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基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）的砂土固化试验研究

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基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）的砂土固化试验研究

作者：骆晓伟南京大学

学位级别：硕士

微生物固化是一种新型岩土材料加固技术,相比传统物理方法和化学方法具有更加经济、环保、固化效率高和处理效果理想等优势。该技术是通过向岩土材料内部注入巴氏芽孢八叠球菌菌液以及胶结液等液体材料,经一段时间的养护即可把原本松散... 详细信息

微生物固化是一种新型岩土材料加固技术,相比传统物理方法和化学方法具有更加经济、环保、固化效率高和处理效果理想等优势。该技术是通过向岩土材料内部注入巴氏芽孢八叠球菌菌液以及胶结液等液体材料,经一段时间的养护即可把原本松散的岩土材料胶结成为具有一定力学性能、能够满足工程需求的岩土块体。本文以砂土为研究对象,对微生物固化处理的试样开展了一系列室内试验,包括渗透性测试、孔隙率测试、无侧限抗压强度测试、碳酸钙含量测试以及微观结构观测等,系统研究了微生物固化砂土的效果及机理,并分析了胶结液浓度、养护温度以及砂土粒径等对微生物固化效果的影响,确定相关参数的最优取值。此外,本文还创新性地将纤维加筋技术与微生物固化技术相结合对砂土进行改性处理,探讨了两种技术的共同作用机制及优势,掌握了纤维掺量对微生物固化砂土力学性能的影响规律,为今后微生物固化技术在工程中的推广应用提供了理论基础和新的思路。论文是在导师唐朝生教授的国家优秀青年科学基金（41322019）和国家自然科学基金面上项目（41572246、41772280）的资助下完成的。本文的主要研究内容及取得研究成果如下:（1）研究了胶结液浓度对砂土固化效果的影响,结果表明:随胶结液浓度增大,试样抗渗性、无侧限抗压强度以及碳酸钙含量、孔隙填充量均先增大后减小。最佳抗渗性对应浓度为1.3-1.5mol/L,最佳强度对应浓度为1.1mol/L,最高碳酸钙含量和最大孔隙填充量对应浓度为1.3-1.5mol/L。（2）研究了养护温度对砂土固化效果的影响,结果表明:随温度增大,碳酸钙晶体逐渐减小。试样抗渗性、无侧限抗压强度以及碳酸钙含量、孔隙填充量均先增大后减小。最佳抗渗性、孔隙填充量和最高碳酸钙含量对应温度均为30℃。由于温度对碳酸钙晶体尺寸的作用,最佳强度对应温度为20℃-30℃。（3）研究了砂土粒径对固化效果的影响,结果表明:过大或过小的砂土粒径对微生物的固化效果产生不利影响。碳酸钙含量与试样无侧限抗压强度曲线变化随粒径增大均呈先增后减的趋势,最优粒径为中等粒径（D10=0.1、D30=0.34、D60=0.5）,而试样的抗渗性和孔隙填充量随粒径增大一直保持递减趋势。（4）通过分析,发现固化后试样孔隙填充量主要取决于碳酸钙的生成量。碳酸钙含量与试样抗渗性、无侧限抗压强度具有较强的正相关关系:碳酸钙含量越高,试样抗渗性和无侧限抗压强度越高。（5）提出的纤维加筋技术与MICP技术相结合的方法,能够显著提高砂土的无侧限抗压强度和残余强度,尤其能够改善微生物胶结砂土原本脆性的缺点,增加破坏时的韧性,这对提高工程结构的安全性和稳定性有积极意义。纤维的“桥梁”作用能有效抑制土样中裂隙的扩展,是微生物固化砂土破坏韧性的得以改善的重要因素,也是导致峰后应力-应变曲线呈现阶梯式下降的重要因素。（6）相同纤维掺量下,纤维加筋钙质砂的强度低于纤维加筋石英砂,但在钙质砂中的综合加筋效率优于石英砂。钙质砂的无侧限抗压强度随聚丙烯纤维掺量呈递增趋势,在纤维掺量为0.4%时达到了最大值0.55MPa,是素土强度的2.8倍。石英砂试样的无侧限抗压强度在聚丙烯纤维掺量为0.1%时达到最大值4.3MPa,是素土强度的1.6倍。相比而言,玄武岩纤维的加筋效果略逊于聚丙烯纤维,玄武岩纤维加筋石英砂土样的最优掺量为0.2%,强度为3.8MPa,较素土大约提高了 1.5倍。

