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南昌工程学院学报 2022年第6期41卷 12-17,58页

作者：熊辉辉崔猛吕苏颖郑俊杰符晓南昌工程学院土木与建筑工程学院江西南昌330099 江西省水利土木特种加固与安全监控工程研究中心江西南昌330099 华中科技大学土木与水利工程学院湖北武汉430074

植物源脲酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)是近年来较为热门的新型土体固化技术,与微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)相比,具有简单易控制、环保更经济等优点。从黄豆、黑豆、绿豆和西瓜籽中提取脲酶,研究了脲酶浓度、尿素浓度、温度和pH值等4个因素对... 详细信息

植物源脲酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)是近年来较为热门的新型土体固化技术,与微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)相比,具有简单易控制、环保更经济等优点。从黄豆、黑豆、绿豆和西瓜籽中提取脲酶,研究了脲酶浓度、尿素浓度、温度和pH值等4个因素对4种植物源脲酶活性的影响。在此基础上,研究了不同尿素与氯化钙浓度比与酶胶比对4种植物源脲酶碳酸钙沉淀量和沉淀率的影响规律。结果表明:相同条件下,黄豆脲酶的活性与诱导碳酸钙沉淀量和沉淀率最高;在各变量条件下,不同植物源脲酶的活性与诱导碳酸钙沉淀量和沉淀率均呈现出大致相同的变化规律。脲酶活性随脲酶浓度的增加而持续增长;随尿素浓度的增加先增长后减小,最优尿素浓度在1.3mol/L左右;在5℃~55℃范围内随温度的增加而大幅增长;随pH值的增加先增长后减小,黄豆、黑豆和绿豆脲酶的最优pH值为8,西瓜籽脲酶的最优pH值为7。碳酸钙沉淀量和沉淀率随浓度比的增加先增长后减小,最优浓度比为1∶1;当酶胶比大于1∶1后,碳酸钙沉淀量的增长速率明显降低;最大碳酸钙沉淀率对应的酶胶比为1∶1。

关键词：植物源脲酶脲酶活性碳酸钙沉淀量碳酸钙沉淀率试验变量

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酶诱导碳酸钙沉淀联合生物聚合物固化砂宏微观力学特性研究

酶诱导碳酸钙沉淀联合生物聚合物固化砂宏微观力学特性研究

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作者：熊辉辉南昌工程学院

学位级别：硕士

近年来,岩土工程领域新兴起一种新型土体改良技术——酶诱导碳酸钙沉淀(Enzyme Induced Carbonate Precipitation,简称EICP)技术,该技术具有高效、绿色、低成本等优势,能够显著改善土体强度、抗渗透性、抗风化性和抗侵蚀性等工程特性,... 详细信息

