潘旭辉，史奇彬，赵蔚蔚，王芮文，3
(1.溧阳市交通工程建设事业发展中心，江苏 常州 213000；
2.江苏森淼工程质量检测有限公司，江苏 镇江 212028；
3.江苏省交通技师学院，江苏 镇江 212028)
近年来，环境保护政策深入人心，环境问题也得到广泛关注。空气污染是环境保护体系中最重要的监测对象之一。研究表明，扬尘对空气中颗粒物的年分担率为20%左右[1]，是构成空气污染极其重要的因素之一。对于扬尘所造成影响很多，比如(1)由于风的吹拂作用将尘土颗粒分散到空气中，并随空气流动，这些带着各种病菌的尘土颗粒，一旦被吸入人体，可能引起诸多疾病，严重危及人体健康[2]。(2)扬尘会改变一定范围内的气候状况。由于引起大气层热效应，极容易引发气候异常现象，同时，会增加空气雾霾的风险，还会出现酸雨以及光化学烟雾等环境污染问题。扬尘的出现，会大大降低能见度，空气质量难以保证[3]；
扬尘飘落在房屋、路面、桥梁以及绿色植物上，不仅仅会影响美观，还可能会导致绿色植物无法有效地进行光合作用而致死。
以往追求经济发展和社会发展而忽略环境的思维已经改变，习近平总书记提出的既要金山银山，又要绿水青山的理念已经贯穿经济发展的全过程，交通建设也不例外，在交通基础设施建设中，施工现场扬尘控制已经成为项目管理的一项重要内容和社会各方重点关注的焦点。本研究以溧阳焦尾琴隧道旅游综合体为例，研究微生物抑尘法的材料特性及其使用效果。
2.1 微生物抑尘法研究背景
随着人们对环境的要求越来越高，对环境污染问题越来越重视，在环保部门加大整治力度的同时，科研院所等研究机构对扬尘危害及防治技术进行了广泛探索。目前，对于扬尘的防治手段较少，仍然采用传统的喷雾法、覆盖法、挡风阻风法、网格防护法等方法，近年来，由于新技术的出现，土壤固化法也随即成为潮流处理技术。在这些处治方法中，喷雾法因用水量巨大，造成浪费严重，其方法已经逐渐退出；
而覆盖法、挡风阻风法以及网格防护会增加大量的处理成本，效率低下，材料用量大，后期处理难度大，而且，这些方法对于已经散落在空气中的扬尘无法吸附，而在公路工程建设中，通常每天都会产生大量的扬尘，这种方法显然效果甚微；
土壤固化抑尘技术是利用材料的粘聚力，制成物化抑尘剂，将抑尘剂拌和至扬尘发生体中并与之结合，形成胶结物或表面硬壳性，从而抑制尘土飞扬。此技术对扬尘有较好的抑制性，研发以来受到广泛关注。然而，这种处理方法中使用的材料品牌杂乱、成本高，有些抑尘物质中还有腐蚀性和毒性充分，且这些有害成份降解困难，极易导致对土壤和空气的二次污染[4]。故此，需要一种能有效降解、对环境无破坏以及抑尘效果又好的新材料和技术对扬尘进行有效处理。而微生物抑尘法就是在这一背景下产生和发展起来的具有前沿性的抑尘处理方法。
2.2 微生物抑尘原理
微生物抑尘原理的实质是利用微生物诱导沉积作用让一些特定的微生物诱导矿化沉积成具有强粘结性的矿物质，这些矿物质与微尘颗粒结合而生成较大的颗粒体，从而改善土体的硬度、强度和风蚀度等[5]。这种微生物与微尘形成的具有一定强度的微颗粒体也称为微生物水泥。这些利用微生物诱导矿化沉积作用生成的微生物水泥有非常良好的环境适应性，而且生产周期短，效率高，强度控制措施简单。
本世纪初，东南大学围绕微生物矿化建筑材料开展了系统深入的研究，形成了产业化和工程应用技术，推广应用于扬尘治理、钢渣处置、土壤重金属钝化等环境领域及自修复混凝土、装配式建筑部品、清水混凝土等建设工程。在扬尘抑制方面，积累了丰富的经验，相关研究成果已经在一些领域内得以实践应用。
扬尘是造成空气污染极其重要的因素之一，危害人类健康、影响空气质量、影响城市景观和植物生长，同时会阻碍植物光合作用，破坏生态平衡。将微生物抑尘剂用于建筑工地施工现场、沙漠治理、码头港口堆场等，可将松散介质胶结成具有一定力学性的一个整体，从而达到抑尘目的。