关键词：微生物 MICP 砂土固化钙质砂石英砂纤维加筋

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微生物浸泡砂土固化试验及细观力学模拟研究

微生物浸泡砂土固化试验及细观力学模拟研究

作者：段宇河北工程大学

学位级别：硕士

微生物诱导碳酸钙沉积技术作为一项绿色环保、可持续发展的新型技术,得到了国内外学者的广泛关注与深入研究。此项技术具有固化胶结松散砂土颗粒的潜在价值,可应用于加固软弱地基、防风治沙等领域。与传统技术相比,由于其能耗少、污染... 详细信息

微生物诱导碳酸钙沉积技术作为一项绿色环保、可持续发展的新型技术,得到了国内外学者的广泛关注与深入研究。此项技术具有固化胶结松散砂土颗粒的潜在价值,可应用于加固软弱地基、防风治沙等领域。与传统技术相比,由于其能耗少、污染轻、相容性好等优势,具有较高的生态利用价值。本文着重探讨MICP技术在砂土固化领域的应用,设计矿化试验研究了不同影响因素下微生物浸泡砂土的固化效果与力学特性,并从微细观角度进行了深入分析。首先从微生物的活化与培养繁殖入手,探索微生物的生长特性及变量因素并开展溶液内矿化反应;继而探索不同固化工艺对松散砂颗粒的固化效果,重点研究砂颗粒粒径尺寸、菌液初始浓度和胶结液初始浓度对试样固化效果的影响,并分析矿化过程中注液循环批次、测试强度和碳酸钙含量变化规律;最后利用SEM扫描电镜分析探明了矿化产物的形成规律,使用基于离散单元法的数值软件PFC得出了矿化试样加载过程中的细观力学特征。最终得到以下研究结论:(1)微生物的脲酶活性与菌液浓度呈正比例关系。不同浓度菌液在静置过程中,其浓度和脲酶活性会随时间的增长而逐渐降低;不同浓度菌液-钙离子矿化组合时具有不同的最佳矿化反应时间。在开展矿化试验时,应使用摩尔比为1:1的尿素与CaCl2作为诱导物质,在较高温度(不超过50℃),在pH值为6.0-9.0范围内开展矿化试验。(2)在应用MICP技术进行砂土固化时,采用垂直渗透固化工艺的方法有利于提高固化试样的均匀性,同时符合实际工程的应用。按此工艺固化成型的砂颗粒试样,试样的抗压强度目前最高达到3.26 MPa,抗拉强度最高达到0.79 MPa。在所研究的变量因素中,颗粒粒径尺寸对固化效果的影响最为明显,大空隙率砂土有利于矿化产物的填充积累达到良好的固化效果。菌液浓度与胶结液浓度的高低组合,影响着矿化反应的速率和矿化均匀性。采用菌液初始OD值0.5,胶结液浓度0.5mol/L的组合注液工况,相对其他工况而言,其矿化反应的可控性较好,具有较为理想的固化效果。注液循环批次、碳酸钙含量与强度值亦存在一定的联系,即提高注液循环批次,有利于砂砾间碳酸钙含量的提升,而强度值随碳酸钙含量的增多呈逐渐增长趋势。(3)在本文的试验条件下,通过SEM扫描电镜观测到的溶液内微生物诱导碳酸钙沉积的矿化产物大部分为球状的球霰石,并且在菌液初始浓度相同的情况下,随着胶结液浓度的提高,矿化产物的颗粒尺寸呈逐渐增大的趋势。而在砂砾间的矿化反应,矿化产物多为不规则多面体所堆积而成的方解石,说明砂砾间矿化反应较为复杂。(4)在离散元细观力学分析中,微生物诱导碳酸钙沉积固化砂土试样具有典型的岩土材料力学性能。试样颗粒粒径较小的试验工况具有较多的裂纹数;不同类型能量的变化规律与加载过程的应力-应变情况联系密切,可以为微生物矿化材料的破坏提供一定的参考。

关键词： MICP技术微生物建筑材料砂土固化颗粒离散单元法

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矿渣-粉煤灰地聚合物固化砂土力学特性研究

岩土力学 2022年第9期43卷 2421-2430页

作者：张津津李博余闯张茂雨温州大学建筑工程学院浙江温州325035 温州理工学院温州市韧性城市生命线工程智慧防护应急技术重点实验室浙江温州325035 台州学院建筑工程学院浙江台州318000

