾砂的滲透系數(shù)；在顆粒級配編號為A3的鈾尾砂中，改性纖維聯(lián)合MICP膠結(jié)后的鈾尾砂的滲透系數(shù)大幅降低，且纖維長度為20 mm、纖維質(zhì)量含量為0.5%、纖維水熱處理時間為2 h、膠結(jié)液濃度為2 mol/L時，經(jīng)過11輪注漿后鈾尾砂的滲透系數(shù)降低了99%，此時的參數(shù)是最優(yōu)的；改性纖維聯(lián)合MICP膠結(jié)鈾尾砂生成的碳酸鈣晶體在衍射角2θ分別為23º、29.4º、36º、39.3º等多個位置出現(xiàn)方解石特征峰，此時的晶體結(jié)構為方解石。
關鍵詞：鈾尾砂；改性黃麻纖維；微生物誘導碳酸鈣沉淀；滲透系數(shù)；抗?jié)B性能
1 引言
漢地表堆浸提鈾技術是我國南方花崗巖型鈾礦山回收鈾資源的主要方法[1]。該方法是將溶浸液噴淋在破碎的鈾礦石堆上，溶浸液在滲濾過程中與礦石發(fā)生化學反應，溶解出礦石中的鈾，然后從鈾礦石堆底部匯集起來的浸出液中回收鈾[2]。堆浸提鈾過程中產(chǎn)生的鈾尾砂通常以筑壩攔截谷口的方式堆存在地表，形成鈾尾礦庫[3]。在雨水的長期淋浸作用下，鈾尾砂中的鈾（uranium，U）等污染物可被浸出，然后通過地表徑流或滲漏等方式遷移到尾礦庫周邊的土壤和地下水中，嚴重影響周邊的生態(tài)環(huán)境和居民的身體健康，已成為制約鈾礦山可持續(xù)發(fā)展的技術瓶頸。
目前，尾礦庫污染物遷移的控制方法主要有水平防滲、垂直防滲[4]以及垂直與水平防滲相結(jié)合的方式[5]。這些方法在一定程度上能有效阻止尾礦庫污染物的遷移，但存在應用受地質(zhì)環(huán)境限制、防滲土工膜容易破損、防滲工程造價高，且無法抑制鈾尾砂中污染物的浸出等問題[6]。因此，有必要提高鈾尾砂的抗?jié)B性能，減少雨水入滲導致的污染物浸出，從源頭上阻隔污染物對環(huán)境的影響。
微生物誘導碳酸鈣沉淀技術作為一種新型環(huán)保的巖土體加固技術，在巖土工程領域受到了廣泛關注，特別是在砂質(zhì)巖土的減滲加固方面取得了顯著的效果[7]。該技術通過向巖土體中注入微生物產(chǎn)生的脲酶促進尿素水解，以生成碳酸根離子，并與微生物吸附的鈣離子發(fā)生反應，最終在巖土體的孔隙或裂隙中以細菌為成核位點生成碳酸鈣沉淀，從而對巖土體起到固化減滲的作用[8]。Treesukon等[9]結(jié)合室內(nèi)實驗與理論分析研究細菌濃度對微生物誘導碳酸鈣沉淀降低砂土滲透性及凝結(jié)時間的影響。韓智光[10]通過MICP技術改善砂土的抗液化性能，研究了營養(yǎng)鹽種類、用量、灌漿流速、灌漿批次等因素對MICP處理液化砂樣品的剛度、滲透性與碳酸鈣沉淀均勻性的影響。董博文等[11]開展了天然海水培養(yǎng)微生物的MICP固化鈣質(zhì)砂的試驗，研究結(jié)果表明MICP處理后鈣質(zhì)砂的滲透系數(shù)可下降1個數(shù)量級，無側(cè)限抗壓強度達到1.7 MPa。賀桂成等[12]利用MICP技術降低了砂巖鈾礦的滲透性，并獲得了良好的減滲效果。Chu等[13]應用MICP技術對砂土表面進行防滲處理，降低表層土的滲透性，試驗結(jié)果表明砂土的滲透性從10-4m/s降低到10-7 m/s。已有的研究表明MICP技術能有效地降低砂質(zhì)巖土介質(zhì)的滲透系數(shù)，取得很好的止水效果，但MICP技術存在注入端容易堵塞、膠結(jié)不均勻、膠結(jié)范圍小等問題[14]，限制其大規(guī)模的應用。
近年來，國內(nèi)外學者研究發(fā)現(xiàn)添加纖維能促進微生物在巖土介質(zhì)中的附著，并針對纖維聯(lián)合MICP技術對巖土體的膠結(jié)效果開展了一些探索性的研究工作。Li等[15]通過力學試驗研究了離散纖維對MICP處理后砂土抗壓強度的影響，發(fā)現(xiàn)添加纖維后砂土的抗壓強度比未添加纖維時提高了2倍以上。Zhao等[16]研究了四種纖維聯(lián)合MICP處理砂的物理力學性能，與對照樣品相比，加入纖維后，樣品的滲透率降低了98%，無測限抗壓強度和劈裂抗拉強度分別提高了5.6倍和9.0倍。Choi等[17]使用Polyvinyl alcohol fiber（PVA）纖維和MICP技術改良渥太華砂的工程性能，研究表明經(jīng)MICP處理后砂的滲透率降低了126%，脆性降低了50%。