2.3 微生物抑尘法的基本材料
微生物抑尘法扬尘处理方案是利用微生物抑尘剂诱导矿化沉积的特性使微生物沉积物与土固化成具有强度的颗粒体从而达到抑尘目的，此方法起主要抑尘作用的材料是微生物抑尘剂中的活性物质[6]。微生物抑尘剂是微生物诱导矿化沉积具有一定胶凝特性的矿物，该矿化可将松散颗粒胶结成为一个整体，有效改善土体的工程性质。
微生物为遴选自广泛分布在土壤或岩石中的一类芽孢杆菌，革兰氏染色为阳性菌，菌落表面粗糙不透明，污白色或微黄色，生长繁殖能力强。用微生物材料在建筑工地施工现场、沙漠、码头港口堆场的表层喷洒，可形成具有一定厚度、一定力学性能的胶结体，从而实现抑尘目标。
2.4 抑尘剂质量指标
抑尘剂按微生物形态可分为液态抑尘剂和固态抑尘剂，分别用代号YT和GT表示。微生物抑尘剂的各项物理特性归纳汇总见表1，技术指标见表2。
表1 微生物抑尘剂的物理特性
表2 微生物抑尘剂技术指标
根据微生物抑尘法的常规处理工艺，还可将抑尘剂分成喷洒式抑尘法和拌和式抑尘法两种。抑尘剂材料的标记方法为：如果微生物抑尘剂的形态为液态，施工处理工艺为喷洒式抑尘法，固结层厚度为10.0 mm，此时，将其标记做YT-PS-10.0；
如果微生物抑尘剂的形态为固态，施工处理工艺为拌合式抑尘法，固结层厚度为10.0 mm，此时将其标记做GT-BH-10.0。
2.5 微生物抑尘法技术要求
在容易扬尘的环境中，将液态微生物抑尘剂喷洒于扬尘发生体表面，经养生后，微生物抑尘剂与扬尘发生体固结，或者将固态抑尘剂与扬尘发生体按一定比例拌和，经养生后，微生物抑尘剂与扬尘发生体固结，这种方法，叫微生物抑尘法。
用微生物抑尘法处理的土体或抑尘发生体，当由松散变为凝结体后，其性质发生了改变，所形成的固结层需具有一定的厚度、硬度、强度、抗风蚀性和抗雨水冲刷性，其基本要求应符合表3。
表3 微生物抑尘固结层性能统计方法评价指标
3.1 溧阳焦尾琴隧道环境简介
溧阳焦尾琴旅游综合体隧道项目路线起于104国道与长山路交叉口，向北以隧道形式穿越西圣山后，终于平陵西路与泓盛路交叉口，路线全长1.70 km，其中一般路段长1.07 km，隧道段长0.63 km。根据现场外业调查成果及相关意见，焦尾琴隧道路线主要控制因素为现状道路104国道和平陵西路、规划焦尾琴公园等。
本隧道按小净距形式进行布置，左右洞净距约17～24 m。其中，隧道左线长630 m，右线长625 m，属于中隧道，最大埋深约62 m。按设计速度为60 km/h的双向四车道城市主干路标准设计，隧道单洞建筑限界净宽为10.0 m，净高为5.0 m，全隧道共设置1处车行横洞和1处人行横洞。
隧道所处位置为岩质土，周围为细粒土，易扬尘。
3.2 生物抑尘剂的选用
固体抑尘剂一般用于颗粒较大的土壤，且经拌和使用。液体抑尘剂一般用于细粒土，可以按一定比例喷洒于土体表面。焦尾琴旅游综合体隧道附近扬尘主要来自与开挖后的粉尘以及沿线便道的灰尘，而便道经过的位置为细粒土，易扬尘，因此，选择液体抑尘剂进行施工。
3.3 抑尘剂室内基础试验
微生物抑尘剂必须满足质量要求，保证抑尘效果，因此，对抑尘剂应进行全面性能试验。
外观与感官特征测定。把微生物抑尘剂处理样品放置于透明玻璃器皿中，并透过光亮仔细查看其颜色、光泽以及掺杂物情况，并辨识其气味。经观测查验，外观与感官特征满足产品质量要求。
微生物测定。取10 g液体微生物抑尘剂溶于100 ml去离子水中制备微生物菌液，再分别稀释至原来浓度的1/10、1/102、1/103、1/104、1/105、1/106，把微生物真菌溶液稀释后，各取1 mL然后加入琼脂培养基液，放置在除去细菌的表面器皿中培养。待表面皿上菌液明显可见时，可根据菌落个数来推算原始菌液中活菌的个数。
