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微生物灌浆对广东花岗岩残积土强度影响的试验研究

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工业建筑 2024年第9期54卷 26-31页

作者：毛强呙锴杜鉴航肖广宁张江伟郭红仙程晓辉中国南方电网超高压输电公司电力科研院广州510700 清华大学土木工程系北京100084 河北地质大学石家庄050031

针对广东花岗岩残积土地区输电塔处边坡在强降雨作用下易发生滑坡的问题,展开微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)改善花岗岩残积土力学性能的研究。对取自肇庆和清远两地的花岗岩残积土(平均粒径d_(50)分别为0.179、1.547 mm)进行了MICP灌... 详细信息

针对广东花岗岩残积土地区输电塔处边坡在强降雨作用下易发生滑坡的问题,展开微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)改善花岗岩残积土力学性能的研究。对取自肇庆和清远两地的花岗岩残积土(平均粒径d_(50)分别为0.179、1.547 mm)进行了MICP灌浆及力学性能试验测试。结果表明:两种花岗岩残积土都被成功胶结,两种土因粒径大小及组成不同,胶结效果也不同,单轴无侧限抗压强度分别达到2.74、3.36 MPa,三轴压缩试验结果表明黏聚力均显著提升。

关键词：微生物诱导碳酸钙沉积技术花岗岩残积土三轴压缩试验微生物灌浆

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MICP用于断裂汉白玉石材修复的试验研究

MICP用于断裂汉白玉石材修复的试验研究

作者：何建宏清华大学

学位级别：硕士

石质文物的机械裂隙病害会导致文物的整体断裂与局部脱落。本文应用微生物诱导碳酸钙结晶(MICP)技术,采用两种方法(MICP注浆法和渗透法)修复了不同尺寸的汉白玉断裂石梁和风化构件,通过CT扫描技术、弯折试验和超声波测试技术评价修复质... 详细信息

石质文物的机械裂隙病害会导致文物的整体断裂与局部脱落。本文应用微生物诱导碳酸钙结晶(MICP)技术,采用两种方法(MICP注浆法和渗透法)修复了不同尺寸的汉白玉断裂石梁和风化构件,通过CT扫描技术、弯折试验和超声波测试技术评价修复质量,并从两种尺度(砂浆材料和石梁构件)研究修复质量的影响因素。本文将为石质文物的断裂修复提供一个新选择。首先,本文采用注浆法修复了小尺寸断裂石梁(40?40?160mm)。石梁修复后整体美观性好,抗折强度均值为3.68MPa,达到修复前强度的35%。CT扫描结果表明粘接层的密度随着修复进行而增加,接触面修复质量、粘接层内过水通道和联通孔洞是制约强度的关键因素。其次,本文采用渗透法修复了小尺寸断裂石梁,研究了修复方法和接触面粗糙程度对修复质量的影响。结果表明注浆法修复质量总是高于渗透法。接触面粗糙时两种方法的修复质量均更高,强度均值分别为4.21MPa和3.81MPa。两种方法修复的大尺寸断裂石梁(100?100?400mm)的强度均值分别为0.67MPa和0.57MPa。然后,本文从砂浆材料尺度研究了修复方法和营养盐浓度对微生物砂浆的强度影响。结果表明注浆法胶凝砂柱的单轴抗压强度为19.40±7.47MPa,最高值为36.66MPa,营养盐的最优浓度为1.0M。渗透法的强度比注浆法低。整体渗透和分层渗透胶凝的砂柱分别在远离入口一端和各层的接触面附近固化质量较差。接着,本文从石梁构件尺度(40?40?160mm)研究了修复方法、营养盐浓度和钙盐类型对修复质量的影响。结果表明注浆法强度受浓度影响较小,渗透法的最优浓度为1.0M。氯化钙为钙源的石梁修复质量比乙酸钙更高。所有试验中石梁修复后强度最多能达到修复前的75%。另外,本文还将两种方法用于风化汉白玉构件的实验室修复。结果表明渗透法成功修复了截面不规则的构件,注浆法则因注浆体系难以密闭而失败。最后,石梁修复过程中的超声波对测法测试结果表明波速在注浆过程中变化较小,与修复质量的相关性差,且受到固定装置和含水率影响。室内地面裂缝修复试验的超声波平测法测试结果表明波速能反应表层裂缝修复质量。