上述研究成果表明，纖維聯(lián)合MICP技術膠結(jié)巖土介質(zhì)能有效地提升抗?jié)B性能，但多使用合成的高分子纖維材料[18,19,20,21]，對環(huán)境構成一定的危害[22]。近年來，部分學者將麻質(zhì)纖維、稻草等天然纖維用于強化MICP膠結(jié)過程，取得了較好的膠結(jié)效果[23]。Iamchaturapatr等[24]應用黃麻纖維與脲酶處理松散砂土，研究了黃麻纖維添加量對膠結(jié)砂土物理力學性能的影響。Guo等[25]分別以黃麻纖維、碎石、碳酸鈣為添加材料用于MICP膠結(jié)填充巖石裂隙，發(fā)現(xiàn)添加黃麻纖維時，膠結(jié)后裂隙的抗?jié)B性能最好。對纖維進行改性可以增加纖維表面粗糙度，從而增加纖維與基體材料間的浸潤性[26]。但是，關于改性黃麻纖維對MICP的影響，以及改性黃麻纖維與MICP聯(lián)合膠結(jié)巖土體的研究還鮮有報道。
為了阻隔鈾尾砂中鈾等污染物的流出，減少其對周邊環(huán)境的影響。本文利用改性黃麻纖維聯(lián)合MICP技術對我國南方某花崗巖鈾礦山堆浸提鈾后的鈾尾砂進行膠結(jié)處理，探究尾砂顆粒級配、膠結(jié)液濃度、改性纖維長度和質(zhì)量含量以及纖維水熱處理時間等因素對改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂的抗?jié)B性能的影響，確定最優(yōu)膠結(jié)參數(shù)。結(jié)合掃描電鏡與X射線衍射儀測試，研究改性纖維聯(lián)合MICP對鈾尾砂的微觀改性機制，為鈾尾砂的減滲控污提供新的研究思路。
2 實驗材料
2.1 菌液和膠結(jié)液
將本文使用的菌種（編號：BNCC 337394）購自于美國菌種保藏中心。取一定量巴氏芽孢桿菌菌株置于含有無菌色氨酸大豆瓊脂的培養(yǎng)皿中進行活化，在30℃條件下活化48h后，將活化后的菌株接種到無菌液體培養(yǎng)基（5g/L蛋白胨、3g/L牛肉膏、20g/L尿素）中進行擴大培養(yǎng)。液體培養(yǎng)基的配制及細菌擴大培養(yǎng)的具體方法參照文獻[12]。采用艾本德生物分光光度計（Eppendorf BioPhotometer Model #6131）在600 nm波長下測試菌液的吸光度（OD600），利用電導率法[12]測定菌液的脲酶活性。擴大培養(yǎng)后菌液的OD600值為1.72，脲酶活性為3.89 mmol·L-1·min。
膠結(jié)液包含氯化鈣和尿素溶液，分別為MICP過程提供鈣源和尿素，每次試驗中兩者的摩爾濃度均相同。
2.2 改良黃麻纖維
黃麻纖維是世界上產(chǎn)量最大的植物纖維之一，具有高強、高模和低延伸性等優(yōu)點，但天然黃麻纖維的強吸濕性使其無法與其他材料很好的結(jié)合，導致其在巖土加筋方面尚未得到廣泛的應用[27]。水熱處理是一種溫和有效、綠色環(huán)保的纖維改性方法，可以減少天然植物纖維中的羥基數(shù)量，增加纖維表面粗糙度[28,29,30,31,32]，從而增強天然植物纖維與其他物質(zhì)的結(jié)合性能。
本文采用的天然黃麻纖維購自于河北廊坊中宏麻制品有限公司，試驗前需對其進行改性。首先，利用乙醇與水清洗天然黃麻纖維以去除表面的灰塵，并在80 ℃烘箱中烘干；其次，將烘干后的黃麻纖維分別置于等量沸水中浸泡1 h、2 h和4 h，經(jīng)水熱處理后，用去離子水沖洗纖維3遍，以去除經(jīng)水熱處理后纖維表面產(chǎn)生的化學物質(zhì)；再次，將沖洗后的纖維放置于60 ℃鼓風干燥箱中烘干，得到不同水熱處理時間的改性纖維；最后，采用掃描電鏡對改性前后的黃麻纖維進行表征，分析其改性效果。
2.3 鈾尾砂
本文使用的鈾尾砂取自于南方某鈾尾礦庫。將除去大塊碎屑后的鈾尾砂放置于60 ℃鼓風干燥箱中干燥48 h，利用篩分機得到粒徑范圍在0.2～ 2 mm的鈾尾砂。課題組采用MICP技術對篩分后的鈾尾砂進行處理，鈾尾砂的滲透系數(shù)從4.34×10-2 cm/s降低到5.75×10-3 cm/s。由此可知，膠結(jié)后的鈾尾砂仍具有較強的透水性，這是由于原生鈾尾砂級配較差，孔隙率高。因此，需對鈾尾砂的級配進行優(yōu)化以提高MICP的膠結(jié)效果。