在进行试验时，把已经活化的微生物菌株从表面器皿中接种到培养基液里，并且把最先的pH调整到7.0，在连续振荡器中培养24 h，直到培养基液由清澈变为混浊为止。取1 mL培养好的菌液置于无菌试管中，稀释至初始浓度的1/107，取其中0.1 mL加入固体培养基并置于无菌表面皿中，继续培养至出现明显菌落，根据菌落个数推算得出原始菌液浓度。
本试验得到的结果是样品微生物数量为1.0×107CFU/ml。满足要求。
钙源浓度测定。试验在封闭环境下进行，取质量为μ(一般取100 g)液体微生物抑尘剂溶于100 ml去离子水中制备钙源溶液，通过滴定方式向溶液中滴加碳酸氢钠溶液，直至不产生白色沉淀为止，碳酸氢钠可以过量。对产生的白色沉淀物进行漂洗、滤纸过滤、并烘干，称量其不含水的质量，记为m。按式(1)计算钙源浓度
(1)
式中，n为钙源浓度，mol/g；
m为白色沉淀物碳酸钙的无水时质量，g；
MCaCO3为碳酸钙单位物质的无水时摩尔量，g/mol。
经测定，本产品的钙源浓度为0.43 mol/g，符合要求。
pH值测定。pH值测定时，应按《胶黏剂的pH值测定》(GB/T 14518)给定的方法进行样品的准备，采用酸度计测定样品的pH值。实测pH值为7.5。满足要求。
腐蚀性测定。按国家标准《硫化橡胶或热塑橡胶耐液体试验方法》(GB/T 1690)给出的腐蚀性试验的方法，测试出抑尘剂的渗透系数，经测试，渗透系数为1×10-8，满足要求。
皮肤刺激性测定。按GB/T 21604规定的方法进行测试，皮肤刺激性等级为1.5，符合标准要求。
急性经口毒性试验。根据GB15193.3进行急性毒性试验。经测定，动物每千克体重用药量为113 mL/kgBW才出现中毒现象，满足要求。
3.4 现场试验方法
在距隧道开挖面外300 m范围内进行土壤或土层调查，取典型土壤编号面作为试验段，喷洒液体微生物抑尘剂，检测处理路段固结层厚度、硬度、强度。
把液体微生物抑尘剂按一定比例稀释后，利用机械设备缓慢均匀地喷洒在土壤表面，应适当养护后会形成一层表层非常致密的壳，称为固结层。而固结体的测量厚度是有效评价抑制扬尘效果的主要参数。测量固结体表层固结厚度使用的主要工具是游标卡尺，其精度较高，可以精确地测量厚度。参考GB/T12334中厚度测量方法，首先选取试模中心测量点，以该测量点为圆心、半径50 mm做圆形，在该圆形上等距离选取8个点，同时测量中心点及圆形上8个点的厚度，取其平均值作为该固结体的厚度。
固结体表层硬度是有效评价抑尘法效果的又一项参数。这个参数采用邵氏硬度计检测。其方法是将硬度测试器平行压在试件的上部，直到硬度器底面和试样表面全部接触，此时，指针所对准的刻度就是该试样的邵氏硬度值，为了使测试结果稳定、可靠，必须保证其测试精度，多次测量的位置需有一定的间隔。
固结体表层强度是评价抑尘效果的另一项重要指标，其测试方法是采用高精度低量程的伺服式电脑控制万能试验机进行，万能试验机测量精度为Ⅰ级，试验采用位移控制，加载的速率必须小于每分钟1 mm。样品底部支撑点必须采用球形支架以减小测量偏差，在放置样品时，需调整角度偏差，使得样品轴线与受力方向一致。
抗风蚀性测定。将微生物抑尘剂固结松散介质形成固结层称重，记为W1，随后将固结层放入风洞试验机中，设置吹蚀风速为12 m/s、角度为0°吹角、吹蚀时间为1 h，风洞试验结束后对固结层称重，记为W2。抗风蚀性可按公式(2)计算
(2)
式中：E1是处理范围内，单位面积固结层的风蚀量，g/m2；
W1为固结体在风洞试验前测量的质量，g；
W2为固结体在风洞试验后材料的质量，g；
S为风蚀盘的面积，m2。
抗雨水冲刷性测定。将微生物抑尘剂固结松散介质形成固结层称重，记为W1，随后将固结层放入人工模拟降雨系统中，设置降雨强度为2 mm/h、角度为0°、时间为1 h，随后将固结层置于烘箱60 ℃条件下烘至恒重，重量记为W3。按公式(3)计算抗雨水冲刷性
