摘 要：利用改性黄麻纤维联合微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial induced calcium carbonate precipitation，MICP）技术能有效胶结充填铀尾砂中的孔隙，提高堆浸铀尾砂的抗渗性能。本文通过研究铀尾砂的颗粒级配、胶结液浓度以及改性黄麻纤维的长度、质量含量和水热处理时间等因素对改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的渗透系数的影响，获取最优的胶结参数；采用扫描电镜和X射线衍射仪等测试设备，表征了改性黄麻纤维联合MICP胶结铀尾砂形成的碳酸钙晶体的结构类型，分析其抗渗机制。研究结果表明：经水热处理后的纤维表面粗糙度增大，为微生物提供更多的附着场所，促进了微生物在铀尾砂中的生长、繁殖、迁移和固定，增加了碳酸钙晶体的生成量，提高了碳酸钙沉淀的均匀性，降低了铀尾砂的渗透系数；在颗粒级配编号为A3的铀尾砂中，改性纤维联合MICP胶结后的铀尾砂的渗透系数大幅降低，且纤维长度为20 mm、纤维质量含量为0.5%、纤维水热处理时间为2 h、胶结液浓度为2 mol/L时，经过11轮注浆后铀尾砂的渗透系数降低了99%，此时的参数是最优的；改性纤维联合MICP胶结铀尾砂生成的碳酸钙晶体在衍射角2θ分别为23º、29.4º、36º、39.3º等多个位置出现方解石特征峰，此时的晶体结构为方解石。
关键词：铀尾砂；改性黄麻纤维；微生物诱导碳酸钙沉淀；渗透系数；抗渗性能
1 引言
汉地表堆浸提铀技术是我国南方花岗岩型铀矿山回收铀资源的主要方法[1]。该方法是将溶浸液喷淋在破碎的铀矿石堆上，溶浸液在渗滤过程中与矿石发生化学反应，溶解出矿石中的铀，然后从铀矿石堆底部汇集起来的浸出液中回收铀[2]。堆浸提铀过程中产生的铀尾砂通常以筑坝拦截谷口的方式堆存在地表，形成铀尾矿库[3]。在雨水的长期淋浸作用下，铀尾砂中的铀（uranium，U）等污染物可被浸出，然后通过地表径流或渗漏等方式迁移到尾矿库周边的土壤和地下水中，严重影响周边的生态环境和居民的身体健康，已成为制约铀矿山可持续发展的技术瓶颈。
目前，尾矿库污染物迁移的控制方法主要有水平防渗、垂直防渗[4]以及垂直与水平防渗相结合的方式[5]。这些方法在一定程度上能有效阻止尾矿库污染物的迁移，但存在应用受地质环境限制、防渗土工膜容易破损、防渗工程造价高，且无法抑制铀尾砂中污染物的浸出等问题[6]。因此，有必要提高铀尾砂的抗渗性能，减少雨水入渗导致的污染物浸出，从源头上阻隔污染物对环境的影响。
微生物诱导碳酸钙沉淀技术作为一种新型环保的岩土体加固技术，在岩土工程领域受到了广泛关注，特别是在砂质岩土的减渗加固方面取得了显著的效果[7]。该技术通过向岩土体中注入微生物产生的脲酶促进尿素水解，以生成碳酸根离子，并与微生物吸附的钙离子发生反应，最终在岩土体的孔隙或裂隙中以细菌为成核位点生成碳酸钙沉淀，从而对岩土体起到固化减渗的作用[8]。Treesukon等[9]结合室内实验与理论分析研究细菌浓度对微生物诱导碳酸钙沉淀降低砂土渗透性及凝结时间的影响。韩智光[10]通过MICP技术改善砂土的抗液化性能，研究了营养盐种类、用量、灌浆流速、灌浆批次等因素对MICP处理液化砂样品的刚度、渗透性与碳酸钙沉淀均匀性的影响。董博文等[11]开展了天然海水培养微生物的MICP固化钙质砂的试验，研究结果表明MICP处理后钙质砂的渗透系数可下降1个数量级，无侧限抗压强度达到1.7 MPa。贺桂成等[12]利用MICP技术降低了砂岩铀矿的渗透性，并获得了良好的减渗效果。Chu等[13]应用MICP技术对砂土表面进行防渗处理，降低表层土的渗透性，试验结果表明砂土的渗透性从10-4m/s降低到10-7 m/s。已有的研究表明MICP技术能有效地降低砂质岩土介质的渗透系数，取得很好的止水效果，但MICP技术存在注入端容易堵塞、胶结不均匀、胶结范围小等问题[14]，限制其大规模的应用。
