颗粒级配优化和碳酸钙晶体形态调控对砂土MICP固化效果影响研究
作者单位：三峡大学
学位级别：硕士
导师姓名：邓华锋;刘立鹏
授予年度：2022年
学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程]
摘 要：在工程建设中对于土体的加固处理,通常采用的化学注浆材料对生态环境具有不可逆的污染与破坏,因此亟待研究一种绿色且有效的加固方法。微生物诱导Ca CO沉淀技术(MICP)是一种广泛存在于自然界的生物矿化过程,因其机理简明、反应可控、生态环保、耗能低等特点,具有良好的应用前景。本文以MICP技术固化砂土为研究基础,从调整优化颗粒级配提升砂土体自身的密实度,添加化学剂调控Ca CO晶体形态,添加吸附性材料增加固菌率三个方面入手,逐步提升固化效果。基于最终试验结果,对Kozeny-Carman渗流模型进行修正,并建立力学本构模型。主要得出如下研究结果:⑴采用均匀设计和级配连续设计对颗粒级配进行调整优化,比较而言,级配良好试样的固化效果优于级配不良试样,Ca CO沉淀生成量增长了3.920%-24.952%,无侧限抗压强度提升了3.670%-35.967%,其中基于级配连续设计的试样提升效果更为明显。通过分析微观孔隙结构对固化效果的影响,可得在级配优化中,应以级配良好为前提,减小孔隙率的同时保证孔隙分布的不均匀性及孔隙的较大尺寸,有从而利于菌液、胶结液的入渗、扩散及后续MICP反应程度。⑵在最优级配的基础上,采用柠檬酸钠及SDS对Ca CO晶体形态进行调控。研究不同种类及浓度的化学剂对Ca CO晶体的晶型、形貌及堆叠排列方式等的影响,可以发现:在添加柠檬酸钠的条件下,Ca CO晶型均为方解石呈多面体状,随着浓度的增加,其尺寸逐渐增大,堆叠程度先逐渐致密后趋于稀疏,较无添加剂试样强度较均有提升;在添加SDS的条件下,Ca CO晶型均为球霰石,随着浓度的增加,其形态由椭球状逐渐转化为球状,晶体尺寸逐先增大渐减小,晶体之间的堆叠紧密程度先有一定程度的提升后逐渐稀疏,强度较无添加剂试样先增大后降低。整体对比来看,在添加浓度为20mmol/L的柠檬酸钠条件下,抗压强度等提升最大,达18.514%,整体固化效果最好。⑶在最优级配、化学添加剂的基础上,以沸石、蛭石及页岩分别替换最优级配优化过程中添加的特定粒径范围及掺量的砂颗粒。其中沸石对应试样的固菌率最大,达78.630%,Ca CO沉淀生成量、无侧限抗压强度较无吸附性材料试样分别提升12.102%、13.907%,固化效果最好。沸石对固化效果的提升一方面在于提升Ca CO沉淀生成量并改善其分布均匀性,另一方面,沸石周围的Ca CO沉淀对两侧的砂颗粒起到了桥接作用,增强砂颗粒之间结构性及试样的整体性。⑷在最终试验结果的基础上,考虑Ca CO沉淀对孔隙的填充作用,将其等效为填充在砂颗粒间的小颗粒,提出了MICP固化效应系数c表述加固前后砂颗粒平均粒径的变化,并引入表征孔隙通道迂曲度常数X,对Kozeny-Carman渗流模型进行修正。修正后的Kozeny-Carman渗流模型计算得出的渗透流系数与试验所得的渗透系数数量级一致,且计算值与试验值的差别最大为15.258%,说明修正后的Kozeny-Carman渗流模型能够较好的描述加固体的渗流特性以及较为准确的量化Ca CO沉淀对渗透系数的影响。⑸考虑试样的非均质性及其荷载作用下微元体破坏的随机性,假定固化体强度微元服从Weibull分布,结合损伤力学理论与统计强度理论,建立微生物固化砂土体单轴压缩力学本构模型。经验证,该模型计算结果与试验结果较为吻合,具有良好的合理性。
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