植物源脲酶诱导碳酸钙固化砂土试验研究

植物源脲酶诱导碳酸钙沉积胶结砂土是岩土工程领域的一种新型技术,相比目前广泛应用的微生物固化砂土技术具有很多优点。直接从大豆中提取脲酶,首先研究了温度及p H值对大豆脲酶活性的影响,然后控制胶凝液浓度、pH值、温度和反应时间进行了脲酶诱导碳酸钙沉积试验,在此基础上,采用循环灌注脲酶液和胶凝液的方法固化3种不同颗粒粒径范围的砂土,通过超声波测试、无侧限抗压强度测试及碳酸钙含量测试检测固化效果。结果表明:大豆脲酶最适pH值为8,15℃～75℃范围内脲酶活性随温度升高而增大。大豆脲酶诱导的沉淀产物为方解石型碳酸钙,随胶凝液浓度增大,碳酸钙产率先增大后减小,胶凝液浓度为0.75mol/L时,碳酸钙产率最大。胶凝液浓度一定时,pH值为8情况下碳酸钙产率最大,且产率随反应时间增加而增大。10℃～40℃范围内温度对碳酸钙产率影响较小。固化试样的抗压强度与碳酸钙含量呈正相关,随砂土颗粒粒径增大,试样的抗压强度先增大后减小,0.25～0.5mm砂土固化效果最好。     

微生物固化纤维加筋砂质黏性紫色土试验研究

微生物诱导方解石沉积(MICP)技术是一种新型土体加固措施,大量的研究表明,土体加固强化的同时也使得土体破坏呈现明显脆性。为了改善微生物固化紫色土的脆性破坏模式,采用纤维加筋与微生物固化相结合的加固方法,将质量分数为0.4%、0.6%、0.8%的纤维与紫色土混合,然后采用巨大芽孢杆菌和钙盐溶液对土样进行不同灌浆次数的固化试验(3次、5次、7次、9次)。通过无侧限压缩试验测定试样抗压强度,洗酸法试验测定试样碳酸钙含量,烘干法测定试样干密度,结果表明:(1)在微生物固化紫色土中掺入纤维,能显著提高试样固化后的无侧限抗压强度和峰值强度对应的轴向应变,改善了土体破坏时的韧性;(2)纤维掺量影响微生物固化紫色土的力学性质,其强度随纤维掺量总体上呈先增大后减小的趋势,最优纤维掺量为0.6%;(3)随着固化时间增加,试样的碳酸钙生成量和干密度逐级增加,强度与碳酸钙生成量呈正相关且有效碳酸钙沉积越来越少,强度趋于稳定;(4)纤维加筋可以提高碳酸钙沉积的效率和产量,土样内生成的碳酸钙对纤维加筋效果具有强化作用。研究成果可以为纤维加筋与MICP固化相结合的土体加固技术应用提供指导和参考。     

纤维加筋微生物固化砂土的力学特性

微生物固化能有效提高砂土的强度,但同样会导致土体破坏时呈现明显的脆性。为了平衡微生物固化砂土脆性破坏的不利影响,提出纤维加筋与微生物固化相结合的改性方法,即将质量分数为0%,0.05%,0.15%,0.25%和0.30%的聚丙烯纤维与石英砂均匀混合,然后基于微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对土样进行固化,并开展了一系列无侧限抗压试验,同时采用酸洗法测定了各组试样中的碳酸钙含量,进一步分析了试样的微观结构及纤维–土颗粒之间的界面作用特征。结果表明:①在微生物固化砂土中掺入纤维,能极大提高土样的无侧限抗压强度和残余强度,并能显著改善土样破坏时的韧性;②纤维掺量对微生物固化砂土的力学特性有重要影响,无侧限抗压强度随纤维掺量总体上呈先增加后减小的趋势,最优纤维掺量为0.15%,峰后残余强度与纤维掺量呈单调正相关关系;③纤维加筋使微生物固化砂土的峰后应力–应变曲线呈阶梯式下降模式,局部存在波浪式起伏特征;④纤维加筋能够提高微生物诱导碳酸钙的沉积效率和产量,与此同时,碳酸钙的胶结作用对纤维加筋效果具有促进作用。纤维加筋技术与MICP技术相结合能够实现优势互补,对提高工程结构的安全性与稳定性具有积极意义。     