近年来，国内外学者研究发现添加纤维能促进微生物在岩土介质中的附着，并针对纤维联合MICP技术对岩土体的胶结效果开展了一些探索性的研究工作。Li等[15]通过力学试验研究了离散纤维对MICP处理后砂土抗压强度的影响，发现添加纤维后砂土的抗压强度比未添加纤维时提高了2倍以上。Zhao等[16]研究了四种纤维联合MICP处理砂的物理力学性能，与对照样品相比，加入纤维后，样品的渗透率降低了98%，无测限抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高了5.6倍和9.0倍。Choi等[17]使用Polyvinyl alcohol fiber（PVA）纤维和MICP技术改良渥太华砂的工程性能，研究表明经MICP处理后砂的渗透率降低了126%，脆性降低了50%。
上述研究成果表明，纤维联合MICP技术胶结岩土介质能有效地提升抗渗性能，但多使用合成的高分子纤维材料[18,19,20,21]，对环境构成一定的危害[22]。近年来，部分学者将麻质纤维、稻草等天然纤维用于强化MICP胶结过程，取得了较好的胶结效果[23]。Iamchaturapatr等[24]应用黄麻纤维与脲酶处理松散砂土，研究了黄麻纤维添加量对胶结砂土物理力学性能的影响。Guo等[25]分别以黄麻纤维、碎石、碳酸钙为添加材料用于MICP胶结填充岩石裂隙，发现添加黄麻纤维时，胶结后裂隙的抗渗性能最好。对纤维进行改性可以增加纤维表面粗糙度，从而增加纤维与基体材料间的浸润性[26]。但是，关于改性黄麻纤维对MICP的影响，以及改性黄麻纤维与MICP联合胶结岩土体的研究还鲜有报道。
为了阻隔铀尾砂中铀等污染物的流出，减少其对周边环境的影响。本文利用改性黄麻纤维联合MICP技术对我国南方某花岗岩铀矿山堆浸提铀后的铀尾砂进行胶结处理，探究尾砂颗粒级配、胶结液浓度、改性纤维长度和质量含量以及纤维水热处理时间等因素对改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的抗渗性能的影响，确定最优胶结参数。结合扫描电镜与X射线衍射仪测试，研究改性纤维联合MICP对铀尾砂的微观改性机制，为铀尾砂的减渗控污提供新的研究思路。
2 实验材料
2.1 菌液和胶结液
将本文使用的菌种（编号：BNCC 337394）购自于美国菌种保藏中心。取一定量巴氏芽孢杆菌菌株置于含有无菌色氨酸大豆琼脂的培养皿中进行活化，在30℃条件下活化48h后，将活化后的菌株接种到无菌液体培养基（5g/L蛋白胨、3g/L牛肉膏、20g/L尿素）中进行扩大培养。液体培养基的配制及细菌扩大培养的具体方法参照文献[12]。采用艾本德生物分光光度计（Eppendorf BioPhotometer Model #6131）在600 nm波长下测试菌液的吸光度（OD600），利用电导率法[12]测定菌液的脲酶活性。扩大培养后菌液的OD600值为1.72，脲酶活性为3.89 mmol·L-1·min。
胶结液包含氯化钙和尿素溶液，分别为MICP过程提供钙源和尿素，每次试验中两者的摩尔浓度均相同。
2.2 改良黄麻纤维
黄麻纤维是世界上产量最大的植物纤维之一，具有高强、高模和低延伸性等优点，但天然黄麻纤维的强吸湿性使其无法与其他材料很好的结合，导致其在岩土加筋方面尚未得到广泛的应用[27]。水热处理是一种温和有效、绿色环保的纤维改性方法，可以减少天然植物纤维中的羟基数量，增加纤维表面粗糙度[28,29,30,31,32]，从而增强天然植物纤维与其他物质的结合性能。
本文采用的天然黄麻纤维购自于河北廊坊中宏麻制品有限公司，试验前需对其进行改性。首先，利用乙醇与水清洗天然黄麻纤维以去除表面的灰尘，并在80 ℃烘箱中烘干；其次，将烘干后的黄麻纤维分别置于等量沸水中浸泡1 h、2 h和4 h，经水热处理后，用去离子水冲洗纤维3遍，以去除经水热处理后纤维表面产生的化学物质；再次，将冲洗后的纤维放置于60 ℃鼓风干燥箱中烘干，得到不同水热处理时间的改性纤维；最后，采用扫描电镜对改性前后的黄麻纤维进行表征，分析其改性效果。
2.3 铀尾砂
本文使用的铀尾砂取自于南方某铀尾矿库。将除去大块碎屑后的铀尾砂放置于60 ℃鼓风干燥箱中干燥48 h，利用筛分机得到粒径范围在0.2～ 2 mm的铀尾砂。课题组采用MICP技术对筛分后的铀尾砂进行处理，铀尾砂的渗透系数从4.34×10-2 cm/s降低到5.75×10-3 cm/s。由此可知，胶结后的铀尾砂仍具有较强的透水性，这是由于原生铀尾砂级配较差，孔隙率高。因此，需对铀尾砂的级配进行优化以提高MICP的胶结效果。
