基于微生物诱导矿化的钙质砂加固影响因素

基于微生物诱导矿化技术,分别以钙源、营养液浓度及颗粒粒径为变量开展了钙质砂微生物注浆试验。通过无侧限抗压强度测试结合扫描电镜测试综合研究了固化试样碳酸钙产率、无侧限抗压强度与各因素间关系,探究了不同因素对固化效果的影响及固化机理。结果表明:钙源是影响钙质砂固化效果的关键,氯化钙作为钙源时的固化效果优于乙酸钙;低浓度营养液较高浓度营养液更有利于钙质砂胶结成型,高浓度营养液易造成大量碳酸钙晶体阻塞管口部位并影响脲酶活性;小粒径钙质砂微生物固化效果较好,微生物诱导生成的碳酸钙晶体更易将小粒径钙质砂粒间孔隙充填。     

黄豆脲酶诱导碳酸钙沉淀多变量试验研究

植物源脲酶诱导碳酸钙沉淀（enzyme induced carbonate precipitation,简称EICP）可以显著改善砂土的工程力学特性,但在具体操作时,参数取值无对应规范,固化效果有待提升。基于黄豆脲酶,研究了温度、脲酶浓度、尿素浓度、钙浓度、pH值、钙源种类等变量对脲酶活性与碳酸钙沉淀的影响,并进行了沉淀物（碳酸钙晶体）的扫描式电子显微镜（scanning electron microscope,简称SEM）与X射线衍射（X-ray diffraction,简称XRD）测试,在此基础上开展了黄豆脲酶固化砂的无侧限抗压强度与固化效果试验研究。结果表明：脲酶活性随脲酶浓度的增加而线性增长,但存在温度阈值,温度超过阈值后,脲酶将完全失活,且阈值随脲酶浓度的增大而降低;尿素浓度与pH值共同影响脲酶活性,二者存在一个最优组合,当尿素浓度在0.1～1.0 mol/L时最优pH值为7,当尿素浓度在1.0～1.5 mol/L时最优pH值为8。脲酶是沉淀反应的催化剂,脲酶浓度越高,反应越完全,碳酸钙沉淀率越高;尿素与钙溶液则主要通过掺入量影响碳酸钙沉淀量,掺量比例宜为1:1,且二者浓度与pH值可通过影响脲酶活性来影响碳酸钙的沉淀情况;不同钙源对碳酸钙沉淀量的影响幅度不大。不同钙源沉淀碳酸钙晶体的成分与密度基本相同,但晶体结构差异较大,氯化钙沉淀碳酸钙晶体以块状为主,表面分布球状、类球状晶体,胶结面大,可作为EICP技术中较为理想的钙源。基于黄豆脲酶和氯化钙钙源固化砂的无侧限抗压强度约为掺粉煤灰砂样的6倍,通过SEM图像可发现,沉淀碳酸钙晶体包裹并黏结砂粒成为整体,固化效果非常理想。     

微生物沉积碳酸钙固化珊瑚砂的试验研究

向珊瑚砂中注入巴斯德芽孢杆菌菌液、氯化钙和尿素的混合液,利用微生物沉积碳酸钙固化珊瑚砂;并对珊瑚砂固化体进行了渗透、强度及微观结构等试验。试验结果表明,巴斯德芽孢杆菌的活性随时间呈衰减趋势,但衰减速度缓慢,能较好地满足珊瑚砂固化的需要。随着菌液、氯化钙和尿素的混合液注入次数的增加,珊瑚砂柱渗透性逐步降低,最终渗透性降低了1～2个数量级。微生物固化后的珊瑚砂柱应力-应变曲线大致可分为3段,即应力随应变缓慢增加段、快速增加段以及突降段。试样发生压裂脆性破坏,无侧限抗压强度最高达到14 MPa左右。抗压强度随干密度增加而增大,随渗透性降低而增大。微生物固化后珊瑚砂颗粒被生成的碳酸钙完整的包裹,孔隙间极少见生成的碳酸钙,与普通硅砂微生物固化后的微观结构不同,较好地解释了渗透性降低不多的原因。     