硅酸盐水泥作为常规的土壤固化剂存在高能耗、高排放等问题,研究人员一直在寻求一种更加经济环保的水泥代替品。使用基于高炉矿渣(ground granulated blast-furnace slag,简称GGBS)、粉煤灰(fly ash,简称FA)的地聚合物对砂土进行加固,... 详细信息

硅酸盐水泥作为常规的土壤固化剂存在高能耗、高排放等问题,研究人员一直在寻求一种更加经济环保的水泥代替品。使用基于高炉矿渣(ground granulated blast-furnace slag,简称GGBS)、粉煤灰(fly ash,简称FA)的地聚合物对砂土进行加固,通过调整激发剂的种类和配比、矿渣与粉煤灰比例、水灰比和养护条件等,研究不同因素对地聚合物固化砂土力学性能的影响。通过无侧限抗压强度(unconfinedcompressivestrength,简称UCS)测试、电子计算机断层扫描(computed tomography,简称CT)分析、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,简称SEM)对试样进行了深入研究。结果表明:基于GGBS-FA的地聚合物可有效地提高砂土的力学性能;复合激发剂的加固效果优于单组分激发剂;低温不会明显降低地聚合物固化砂土的最终力学性能,仅延缓了地质聚合反应和结构的形成;碱性环境对地聚合物固化砂土的强度有促进作用;酸性环境及长时间暴露在空气中,会降低地聚合物固化砂土的强度。

关键词：地聚合物砂土固化无侧限抗压强度(UCS) 微观结构

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微生物矿化加固砂土的试验研究

河北建筑工程学院学报 2024年第1期42卷 8-13页

作者：陈洪运张尧温琪河北建筑工程学院河北张家口075000 河北省寒冷地区交通基础设施工程技术创新中心河北张家口075000

近年来微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术作为一种新型的绿色加固方法,得到了广泛研究,但传统的MICP固化方式注浆管法存在管口易堵塞且固化试样强度分布不均匀的问题,为改善MICP固化土体的强度分布不均匀性问题,利用巴士芽孢杆菌BNCC33739... 详细信息

近年来微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术作为一种新型的绿色加固方法,得到了广泛研究,但传统的MICP固化方式注浆管法存在管口易堵塞且固化试样强度分布不均匀的问题,为改善MICP固化土体的强度分布不均匀性问题,利用巴士芽孢杆菌BNCC337394开展了使用新型柔性土工模具加固砂土的试验研究。通过对固化试样的CaCO_(3)含量分布,无侧限抗压强度,试样的均匀性等方面进行分析,综合评价利用新型土工模具加固砂土的效果。结果表明:利用新型柔性土工模具固化砂土具有较好效果,经固化后的试样无侧限抗压强度可达3.07MPa,且固化试样均匀性良好。

关键词：微生物诱导碳酸钙沉积(MICP) 砂土固化强度均匀性

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植物源脲酶诱导碳酸钙固化砂土试验研究

岩土工程学报 2020年第4期42卷 714-720页

作者：吴林玉缪林昌孙潇昊陈润发王呈呈东南大学岩土工程研究所江苏南京210096 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司上海200092

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pH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... 详细信息

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pH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0.75 mol/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,0.25~0.5 mm砂土固化效果最好。

关键词：砂土固化大豆脲酶碳酸钙沉积颗粒粒径

多试验因素耦合下MICP固化砂土的试验研究

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2020年第5期53卷 517-526页

作者：徐宏殷练继建闫玥天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300350 天津大学建筑工程学院天津300350

为了优选MICP(microbial induced carbonate precipitation)固化砂土过程中的试验因素,采用中心注浆法耦合6个试验因素,以圆形硅质砂为试验材料,根据正交试验的设计原则进行了25种工况的MICP砂柱固化试验.检测了砂柱固化过程中反应前后C... 详细信息

