基于原生微生物MICP的土体加固试验研究

为研究原生微生物加固砂土的影响因素,进行了室内胶结试验。采用不同灌注方式和不同配比的溶液,对试样中原生脲酶微生物进行激活,待微生物分解尿素能力达到阈值后,鉴定试样中微生物种属并对其进行系统发育分析,然后开展微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)胶结试验。通过微生物浓度、尿素浓度来监测试样的生物化学变化,根据无侧限抗压强度(UCS)和扫描电子显微镜成像(SEM)来评估试样加固效果。试验结果表明:加固效果与胶结液的灌注方式、有机质浓度、尿素浓度关系密切,双向交替灌注有利于改善试样胶结的均匀程度,较高浓度的有机质(酵母提取物)对土体中微生物多样性产生不利影响,激活和胶结效果较差;使用0.35 mol/L尿素的试样残余尿素浓度较高,而使用0.20 mol/L尿素的试样中,尿素残余较少;此次研究中,采用双向交替灌注、1.0 g/L酵母提取物、0.20 mol/L尿素处理的试样,生成的碳酸钙晶体连接紧密,胶结程度较好,其UCS值达1.55 MPa。研究成果表明,使用一定配比的溶液,可激活土体中的原生微生物,达到加固土体的目的。     

基于微生物诱导碳酸钙沉积的生物覆膜防渗研究

针对水利工程防渗堵漏的问题,以降低砂土生物覆膜透水率、提高砂土胶结之后的强度为目的,利用巴氏芽孢杆菌催化尿素水解对MICP(microbially induced calcium carbonate precipitation)生物覆膜效果的影响因素展开试验研究。采用控制变量法探究胶结液浓度和胶结时间对生物覆膜效果的影响,从而为生物覆膜技术的实际应用提供基础性数据和科学依据。结果表明:相同胶结时间的情况下,胶结液浓度越大,钙离子利用率越高;生物覆膜样本的最小渗透系数为2.42×10~(-5)cm/s,防渗效果相当于粉土或黏土混合物,最大抗折强度为1.63 MPa,最大抗压强度为1.5 MPa;胶结液浓度是影响覆膜抗折强度的主要因素,相同浓度下的胶结时间越长,对应的抗折强度值越大;碳酸钙在颗粒间的孔隙中充当胶凝作用,碳酸钙含量与抗折和抗压强度呈正相关关系。研究成果对未来将生物覆膜技术应用于水工防渗材料具有参考价值。     

基于微生物矿化的砂体胶结强度及耐久性试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)是岩土工程领域中新兴的新型绿色环保地基加固技术之一。基于砂土固化的力学性能和微观测试,研究了MICP技术的固化效果。研究结果表明,微生物水泥胶结砂柱最高强度可达37.9 MPa,抗渗性能可从胶结前的1.72×10^-2cm/s提高至7.66×10^-7cm/s;经100次冻融循环后,试件外观完整,无明显缺陷和掉砂;冻融50次时强度损失率为17.0%,胶结砂体具有良好的抗冻耐久性能。40 mm×40 mm×160 mm棱柱体标准试件抗压强度为13.5 MPa,抗折强度为4.5 MPa;70 mm×70 mm×70 mm立方体标准试件抗压强度为8.6MPa。微观结构检测可知,石英砂表面与颗粒之间沉积着不同数量的方解石,随着胶结强度的增加,方解石沉积量逐渐提高至趋于稳定,生成量为10%～25%,砂柱孔隙率由34.8%逐渐降至12.1%,且微观孔结构逐渐细化、密实。     

不同处理工艺下微生物对岩石裂缝加固效果影响

随着微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术在岩石裂缝修复领域研究的深入,该技术在实际工程中的应用也日渐广泛。为深入研究不同处理工艺条件、胶结液浓度对MICP技术加固岩石裂缝效果的影响,采用蠕动泵注浆和浸泡灌浆两种不同工艺对岩石裂缝加固进行室内试验,确定最优微生物加固岩石裂缝工艺。经试验得出最优的处理工艺条件参数,并在此基础上开展不同胶结液浓度（0.5、0.7和1.0 mol/L）条件下微生物浸泡灌浆加固岩石裂缝试验,进行胶结液浓度对加固效果影响的量化分析。结果表明:相同胶结液浓度条件下,蠕动泵注浆工艺和浸泡灌浆工艺加固岩石裂缝后界面抗剪强度分别为0.28和0.89 kPa,后者约为前者的3.2倍;浸泡灌浆处理工艺条件下胶结液浓度对加固后岩石试样界面抗剪强度影响显著,随着胶结液浓度的增大,加固与未加固裂缝界面黏聚力的比值呈线性增长。不同形状岩样的试验结果表明,圆柱体岩样加固后裂缝界面黏聚力增长速度要明显高于长方体岩样。     

