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°。     

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。     

微生物沉积碳酸钙固化砂土试验研究

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。     

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。     

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。     

菌液注射方式对微生物固化砂土动力特性影响试验研究

微生物固化技术是近年来岩土工程领域兴起的一种新型环保地基处理技术,该技术通过向待固化土体内注入细菌,利用细菌水解尿素,并在引入钙源的条件下,诱导产生碳酸钙晶体以胶结松散土颗粒。在微生物固化过程中,碳酸钙晶体分布的均匀性是目前该技术研究的热点之一。文中尝试通过在纯菌液中引入0.05 mol/L氯化钙溶液(称为混合菌液)对细菌分布进行人为干预,并基于动三轴试验及扫描电镜测试,对比分析了纯/混菌液、混合菌液及传统纯菌液等注射方式对微生物固化砂土动力特性的影响。试验结果表明:纯/混菌液注射方式能有效提高微生物固化砂土中碳酸钙晶体分布的均匀性,从而获得碳酸钙含量较高、动弹性模量较大及耗能能力较强的微生物固化砂土。     

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。     

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...     

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。     

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。      

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.     

Effect of waste rubber particles on the shear behaviour of bio-cemented calcareous sand

Calcareous sand, a special type of sand commonly used for the construction of coastal engineering in tropical coasts, is usually required to be strengthened due to its poor engineering mechanical properties. Microbially induced carbonate precipitation has been proved to be a promising method for this purpose. A higher cementation level generally leads to a greater strength enhancement, but tends to cause brittle failure of bio-cemented calcareous sand, which in turn brings great potential risks for the coastal engineering. Therefore, the shear behaviour, especially the brittle behaviour, of bio-cemented calcareous sand needs to be understood properly, and taking some measures to improve its brittle behaviour is also necessary. In this regard, a series of triaxial compression tests were conducted to study the shear behaviour of bio-cemented calcareous sand with various cementation levels, and the waste rubber particles are used to improve the brittle behaviour of bio-cemented calcareous sand. The test results show that the shear strength of bio-cemented calcareous sand increases with the increase in cementation level, and the brittle behaviour is significant gradually. The waste rubber particles contribute to improve the brittle behaviour of bio-cemented calcareous sand, reducing the dilation of bio-cemented calcareous sand and slowing the changes in dilatancy with the increment of stress.

     

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。     

Bio-mediated calcium carbonate precipitation and its effect on the shear behaviour of calcareous sand

Calcareous sands have abundant intraparticle pores and are prone to particle breakage. This often leads to poor engineering properties, which poses a challenge to coastal infrastructure construction. A study using bio-cementation to improve the engineering properties of calcareous sand is presented in this paper. The macro- and microscopic properties of bio-cemented calcareous sand were characterized by drained triaxial tests and scanning electron microscopy observations. Experimental results show that the precipitated calcium carbonate can effectively fill the intra- and interparticle pores and bond adjacent particles, thus enhancing the shear strength of calcareous sand. The special structures (e.g. abundant intraparticle pores and rough surface) and mineral components (i.e. calcium carbonate) of calcareous sand are beneficial for improving bacterial retention in soil, which leads to a relatively uniform and dense calcium carbonate distribution on the sand particle surface, exhibiting a layer-by-layer growth pattern. This growth pattern and the abundant interparticle pores would result in less effective calcium carbonate. The strength enhancement of bio-cemented calcareous sand is significantly lower than that of bio-cemented silica sand at the same calcium carbonate content, which may be caused by the differences in the following: (a) soil skeleton strength; (b) the amount of effective calcium carbonate; and (c) interparticle pore-filling of calcium carbonate.

     

Effect of particle size distribution on the bio-cementation of coarse aggregates

The effect of grain size distribution on the unconfined compressive strength (UCS) of bio-cemented granular columns is examined. Fine and coarse aggregates were mixed in various percentages to obtain five different grain size distributions. A four-phase percolation strategy was adopted where a bacterial suspension and a cementation solution (urea and calcium chloride) were percolated sequentially. The results show that a gap-graded particle size distribution can improve the UCS of bio-cemented coarser granular materials. A maximum UCS of approximately 575 kPa was achieved with a particle size distribution containing 75% coarse aggregate and 25% fine aggregate. Furthermore, the minimum UCS obtained has applications where mitigation of excessive bulging of stone/sand columns, and possible slumping that might occur during their installation, is needed. The finding also implies that the amount of biochemical treatments can be reduced by adding fine aggregate to coarse aggregate resulting in effective bio-cementation within the pore matrix of the coarse aggregate column as it could substantially reduce the cost associated with bio-cementation process. Scanning electron microscopy results confirm that adding fine aggregate to coarse aggregate provides more bridging contacts (connected by calcium carbonate precipitation) between coarse aggregate particles, and hence, the maximum UCS achieved was not necessarily associated with the maximum calcium carbonate precipitation.     

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。     

生物固土用于防风固沙的研究进展

文章对近年来基于生物固土技术的防风固沙研究进行了回顾和分析。常用于防风固沙的生物过程包括基于微生物或酶诱导碳酸钙沉积（MICP或EICP）的矿化固土技术,加入黄原胶等生物高聚物作为辅助剂,可获得更好的固土效果。土壤风蚀过程中,除了风力本身,风携带的跃移颗粒对土的撞击,也是侵蚀破坏的重要因素,这在生物固化土风蚀试验中体现明显。生物固化防风固沙的处理过程简单易行,以尿素和钙盐作为处理材料,用细菌或脲酶作为催化诱导媒介,对土体进行单遍喷洒处理即可获得很好的抗风效果。室内抗风试验中,将风蚀速率与临界起动风速两个指标结合是较为合理的评估方法。在室内和现场条件下,表面贯入强度测试可用来快速测定处理效果和抗风性能。目前的现场试验研究表明,生物固化土中植物可以生长,但是极端条件下生长受限。为了将该方法推向实用,需要从多重侵蚀因子作用下的抗风力侵蚀能力、生态恢复能力和现场施工技术等方面进一步研究探索。