纤维长度对微生物胶结砂力学性能的影响

添加纤维可以提高土的抗裂强度和改善土的延展性。通过在微生物胶结砂中加入0. 2%的聚丙烯纤维,以聚丙烯纤维长度为变量,通过无侧限抗压试验和劈裂试验,从宏观角度分析纤维长度对微生物胶结砂样强度及其延展性的影响,并结合电镜扫描和能谱仪测试,从微观角度分析纤维的影响机制。研究表明:微生物诱导碳酸钙沉淀处理砂柱的无侧限抗压强度、劈裂强度和变形模量在一定范围内随着纤维长度的增长而增大,原因是纤维在固化砂土中随机分布形成网状结构,生成的碳酸钙覆盖在纤维表面,加强了纤维与砂颗粒的黏结,纤维又可增强砂颗粒之间的连接。微生物固化技术与纤维相互作用,从而增强了微生物固化的效果;当纤维增长到一定长度(12 mm,长径比为106. 7)以后,强度开始下降,原因是过长的纤维导致团聚现象的发生,影响了细菌的分布,使得碳酸钙分布不均匀,从而影响强度特性。     

微生物固化纤维加筋砂土抗剪强度试验研究

微生物固化(MICP)技术能显著提高土体的抗剪强度,但微生物固化土体也存在脆性破坏特征显著的缺陷。向待固化砂土中掺入一定量的纤维,以改善微生物固化砂土的脆性破坏特性,并基于固结排水三轴试验研究了微生物固化纤维加筋砂土的抗剪强度特性,在此基础上探讨胶结次数、纤维含量、纤维长度以及试样初始相对密实度等参数对微生物固化纤维加筋砂土剪切特性的影响。最后,结合电镜扫描测试探究纤维加筋对微生物固化砂土剪切特性影响的内在机理。结果表明:MICP过程中,碳酸钙晶体能有效沉积在纤维表面,提高其表面粗糙度,且碳酸钙与砂的混合体能对纤维提供锚固作用,从而在一定程度上提高微生物固化砂土抗剪强度,并改善其应变软化特性,纤维具备改善微生物固化土体脆性破坏特征的潜力。     

多浓度营养盐处理对微生物胶结砂土均匀性与强度的影响

采用二次注入菌液方式,制备不同浓度营养盐处理的MICP(微生物诱导碳酸钙沉淀)胶结砂样。选用巴氏芽孢杆菌作为固化细菌,采用单一浓度(0.5、1.0mol/L)和多浓度相结合(前期采用0.5mol/L,后期采用1.0mol/L)的处理方式注射营养盐(尿素/氯化钙混合液),研究多浓度营养盐结合处理方式对微生物固化砂土强度及均匀性的影响。基于试验测试分析了固化砂土试样不同区间段的强度、弹性模量以及碳酸钙含量。试验结果表明,多浓度营养盐处理方式对固化砂土试样的强度及碳酸钙含量有明显影响;多浓度营养盐结合处理方式能够保证试样有较好的均匀性条件下获得较高强度及弹性模量。基于多浓度营养盐处理方式,探讨分析了影响试样强度和均匀性的基本因素。     

钙源对微生物沉积碳酸钙固化砂土的试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀是一种环保的地基处理方法,通过微生物和钙盐作用形成碳酸钙沉淀加固土体。钙盐种类的不同对生物固化砂土的效果也不尽相同。选取氯化钙、硝酸钙、乙酸钙和乳酸钙4种钙盐,探究营养液中钙盐种类对微生物固化砂土效果的影响。基于渗透试验、干密度试验、吸水率试验、无侧限抗压强度试验和碳酸钙含量试验测定微生物固化砂土的物理力学指标,从宏观角度分析钙源对微生物固化效果的影响;结合电镜扫描测试,从微观角度分析了钙源对碳酸钙沉淀晶体形态的影响。试验结果表明:硝酸钙的固化效果最好,其次是乙酸钙、氯化钙和乳酸钙;乙酸钙为钙源固化后的砂柱强度达到2.884 MPa;固化后砂柱受压发生破坏主要源于固化薄弱区;无机钙源获取的碳酸钙沉淀颗粒要大于有机钙源。     

钙源对微生物固化花岗岩残积土效果影响的研究

以巴氏芽孢杆菌为固化菌,研究不同含水率下,氯化钙或乙酸钙对微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化花岗岩残积土性能的影响,基于直剪和电镜扫描试验,从宏观和微观角度对固化效果进行探讨和分析。结果表明:低含水率下的内摩擦角和黏聚力高于高含水率下的内摩擦角和黏聚力;微生物诱导碳酸钙沉淀能有效提高花岗岩残积土的抗剪强度,改善其内摩擦角和黏聚力,且黏聚力提升幅度较内摩擦角提升幅度大;乙酸钙为钙源的固化效果比氯化钙好,含水率为30%时,乙酸钙为钙源的花岗岩残积土经MICP固化后与相同含水率下未固化的花岗岩残积土相比内摩擦角提高了34%,黏聚力提升了399%;经电镜扫描和能谱仪分析表明:MICP固化生成的碳酸钙沉淀对土颗粒起到了胶结作用,提高了花岗岩残积土的抗剪强度。     

