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。     

钙质沉积物天然胶结结构的室内模拟方法研究

海洋钙质沉积物存在天然胶结作用,胶结程度对其力学性质具有重要影响。因天然钙质沉积物的胶结结构具有极大的不均匀性及胶结强度低等特点,使得获取原状试样难度大,加之距大陆遥远,取样成本高,从而限制了对其物理力学特性的研究进程。因此实验室快速制备胶结试样成为有效的解决办法,分别采用物理、化学及生物主导的试验方法开展胶结试样的制备研究,发现微生物诱导碳酸钙沉淀（microbially induced carbonate precipitation,简称MICP）和脲酶诱导碳酸钙沉淀（enzyme induced carbonate precipitation,简称EICP）可以促进碳酸钙晶体产生,从而生成类似天然胶结的人工胶结试样。通过扫描电子显微镜（scanning electron microscopy,简称SEM）、X射线计算机断层扫描（computed tomography scanned by X-ray,简称X-CT）和无侧限抗压试验,发现生物主导法得到的人工胶结物的矿物成分和晶体形貌均与天然胶结钙质沉积物相同,胶结试样峰值无侧限抗压强度能够达到天然弱胶结钙质沉积物的水平,通过X-C...     

MICP联合纤维加筋改性钙质砂的动力特性研究

为了提高我国南海钙质砂地基的抗液化性能,提出利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术联合纤维加筋技术对钙质砂进行改性处理。通过开展动三轴试验,对比分析了改性前后钙质砂试样的动应变、动孔压、应力−应变滞回曲线以及动弹性模量的发展规律和演化特征,并结合扫描电镜（SEM）试验探究了MICP和纤维加筋技术对钙质砂的联合改性机制。研究结果表明：（1）MICP技术可以明显改善钙质砂试样的抗变形与抗液化性能,相比于未胶结处理试样,仅MICP处理试样的动应变和动孔压分别降低了95.74% 和 92.46%;（2）纤维的掺入进一步提升了MICP的改性效果,相比于仅MICP处理试样,MICP和纤维加筋联合处理试样的动应变和动孔压分别降低了 74.32%和 74.18%;（3）MICP 和纤维加筋技术通过减轻试样在循环荷载作用下的循环活动强度和能量耗散、提高试样的动弹性模量和减小动弹性模量的衰减速率,从而实现试样抗变形与抗液化性能的显著提高;（4）SEM 试验分析结果表明,MICP 与纤维对钙质砂动力特性的改善具有协同作用。纤维的掺入为细菌提供了更多的附着场所,促进了碳酸钙晶体的生成量,该部分碳酸钙不仅增加了颗粒间的胶结强度,同时也将纤维固定在砂颗粒上增强了纤维网的约束作用。     

改性黄麻纤维联合微生物胶结铀尾砂的抗渗性能试验研究

利用改性黄麻纤维联合微生物诱导碳酸钙沉淀（microbial induced calcium carbonate precipitation,MICP）技术能有效胶结充填铀尾砂中的孔隙，提高堆浸铀尾砂的抗渗性能。通过研究铀尾砂的颗粒级配、胶结液浓度以及改性黄麻纤维的长度、质量含量和水热处理时间等因素对改性纤维联合微生物胶结铀尾砂的渗透系数的影响，获取最优的胶结参数；采用扫描电镜和X射线衍射仪等测试设备，表征了改性黄麻纤维联合MICP胶结铀尾砂形成的碳酸钙晶体的结构类型，分析其抗渗机制。研究结果表明：经水热处理后的纤维表面粗糙度增大，为微生物提供更多的附着场所，促进了微生物在铀尾砂中的生长、繁殖、迁移和固定，增加了碳酸钙晶体的生成量，提高了碳酸钙沉淀的均匀性，降低了铀尾砂的渗透系数；在颗粒级配编号为A3的铀尾砂中，改性纤维联合MICP胶结后的铀尾砂的渗透系数大幅降低，且纤维长度为20 mm、纤维质量含量为0.5%、纤维水热处理时间为2 h、胶结液浓度为2 mol/L时，经过11轮注浆后铀尾砂的渗透系数降低了99%，此时的参数是最优的；改性纤维联合MICP胶结铀尾砂生成的碳酸钙晶体在衍射角...     