采用均匀设计[33]对筛分后的铀尾砂进行级配优化，得到四种不同级配方案的铀尾砂，如表1所示。优化后铀尾砂的颗粒级配曲线如图1所示。
表1 不同级配方案对应的各粒径范围的颗粒含量（%）
Table 1 Particle percentage for each particle size range corresponding to different grading schemes (%)
|
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 |
图1 优化后铀尾砂的颗粒级配曲线
Fig.1 Particle size distribution curve of uranium tailings sand after optimized
3 实验方法
3.1 纤维对细菌的附着能力
为了研究不同改性纤维对细菌的附着能力，分别称取质量为0.5 g的原始纤维和不同水热处理时间的改性纤维，将其放入装有巴氏芽孢杆菌悬浮液的刻度为50 mL的锥形瓶中，之后，放置于温度为30 ℃、转速为160 r/min的摇床中，分别振荡1h、4h、8h、12h、24h、36h、48h、72h和96h。振荡完毕后，用镊子取出纤维，用生理盐水冲洗附着在纤维上的细菌形成冲洗液，将冲洗液在1000 r/min的离心机上离心5min，重复三次，最后取上清液30ml倒入刻度为50mL的容量瓶中，用生理盐水稀释至50mL。采用分光光度计测定液体在600nm波长处的吸光度（OD600），分析改性纤维吸附微生物的能力。
3.2 改性纤维对微生物诱导碳酸钙沉淀的影响
为了研究改性黄麻纤维对巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀的影响，分别进行改性前后的黄麻纤维 与 MICP 联合作用的试验。首先，在各组离心管中 分别加入0.15g未改性黄麻纤维或水热处理时间为1h、2h和4h的改性黄麻纤维，共4组;每组分别设置浓度为0.5mol/L、1mol/L、1.5mol/L和2mol/L的胶结液。最后，依次加入体积为9mL的菌液、40.5 mL的尿素和40.5mL的CaCl2溶液进行MICP试验。另外，为了对比分析的需要，设计了不加黄麻纤维的对照组。所有试验样品均置于30°C恒温培养箱中进行MICP反应5d。
反应结束后将盛有混合物的离心管置于转速为5000r/min的离心机上离心10min，重复2次，并用滤纸过滤上清液。将过滤后的滤纸和含有沉淀 物的离心管在60°C烘箱中烘干48h，分别称量其质量，得到碳酸钙的生成量M，其计算式为:
M=（M2+M4)−(M1+M3) (1)
式中:M1为离心管的初始质量；M2为干燥后离心管的质量；M3为过滤前滤纸的质量；M4为干燥后滤纸的质量。所有质量均以g为单位。
3.3 改性纤维联合微生物胶结铀尾砂抗渗性能试验
为研究铀尾砂级配、尿素和CaCl2溶液的浓度、纤维质量含量与长度、水热处理时间对改性纤维联合MICP胶结铀尾砂的抗渗性能的影响，采用正交设计试验方法，开展了5因素、4水平的正交试验，如表2所示。此外考虑了未添加纤维的铀尾砂的对照组，开展了MICP试验。
表2 因素水平表
Table 2 Factor levels
|
水平 |
级配 |
胶结液浓度/(mol·L-1) |
纤维长度/mm |
纤维质量比/% |
纤维水热处理时间/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胶结试验装置进行MICP试验，试验装置如图2所示。该装置主要由内径为5 cm、高为19.6 cm的注射器制作而成，柱底部垫有300目滤布以防止细颗粒尾砂流失，柱的内壁涂抹凡士林以方便胶结后的试样脱模。
具体的试验步骤为：
（1）向铀尾砂中喷洒一定量的去离子水，以有效分散纤维，使其与铀尾砂混合均匀。将改性黄麻纤维按设定的比例与铀尾砂混合，充分搅拌均匀后分层装入试验装置中，振捣压实，装入的铀尾砂质量均控制为250g。
（2）装样后静置3d，测定试样的初始渗透系数，待试样中的水滤干后，开始MICP试验。