采用均勻設計[33]對篩分后的鈾尾砂進行級配優(yōu)化，得到四種不同級配方案的鈾尾砂，如表1所示。優(yōu)化后鈾尾砂的顆粒級配曲線如圖1所示。
表1 不同級配方案對應的各粒徑范圍的顆粒含量（%）
Table 1 Particle percentage for each particle size range corresponding to different grading schemes (%)
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方案 |
<0.2 |
0.2～0.5 |
0.5～0.8 |
0.8～2 |
>2 |
|
A1 |
10 |
15 |
15 |
50 |
10 |
|
A2 |
10 |
15 |
50 |
15 |
10 |
|
A3 |
10 |
50 |
15 |
15 |
10 |
|
A4 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
圖1 優(yōu)化后鈾尾砂的顆粒級配曲線
Fig.1 Particle size distribution curve of uranium tailings sand after optimized
3 實驗方法
3.1 纖維對細菌的附著能力
為了研究不同改性纖維對細菌的附著能力，分別稱取質(zhì)量為0.5 g的原始纖維和不同水熱處理時間的改性纖維，將其放入裝有巴氏芽孢桿菌懸浮液的刻度為50 mL的錐形瓶中，之后，放置于溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為160 r/min的搖床中，分別振蕩1h、4h、8h、12h、24h、36h、48h、72h和96h。振蕩完畢后，用鑷子取出纖維，用生理鹽水沖洗附著在纖維上的細菌形成沖洗液，將沖洗液在1000 r/min的離心機上離心5min，重復三次，最后取上清液30ml倒入刻度為50mL的容量瓶中，用生理鹽水稀釋至50mL。采用分光光度計測定液體在600nm波長處的吸光度（OD600），分析改性纖維吸附微生物的能力。
3.2 改性纖維對微生物誘導碳酸鈣沉淀的影響
為了研究改性黃麻纖維對巴氏芽孢桿菌誘導碳酸鈣沉淀的影響，分別進行改性前后的黃麻纖維 與 MICP 聯(lián)合作用的試驗。首先，在各組離心管中 分別加入0.15g未改性黃麻纖維或水熱處理時間為1h、2h和4h的改性黃麻纖維，共4組;每組分別設置濃度為0.5mol/L、1mol/L、1.5mol/L和2mol/L的膠結(jié)液。最后，依次加入體積為9mL的菌液、40.5 mL的尿素和40.5mL的CaCl2溶液進行MICP試驗。另外，為了對比分析的需要，設計了不加黃麻纖維的對照組。所有試驗樣品均置于30°C恒溫培養(yǎng)箱中進行MICP反應5d。
反應結(jié)束后將盛有混合物的離心管置于轉(zhuǎn)速為5000r/min的離心機上離心10min，重復2次，并用濾紙過濾上清液。將過濾后的濾紙和含有沉淀 物的離心管在60°C烘箱中烘干48h，分別稱量其質(zhì)量，得到碳酸鈣的生成量M，其計算式為:
M=（M2+M4)−(M1+M3) (1)
式中:M1為離心管的初始質(zhì)量；M2為干燥后離心管的質(zhì)量；M3為過濾前濾紙的質(zhì)量；M4為干燥后濾紙的質(zhì)量。所有質(zhì)量均以g為單位。
3.3 改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂抗?jié)B性能試驗
為研究鈾尾砂級配、尿素和CaCl2溶液的濃度、纖維質(zhì)量含量與長度、水熱處理時間對改性纖維聯(lián)合MICP膠結(jié)鈾尾砂的抗?jié)B性能的影響，采用正交設計試驗方法，開展了5因素、4水平的正交試驗，如表2所示。此外考慮了未添加纖維的鈾尾砂的對照組，開展了MICP試驗。
表2 因素水平表