为了优选MICP(microbial induced carbonate precipitation)固化砂土过程中的试验因素,采用中心注浆法耦合6个试验因素,以圆形硅质砂为试验材料,根据正交试验的设计原则进行了25种工况的MICP砂柱固化试验.检测了砂柱固化过程中反应前后Ca^2+浓度变化和固化后砂柱各部位的CaCO3晶体含量,并采用SEM观测了砂柱内部CaCO3晶体的微观形态.通过分析各个试验因素对Ca^2+利用率的影响,发现影响Ca^2+利用率的主要因素有菌液浓度、胶结液浓度和矿化反应时间,且菌液浓度越高,胶结液浓度越低,反应时间越长,Ca^2+利用率越高.菌液静置过程中存在细菌下沉现象,从而影响CaCO3晶体的生成位置.固化砂柱内部CaCO3晶体分布的研究结果表明,矿化生成的CaCO3会随着砂土中的水流迁徙,浆液的流速越大,砂柱内部晶体的平均含量越高,且分布越均匀.SEM的观测结果显示,固化砂柱内部CaCO3晶体以方解石为主,但胶结液浓度会影响晶体的尺寸大小.当胶结液浓度高于750 mmol/L时,CaCO3晶体呈现堆叠式发展.当菌液浓度较高并且胶结液静置时间较短时,会出现球霰石的晶体形态.MICP固化砂土的强度随CaCO3含量的增加而升高,但同时会受到晶体的分布以及大小等因素的影响.MICP固化砂土试验因素的优选结果为:菌液的OD600值0.5~1.0,菌液静置时间3 h,胶结液浓度不高于500 mmol/L,浆液的流速与传输距离相关,胶结液的最优静置时间为使Ca^2+完全消耗.

关键词： MICP 砂土固化 CaCO3晶体试验因素优选

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砂土微生物固化过程中尿素的影响研究

岩土工程学报 2018年第5期40卷 939-944页

作者：孙潇昊缪林昌童天志王呈呈东南大学交通学院岩土工程研究所

砂土固化技术可改善砂土力学特性,被广泛应用于工程中,而在菌种培养液中添加尿素可大大加快固化反应提高砂土固化效率。开展了在菌种培养液中添加尿素分析其对砂土固化影响的试验研究。首先将尿素添加方式分为灭菌前加尿素、灭菌后加尿... 详细信息

砂土固化技术可改善砂土力学特性,被广泛应用于工程中,而在菌种培养液中添加尿素可大大加快固化反应提高砂土固化效率。开展了在菌种培养液中添加尿素分析其对砂土固化影响的试验研究。首先将尿素添加方式分为灭菌前加尿素、灭菌后加尿素和不加尿素3种,研究不同方式对菌种生长和脲酶活性的影响;再控制不同尿素添加量对比分析得到适合的尿素添加量以便后续研究;然后在砂土固化试验中采用灭菌后加尿素的方式研究其对砂土固化的影响;最后通过控制砂柱长度、胶凝液灌注速度和砂土颗粒粒径等因素,得到各因素对砂柱固化效果的影响。结果表明培养液中添加尿素可提高脲酶活性,但稍微抑制菌种生长;适合的尿素添加量为5-20 g/L;灭菌后添加尿素能显著提高灌注部位的强度,但长砂柱却因强度不均而整体强度较低;灌注速度越快,整体强度越高;添加20 g/L尿素时,整体强度随颗粒粒径增大而增大,因此,该方法适用于粗砂。研究成果对后期砂土固化技术的应用具有重要指导意义。

关键词：砂土固化尿素巴氏芽孢杆菌碳酸钙无侧限抗压强度

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微生物沉积碳酸钙固化砂土试验研究

岩土力学 2017年第11期38卷 3225-3230,3239页

作者：孙潇昊缪林昌童天志王呈呈东南大学交通学院江苏南京210096 东南大学岩土工程研究所江苏南京210096

砂土固化对增加砂土强度、减小渗透性极为有利,可提高和改善砂土的力学特性。通过培养基L进行菌种繁殖,研究了不同条件下的细菌生长特性;分析流出液的pH值和Ca^(2+)浓度的内在关系,揭示了固化砂柱的渗透性、无侧限抗压强度变化规律;通... 详细信息

砂土固化对增加砂土强度、减小渗透性极为有利,可提高和改善砂土的力学特性。通过培养基L进行菌种繁殖,研究了不同条件下的细菌生长特性;分析流出液的pH值和Ca^(2+)浓度的内在关系,揭示了固化砂柱的渗透性、无侧限抗压强度变化规律;通过微观结构阐释微生物固化效果,并研究了Ca^(2+)浓度与试样强度的关系。结果表明:2mL细菌母液加入100mL培养液并在30℃、pH为6,150rpm振动速度的条件下最适宜菌种生长;固化过程中,pH值逐渐降低,而Ca^(2+)浓度则增大;采用0.5mol/L胶凝液固化效果较好且固化周期短;固化后砂土颗粒间孔隙被生成的碳酸钙填充;试样渗透性最终降低3~4个数量级;流速越小,固化时间越长,固化效果越好;且固化试样破坏模式都是脆性破坏;采用尿素和醋酸钙混合溶液作为胶凝液,更能提高Ca^(2+)利用率。