（3）每轮注浆分三步完成，首先以玻璃棒引流从试样顶部缓慢注入菌液20mL，当菌液注入8h后，从试样顶部缓慢注入30mL尿素溶液，待尿素溶液完全透过试样后，再从试样顶部缓慢注入30mL CaCl2溶液。液体注入试样的过程中均为自然渗透，菌液、尿素和CaCl2溶液的注入速度均为15mL/min以避免液体对样品造成冲刷，注浆轮次为11轮。
（4）胶结完成后，从试样顶部通入1L去离子水清洗残留在试样中的可溶盐，并测定胶结后试样的渗透系数。
（5）将试样从装置中取出，放入60℃烘箱中烘干至质量不再发生变化。
图2 胶结试验装置
Fig.2 Experimental equipment for cementation
经MICP处理前后铀尾砂的渗透系数采用变水头法测定，其测试装置如图3所示。具体测试方法为，待试样饱水后每隔一段时间从流出口收集滤液，记录变水头管初始和结束时的水头。每个样品的渗透系数测量三次，最终取平均值。试样的渗透系数采用如下式进行计算：
式中：K为渗透系数单位（cm/s）；a为变水头管横截面积，A为试样横截面积（cm2）；L为试样高度（cm）；t为间隔时间（s）；H1为初始水头（cm）；H2为结束水头（cm）。
图3 渗透系数测试装置
Fig.3 Device for permeability coefficient test
采用型号为S8100的日本日立台式扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）测试胶结前后铀尾砂的微观形态、结构，并利用X射线衍射仪（X-Ray Diffraction，XRD）分析矿物成分。
4 结果与讨论
4.1 改性纤维特征及其对细菌的附着能力
采用SEM分析了水热处理前后纤维的形态特征，结果如图4所示。由图4可知：未经水热处理的黄麻纤维，其表面比较光滑；当水热处理时间不超过2h时，随着处理时间的增加，纤维表面的凹凸分布较均匀，可附着的表面积更大，从而增加纤维的反应性；当水热处理时间为4 h时，纤维表面相对比较平整。由此可知，在一定时间内经水热处理后的黄麻纤维表面粗糙度增加，超过一定时间后其表面比较平整。这是因为水热处理时间过长，水热处理的生成物（木质素、蜡等）可能沉淀在纤维表面，从而使纤维表面更平整，这与相关研究[32]的结论是一致的。
材料表面粗糙度是影响微生物附着的重要因素之一[34]，粗糙表面上的沟槽有利于细菌的粘附，并成为碳酸钙形成的有利位点[35]。图5为不同水热处理时间的黄麻纤维对细菌附着能力影响的关系曲线。由图5可知：水热处理时间过短（1h）或过长（4h）均不利于纤维对细菌的长期、稳定附着，其中，水热处理时间为2h的改性纤维对细菌的附着能力最强，这是由于该纤维表面的粗糙度最大。
图4 经过不同水热处理时间的纤维SEM图
Fig.4 The SEM image of fibers after different hydrothermal treatment time
图5 纤维对细菌的附着能力随纤维与菌液作用时间的变化
Fig.5 The adhesion ability of fiber for bacterium vs the interaction time between fiber and bacterial solution
4.2 改性纤维对微生物诱导碳酸钙沉淀的影响
图6为不同水热处理时间的黄麻纤维与碳酸钙生成量的变化关系曲线图。
图6 纤维水热处理时间对碳酸钙生成量的影响
Fig.6 Effect of hydrothermal treatment time of fiber on the formation of calcium carbonate
由图6可知：碳酸钙的生成量随着钙源浓度的增加而逐渐增加。但当胶结液浓度相同时，添加纤维后碳酸钙的生成量比添加前的生成量大，特别是添加经水热处理时间为2h时的改性纤维，其碳酸钙的生成量最大，表明添加改性纤维促进了微生物诱导碳酸钙的沉淀。这是由于改性纤维有利于细菌的生长，在MICP试验过程中，黄麻纤维通过生物化学机制分解的单糖给细菌提供营养来源，延长了细菌的存活时间[36]。而添加水热处理4 h时的改性纤维对微生物诱导碳酸钙沉淀的促进作用较弱，这是因为纤维素在100 ℃水热处理过程中水解为葡萄糖单体，随着水热处理时间的延长，其水解程度增加，水解产生的葡萄糖单体在纤维的水热处理过程中被去除，为后续MICP试验中的微生物提供的营养物质越少[37]。