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。      

原位激发微生物成矿加固钙质砂的剪切与压缩特性研究

钙质砂广泛分布于热带海岸地区,其抗剪强度较低,在较高应力条件下极易破碎。因此,对以钙质砂为主要原料的地基材料进行加固,是海洋岩土工程领域的研究热点。基于尿素水解过程的碳酸钙成矿技术（MICP）是近年来地基材料加固领域的一项新技术。目前广泛使用的生物强化法实现MICP存在成本昂贵及环境适应性差等问题,制约了其大规模工程应用。研究采用原位生物激发MICP法对钙质砂进行加固,并对加固后试样开展直剪和一维压缩试验。结果表明：原位生物激发MICP方法可以在钙质砂中形成有效胶结,胶结水平最大可达6.26%。采用高浓度胶结溶液或增加注射次数可提高胶结水平。同时,加固后钙质砂的最大应力比、最大剪胀角以及残余内摩擦角均随胶结水平增加而显著增大,但竖向应力水平增大会抑制这些力学指标的增大。随胶结水平升高,试样压缩性显著减小;压缩后的原位激发MICP加固钙质砂中,细颗粒与粗颗粒的比例均随胶结水平的增加而增大。     

微生物矿化作用改善岩土材料性能的影响因素

基于微生物诱导碳酸钙沉淀作用（MICP）的土体改性技术近年来在岩土工程领域引起了人们的广泛关注。该技术在改善岩土材料的强度、刚度、抗液化、抗侵蚀及抗渗透性等性能的同时,还能维持土体良好的透气性和透水性,改善植物的生长环境。由于微生物矿化作用涉及一系列生物化学和离子化学反应,固化过程中的反应步骤较多,因此,MICP固化效果受许多因素的制约与影响。基于大量文献资料,系统总结了细菌种类、菌液浓度、温度、pH值、胶结液配比及土的性质等关键因素对微生物改善岩土材料性能的影响,讨论了这些影响因素的优化方式和未来的研究方向,主要得到了以下几点结论：菌种类型、菌液浓度、温度、pH、胶结液性质会从微观上影响碳酸钙的晶体类型、形貌和尺寸,进而在宏观层面影响岩土体的胶结效果;菌液浓度尽可能高、温度在20～40℃间、pH值在7.0～9.5左右、胶结液浓度在1 mol/L以内的因素条件对微生物加固岩土体具有较好的效果。上述范围内的低温、较高的pH值、低浓度胶结液有助于提高土体的抗渗性,而高温、较低的pH值以及中高浓度胶结液有助于提高土体的强度;MICP加固土体的有效粒径范围为10～1 000 ?m,相对密度越大、级配越好则加固效果越好。分步灌浆法、多浓度相灌注法及电渗灌浆法有助于提高土体固化均匀性,0.042 (mol/L)/h以下的注浆速度有利于提高胶结液利用率,砂土试样的灌浆压力一般在10～30 kPa之间,粉黏土试样的灌浆压力不宜超过110 kPa,过高的灌浆压力会破坏土体结构,降低固化效果。     

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。     

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。     

不同颗粒尺寸条件下MICP固化砂土的试验研究

通过选取3种不同颗粒尺寸的砂样进行微生物诱导碳酸钙（MICP）注浆试验,对同一尺寸试验组分别进行8、10、12次胶结液灌注,结合细菌吸附率、流出液Ca2+浓度、试样渗透系数、碳酸钙含量、孔隙结构和最终加固效果等数据,探讨了颗粒尺寸对MICP加固砂土的影响。试验结果表明,细菌吸附率与颗粒尺寸间存在一定联系,颗粒尺寸越大,细菌吸附量相对越少;同时颗粒尺寸会影响试样固化过程及孔隙结构的发展,颗粒尺寸较小的试样能留住更多的营养物质;固化过程中,颗粒尺寸较小的砂样由于孔隙较小、渗透系数小等原因,试样上部易形成淤堵,从而导致试样加固效果不均;大颗粒尺寸的试样,孔隙较大、持水能力弱,产生的碳酸钙含量偏低并在试样下部堆积,从而导致加固效果较差。     

Use of microfluidic experiments to optimize MICP treatment protocols for effective strength enhancement of MICP-treated sandy soils

Microbially induced calcium carbonate (CaCO₃) precipitation (MICP) has been extensively studied for soil improvement in geotechnical engineering. The quantity and size of calcium carbonate crystals affect the strength of MICP-treated soil. In this study, microfluidic chip experiments and soil column experiments were conducted to optimize MICP treatment protocols for effective strength enhancement of MICP-treated sandy soils. The microscale experiments reveal that, due to Ostwald ripening, longer injection intervals allow crystals to dissolve and reprecipitate into larger crystals regardless of the concentration of cementation solution. Even though a cementation solution input rate of 0.042 mol/l/h is sufficient to maintain a high chemical transformation efficiency, a further reduction in the input rate by about four times resulted in an increase in the size of crystals produced by the end of treatment from about 40 to 60 μm. These findings were applied in soil column experiments. Results showed that significantly larger crystals and higher soil strength were achieved when the normalized rate of cementation solution injection was reduced from 0.042 to 0.021 mol/l/h. Crystal size and soil strength increased slightly more when the normalized input rate was further reduced from 0.021 to 0.010 mol/l/h. This study demonstrates how data from microscale microfluidic experiments that examine the effects of injection intervals and concentration of cementation solution on the properties of calcium carbonate crystals can be used to optimize MICP treatment in macroscale sand soil column experiments for effective strength enhancement.