颗粒粒径对微生物固化砂土强度影响的试验研究

微生物固化技术（MICP）是岩土工程领域新兴起的一种不良地基处理技术,不同地基土体之间的颗粒粒径并不相同,其固化效果也可能存在一定差别。选用3种不同颗粒粒径范围的砂土进行微生物固化处理,并基于无侧限抗压强度试验、孔隙体积测量和洗酸处理,从宏观角度分析颗粒粒径对微生物固化效果的影响。结合扫描电镜测试,从细观角度对微生物固化机制进行了初探。研究结果表明,微生物固化砂土中碳酸钙晶体以颗粒簇形式堆积在砂土颗粒表面及颗粒间接触处,其尺寸随碳酸钙晶体堆叠程度的增加而增大;对于颗粒粒径较小的砂土,颗粒间孔隙较易被碳酸钙晶体填充密实,固化试样内有效碳酸钙晶体比例较大,“结构性”较强,无侧限抗压强度较高。     

MICP复合材料固化软土一维固结试验及机理研究

微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术广泛应用于土体改良，其生态友好特性符合当今环境保护和可持续发展理念。然而由于软土的特殊工程性质，MICP加固软土的研究鲜有报道。文章研究了微生物—砂井与微生物—生物炭两种复合材料加固软土的一维固结压缩试验，实验方法分别采用微生物—砂井联合真空排水法和微生物—生物炭直接拌合法，探究了砂井数量、生物炭掺量对加固效果的影响，基于扫描电子显微镜（SEM）测试与XRD衍射试验，获得了固化软土的微观结构特征。结果表明：经MICP作用后的软土孔隙比随砂井数量和生物炭掺量的增加显著降低，当生物炭掺量在一定范围（8%左右）内能够减小压缩系数，增大压缩模量。碳酸钙含量测定结果显示碳酸钙生成量随深度增加逐渐减少，分布具有不均匀性。微观测试表明：两种实验方法处理后的软土中均出现大量碳酸钙聚集体且填充于颗粒接触处，碳酸钙晶体类型主要为球霰石。     

基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化研究进展

基于微生物或脲酶诱导碳酸钙沉淀（MICP/EICP）的土体固化技术是近年来岩土和地质工程领域的研究热点之一。在系统回顾基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化技术发展历程的基础上,重点阐述了MICP/EICP固化机制、土体孔隙结构、菌液和脲酶性质、胶凝液性质和固化方式等方面对碳酸钙特性影响的研究进展。研究结果表明：土体孔隙越小,越不利于微生物或脲酶入渗,固化均匀性越差;土颗粒接触点越多,可为碳酸钙提供的沉积点位越多,碳酸钙与土颗粒间的黏结和桥接作用越强,固化效果越好;一定菌液或脲酶浓度或脲酶活性范围内,碳酸钙的生成速率和生成总量随浓度及活性的增大而增大,但过高的浓度或活性易导致碳酸钙生成速率过快,从而在土体注入端发生堵塞;低浓度胶凝液得到的碳酸钙晶体更小,在土体中的分布更均匀;采用合适的注浆饱和度可提高具有黏结作用的碳酸钙的占比;采用多层交替注入或单相低pH值注入可提高碳酸钙在试样中分布的均匀性。基于碳酸钙沉淀特性的影响因素,提高固化土体的均匀性,验证其耐久性,室内试验结果在现场尺度的适应性和改进方案应该成为以后研究的重点。     