4.3 改性纤维联合微生物胶结铀尾砂抗渗性能试验
为了研究颗粒级配对改性纤维联合微生物胶结铀尾砂抗渗性能的影响，胶结前，在不同级配的铀尾砂中添加一定量的改性纤维（纤维长度为10mm，纤维的质量含量为0.5%，纤维水热处理时间为2h），对照组未添加纤维。试验所用的胶结液浓度均为1.5mol/L，注浆轮次均为11次。
试验结束后，各组尾砂表面均形成了一些白色沉淀物，如图7所示。将各组尾砂从装置中取出，发现添加改性纤维的铀尾砂中白色沉淀分布较均匀，且铀尾砂的整体性较好。而对照组铀尾砂中的白色沉淀主要集中在尾砂顶部，尾砂上部的孔隙过早被堵塞，菌液及胶结液无法自由渗流到尾砂中下部，导致尾砂中下部胶结效果较差，脱模时底部断裂。
图7 胶结后的铀尾砂
Fig.7 Cemented uranium tailings sand
不同级配铀尾砂胶结前后渗透系数的变化规律如图8所示。由图8可知：级配相同时，添加改性纤维的铀尾砂的初始渗透系数均比对照组的要大，但由于改性纤维对MICP的积极作用，改性纤维组经11轮注浆后具有较好的抗渗效果。对照组的铀尾砂的渗透系数从3.04×10-3～1.95×10-2cm/s降低到8.11×10-5～6.00×10-4cm/s；改性纤维组的铀尾砂的渗透系数从5.03×10-3～3.30×10-2cm/s降低到8.38×10-5～4.65×10-4cm/s。对照组铀尾砂的渗透系数均降低了2个数量级，而级配编号为A3的改性纤维组的铀尾砂的渗透系数降低了3个数量级。其原因是未添加纤维时，从A1到A4级配，铀尾砂中的粗颗粒含量逐渐减小，大孔隙体积逐渐减小，阻止微生物在铀尾砂中的运移，从而影响碳酸钙的生成[14]。因而，胶结过程中生成的碳酸钙含量先增加后减小，在级配编号为A3时达到最大，如图9所示。未添加纤维时，经MICP胶结后铀尾砂的渗透系数服从A1>A2>A3>A4，但A3与A4两种级配编号条件下铀尾砂的渗透系数非常接近。
图8 级配对胶结前后铀尾砂渗透系数的影响
Fig.8 Effect of gradation on the permeability coefficient of uranium tailing sand before and after cementation
图9 级配对MICP过程中碳酸钙生成量的影响
Fig.9 Effect of gradation on the formation of calcium carbonate in the process of MICP
添加改性纤维后，改性纤维在铀尾砂中形成了空间网络结构，促进了微生物在铀尾砂中的生长、繁殖、迁移和固定。因此，4种级配条件下改性纤维组的碳酸钙生成量较对照组的均有大幅增加，且A3级配条件下的碳酸钙生成量最大，如图9所示。此外，胶结后铀尾砂的渗透系数较初始渗透系数的降幅最大。由此可知，铀尾砂的最佳级配编号为A3。
在A3级配条件下，选取改性纤维长度为10mm、质量含量为0.5%、水热处理时间为2 h、注浆轮次为11轮，分析胶结液浓度对改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的抗渗性能的影响，得到了如图10所示的研究结果。由图10可知：未添加改性纤维的铀尾砂经微生物胶结后，其渗透系数降低到5.25×10-5～7.56×10-4cm/s，较其初始的渗透系数降低了2～3个数量级；当胶结液浓度为2mol/L时，胶结后的铀尾砂的渗透系数最小。添加改性纤维的铀尾砂经微生物胶结后，其渗透系数降低到3.08×10-5～4.68×10-4cm/s，较其初始的渗透系数降低了2～3个数量级。经微生物胶结后，添加纤维的铀尾砂的渗透系数比未添加纤维的铀尾砂的渗透系数更小，且胶结液浓度对添加改性纤维后的铀尾砂的渗透系数的影响更大，当胶结液浓度为2mol/L时，胶结后的铀尾砂渗透系数最小，较其初始渗透系数降低了99.54%。这是由于改性纤维有助于细菌的附着和生长，且胶结液浓度越大，能提供更多的Ca2+以生成足够多的CaCO3，从而使铀尾砂的渗透系数显著降低。综合考虑胶结后的铀尾砂的抗渗性能与整体性，最佳胶结液浓度宜为2mol/L。