     

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。     

基于石灰石粉钙源的微生物固化砂土试验研究

微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）作用是一种新型的土体改良技术。钙源作为MICP反应中重要的反应物,对微生物诱导碳酸钙沉积的效果有重要的影响。目前应用最广泛的钙源——氯化钙（CaCl2）,具有成本高,环境污染性大的缺点。为此,文章提出利用石灰石粉提取钙源,通过在石灰石粉中加入乙酸溶液,释放钙离子用于微生物固化土体。通过开展无侧限抗压强度试验以及微观结构的扫描电镜观测、碳酸钙含量测定等分析,验证利用石灰石粉提取的钙源用于微生物诱导碳酸钙沉积作用固化土体的可行性,同时与醋酸钙和氯化钙固化砂柱进行了对比分析。研究结果表明：（1）石灰石粉用于微生物固化土体具有可行性,固化后砂柱的强度和碳酸钙含量较高,结构完整性高;（2）不同钙源固化砂柱的力学特性不同但均呈典型的脆性破坏模式,其中醋酸钙固化砂柱的无侧限抗压强度略高于石灰石钙源固化砂柱,氯化钙固化砂柱的无侧限抗压强度则远低于前两者且表面更加粗糙,孔隙更多,破坏后的完整性更低;（3）不同钙源固化砂柱的碳酸钙含量不同。醋酸钙和石灰石钙源固化砂柱的碳酸钙含量相近,而氯化钙固化砂柱中碳酸钙含量较低。不同钙源固化砂柱的碳酸钙含量和无侧限抗压强度基本呈正相关关系;（4）醋酸钙和石灰石钙源固化砂柱中砂土颗粒的表面和接触点间均沉积大量碳酸钙,碳酸钙晶体主要为薄片状堆叠的方解石。氯化钙固化砂柱中碳酸钙沉积量低于前两者,碳酸钙晶体主要为六面体状的方解石;（5）不同钙源主要通过影响微生物成矿过程的晶型、晶貌、晶体含量、晶体分布及胶结特征来改变固化效果。     

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.

     

微生物诱导碳酸钙沉积技术改性黄土结构强度试验研究

我国黄土地区的水土流失和地质灾害问题异常严重,这主要与黄土较差的工程地质性质有关.提出采用微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对黄土进行改性处理,以改善其力学性质.采用喷洒法的方式将制备好的微生物菌液和胶结液依次喷洒在土样表面进行MICP处理,基于贯入试验和碳酸钙含量测定试验,分析不同MICP胶结轮次(3次、5次、7次...     

Effect of activated carbon on microbial-induced calcium carbonate precipitation of sand

Microbial-induced calcium carbonate precipitation (MICP) is a sustainable technique to transform or improve physical and mechanical properties of soils. This paper aims to study the effect of activated carbon (AC) on the property of bio-treated China Standard sand. Six sample groups were prepared considering various dosages of cementation solutions and bacterial suspensions. In each group, samples were prepared at six different AC ratios (0%, 0.2%, 0.5%, 1%, 2%, and 3% by weight of sand). Bacterial retention ability, calcium carbonate mass, unconfined compression strength (UCS), and microstructures of bio-treated samples were examined and evaluated in the presence of AC. It was found that the improved yield of calcium carbonate crystals and increased UCS were correlated to the enhanced bacterial retention ability attributed to AC. In addition, the test results showed that the amount of cementation solution played an important role in the MICP process, but volume variation of the bacterial suspension had a little effect on the bio-treated samples.     

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.

     

Influence of cementation level on the strength behaviour of bio-cemented sand

Microbially induced calcite precipitation (MICP) is used increasingly to improve the engineering properties of granular soils that are unsuitable for construction. This shows MICP technique significant advantages such as low energy consumption and environmentally friendly feature. The objective of the present study is to assess the strength behaviour of bio-cemented sand with varying cementation levels, and to provide an insight into the mechanism of MICP treatment. A series of isotropic consolidated undrained compression tests, calcite mass measurement and scanning electron microscopy tests were conducted. The experimental results show that the strength of bio-cemented sand depends heavily on the cementation level (or calcite content). The variations of strength parameters, i.e. effective friction angle φ′ and effective cohesion c′, with the increase in calcite content can be well evaluated by a linear function and an exponential function, respectively. Based on the precipitation mechanism of calcite crystals, bio-clogging and bio-cementation of calcite crystals are correlated to the amount of total calcite crystals and effective calcite crystals, respectively, and contributed to the improvement in the effective friction angle and effective cohesion of bio-cemented sand, separately.