Table 2 Factor levels
|
水平 |
級配 |
膠結(jié)液濃度/(mol·L-1) |
纖維長度/mm |
纖維質(zhì)量比/% |
纖維水熱處理時間/h |
|
1 |
A1 |
0.5 |
5 |
0.05 |
0 |
|
2 |
A2 |
1.0 |
10 |
0.3 |
1 |
|
3 |
A3 |
1.5 |
20 |
0.5 |
2 |
|
4 |
A4 |
2.0 |
25 |
1 |
4 |
采用自行研制的微生物膠結(jié)試驗裝置進行MICP試驗，試驗裝置如圖2所示。該裝置主要由內(nèi)徑為5 cm、高為19.6 cm的注射器制作而成，柱底部墊有300目濾布以防止細顆粒尾砂流失，柱的內(nèi)壁涂抹凡士林以方便膠結(jié)后的試樣脫模。
具體的試驗步驟為：
（1）向鈾尾砂中噴灑一定量的去離子水，以有效分散纖維，使其與鈾尾砂混合均勻。將改性黃麻纖維按設定的比例與鈾尾砂混合，充分攪拌均勻后分層裝入試驗裝置中，振搗壓實，裝入的鈾尾砂質(zhì)量均控制為250g。
（2）裝樣后靜置3d，測定試樣的初始滲透系數(shù)，待試樣中的水濾干后，開始MICP試驗。
（3）每輪注漿分三步完成，首先以玻璃棒引流從試樣頂部緩慢注入菌液20mL，當菌液注入8h后，從試樣頂部緩慢注入30mL尿素溶液，待尿素溶液完全透過試樣后，再從試樣頂部緩慢注入30mL CaCl2溶液。液體注入試樣的過程中均為自然滲透，菌液、尿素和CaCl2溶液的注入速度均為15mL/min以避免液體對樣品造成沖刷，注漿輪次為11輪。
（4）膠結(jié)完成后，從試樣頂部通入1L去離子水清洗殘留在試樣中的可溶鹽，并測定膠結(jié)后試樣的滲透系數(shù)。
（5）將試樣從裝置中取出，放入60℃烘箱中烘干至質(zhì)量不再發(fā)生變化。
圖2 膠結(jié)試驗裝置
Fig.2 Experimental equipment for cementation
經(jīng)MICP處理前后鈾尾砂的滲透系數(shù)采用變水頭法測定，其測試裝置如圖3所示。具體測試方法為，待試樣飽水后每隔一段時間從流出口收集濾液，記錄變水頭管初始和結(jié)束時的水頭。每個樣品的滲透系數(shù)測量三次，最終取平均值。試樣的滲透系數(shù)采用如下式進行計算：
式中：K為滲透系數(shù)單位（cm/s）；a為變水頭管橫截面積，A為試樣橫截面積（cm2）；L為試樣高度（cm）；t為間隔時間（s）；H1為初始水頭（cm）；H2為結(jié)束水頭（cm）。
圖3 滲透系數(shù)測試裝置
Fig.3 Device for permeability coefficient test
采用型號為S8100的日本日立臺式掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）測試膠結(jié)前后鈾尾砂的微觀形態(tài)、結(jié)構，并利用X射線衍射儀（X-Ray Diffraction，XRD）分析礦物成分。
4 結(jié)果與討論
4.1 改性纖維特征及其對細菌的附著能力
采用SEM分析了水熱處理前后纖維的形態(tài)特征，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：未經(jīng)水熱處理的黃麻纖維，其表面比較光滑；當水熱處理時間不超過2h時，隨著處理時間的增加，纖維表面的凹凸分布較均勻，可附著的表面積更大，從而增加纖維的反應性；當水熱處理時間為4 h時，纖維表面相對比較平整。由此可知，在一定時間內(nèi)經(jīng)水熱處理后的黃麻纖維表面粗糙度增加，超過一定時間后其表面比較平整。這是因為水熱處理時間過長，水熱處理的生成物（木質(zhì)素、蠟等）可能沉淀在纖維表面，從而使纖維表面更平整，這與相關研究[32]的結(jié)論是一致的。
材料表面粗糙度是影響微生物附著的重要因素之一[34]，粗糙表面上的溝槽有利于細菌的粘附，并成為碳酸鈣形成的有利位點[35]。圖5為不同水熱處理時間的黃麻纖維對細菌附著能力影響的關系曲線。由圖5可知：水熱處理時間過短（1h）或過長（4h）均不利于纖維對細菌的長期、穩(wěn)定附著，其中，水熱處理時間為2h的改性纖維對細菌的附著能力最強，這是由于該纖維表面的粗糙度最大。