图10 胶结液浓度与胶结前后铀尾砂的渗透系数
Fig.10 The concentration of cementing solution versus the permeability coefficient of uranium tailings sand before and after cementation
由相关文献资料[38,39]可知，纤维的长度、质量含量等相关参数，不仅影响土体的初始渗透系数，而且严重影响微生物诱导碳酸钙沉淀，因而对微生物胶结土体的抗渗性能产生影响。因此，本文选取铀尾砂级配编号为A3，胶结液浓度为2mol/L，改性纤维长度分别为5mm、10mm、20mm、25mm，改性纤维的质量含量分别为0.05%、0.3%、0.5%、1%，以及纤维水热处理时间分别为1h、2h、4h等参数，分析改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的渗透系数和碳酸钙生成量随参数的变化关系，结果如图11和图12所示。
由图11和图12可知：当改性纤维的质量含量为0.5%时，改性纤维的长度对MICP胶结后的铀尾砂的初始渗透系数影响不大，如图11(a)所示，但碳酸钙的生成量随改性纤维的长度增加呈现先增加后减小的变化规律，如图12(a)所示。当改性纤维长度为20mm时，碳酸钙的生成量达到最大，其值17.25g，此时，MICP胶结后的铀尾砂的渗透系数最小，其值仅为1.10×10-4cm/s，较其初始渗透系数降低了2个数量级。由此可知，在一定范围内增加改性纤维的长度有助于提高细菌在尾砂中分布的均匀性，但纤维过长会导致纤维在尾砂中分布不均，从而降低纤维对细菌的滞留能力，影响碳酸钙的生成[24]。因此，改性纤维长度的最佳值为20mm。
当改性纤维的质量含量由0.05%增至0.5%时，铀尾砂的初始渗透系数变化很小，如图11(b)所示，但胶结后铀尾砂的渗透系数从3.92×10-4cm/s降低至1.07×10-4cm/s。这是由于改性纤维含量的增加促进了细菌在铀尾砂中的滞留，使得碳酸钙的生成量增加。但是，当改性纤维的质量含量进一步增加（>0.5%）时，铀尾砂的初始渗透系数增大，而且，改性纤维的质量含量过高时，细菌在铀尾砂中的运移受阻，导致其分布不均匀，进而影响碳酸钙的生成量，如图12(b)所示，最终导致胶结后铀尾砂的渗透系数增大。因此，改性纤维最佳的质量含量为0.5%。
图11 改性纤维参数对MICP胶结铀尾砂的渗透系数的影响
Fig.11 Effect of the parameters of modified fiber on the permeability coefficient of uranium tailings sand
当改性纤维的质量含量为0.5%、长度为20mm时，对比添加不同水热处理时间纤维的铀尾砂胶结前后渗透系数的变化，发现胶结后铀尾砂的渗透系数均降低了3个数量级，如图11(c)所示。当水热处理纤维的时间从0h（未处理）增加至2h，胶结后铀尾砂的渗透系数降低的幅度从97.66%增加至最大值99.50%，但是，当水热处理纤维的时间大于2h时，胶结后铀尾砂的渗透系数降低的幅度变小。这是由于水热处理纤维2h后，改性纤维更有利于细菌在铀尾砂中的固定和生长，从而促进碳酸钙的形成，如图12(c)所示。因此，最佳水热处理纤维的时间为2h。
图12 改性纤维参数对碳酸钙生成量的影响
Fig.12 Effect of the parameters of modified fiber on the formation of calcium carbonate
4.4 改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的抗渗机制
改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的渗透系数降低的根本原因是铀尾砂中的微观孔隙结构发生了改变。为了揭示其微观孔隙结构发生变化而导致渗透系数降低的机理，选取原始铀尾砂和改性纤维联合微生物胶结铀尾砂干燥后的部分试样，进行了扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）测试分析。SEM测试结果如图13所示，XRD测试结果如图14所示。