微生物诱导CaCO3沉淀胶结砂室内试验研究进展

微生物诱导CaCO3沉淀（MICP）是将微生物学中生物矿化技术应用到土体加固过程中的一种方法,它具有低成本、环保等特点,国内外研究人员从不同角度对该技术开展了大量室内研究,分析与探讨了MICP技术的原理、影响因素及对土体性质的影响等。以胶结砂试验为主,归纳总结了影响MICP技术产生沉淀物的因素(离子源、pH值、温度、营养液浓度、注入速率与孔隙率),以及MICP胶结砂的土力学特性。归纳分析表明：不同钙离子源处理后生成的碳酸钙结晶形态有方解石、文石和球霰石,钙离子浓度的增加有抑制脲酶活性的作用;当细菌培养基的pH范围在8.0~9.0之间、温度在30℃~37℃时,MICP技术生成的沉淀物含量最多;营养液浓度在1.5 mol/L以下时可以有效增加沉淀物含量;不同的孔隙率、钙离子源、pH、温度都会对生成的沉淀物总量和结晶形态造成影响。     

海水环境下MICP加固珊瑚砂试验

在模拟海水环境中使用尿素水解菌ATCC11859(巴斯德芽孢杆菌)进行微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)水溶液试验和浸泡法加固珊瑚砂砂柱试验,研究海水环境对微生物诱导碳酸钙沉积的加固效果。水溶液试验表明,海水环境会抑制MICP过程中碳酸钙的最终生成量;浸泡法试验进一步表明,试样在加固相同时间时,海水环境下加固试样的无侧限抗压强度低于淡水环境下加固的试样;随着时间的增长,砂柱试样在海水环境下的无侧限抗压强度不断增加。     

微生物水泥用于混凝土表面缺陷修补的应用研究

基于生物矿化的砂土胶结技术,采用微生物水泥进行现场混凝土表面缺陷修补试验。试验结果表明,采用一定级配石英砂填充混凝土表面缺陷,反复注入微生物水泥,可诱导产生碳酸钙,并填充、胶结砂颗粒之间空隙,实现对混凝土表面缺陷的修复。跨界面钻取芯样观察,微生物水泥胶结砂坚硬致密,与混凝土界面粘接牢固,芯样抗压强度为23.4 MPa。微观检测表明,微生物水泥在混凝土界面处生成致密的矿化产物,并密实混凝土孔隙,胶结砂中可观察到沉积的碳酸钙晶体,微观结构紧密,CaCO_(3)沉积量为6%。     

MICP技术改性膨胀土试验研究

为了探究膨胀土新型改良技术,引进微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)新型环保的土体加固技术,利用巴氏芽孢八叠球菌开展MICP压力灌浆改性膨胀土室内试验,研究了胶结液浓度对膨胀土力学性能、微观结构及水理特性的影响,揭示了MICP技术改性膨胀土的作用机理,评价了MICP压力灌浆改性膨胀土试验的效果。试验结果表明:灌浆处理后试样的无侧限抗压强度最大增加了379.4%,土体刚度也有所提高;试样的膨胀性、渗透性均有明显改善,膨胀力最高可减少25.3 kPa,渗透系数最大减少3个数量级;试验改性效果随着胶结液浓度的增大而提高,但当胶结液浓度增大到一定程度后,改性效果不再显著。研究成果验证了MICP技术用于改性膨胀土的有效性和可行性。     

不同碳酸钙钙源对CFPK加固风积沙的影响

仿岩溶碳酸氢钙(CFPK)溶液是一种环境友好型固沙材料,碳酸钙钙源对CFPK溶液的制备及其特性有重要影响。为了给CFPK在固沙方面的推广应用提供参考,选择分析纯碳酸钙、生物碳酸钙、轻质碳酸钙、重质碳酸钙4种材料作为制备CFPK溶液的碳酸钙钙源,通过化学试验、力学试验、X射线衍射试验和扫描电镜试验等,分析了不同碳酸钙钙源制备的CFPK溶液的固沙效果。结果表明：1)4种碳酸钙钙源制备的CFPK溶液在反应达到平衡时,电导率和钙离子浓度基本相同,即钙源对碳酸氢钙溶解度影响很小,但是反应速度差别明显,其中重质碳酸钙的反应速率最快、生物碳酸钙的反应速率最慢;2)不同碳酸钙固化沙的表面强度、抗风蚀能力差异明显,重质碳酸钙固化沙表面强度和抗风蚀能力大于其他3种碳酸钙的,生物碳酸钙固化沙表面强度和抗风蚀能力最小;3)4种碳酸钙钙源在固化沙中生成的碳酸钙晶体矿物成分基本相同,主要为方解石,但不同碳酸钙钙源在固化沙中生成的碳酸钙晶体的含量和形态有所不同,分析纯碳酸钙生成的碳酸钙晶体主要为六面体方解石,其他3种碳酸钙生成的碳酸钙晶体以薄片状为主,其中重质碳酸钙生成的碳酸钙晶体尺寸大、高度聚集、致密性高,因此重...     