圖4 經(jīng)過不同水熱處理時間的纖維SEM圖
Fig.4 The SEM image of fibers after different hydrothermal treatment time
圖5 纖維對細菌的附著能力隨纖維與菌液作用時間的變化
Fig.5 The adhesion ability of fiber for bacterium vs the interaction time between fiber and bacterial solution
4.2 改性纖維對微生物誘導碳酸鈣沉淀的影響
圖6為不同水熱處理時間的黃麻纖維與碳酸鈣生成量的變化關系曲線圖。
圖6 纖維水熱處理時間對碳酸鈣生成量的影響
Fig.6 Effect of hydrothermal treatment time of fiber on the formation of calcium carbonate
由圖6可知：碳酸鈣的生成量隨著鈣源濃度的增加而逐漸增加。但當膠結(jié)液濃度相同時，添加纖維后碳酸鈣的生成量比添加前的生成量大，特別是添加經(jīng)水熱處理時間為2h時的改性纖維，其碳酸鈣的生成量最大，表明添加改性纖維促進了微生物誘導碳酸鈣的沉淀。這是由于改性纖維有利于細菌的生長，在MICP試驗過程中，黃麻纖維通過生物化學機制分解的單糖給細菌提供營養(yǎng)來源，延長了細菌的存活時間[36]。而添加水熱處理4 h時的改性纖維對微生物誘導碳酸鈣沉淀的促進作用較弱，這是因為纖維素在100 ℃水熱處理過程中水解為葡萄糖單體，隨著水熱處理時間的延長，其水解程度增加，水解產(chǎn)生的葡萄糖單體在纖維的水熱處理過程中被去除，為后續(xù)MICP試驗中的微生物提供的營養(yǎng)物質(zhì)越少[37]。
4.3 改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂抗?jié)B性能試驗
為了研究顆粒級配對改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂抗?jié)B性能的影響，膠結(jié)前，在不同級配的鈾尾砂中添加一定量的改性纖維（纖維長度為10mm，纖維的質(zhì)量含量為0.5%，纖維水熱處理時間為2h），對照組未添加纖維。試驗所用的膠結(jié)液濃度均為1.5mol/L，注漿輪次均為11次。
試驗結(jié)束后，各組尾砂表面均形成了一些白色沉淀物，如圖7所示。將各組尾砂從裝置中取出，發(fā)現(xiàn)添加改性纖維的鈾尾砂中白色沉淀分布較均勻，且鈾尾砂的整體性較好。而對照組鈾尾砂中的白色沉淀主要集中在尾砂頂部，尾砂上部的孔隙過早被堵塞，菌液及膠結(jié)液無法自由滲流到尾砂中下部，導致尾砂中下部膠結(jié)效果較差，脫模時底部斷裂。
圖7 膠結(jié)后的鈾尾砂
Fig.7 Cemented uranium tailings sand
不同級配鈾尾砂膠結(jié)前后滲透系數(shù)的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知：級配相同時，添加改性纖維的鈾尾砂的初始滲透系數(shù)均比對照組的要大，但由于改性纖維對MICP的積極作用，改性纖維組經(jīng)11輪注漿后具有較好的抗?jié)B效果。對照組的鈾尾砂的滲透系數(shù)從3.04×10-3～1.95×10-2cm/s降低到8.11×10-5～6.00×10-4cm/s；改性纖維組的鈾尾砂的滲透系數(shù)從5.03×10-3～3.30×10-2cm/s降低到8.38×10-5～4.65×10-4cm/s。對照組鈾尾砂的滲透系數(shù)均降低了2個數(shù)量級，而級配編號為A3的改性纖維組的鈾尾砂的滲透系數(shù)降低了3個數(shù)量級。其原因是未添加纖維時，從A1到A4級配，鈾尾砂中的粗顆粒含量逐漸減小，大孔隙體積逐漸減小，阻止微生物在鈾尾砂中的運移，從而影響碳酸鈣的生成[14]。因而，膠結(jié)過程中生成的碳酸鈣含量先增加后減小，在級配編號為A3時達到最大，如圖9所示。未添加纖維時，經(jīng)MICP膠結(jié)后鈾尾砂的滲透系數(shù)服從A1>A2>A3>A4，但A3與A4兩種級配編號條件下鈾尾砂的滲透系數(shù)非常接近。