微生物胶结砂土可行性试验研究

胶结砂样采用微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术制备。本文开展了X射线衍射、扫描电镜、无侧限抗压、三轴剪切等试验测试MICP试样。文中分析了试样的微观结构及物理力学参数,探讨了胶结物含量与砂样抗压强度、c'与φ'值之间的关系。研究结果表明:MICP沉积法产生的胶结物为碳酸钙;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,产生胶结作用而提高试样的力学性能;碳酸钙含量与砂样的力学性能提高有较好关联性。胶结砂样的碳酸钙含量可达到5.39%,其抗剪强度、黏聚力、内摩擦角分别提高423%、333%、35.7%,说明微生物固化砂土具有较好的应用意义。     

颗粒级配对残积土MICP灌浆效果的影响评价

微生物诱导碳酸钙沉淀加固砂性土的试验研究较为丰富,但在固化崩解性软岩残积土的可行性及效果评价方面目前仍未涉及。考虑到崩解性软岩残积土与砂性土颗粒的诸多不同以及自身颗粒级配产生的差异,选用4种不同粒径范围的松散泥质软岩残积土颗粒进行微生物灌浆试验研究,并通过渗透性能、无侧限抗压强度(UCS)试验、碳酸钙生成量及孔隙率测试,分析颗粒级配对残积土MICP灌浆效果的影响;再借助于扫描电镜(SEM),观测全级配残积土颗粒表面的MICP反应效果。结果表明:不同粒径级配的崩解性软岩残积土在经过微生物灌浆处理后,其胶结效果差异明显。全级配崩解性软岩残积土灌浆过程中更易沉积具有胶结作用的碳酸钙晶体,其胶结试样力学性能较间断级配提升显著,且其孔隙率降幅和单位质量碳酸钙生成量也较大,胶结效果更佳。研究成果可为软岩弃渣填方路堤的微生物加固工程提供借鉴。     

微生物固化砂土强度增长机理及影响因素试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)可以显著改善砂土的工程力学特性,但其固化效果易受诸多因素影响。基于不同胶结水平微生物固化砂土试样,开展固结排水三轴剪切试验和扫描电镜测试,探讨了MICP技术的固化效果及其相关机理;在此基础上,研究了胶结液浓度、砂土初始密实度、胶结液浓度配比等因素对微生物固化砂土抗剪强度的影响。结果表明:随着胶结水平的提高,微生物固化砂土试样强度提高,试样的脆性也越显著。微生物固化砂土强度的增长主要源于碳酸钙晶体对土体黏聚强度的提高。微生物固化砂土的强度主要包括土骨架强度和碳酸钙晶体胶结强度两部分,前者受土体性质及相关参数影响,后者主要取决于碳酸钙晶体的含量。采用合适的砂土初始密实度,适当提高胶结液浓度以及胶结液中尿素的浓度占比,均可提高微生物固化砂土试样的胶结强度。     

MICP固化土遗址裂隙的剪切强度试验研究

土遗址作为文化遗产,具有重要的历史、文化及科学价值,而裂隙是影响其稳定性的主要病害,裂隙的发育和延伸甚至会损毁土遗址,因此须对土遗址裂隙进行合理的修复和固化。微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)是一种绿色环保的土体固化技术,将其用于土遗址裂隙的固化,不仅环境友好,而且与遗址原材料具有更好的相容性。文章首先通过室内试验制备不同裂隙开度和裂隙结构面粗糙程度的遗址土裂隙试样,然后对其进行注浆固化,最后通过剪切试验获得裂隙开度和结构面粗糙度对固化效果的影响规律。结果表明：碳酸钙胶结物在裂隙处沉积并胶结裂隙两侧土体,增强了试样的整体性及力学性能;裂隙开度越小,结构面越粗糙,固化后试样的剪切强度越大,且裂隙开度较结构面粗糙度对剪切强度的影响大;在裂隙开度0.5mm、结构面粗糙的条件下,固化后试样的黏聚力最高可达到38.18kPa,内摩擦角可达33.42°。     