微生物胶结砂土三轴试验及微观结构研究

微生物固化(microbial-induced calcite precipitation,简称为MICP)技术是岩土工程领域新兴的一种地基处理技术。利用该技术可胶结松散土颗粒,改善土体的力学特性。基于一系列试验(X射线衍射、扫描电镜、CD剪切、碳酸钙定量化学试验)测试分析了胶结砂样微观结构与力学性能提高的联系、胶结物含量与砂样c'、φ'值之间的关系。研究结果表明:微生物诱导沉积产生的碳酸钙晶体主要粘附在骨架颗粒接触部位,并高度聚集封堵颗粒孔隙形成连接键,从而产生胶结作用提高试样的力学性能;菌液浓度、注液时间、营养盐浓度会影响碳酸钙的沉积量;碳酸钙含量与砂样的力学性能提高有较好关联性。试验中胶结砂样的碳酸钙含量达到5.39%时,其抗剪强度、凝聚力、内摩擦角可分别提高423%,333%,35.7%。     

微生物加固黏土的影响因素与机理分析

为了在岩土和环境工程中更好推广应用微生物诱导碳酸钙沉淀加固技术,本文开展了微生物加固黏土的试验研究,分析了微生物加固黏土试验的主要影响因素,并通过宏观试验结合微观分析的方法研究其加固机理。试验结果表明:适宜的培养基、接种比例和培养环境(温度、pH值)有利于微生物的生长繁殖;在一定脲酶活性条件下,养护温度、养护时间、胶结液的浓度和比例均对微生物诱导碳酸钙的生成量影响显著;碳酸钙的生成量直接影响微生物加固黏土的加固效果,微生物加固黏土的无侧限抗压强度与碳酸钙生成量成正相关,其养护7d的无侧限抗压强度可提高50%以上,破坏应变可降低约70%;微生物加固黏土表面形成大量晶体,实现了土颗粒间的胶结,填充了颗粒间的孔隙,增加了黏聚力和内摩擦角,从而提高了土体强度。     

颗粒级配对珊瑚砂微生物固化影响研究

对不同颗粒级配的珊瑚砂试样在相同条件下进行了微生物固化试验,研究颗粒对细菌的吸附性、固化体无侧限抗压强度与渗透系数、干密度增量的关系及内部碳酸钙的微观分布,分析颗粒级配及初始孔隙比对固化效果的影响。试验结果表明:低孔隙比试样对细菌的吸附性更好,适中的孔隙比能保证砂颗粒对细菌的吸附性与渗透性达到最优平衡;固化体无侧限抗压强度在1 MPa^3 MPa范围内,应力-应变曲线均为软化型,颗粒错动与薄弱结构面导致阶段性应力峰值的出现;抗压强度随干密度增量的增加而增大,随渗透性增大而减小,孔隙比约为1的级配不良试样固化效果最好;固化后孔隙比高的级配良好试样颗粒间碳酸钙黏结较少,孔隙比低的级配不良试样颗粒表面碳酸钙包裹覆盖更好,颗粒间碳酸钙分布更连续均匀。     

底物溶液配比对微生物固化珊瑚砂的影响研究

为了确定珊瑚砂的微生物固化试验中底物溶液的最佳配比,使用5种不同尿素、氯化钙浓度配比的底物溶液对珊瑚砂进行微生物固化。通过固化过程中珊瑚砂试样的渗透性变化、固化后底物溶液成分对比和单轴压缩试验,综合分析底物溶液配比对微生物固化珊瑚砂的影响。试验表明,底物溶液中尿素与氯化钙的配比对微生物固化珊瑚砂存在一定影响,尿素与氯化钙浓度比值较低时不利于Ca~(2+)的有效利用,尿素与氯化钙的浓度比值越大,微生物固化反应越快,固化效果越好,但过快的固化反应会迅速降低珊瑚砂的渗透性,导致可固化次数减少,从而影响珊瑚砂最终的固化效果,建议底物溶液中尿素与氯化钙的浓度最佳配比为1.00∶1~1.25∶1。     