圖8 級配對膠結(jié)前后鈾尾砂滲透系數(shù)的影響
Fig.8 Effect of gradation on the permeability coefficient of uranium tailing sand before and after cementation
圖9 級配對MICP過程中碳酸鈣生成量的影響
Fig.9 Effect of gradation on the formation of calcium carbonate in the process of MICP
添加改性纖維后，改性纖維在鈾尾砂中形成了空間網(wǎng)絡結(jié)構，促進了微生物在鈾尾砂中的生長、繁殖、遷移和固定。因此，4種級配條件下改性纖維組的碳酸鈣生成量較對照組的均有大幅增加，且A3級配條件下的碳酸鈣生成量最大，如圖9所示。此外，膠結(jié)后鈾尾砂的滲透系數(shù)較初始滲透系數(shù)的降幅最大。由此可知，鈾尾砂的最佳級配編號為A3。
在A3級配條件下，選取改性纖維長度為10mm、質(zhì)量含量為0.5%、水熱處理時間為2 h、注漿輪次為11輪，分析膠結(jié)液濃度對改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂的抗?jié)B性能的影響，得到了如圖10所示的研究結(jié)果。由圖10可知：未添加改性纖維的鈾尾砂經(jīng)微生物膠結(jié)后，其滲透系數(shù)降低到5.25×10-5～7.56×10-4cm/s，較其初始的滲透系數(shù)降低了2～3個數(shù)量級；當膠結(jié)液濃度為2mol/L時，膠結(jié)后的鈾尾砂的滲透系數(shù)最小。添加改性纖維的鈾尾砂經(jīng)微生物膠結(jié)后，其滲透系數(shù)降低到3.08×10-5～4.68×10-4cm/s，較其初始的滲透系數(shù)降低了2～3個數(shù)量級。經(jīng)微生物膠結(jié)后，添加纖維的鈾尾砂的滲透系數(shù)比未添加纖維的鈾尾砂的滲透系數(shù)更小，且膠結(jié)液濃度對添加改性纖維后的鈾尾砂的滲透系數(shù)的影響更大，當膠結(jié)液濃度為2mol/L時，膠結(jié)后的鈾尾砂滲透系數(shù)最小，較其初始滲透系數(shù)降低了99.54%。這是由于改性纖維有助于細菌的附著和生長，且膠結(jié)液濃度越大，能提供更多的Ca2+以生成足夠多的CaCO3，從而使鈾尾砂的滲透系數(shù)顯著降低。綜合考慮膠結(jié)后的鈾尾砂的抗?jié)B性能與整體性，最佳膠結(jié)液濃度宜為2mol/L。
圖10 膠結(jié)液濃度與膠結(jié)前后鈾尾砂的滲透系數(shù)
Fig.10 The concentration of cementing solution versus the permeability coefficient of uranium tailings sand before and after cementation
由相關文獻資料[38,39]可知，纖維的長度、質(zhì)量含量等相關參數(shù)，不僅影響土體的初始滲透系數(shù)，而且嚴重影響微生物誘導碳酸鈣沉淀，因而對微生物膠結(jié)土體的抗?jié)B性能產(chǎn)生影響。因此，本文選取鈾尾砂級配編號為A3，膠結(jié)液濃度為2mol/L，改性纖維長度分別為5mm、10mm、20mm、25mm，改性纖維的質(zhì)量含量分別為0.05%、0.3%、0.5%、1%，以及纖維水熱處理時間分別為1h、2h、4h等參數(shù)，分析改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂的滲透系數(shù)和碳酸鈣生成量隨參數(shù)的變化關系，結(jié)果如圖11和圖12所示。