关键词：石质文物保护微生物诱导碳酸钙沉积技术断裂汉白玉石梁修复 CT扫描超声测试

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微生物用于石质文物破损修复的试验研究

微生物用于石质文物破损修复的试验研究

作者：谭谦清华大学

学位级别：硕士

我国拥有丰富的文化遗产资源,特别是北京因其明清首都的地位,拥有历史上各个时期遗留下的大量石质建筑构件、基址、碑刻等文物。这些文物几经风霜,亟待修复和保护。石质文物加固修复材料在耐久性、材料相容性、反应可控性、外观和谐性... 详细信息

我国拥有丰富的文化遗产资源,特别是北京因其明清首都的地位,拥有历史上各个时期遗留下的大量石质建筑构件、基址、碑刻等文物。这些文物几经风霜,亟待修复和保护。石质文物加固修复材料在耐久性、材料相容性、反应可控性、外观和谐性等方面有较高的要求,而MICP技术恰好在这些方面具有显著的优势:微生物诱导技术本身可控性较强,通过条件控制可选择性诱导产生与文物本体质地相近的材料,能充分发挥无机矿物材料耐老化性能优良、寿命长的优势,避免了过去使用的石灰、高分子合成树脂等材料因理化性质差异而导致的保护性破坏,同时相似的质地也能使外观较为自然。因此MICP技术无论是应用于内部的灌浆加固、裂隙填补还是外部的断裂粘接、缺失补全都具有极佳的发展前景,对于国内石质历史建筑和遗迹的保护具有重要意义。目前国内外将MICP技术应用在文物修复方面的研究非常缺乏,尤其是裂缝填充修复这一方面。本文针对于MICP技术应用到石质文物的破损修复上,进行了一系列的研究工作,填补了当前国内这个领域的空白。本课题将为我国大量石质文物的修复和保护提供一个崭新的方法。本文的主要研究方向为破损裂缝的填充修复,主要研究对象为大理石材质的文物。针对修复大理石材质的文物,作为前置工作,进行了微生物大理石砂柱材料性质的研究,其对应裂缝填充修复试验中的填充材料性质的研究。本文中系统地研究了使用不同钙源灌浆和不同粒径颗粒材料作为骨架的微生物大理石砂柱,从其力学性能、材料性质和胶凝矿物成分等方面进行了分析。同时,利用电解质示踪法和CT扫描图像分析等方法,对样品微生物灌浆胶凝过程中不同灌浆时间和样品内部不同位置的胶凝固化状态进行了研究。基于上述研究,本文利用MICP技术对破碎的石块进行了粘接。对带人造裂缝的标准尺寸石梁进行了填充修复,测试其修复后样品结构强度的恢复情况。此外,本文还在课题组前人工作的基础上,对MICP用于砂岩文物修复的填充材料进行了耐候性的研究。

关键词：微生物诱导碳酸钙沉积技术石质文物修复颗粒材料胶凝固化孔隙率 CT扫描

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微生物拌和加固钙质砂渗透试验研究

微生物拌和加固钙质砂渗透试验研究

作者：马瑞男清华大学

学位级别：硕士

随着对海洋资源的进一步开发和国防建设的需要,我国海洋岛礁工程的建设日益重要。钙质砂作为海洋环境大量存在的砂土材料,成为了岛礁工程土建材料因地制宜的首选。除了天然形成的岛礁以外,民用设施建设和海上机场中转促成了人工造岛工... 详细信息

随着对海洋资源的进一步开发和国防建设的需要,我国海洋岛礁工程的建设日益重要。钙质砂作为海洋环境大量存在的砂土材料,成为了岛礁工程土建材料因地制宜的首选。除了天然形成的岛礁以外,民用设施建设和海上机场中转促成了人工造岛工程的兴起。在远海的人工造岛工程中,最常用的就是吹填方法。但仅仅通过吹填的钙质砂地基,承载力较低、压缩性大,难以直接运用于工程和设计中。微生物诱导碳酸钙沉淀技术(简称MICP)是一种新型的生物技术,其用于地基土特别是陆源砂土地基的加固已有一定研究。通过MICP技术加固的地基土可以形成颗粒的胶凝,力学性能和水力性能得到显著提高。作为一种新型的地基处理办法,MICP技术为软弱吹填地基的处理提供了新的途径。本文为将MICP加固技术与吹填方法相结合,提出微生物拌和固化的方法替代传统的灌浆处理方法,通过一系列材料尺度、模型尺度的试验,研究了以钙质砂为主要目标的微生物拌和固化方法的有效性。首先,本文从实际工程中存在的钙质砂粒径级配中选出具有工程隐患的钙质砂作为固化对象,同时分析讨论了利用高浓度钙离子进行微生物固化反应的可能性。之后,以不同比例的菌液反应液,和不同的钙离子尿素浓度为反应变量,对比样品直剪强度、渗透系数、样品干密度和吸水率等指标,对微生物拌和固化钙质砂的配方进行了优化和选择;然后利用优化的配方,对直径18cm、高度20cm的钙质砂柱进行了拌和固化,并通过渗透试验对比了不同相对密度的钙质砂固化前后渗透系数和临界水力坡降的变化,并对击实方法和微生物固化方法在提高地基土水力性能效果上进行了比较;最后,通过应力渗流耦合的模型试验研究了某粒径级配下的钙质砂在一定竖向应力的条件下,经过不同大小的渗透压力冲刷的颗粒流失情况,并给出了样品渗透系数的变化。