水工混凝土渗透溶蚀试验研究

对水工混凝土的压力渗水规律,渗透水样钙离子浓度、pH值变化以及渗透溶蚀作用下混凝土性能衰减规律进行了试验研究。结果表明:振捣密实、养护充分的水工混凝土具有很高的抗渗透溶蚀能力,有自愈特性;溶蚀早期,钙溶出量与渗水量呈线性关系,渗透水钙离子浓度、pH值和电导率稳定于某一范围;混凝土性能衰减与氢氧化钙溶出率可进行线性拟合,氢氧化钙溶出5.13%,抗压强度、劈拉强度和弹性模量分别下降2.24%、7.95%和4.10%,其中,劈拉强度下降最明显。     

颗粒级配对微生物固化砂土力学性能的影响

土体的颗粒级配不同,其微生物固化效果也可能存在一定的差别。将颗粒粒径范围为0.074~2.000 mm的砂土分成颗粒级配良好与颗粒级配不良4组,分别测试了固化后砂样的无侧限抗压强度、渗透系数、孔隙率,碳酸钙沉淀量,从宏观角度对比了颗粒级配对微生物固化砂土的物理力学性质影响。同时,结合电镜扫描,从微观角度分析了颗粒级配对微生物固化砂土的影响机制。研究结果表明：相比于颗粒级配不良的砂土,颗粒级配良好的砂土碳酸钙沉淀量与均匀性更好,孔隙率与渗透系数更小,从而增加了试样的无侧限抗压强度。这是因为级配良好的砂土自身含有更优的粗细颗粒组,可提供更多有利于生成碳酸钙的沉积位置,生成的碳酸钙更加致密,强度更高。     

微生物灌浆加固砂土效果的试验研究

利用微生物灌浆对砂土地基进行防渗加固处理是一种新型的地基处理方法,材料的浓度是影响灌浆效果的重要因素。本文采用小尺度微生物灌浆试验研究了不同菌液浓度、钙源浓度及尿素浓度对砂土灌浆效果的影响,通过环境电镜扫描(ESEM)分析了砂土颗粒的结晶体的形态变化,揭示了微生物成因和生长规律,通过力学和渗透试验探讨了加固体的强度和渗透特性。研究表明,随着菌液浓度的增加,菌液的活性有明显的提高,微生物结晶体呈多级生长,砂柱的抗压强度有所提高,菌体分泌的胶质有机物也会提高砂柱的抗渗透能力,但菌液浓度过高则对改善砂土的指标有限,可根据工程防渗加固的不同要求选择合适的菌液浓度。钙离子浓度为1,尿素浓度为2时,砂柱的结晶体均匀致密,灌浆效果较好。实验得到的砂柱最大抗压强度为22.5 MPa,最小渗透系数为2.12×10~(-5)cm/s。研究结果对促进微生物灌浆技术的应用具有指导意义。     

仿岩溶碳酸氢钙加固风积沙的试验研究

分别以仿岩溶碳酸氢钙（CFPK）溶液和毛乌素沙地风积沙为固沙材料和加固对象,通过化学试验、力学试验、水理试验以及微观试验,探究二氧化碳压强和反应时间对CFPK溶液浓度的影响,分析CFPK溶液固化沙的工程性能,揭示其加固机理。结果表明：CFPK溶液浓度随着二氧化碳压强的增大而增大,随着反应时间的增加先增大而后保持稳定。呈散粒状的风积沙经过CFPK溶液处理后,其表面形成一层固结层,具有较高的表面强度、较好的抗风蚀性和耐水性。随着CFPK溶液用量的增加,固化沙的表面强度和抗风蚀性能逐渐提高。仿岩溶碳酸氢钙可在沙颗粒间分解形成具有胶结作用和填充作用的碳酸钙,能够有效加固风积沙。     

基于MICP技术改良的膨胀土膨胀特性试验研究

为了探究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术改良膨胀土膨胀特性的效果和作用机理,利用产脲酶菌CGMCC 1.368 7,开展了MICP拌和法处理膨胀土的膨胀特性试验。通过正交试验研究了反应液配比和Ca²⁺浓度对MICP拌和法处理膨胀土自由膨胀率、无荷膨胀率、CaCO₃百分生成量的影响及其变化规律,揭示了MICP改良膨胀土的微观机理。结果表明:经MICP拌和法处理后,膨胀土的膨胀特性得到显著改善;当反应液配比为1∶1、Ca²⁺浓度为2.0 mol/L时,膨胀土自由膨胀率最大降低了44.4%;当反应液配比为1∶3、Ca²⁺浓度为2.0 mol/L时,体膨胀率减小了92.2%,膨胀含水率降低了24.9%。MICP技术通过胶结土颗粒、充填土体孔隙和离子置换作用,降低膨胀土颗粒的亲水性,减小土颗粒间的排斥作用,减弱膨胀土的膨胀势。研究成果验证了基于MICP技术拌和法改良膨胀土膨胀特性的可行性。