由圖11和圖12可知：當改性纖維的質(zhì)量含量為0.5%時，改性纖維的長度對MICP膠結(jié)后的鈾尾砂的初始滲透系數(shù)影響不大，如圖11(a)所示，但碳酸鈣的生成量隨改性纖維的長度增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，如圖12(a)所示。當改性纖維長度為20mm時，碳酸鈣的生成量達到最大，其值17.25g，此時，MICP膠結(jié)后的鈾尾砂的滲透系數(shù)最小，其值僅為1.10×10-4cm/s，較其初始滲透系數(shù)降低了2個數(shù)量級。由此可知，在一定范圍內(nèi)增加改性纖維的長度有助于提高細菌在尾砂中分布的均勻性，但纖維過長會導致纖維在尾砂中分布不均，從而降低纖維對細菌的滯留能力，影響碳酸鈣的生成[24]。因此，改性纖維長度的最佳值為20mm。
當改性纖維的質(zhì)量含量由0.05%增至0.5%時，鈾尾砂的初始滲透系數(shù)變化很小，如圖11(b)所示，但膠結(jié)后鈾尾砂的滲透系數(shù)從3.92×10-4cm/s降低至1.07×10-4cm/s。這是由于改性纖維含量的增加促進了細菌在鈾尾砂中的滯留，使得碳酸鈣的生成量增加。但是，當改性纖維的質(zhì)量含量進一步增加（>0.5%）時，鈾尾砂的初始滲透系數(shù)增大，而且，改性纖維的質(zhì)量含量過高時，細菌在鈾尾砂中的運移受阻，導致其分布不均勻，進而影響碳酸鈣的生成量，如圖12(b)所示，最終導致膠結(jié)后鈾尾砂的滲透系數(shù)增大。因此，改性纖維最佳的質(zhì)量含量為0.5%。
圖11 改性纖維參數(shù)對MICP膠結(jié)鈾尾砂的滲透系數(shù)的影響
Fig.11 Effect of the parameters of modified fiber on the permeability coefficient of uranium tailings sand
當改性纖維的質(zhì)量含量為0.5%、長度為20mm時，對比添加不同水熱處理時間纖維的鈾尾砂膠結(jié)前后滲透系數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)膠結(jié)后鈾尾砂的滲透系數(shù)均降低了3個數(shù)量級，如圖11(c)所示。當水熱處理纖維的時間從0h（未處理）增加至2h，膠結(jié)后鈾尾砂的滲透系數(shù)降低的幅度從97.66%增加至最大值99.50%，但是，當水熱處理纖維的時間大于2h時，膠結(jié)后鈾尾砂的滲透系數(shù)降低的幅度變小。這是由于水熱處理纖維2h后，改性纖維更有利于細菌在鈾尾砂中的固定和生長，從而促進碳酸鈣的形成，如圖12(c)所示。因此，最佳水熱處理纖維的時間為2h。
圖12 改性纖維參數(shù)對碳酸鈣生成量的影響
Fig.12 Effect of the parameters of modified fiber on the formation of calcium carbonate
4.4 改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂的抗?jié)B機制
改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂的滲透系數(shù)降低的根本原因是鈾尾砂中的微觀孔隙結(jié)構發(fā)生了改變。為了揭示其微觀孔隙結(jié)構發(fā)生變化而導致滲透系數(shù)降低的機理，選取原始鈾尾砂和改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂干燥后的部分試樣，進行了掃描電鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）測試分析。SEM測試結(jié)果如圖13所示，XRD測試結(jié)果如圖14所示。
圖13(a)顯示原始鈾尾砂的結(jié)構松散且存在大量孔隙。經(jīng)MICP膠結(jié)鈾尾砂和改性纖維聯(lián)合MICP膠結(jié)鈾尾砂，其顆粒表面和孔隙間被大量粒徑較小、形狀各異的白色晶體包裹或填充，試樣整體更加密實，如圖13(b)和13(c)所示。