营养盐浓度对胶结重塑泥岩试样力学特性及微观结构的影响试验研究

采用一次浸泡菌液的方式,制备不同浓度(0、0.3、0.5、0.7mol/L)营养盐处理的微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)胶结重塑泥岩样。基于直接剪切、碳酸钙酸洗法、扫描电镜(SEM)等试验测试胶结试样,分析了营养盐浓度对胶结试样力学性能、碳酸钙含量及微观结构的影响。结果表明:同等反应条件下(相同时间、体积),随着营养盐浓度的增加抗剪强度先增大后减小,当营养盐浓度达到0.5mol/L时抗剪强度最大,此时,试样黏聚力、内摩擦角分别为15.5kPa、18.83°;碳酸钙含量随着营养盐浓度的增加而增加,当营养盐浓度达到0.7mol/L时,试样平均碳酸钙含量提高较少;碳酸钙晶体分布均匀性随着营养盐浓度由低到高变化呈凸字形态;胶结试样的强度依赖于生成的CaCO3晶体量及其分布形态;生成的方解石型碳酸钙晶体主要沉积在颗粒接触处形成积聚晶体或填充在孔隙中形成"胶结桥",产生胶结效果而增强试样的力学性能。     

高岭土微粒固载成核微生物固化粗砂强度

提出一种基于微粒固载成核的微生物固化技术(MICPMPIN),用于改善微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化粗砂的力学特性,即在灌浆前给菌液中加入一定量的高岭土形成微生物固载胶体,然后将微生物固载胶体与反应液混合形成MICP浆体(MICPCS),利用自重渗流法加固粗砂。试验结果表明新型MICPMPIN固化粗砂的强度比传统MICP固化粗砂的强度高。其他条件相同时,MICPMPIN固化粗砂的强度随高岭土掺量的增加而增加,随微生物固载胶体含量的增大而增加,且每间隔1次灌入MICPCS时固化粗砂的强度较高。高岭土本身提供的胶结强度不能使砂柱成型,可忽略不计,其作用主要是辅助成核,增加有效碳酸钙沉淀量,并减小试样孔隙比从而增强固化粗砂的效果。MICPMPIN固化粗砂的湿强度也大于传统MICP固化粗砂的湿强度,且高岭土的掺入显著增强了固化粗砂的抗软化能力。     

水化普通硅酸盐水泥颗粒吸附水中磷酸盐研究

以水化普通硅酸盐水泥颗粒为吸附剂,研究了时间、温度和粒径等因素对其吸附PO3-4效果的影响.结果表明:在20℃,粒径0.5~1.0mm,初始PO3-4质量浓度100mg/L条件下,水化普通硅酸盐水泥颗粒吸附平衡时间为192h,平衡吸附量高达16.06mg/g;经0.25mol/L盐酸活化后,水化水泥颗粒对PO3-4的平衡吸附量增至18.54mg/g;粒径2.0~3.0mm的颗粒对PO3-4的吸附效果优于0.5~1.0mm和5.0~60mm的颗粒.吸附过程遵循假二级动力学模型,符合Freundlich等温方程.热力学解析的结果表明:酸活化水化水泥颗粒吸附PO3-4时焓变ΔH=7.56kJ/mol,熵变ΔS=0.0416kJ/（mol·K）;4,20℃的吉布斯自由能ΔG分别为-3.98,-4.65kJ/mol;酸活化水化水泥颗粒对PO3-4的吸附是一个以吸热、化学吸附为主,熵推动且自发的过程.     

不同固化方式对碳酸酐酶矿化菌固化砂土效果影响研究

微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)技术是岩土工程领域新兴的土体加固技术,通过选用产碳酸酐酶矿化细菌,分别采用混合注浆、分步注浆、浸泡法三种方法进行砂土固化,并对固化后的砂柱进行表观分析、直接剪切试验、酸洗法、X射线衍射试验(XRD)以及扫描电镜试验(SEM)来对比分析不同固化方式对固化砂土强度的影响。结果表明:混合注浆法固化效果最佳,抗剪强度可达20.01 kPa,样品均匀性最佳;分步注浆方式次之;浸泡法固化试件未完全成型,但碳酸钙沉积量最多,混合注浆法次之。三种不同方式固化试件中沉积的碳酸钙均为方解石晶型,呈球簇状沉积在颗粒间隙和表面。     