关键词：砂土固化巴氏芽孢杆菌碳酸钙无侧限抗压强度微观结构

不同温度下植物脲酶诱导碳酸钙固化砂土调控试验研究

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不同温度下植物脲酶诱导碳酸钙固化砂土调控试验研究

作者：郭薪东南大学

学位级别：硕士

脲酶诱导碳酸钙沉淀(Enzyme Induced Carbonate Precipitation,EICP)加固土体是近些年兴起的一项固砂新技术,其环保高效的特点为绿色固砂提供了新的思路。EICP反应速度快、变化大,如果不加干预调控,必然出现碳酸盐沉积不均匀现象,导致... 详细信息

脲酶诱导碳酸钙沉淀(Enzyme Induced Carbonate Precipitation,EICP)加固土体是近些年兴起的一项固砂新技术,其环保高效的特点为绿色固砂提供了新的思路。EICP反应速度快、变化大,如果不加干预调控,必然出现碳酸盐沉积不均匀现象,导致其固化土体的均一性较差,孔吼效应明显,屡次出现其加固土体强度难以达到预期效果的现象,制约和困扰了该方法的推广使用。同时,由于脲酶活性受温度影响较为明显,环境温度变化改变土壤温度,进而影响脲酶活性的稳定,导致EICP反应进程或快或慢,碳酸钙产出量不稳定,使得现场应用效果不佳,制约了EICP的应用效果。本文针对上述问题,开展了脲酶活性调控及不同温度下EICP固化过程中碳酸钙产量的适应性调控研究。研究采取针对性的调控方法:一、控制脲酶活性和碳酸钙产出的速度,保证碳酸钙产出量的稳定和加固土体的均匀性,提高了EICP的加固效果;二、研究得出不同温度下EICP固砂试样的强度调控规律。论文研究取得了较好成效,研究工作主要包括:(1)研究了不同温度下脲酶活性及EICP生成碳酸钙速度的变化规律,确定EICP固砂工艺,完成EICP固砂试验。温度升高会大幅度提高脲酶瞬时活性,大幅提高碳酸钙沉积速度,但脲酶活性时效将缩短,尤其当温度高于60℃后,脲酶进入快速失活状态,影响加固土体的整体效果。(2)通过试验研究确定采用脲酶抑制剂A调控脲酶活性,完成了25-75℃的EICP固砂调控试验,提高了不同温度下EICP固砂的均匀性。试验研究发现抑制剂A的最佳提取条件为:p H为7或8、室温下萃取15min。温度为25-75℃时,可通过添加不同质量分数的抑制剂A控制脲酶活性、EICP钙化速度和钙化最终产率,使钙化反应较匀速进行,建立了抑制剂A掺入量与调控脲酶活性及钙化速度的关系。从调控效果看:温度为25-55℃时,砂土固化均匀性较好;温度为60-75℃时,砂土固化均匀性较差;固化后砂土碳酸钙含量降低,稳定性较差。(3)通过抑制剂-还原剂联合固化方法的研究,提高了土体碳酸钙含量和均匀性,研究掺入脲酶还原剂B的效果,强化了高温固砂性能。研究控制还原剂B的掺量不同,得到脲酶活性与EICP碳酸钙产出速度的变化规律。高温下使用抑制剂-还原剂联合固化砂土的方法可以有效提高固化土体均匀性和密实性,并降低土体的渗透性,土体最大无侧限抗压强度提升50%-130%,渗透系数降低一至两个量级。(4)通过抑制剂-稳定剂(30-55℃)和抑制剂-还原剂-稳定剂(60-75℃)固化方法提高土体碳酸盐沉淀量,研究掺入稳定剂C的效果,确定稳定剂C的最佳掺量,提升固化土体稳定性,进一步强化了不同温度下的固砂性状。抑制剂固化和联合固化方法虽然能提高砂土固化效果,但碳酸钙含量较低、稳定性较差。在此基础上,开展了稳定剂应用研究,研究发现稳定剂C掺量为20%时固砂强化效果最好。稳定剂C的掺入不影响抑制剂固砂和联合固砂作用效果,扩大了EICP固砂适用温度范围。EICP-稳定剂联合固化方法可以提高固化后土体的碳酸盐含量,降低土体的渗透系数,提高了土体整体强度,各温度下土体的无侧限抗压强度均大于2MPa。

关键词：脲酶诱导碳酸钙沉淀不同温度砂土固化抑制剂还原剂稳定剂联合固砂