低温条件下微生物诱导固化对比研究

低温条件下微生物诱导沉淀产率低,制约着微生物诱导固化(MICP)技术的实际工程应用。通过控制不同温度和pH值,对比分析巴氏芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌的生长繁殖特征和脲酶活性,同时在胶凝液中添加营养物质和控制尿素浓度和钙离子浓度,研究提高沉淀产率的方法,利用XRD测试分析沉淀晶型。进行渗透性试验和无侧限抗压强度试验,对比分析了不同菌种的砂土固化效果,结果表明,低温条件下巨大芽孢杆菌生长繁殖比巴氏芽孢杆菌快,脲酶活性更高,且巨大芽孢杆菌最适宜p H=8,更适合于碱性环境;可以通过在胶凝液中添加营养物质,控制尿素浓度为1.5 M和醋酸钙浓度为0.5 M增加碳酸钙沉淀产率;低温条件下巨大芽孢杆菌沉淀产率总高于巴氏芽孢杆菌,沉淀晶型为更稳定的方解石;采用巨大芽孢杆菌固化的试样渗透性可降低3～4个数量级,而巴氏芽孢杆菌固化的砂柱渗透性只降低2～3个数量级,其中颗粒粒径越小,渗透性降低越明显,且同等条件下巨大芽孢杆菌固化的砂柱试样强度也大于巴氏芽孢杆菌固化试样。因此,低温条件下巨大芽孢杆菌更适合进行实际工程应用。     

基于微生物诱导碳酸钙沉淀的天然海水加固钙质砂效果评价

使用天然海水进行微生物培养并诱导碳酸钙沉淀(MICP)加固钙质砂试验,首先通过微生物的生长繁殖情况和脲酶活性的变化研究海水对微生物的影响。然后,根据MICP加固前后钙质砂渗透性和无侧限抗压强度(UCS)的变化评价海水对MICP加固效果的影响。最后,利用SEM和XRD测试分析海水影响MICP加固钙质砂效果的机制。结果表明:(1)天然海水使微生物的生长出现滞后期,但稳定期的微生物数量和脲酶活性与淡水环境下相差不大;(2)使用海水MICP加固钙质砂的效果与淡水条件下相比差别较小,钙质砂的渗透系数可降低一个数量级,UCS值可达1.7 MPa;(3)海水条件下MICP过程受到海水成分、微生物、钙离子浓度、尿素浓度和p H值等因素的调控,主要沉积的碳酸钙晶型为方解石,方解石填充了粒间孔隙,使砂颗粒胶结为整体,这是钙质砂力学性能提高的主要原因。     

MICP联合纤维加筋改性钙质砂力学特性研究

钙质砂是中国南海岛礁工程建设的主要建筑材料和地基土成份,其具有高孔隙、易破碎和强度低等不良工程地质特性。为改善钙质砂力学性能,提高其工程可靠性,提出利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）协同纤维加筋改性钙质砂。文章通过开展无侧限抗压试验以及扫描电镜测试,对比分析不同纤维掺量下MICP固化钙质砂的力学响应特性及微观破坏机理。结果表明：（1）MICP技术能够有效固化钙质砂,并提升其力学强度;（2）纤维能够增加细菌定殖面积,提升碳酸钙沉积量,并由此提升试样延性和韧性,降低刚度;（3）应力应变曲线呈阶梯状多峰特征。在应力上升阶段,砂颗粒和碳酸钙会发生局部破碎;在峰后应力下降阶段,碳酸钙、砂颗粒、纤维的胶结作用增强了纤维的抗拔性能,限制了破坏面的发展;（4）碳酸钙、砂颗粒、纤维的耦合胶结作用是纤维加筋改善试样韧性、延性的根本原因。     