关键词：微生物诱导碳酸钙沉积技术钙质砂拌和加固渗透系数临界水力坡降

微生物用于砂土胶凝和混凝土裂缝修复的试验研究

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微生物用于砂土胶凝和混凝土裂缝修复的试验研究

作者：张越清华大学

学位级别：硕士

微生物诱导碳酸钙沉积技术是一项微生物成矿学的最新进展。利用巴氏芽孢八叠球菌和营养盐（尿素和钙盐的混合液）诱导生成具有较高胶凝性质的碳酸钙结晶，既可以粘结砂颗粒制备高强微生物砂浆修复混凝土裂缝，又能直接填充裂缝产生强度... 详细信息

微生物诱导碳酸钙沉积技术是一项微生物成矿学的最新进展。利用巴氏芽孢八叠球菌和营养盐（尿素和钙盐的混合液）诱导生成具有较高胶凝性质的碳酸钙结晶，既可以粘结砂颗粒制备高强微生物砂浆修复混凝土裂缝，又能直接填充裂缝产生强度和提高耐久性，该技术为混凝土裂缝修复提供了一个新的途径。本文首先利用生物化学方法分析影响微生物脲酶活性的若干因素，发现巴氏芽孢八叠球菌在40～50℃的温度条件、pH值为9的碱性环境和较低的钙盐浓度下有着较好的脲酶活性，钙源种类对脲酶活性的影响不明显。其次，针对该技术应用到混凝土领域的需要，为氯化钙选取替代钙源，在应用到混凝土材料之前，首先利用氯化钙、硝酸钙和乙酸钙制备不同强度等级的微生物砂浆，比较其在力学性能和物理性能等方面的差异。结果表明，在灌浆批次（1～3）和酶活性（1.1～2.35）相同的条件下，乙酸钙样品的单轴抗压强度和劈裂抗拉强度达到氯化钙样品的1.3～2.4倍，弹性模量达到氯化钙样品的1.1～2.0倍，并且在0.002～20μm的孔径分布更加均匀，胶凝矿物的成分为针簇状的文石。3批次灌浆时乙酸钙样品单轴抗压强度最高达43MPa，平均强度达到28.8MPa，证实乙酸钙可以作为氯化钙的替代钙源。接着，探索MICP胶凝产物的矿物成分和晶体形貌的影响因素，钙源种类、钙源浓度、菌液浓度、试验环境等均会影响碳酸钙的晶型和形貌，而只有在砂柱胶凝环境中引入乙酸钙时，才能有针簇状文石的生成。随后，对微生物裂缝修复和微生物表面覆膜技术中使用不同钙源的效果进行研究。使用灌浆方法将断裂的水泥砂浆试块成功粘结，抗折强度最高可恢复到350kPa。使用涂刷方法在水泥砂浆表面覆膜，吸水率下降10%。三种钙源的效果区别不大。最后，进行了MICP技术治理济南某地下室渗漏的现场试验，灌浆后进行的注水试验、墙体超声波检测、回填土层地质雷达检测、混凝土取芯观察、裂缝封堵物质的XRD、SEM分析等表明：土体变得更加均匀、紧密，墙体裂缝中有大量的碳酸钙生成，四个月后无雨水渗出，达到预期效果。

关键词：微生物诱导碳酸钙沉积技术微生物砂浆矿物成分和微观形貌混凝土裂缝修复现场试验