由圖14可知：原始鈾尾砂的XRD譜圖呈現(xiàn)大量的石英特征峰與部分螢石特征峰。而經(jīng)過改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂的XRD圖譜在衍射角2θ分別為23º、29.4º、36º、39.3º等多個位置出現(xiàn)方解石特征峰，這表明經(jīng)過改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂生成的碳酸鈣主要為方解石。
圖13 膠結(jié)前后鈾尾砂的SEM圖
Fig.13 The SEM image of uranium tailings sand before and after cementation
圖14 膠結(jié)前后鈾尾砂的XRD譜圖
Fig.14 The XRD spectra of uranium tailing sand before and after cementation
圖15展示了改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂作用過程以及生成的碳酸鈣的形成過程。加入改性纖維后，改性纖維從各個方向交織成網(wǎng)貫穿鈾尾砂顆粒之間，為細菌提供了額外的附著場所，并為細菌的生長提供營養(yǎng)物質(zhì)，從而促進了更多碳酸鈣在纖維表面及土體孔隙中生成[38]。改性纖維表面所包裹的碳酸鈣增強了纖維網(wǎng)絡與鈾尾砂顆粒的結(jié)合性能，使膠結(jié)后鈾尾砂的整體性比純MICP膠結(jié)的鈾尾砂更強，改性纖維與鈾尾砂的孔隙體積因生成的碳酸鈣填充而減小，因而膠結(jié)后鈾尾砂的滲透系數(shù)也大幅減小。
圖15 改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂的概念模型
Fig.15 The conceptual model of microbial cementation in coordination with modified fiber for uranium tailings sand
5 結(jié)論
本文開展了改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂的抗?jié)B性能試驗，研究了改性纖維聯(lián)合MICP膠結(jié)鈾尾砂的主要影響因素與抗?jié)B機制，得到的主要結(jié)論如下：
（1）添加改性纖維后鈾尾砂的初始滲透系數(shù)將增加，但經(jīng)過改性纖維聯(lián)合MICP處理后的鈾尾砂的滲透系數(shù)仍能降低2-3個數(shù)量級，且滲透系數(shù)降低了97%以上。
（2）在級配編號為A3的條件下，采用改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂的滲透系數(shù)降低了近99%，膠結(jié)后生成的碳酸鈣產(chǎn)物分布更均勻。通過分析膠結(jié)液濃度、改性纖維長度、改性纖維質(zhì)量含量、改性纖維水處理時間等因素對膠結(jié)后鈾尾砂的滲透系數(shù)的影響，當膠結(jié)液濃度為2.0 mol/L、改性纖維質(zhì)量含量為0.5%、改性纖維長度為20 mm、水熱處理纖維時間為2 h時，改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂的滲透系數(shù)是最小的，此時的參數(shù)是最優(yōu)的。
（3）經(jīng)水熱處理后的纖維表面粗糙度增大，有利于細菌的附著。且改性纖維在鈾尾砂內(nèi)部交織成網(wǎng)為細菌提供更多的附著場所，促進了微生物在鈾尾砂中的生長、繁殖、遷移和固定，增加了碳酸鈣晶體的生成量，提高了碳酸鈣沉淀的均勻性和膠結(jié)效果，降低了鈾尾砂的滲透系數(shù)。
（4）采用SEM和XRD分析了改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂形成的碳酸鈣晶體。分析表明：在衍射角2θ分別為23º、29.4º、36º、39.3º等多個位置出現(xiàn)方解石特征峰，說明經(jīng)過改性纖維聯(lián)合微生物膠結(jié)鈾尾砂生成的碳酸鈣主要為方解石。
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