火山灰增强微生物固化砂土效果的试验研究

为了提升微生物固化砂土的效果,考虑火山灰的多孔结构及活性特征,设计进行了火山灰增强微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）固化砂土试验,综合宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析了火山灰对微生物固化砂土的增强效果及增强机制。结果表明：（1）火山灰能够显著提高砂土微生物加固过程中的固菌率和胶结物产量,火山灰掺量在10%左右达到最佳,与常规MICP相比,固菌率提高了118.28%,胶结物生成量提高了29.55%。（2）火山灰的掺入提高了固化体的抗压强度和抵抗变形的能力,不同围压下固化体的抗压强度提升了52.26%～62.96%,破坏时的应变增加了100.00%～112.58%。（3）火山灰掺入后,固化体的孔隙大小及孔隙率明显减小,整体的密实性及抗渗性能进一步提升,孔隙率从20.12%减小为14.17%,渗透系数降低了一个数量级。（4）火山灰对微生物固化砂土的增强机制主要包括3个方面,一方面,火山灰在砂颗粒间起到了良好的充填作用,大幅减少了颗粒间的大孔隙,使得固化体的密实性增强;另一方面,火山灰良好的吸附作用有效提高了试样内细菌的含量,使固化体碳酸钙的产量及分布的均匀性均增加;第3方面,火山灰中的活性物质参与反应生成的胶凝物质与碳酸钙晶体形成复合凝胶体,使得固化体的胶结性能和密实程度进一步增强。     

化学处理方式对微生物固化砂土强度影响研究

微生物固化(microbial-induced calcite precipitation, 简称为MICP)技术是岩土工程领域新兴起的一种地基处理技术,利用微生物诱导产生的碳酸钙晶体胶结松散土颗粒,改善土体的力学特性。选用巴氏芽孢杆菌作为固化细菌,采用单一浓度（0.5、1.0 mol）和多浓度相结合（前期采用0.5 mol,后期采用1.0 mol）的化学处理方式注射胶结液（尿素/氯化钙混合液）,研究化学处理方式对微生物固化砂土强度的影响。基于试验测试分析了固化砂土试样的强度、破坏模式以及碳酸钙含量。试验结果表明,化学处理方式对固化砂土试样的强度有显著影响,对破坏模式和碳酸钙含量无明显影响;多浓度相结合的化学处理方式能够以较少的灌浆次数获取较高强度的试样。最后,对化学处理方式对强度影响的机制进行深入分析。     

One-phase-low-pH enzyme induced carbonate precipitation (EICP) method for soil improvement

Enzyme induced carbonate precipitation (EICP) is an emerging soil improvement method using free urease enzyme for urea hydrolysis. This method has advantages over the commonly used microbially induced carbonate precipitation (MICP) process as it does not involve issues related to bio-safety. However, in terms of efficiency of calcium carbonate production, EICP is considered lower than that of MICP. In this paper, a high efficiency EICP method is proposed. The key of this new method is to adopt a one-phase injection of low pH solution strategy. In this so-called one-phase-low-pH method, EICP solution consisting of a mixture of urease solution of pH?=?6.5, urea and calcium chloride is injected into soil. The test results have shown that the one-phase-low-pH method can improve significantly the calcium conversion efficiency and the uniformity of calcium carbonate distribution in the sand samples as compared with the conventional two-phase EICP method. Furthermore, the unconfined compressive strength of sand treated using the one-phase-low-pH method is much higher than that using the two-phase method and the one-phase-low-pH method is also simpler and more efficient as it involves less number of injections.

     

活性炭固定微生物固化贵阳红黏土力学特性

微生物能够固化土体,但是在固化强度上还有待提高。为了增强微生物固化土体的力学特性,文章提出固定化微生物技术与微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）相结合的方法,即将掺量为0、4%、7%、10%、15%的活性炭与重塑红黏土均匀混合后,再通过MICP固化土体后进行常规三轴压缩试验,同时进行相同条件下在菌液瓶中有无胶结液与活性炭的生成碳酸钙的对比试验、有无活性炭重塑红黏土的常规三轴压缩对比试验。通过扫描电镜分析,得到试样的力学特性、活性炭在MICP过程中的作用、微观结构等试验结果。试验结果表明:在微生物固化土体过程中,活性炭作为固定微生物的载体,在MICP过程中对微生物起到“增效”的作用,在微生物诱导碳酸钙沉淀过程中提高了碳酸钙产量;同时,活性炭的有无及含量多少对微生物固化土体有重要影响,结合水膜厚度改变、碳酸钙填充孔隙及胶结作用使得红黏土抗剪强度有效C值大幅增加,有效φ值减小,剪应力峰值增加;加入活性炭使生物矿化环境得到优化,并在碳酸钙结晶时对晶体结构、形态产生了一定的控制作用,生成了以活性炭为“核心”具有一定结构的块体,而使土体的力学特性增强。该研究成果对微生物岩土技术以及工程应用具有重要价值。      