图13(a)显示原始铀尾砂的结构松散且存在大量孔隙。经MICP胶结铀尾砂和改性纤维联合MICP胶结铀尾砂，其颗粒表面和孔隙间被大量粒径较小、形状各异的白色晶体包裹或填充，试样整体更加密实，如图13(b)和13(c)所示。
由图14可知：原始铀尾砂的XRD谱图呈现大量的石英特征峰与部分萤石特征峰。而经过改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的XRD图谱在衍射角2θ分别为23º、29.4º、36º、39.3º等多个位置出现方解石特征峰，这表明经过改性纤维联合微生物胶结铀尾砂生成的碳酸钙主要为方解石。
图13 胶结前后铀尾砂的SEM图
Fig.13 The SEM image of uranium tailings sand before and after cementation
图14 胶结前后铀尾砂的XRD谱图
Fig.14 The XRD spectra of uranium tailing sand before and after cementation
图15展示了改性纤维联合微生物胶结铀尾砂作用过程以及生成的碳酸钙的形成过程。加入改性纤维后，改性纤维从各个方向交织成网贯穿铀尾砂颗粒之间，为细菌提供了额外的附着场所，并为细菌的生长提供营养物质，从而促进了更多碳酸钙在纤维表面及土体孔隙中生成[38]。改性纤维表面所包裹的碳酸钙增强了纤维网络与铀尾砂颗粒的结合性能，使胶结后铀尾砂的整体性比纯MICP胶结的铀尾砂更强，改性纤维与铀尾砂的孔隙体积因生成的碳酸钙填充而减小，因而胶结后铀尾砂的渗透系数也大幅减小。
图15 改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的概念模型
Fig.15 The conceptual model of microbial cementation in coordination with modified fiber for uranium tailings sand
5 结论
本文开展了改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的抗渗性能试验，研究了改性纤维联合MICP胶结铀尾砂的主要影响因素与抗渗机制，得到的主要结论如下：
（1）添加改性纤维后铀尾砂的初始渗透系数将增加，但经过改性纤维联合MICP处理后的铀尾砂的渗透系数仍能降低2-3个数量级，且渗透系数降低了97%以上。
（2）在级配编号为A3的条件下，采用改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的渗透系数降低了近99%，胶结后生成的碳酸钙产物分布更均匀。通过分析胶结液浓度、改性纤维长度、改性纤维质量含量、改性纤维水处理时间等因素对胶结后铀尾砂的渗透系数的影响，当胶结液浓度为2.0 mol/L、改性纤维质量含量为0.5%、改性纤维长度为20 mm、水热处理纤维时间为2 h时，改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的渗透系数是最小的，此时的参数是最优的。
（3）经水热处理后的纤维表面粗糙度增大，有利于细菌的附着。且改性纤维在铀尾砂内部交织成网为细菌提供更多的附着场所，促进了微生物在铀尾砂中的生长、繁殖、迁移和固定，增加了碳酸钙晶体的生成量，提高了碳酸钙沉淀的均匀性和胶结效果，降低了铀尾砂的渗透系数。
（4）采用SEM和XRD分析了改性纤维联合微生物胶结铀尾砂形成的碳酸钙晶体。分析表明：在衍射角2θ分别为23º、29.4º、36º、39.3º等多个位置出现方解石特征峰，说明经过改性纤维联合微生物胶结铀尾砂生成的碳酸钙主要为方解石。
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文章摘自：贺桂成,唐孟媛,李咏梅等.改性黄麻纤维联合微生物胶结铀尾砂的抗渗性能试验研究[J/OL].岩土力学:1-12[2023-10-08].DOI:10.16285/j.rsm.2022.1990.