MICP-FR协同作用改善钙质砂的力学性能及抗侵蚀试验研究

南海岛礁是中国"一带一路"建设的重要支撑。作为岛礁工程的主要建筑材料和地基,钙质砂具有高孔隙、易破碎和强度低等不良特性,难以直接满足工程建设要求。为了改善钙质砂的力学特性,并减少极端暴雨冲刷导致的侵蚀问题,提出微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)协同纤维加筋(FR)改性技术,采用喷淋工艺,对浅表层钙质砂进行改性处理,并考虑胶结液浓度(0.5,1.0,1.5,2.0mol/L)和纤维掺量(0.1%,0.2%,0.3%,0.4%)对处理效果的影响。通过开展超微型贯入及模拟暴雨冲刷试验,结合冲刷后滤出溶液的电导率变化,对比分析了不同处理方式下钙质砂的胶结固化程度和抗侵蚀能力。研究结果表明:(1)MICP技术可以有效胶结钙质砂,改善其力学性质,胶结液浓度越高,试样碳酸钙含量和贯入阻力越高,2.0mol/L固化效果最佳;(2)纤维的加入能显著提升MICP的固化效果,纤维掺量对微生物固化试样的力学特性有重要影响,峰值贯入阻力随纤维掺量先增加后减小,最优纤维掺量为0.2%;(3)经过MICP固化处理后,试样在模拟暴雨条件下表现出较好的抗雨蚀能力,侵蚀量小于未处理试样的1/7,加入纤维后胶结试样的抗侵蚀能力更佳。MICP-FR协同作用可以高效改善钙质砂的工程特性,能在岛礁建设、海岸开发过程中发挥积极作用。     

MICP固化粉煤灰的强度效应与机制分析

粉煤灰具有颗粒细、相对质量密度小、孔隙比大的特点，为了实现粉煤灰的有效利用和粉尘污染控制，应用微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）方法，考虑自然蒸发和湿缸养护两种条件，研究了微生物反应机理、强化特性及影响因素。结果表明：(1)微生物在粉煤灰中产生的碳酸钙为方解石，含量从7%最大增加到15.3%；(2)MICP湿缸固化条件下，无侧限抗压强度最大提高6.55倍，达97.63 kPa；(3)固化强度随营养物浓度的增加表现为先增大后降低，保湿缸和自然蒸发条件下的最佳营养浓度分别为0.5 mol/L和1.0 mol/L；(4)微生物固化粉煤灰可以减少内部水分损失，保水效果明显，还具有良好的抑尘应用前景。     

电渗生物法灌浆改善粉土中碳酸盐沉积分布的试验研究

为改善生物灌浆诱导碳酸盐在粉土中沉积扩散范围不足和沉积的不均匀性,采用电渗生物灌浆方法(EBM)在粉土中进行灌浆试验。首先研究了不同电压梯度下,脲酶活性的变化规律,在此基础上研究电场下微生物诱导碳酸钙在土中的沉积规律,并与重力灌浆和0.3 MPa低压灌浆方式的沉积效果进行比较。试验结果表明:脲酶活性随电压梯度的增大而降低;电压梯度影响碳酸盐的沉积和分布,当电压梯度在1.0 V/cm附近时,测得的碳酸钙含量沿场强方向变化范围为5.8%~9.6%,碳酸钙的沉积量较多,分布较均匀,而电压梯度为0.5,1.5 V/cm时碳酸钙沉积相对减少,故EBM灌浆的电压梯度宜取1.0 V/cm左右,过低,电渗驱动作用不明显,超过1.5 V/cm,生物活性受到抑制,碳酸钙沉积量反而降低;同土质条件下,重力灌浆的碳酸钙分布范围为0.8%~10.6%,0.3 MPa低压注浆为3.9%~10.2%,故电渗条件有利于生物质在土体孔隙中扩散,使碳酸钙分布更均匀,是一种值得关注的生物灌浆方法。     

MICP固化淤泥土的强度试验研究

为探究胶结液浓度对MICP固化淤泥土效果的影响,利用巴氏芽孢八叠球菌,开展不同胶结液浓度下的土体固化试验。通过试样的应力-应变关系、无侧限抗压强度、含水率变化情况和微观结构探讨了MICP技术加固淤泥土的固化效果和加固机理。结果表明采用上述方法加固淤泥土是有效的。通过微生物脲酶反应,试样内生成了碳酸钙晶体团聚体,无侧限抗压强度最高可提高24%,含水率降低范围在5.2%～10.9%。适当地提高胶结液中的尿素浓度,可在一定程度上提高脲酶活性,改善固化效果,而氯化钙浓度较高时,对微生物反应有一定的抑制作用,固化效果提升有限。