海水环境下巴氏芽孢杆菌驯化及钙质砂固化效果研究

为了提升微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术在海洋环境下对钙质砂的加固效果,在以往研究的基础上,设计进行了人工海水环境下巴氏芽孢杆菌多梯度人工驯化培养试验,并结合MICP固化钙质砂柱的力学试验和微细观结构分析,对巴氏芽孢杆菌的驯化效果进行了综合评价。结果表明:(1)海水环境下五梯度驯化后细菌的菌液浓度可达到淡水环境的97%以上,其与胶结液作用后碳酸盐的生成量较淡水环境下有一定幅度提高;(2)驯化后的巴氏芽孢杆菌具有很好的温度适应能力,在10～30℃温度下均有较好的MICP性能;(3)海水环境下加固的钙质砂柱无论是碳酸盐生成量还是无侧限抗压强度均较未驯化前高,尤其是五梯度驯化后的细菌,驯化后的细菌菌体变小,在海水环境生成的碳酸盐(碳酸钙和碳酸镁)晶体更小,更加致密,能更好地填充钙质砂颗粒的孔隙并胶结相邻的钙质砂颗粒,具有更优异的MICP性能。相关研究思路和方法可为MICP技术在海洋环境钙质砂地基加固方面的研究与应用提供参考。     

营养盐浓度对胶结砂试样物理力学特性试验研究

采用2次注入菌液方式,制备不同浓度营养盐处理的微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）胶结砂样。通过固结排水三轴试验和碳酸钙定量化学试验测定试样强度参数及碳酸钙（CaCO3）含量,分析了营养盐浓度对胶结砂物理力学特性的影响及碳酸钙沉淀量试样强度指标间的关系。结果表明,同等反应时间、同等体积营养盐溶液条件下,随着营养盐浓度的提高试样强度逐渐升高,且达到一定峰值后再下降;碳酸钙晶体分布形态较好条件下,变形模量随着试样干密度的增加而增加;碳酸钙晶体分布形态和沉淀含量共同影响MICP试样强度的提高,试验中0.5 M试样强度提高效果最好,碳酸钙含量、黏聚力、内摩擦角分别为6.03%、46.9 kPa和41.31°。     

Retarding effect of concentration of cementation solution on biocementation of soil

Concentration of cementation solution (CCS) is one of the key factors influencing the cementation effect on soil improvement through the microbially induced carbonate precipitation (MICP) process. To precipitate more calcium carbonate per treatment, a higher CCS is needed. However, the MICP process may be retarded or even terminated with an increase in CCS. This retarding effect can be a major limitation for the MICP-based soil treatment and thus needs to be understood properly. This paper presents a systematic study on the conditions causing retarding and its effect on biocementation. The test results of this study have identified that there is retarding effect of CCS on the MICP process, showing that the calcium conversion efficiency, which represents the amount of calcium that has been converted into calcium carbonate in each treatment, reduces with the increase in CCS, and the concentration of calcium is the control factor. The retarding effect will dominate increasingly when CCS is higher than 1.0 M and the amount of calcium carbonate precipitation will reduce for the given amount and type of bacteria used in this study and become zero with CCS of 2.5 M. For the same calcium carbonate content, the unconfined compressive strength is greater for sand treated using a lower CCS as the contribution to the bonding strength by the calcium carbonate generated under a lower CCS is greater than that under a higher CCS.