近年来,岩土工程领域新兴起一种新型土体改良技术——酶诱导碳酸钙沉淀(Enzyme Induced Carbonate Precipitation,简称EICP)技术,该技术具有高效、绿色、低成本等优势,能够显著改善土体强度、抗渗透性、抗风化性和抗侵蚀性等工程特性,但固化土体的均匀性较差、脆性较高,这在一定程度上限制了EICP技术的发展。生物聚合物具有可生物降解、生物相容性好等优势,已有大量研究表明生物聚合物可以取代传统的外加剂,用于土体改良和土体稳定。虽然EICP技术与掺加生物聚合物处理均可提高土体工程特性,但作用机理并不相同,且目前二者联合处理以提高土体工程特性方面的研究还鲜见报道。鉴于此,本文将EICP技术与生物聚合物相结合,对EICP技术进行优化,以进一步提高EICP固化效果。本文首先从黄豆、黑豆、绿豆和西瓜籽四种植物种子中提取出脲酶,开展了各脲酶源在不同脲酶浓度、尿素浓度、温度和p H值等变量条件下的脲酶活性试验,以及不同尿素与氯化钙浓度比和酶胶比下的钙化试验,确定了最佳脲酶源和固化参数组合。在此基础上,采用EICP联合生物聚合物固化技术,对不同生物聚合物种类(海藻酸钠、黄原胶、瓜尔胶、壳聚糖)、掺量(0%、0.5%、1%、1.5%、2%)条件下的标准砂进行了不同养护时间(7天、14天、28天)的固化处理,并开展了碳酸钙含量、干密度、吸水率、渗透系数、无侧限抗压强度、直接剪切强度等宏观力学特性试验以及扫描电镜、能谱分析、核磁共振等微观试验,从宏观和微观上分析了生物聚合物对EICP固化效果的影响。主要研究结论如下:(1)相同条件下,黄豆脲酶的活性与诱导碳酸钙沉淀量(率)最高;各变量条件下,不同植物源脲酶的活性与诱导碳酸钙沉淀量(率)均呈现出大致相同的变化规律:脲酶活性随脲酶浓度的增加而持续增长;随尿素浓度的增加先增长后减小,最优尿素浓度在1.3 mol·L左右;在5～55℃范围内随温度的增加而大幅增长;随p H值的增加先增长后减小,黄豆、黑豆和绿豆脲酶的最优p H值为8,西瓜籽脲酶的最优p H值为7。碳酸钙沉淀量(率)随浓度比的增加先增长后减小,最优浓度比为1:1;当酶胶比大于1:1后,碳酸钙沉淀量的增长速率明显降低;最大碳酸钙沉淀率对应的酶胶比为1:1。(2)EICP联合海藻酸钠固化砂的碳酸钙含量和渗透系数随着掺量的增加而减小,干密度和吸水率随着掺量的增加而增加;EICP联合黄原胶固化砂和EICP联合瓜尔胶固化砂的碳酸钙含量和干密度随着掺量的增加而增加,吸水率和渗透系数随着掺量的增加而减小;EICP联合壳聚糖固化砂的碳酸钙含量和干密度随着掺量的增加呈先增加后减小的趋势,且均在掺量为1.5%时达到最大值,吸水率和渗透系数随着掺量的增加呈先减小后增加的趋势,且均在掺量为1.5%时达到最小值;四种生物聚合物的掺入均有效提高了固化砂的无侧限抗压强度、抗剪强度、粘聚力以及内摩擦角,其中当属壳聚糖的效果最佳;EICP联合壳聚糖固化砂的无侧限抗压强度和抗剪强度随掺量的增加先增大后减小,其他三种掺生物聚合物固化砂的无侧限抗压强度和抗剪强度均随掺量的增加而增大;海藻酸钠和壳聚糖的掺入能够显著提高固化砂的粘聚力和内摩擦角,而黄原胶和瓜尔胶的掺入仅对固化砂粘聚力的影响较大,对其内摩擦角的影响很小。(3)不同养护时间下,EICP联合海藻酸钠固化砂的碳酸钙含量均随着掺量的增加而减小,干密度和无侧限抗压强度均随着掺量的增加而增加;EICP联合黄原胶固化砂和EICP联合瓜尔胶固化砂的碳酸钙含量、干密度和无侧限抗压强度均随着掺量的增加而增加;EICP联合壳聚糖固化砂的碳酸钙含量、干密度和无侧限抗压强度均随着掺量的增加先增大后减小;同一掺量下,四种掺生物聚合物固化砂的碳酸钙含量、干密度和无侧限抗压强度均随养护时间的增加而增加,但增加幅度有所减小。(4)掺入生物聚合物后,EICP固化砂内沉积碳酸钙晶体的形状仍以球状为主,但数量变多、体积变大,更为均匀地沉积于砂粒表面及砂粒之间,有效提高了砂粒间的胶结作用;海藻酸钠的掺入抑制了碳酸钙沉淀的生成,而黄原胶、瓜尔胶和壳聚糖的掺入能够促进碳酸钙沉淀的生成;生物聚合物的掺入可以有效降低孔隙大小,极大改善了固化砂内的孔隙结构,未掺生物聚合物时以中孔隙为主,占比高达93.55%,而掺入生物聚合物后以小孔隙为主,占比均在80%以上。

关键词： EICP 植物源脲酶生物聚合物养护时间宏微观力学特性

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