(3)
式中：E2为单位面积固结层的雨水冲蚀量，g/m2；
W3为抑尘处理路段，抗雨水冲刷试验前固结体称量的质量，g；
W4为抑尘处理路段，抗雨水冲刷试验后固结层称量的质量，g；
S2为抑尘处理路段雨水冲刷的面积，m2。
4.1 材料进场检验
微生物抑尘剂在进场后，必须进行试验检测，检验项目包括外观与感官特征、微生物、钙源、pH值、腐蚀性、皮肤刺激性、急性经口毒性等。同一品种的固态微生物抑尘剂按每进场100 kg检测一次，不足100 kg时，按100 kg计；
液态微生物抑尘剂进场按每1 m3检测一次，不足1 m3时，按1 m3计。
固态、液态微生物抑尘剂的外观质量应逐袋、逐桶检查，其他出厂检验项目随机抽取，试样的抽取位置应分布整个生产批次。
判定与复验规则。按各指标参数重要性判断材料是否合格：(1)如果外观质量与规范要求不一致，可判为产品缺陷；
(2)抑尘剂中的微生物、钙源指标如果出现不合格，则该批次不合格；
(3)pH值、腐蚀性、皮肤刺激性、急性经口毒性中如果有一项指标检测结果出现不合格，则判定不合格。如果检测其它性能结果有某一项或一项以上不合格，应中加倍抽样复检，复检仍有不合格，则判定不合格。
微生物抑尘剂需进行单元包装，其包装标志中，必须体现如下信息：(1)厂家(2)标记(3)批号及生产日(4)颜色(5)商标(6)数量(7)合格证。
4.2 施工
以微生物抑尘剂与水的质量比例1∶50配合形成溶液，沿隧道周遭进行喷洒，喷洒遍数为2遍。
4.3 现场检测验证
(1)试验数据
在微生物抑尘剂进场之初，都已经做了大量的试验，技术要求中，微生物、钙源、pH值、腐蚀性、固结层厚度、硬度、强度、抗风蚀性、抗雨水冲刷性能等指标均满足规范要求。
抑尘法施工完成后，在隧道位置附近的典型位置取样进行固结层硬度、固结层的强度、抗风蚀性能等试验。
针对焦尾琴隧道附近复杂的土壤情况，对施工的不同地点采集经处理的土壤进行验证，固结层硬度、强度和抗风蚀性各取13个数据进行试验，得到的结果及平均值见表4。
检测标准为固结层硬度平均值统计数据Y0≥18°、强度平均值统计数据Q0≥0.4 MPa、风蚀量平均值统计数据F0≤25g/m2。用假设检验的方法进行分析是否符合规范要求。
表4 验证试验结果
(2)假设检验
因规范规定，固结层硬度、强度平均值、风蚀量均是以统计方法给出的规范，因此，必须对试验结果进行统计判断，本研究主要基于假设检验技术分析微生物抑尘剂是否合格。
采用假设检验进行结果判断，设风蚀量试验均值为F，固结强度试验均值为Q，固结应对的均值为Y。建立原假设和备择假设，通过Minitab软件[7-9]运算得到的结果如表5。在输出结果中，如果P值>0.05，则接受原假设，否则应拒绝原假设[10-11]。以F与F0均值对比为例，Minitab假设检验输出结果的P值=0.027<0.05，说明原假设中，加入微生物抑尘剂后的风蚀量F与规定值F0不相等，因此，拒绝原假设，选择备择假设，即加入微生物抑尘剂后的风蚀量F比规定值F0还要小，因此得出合格结论。
经统计推断，各项指标均合格，见表5。
表5 法均值假设检验过程及结果输出表
微生物抑尘法经验证是一种良好的扬尘处理方法，其效果明显，成本低廉。微生物抑尘剂主要用于建筑工地施工现场扬尘控制、沙漠治理、码头港口堆场粉尘抑制，有良好的使用推广价值。仅以2021年我国建筑工地使用抑尘塑料网为例，2021年全国使用抑尘塑料网1.4×10 m2，如全部使用微生物水泥，以每平米材料节约费用3元计算，可节约材料费超过40亿元，经济效益显著。
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