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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

浓缩海水作为钙源在微生物诱导碳酸钙加固砂土中的应用

为了将海水作为原料利用于微生物诱导碳酸钙(MICP)加固岛礁地基,进行了海水浓缩试验以及将浓缩海水作为钙源溶液的MICP砂土加固试验,研究细菌固定方式、细菌注入批次、胶结液中尿素浓度以及胶结液注入流速对加固效果的影响。研究表明,在不析出钙离子的条件下,将海水进行浓缩的最高倍数为3倍,此时钙离子含量约为0.033mol/L;尿素添加量宜为浓缩海水中钙离子含量的3倍,可有效利用胶结液中钙离子产生沉淀;使用2 mL/min的胶结液注入流速对5 cm砂柱进行加固可以得到最佳加固效果;加固后砂柱无侧限抗压强度达653 kPa,耗时4.5 d;增加细菌注入批次无法对砂柱加固效果进行有效改善。     

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。     

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。     

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。     

颗粒破碎对钙质砂压缩特性影响的试验研究

利用南海钙质砂和阿拉伯湾钙质砂,进行侧限压缩试验,对其压缩特性进行分析,得到了相应的压缩指数;采用相对破碎率为度量指标,评价了钙质砂在压缩试验过程中的颗粒破碎情况。同时根据试验数据得到了不同初始相对密实度的砂样的塑性功,通过建立塑性功与相对破碎率以及塑性功与压缩指数之间的关系,探讨了颗粒破碎对钙质砂压缩特性的影响。研究显示,在本次试验条件下,颗粒破碎是导致钙质砂压缩变形的主要因素,钙质砂的中值粒径以及碳酸钙含量等因素对其颗粒破碎程度有明显影响;钙质砂的相对破碎率与其输入的塑性功有关,并且受到初始相对密实度的影响,采用相对密实度进行归一化后,两者呈现较好的幂函数关系;通过建立钙质砂压缩指数与塑性功之间的关系,进一步建立了钙质砂的压缩指数与相对破碎率之间的关系,经相对密实度归一化后,两者也呈现幂函数规律,此规律可以用于评价颗粒破碎对钙质砂压缩特性的影响。     

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。     

微生物沉积碳酸钙固化砂质黏性紫色土试验研究

重庆紫色土是一种砂质黏性土,地区降雨集中,水力冲蚀作用剧烈,极易产生水土流失,微生物诱导方解石沉积(MICP)技术因能耗低、污染小而广泛应用于土体加固中。通过正交试验优化了巨大芽孢杆菌(BNCC 336739)的培养基和培养条件,活菌数增长126%,活性良好。采用巨大芽孢杆菌,进行低水压(9.8kPa)灌注固化砂质黏性紫色土试验,探究了固化效果的变化规律。结果表明:随固化次数增加,碳酸钙生成量和干密度逐级增加,无侧限抗压强度与碳酸钙生成量正相关;碳酸钙有效沉积越来越少,强度提高趋于稳定,固化9次后强度提高77%;随孔隙被碳酸钙填充和上下碳酸钙硬壳的形成,渗透性不断降低,最终下降两个数量级;通过试样上、中、下三部分碳酸钙生成量C的样本标准差s来反映碳酸钙分布离散程度,发现割线弹性模量在s的影响下随C增加而波动上升,波动表现为在C相近或s相差很大时,s越小割线弹性模量越大。研究成果可以为MICP技术在紫色土地区的地基、边坡加固和水土流失防护等工程应用提供科学依据和参考。     

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。     

活性氧化镁−微生物固化黄土试验研究

以活性氧化镁和微生物共同作用固化的黄土试样为研究对象,通过含水率、无侧限抗压强度、X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）等试验,研究了活性氧化镁掺量、养护龄期和初始含水率对固化试样含水率、无侧限抗压强度、固化产物和微观结构等的影响。结果表明：固化试样含水率随氧化镁掺量增加和养护龄期增长而降低;无侧限抗压强度随活性氧化镁掺量（5%～20%）增加而增大,随龄期发展总体上不断增大,但当氧化镁掺量为10%和15%时,后期强度稍有降低;当氧化镁掺量为5%和10%时,无侧限抗压强度随初始含水率增加而减小,而当氧化镁掺量为15%和20%时,无侧限抗压强度随初始含水率增加先增大后减小。XRD和SEM结果显示,随着氧化镁掺量增加,水化后未进一步反应的氢氧化镁越多;反应生成的水合碳酸镁具有膨胀性和胶结性,对土颗粒间缝隙进行填充,并将土颗粒胶结在一起。     

纤维加筋MICP固化钙质砂的抗拉强度特性研究

针对微生物诱导碳酸钙沉积 (MICP)固化钙质砂脆性强、抗拉强度低等问题,通过制备“8”字形MICP固化钙质砂试样并开展直接拉伸试验,对纤维加筋的改善作用、纤维-MICP联合加固机理及纤维掺量、纤维长度等影响因素进行了研究。结果表明：纤维加筋能够显著提高抗拉强度、峰值位移和残余强度,减轻峰值强度点的脆性破坏现象,但受纤掺量和长度的影响,总的来说,抗拉强度随纤维掺量的增加和长度的加长呈先增后减的趋势。相比无纤维试样,添加最优纤维掺量（0.6%）时,试样的抗拉强度增长了172.4%,峰值变形提升了158.1%。机理可解释为纤维增加了微生物的吸附量,促进碳酸钙在纤维与钙质砂之间以及纤维表面的沉积,增大纤维与钙质砂之间的界面作用力,整体提升钙质砂的抗拉强度特性。纤维的添加能够显著改变试样的变形特征,无纤维添加试样曲线仅有初始误差阶段和弹性阶段两个阶段,添加纤维后曲线表现为四个阶段包括初始误差阶段、弹性阶段、损伤破坏阶段和残余阶段。纤维掺量影响的内因是纤维与钙质砂的界面作用力和纤维空间分布状态随纤维掺量的变化而变化,纤维长度的影响主要和破坏面附近纤维数量和单位长度所能承担的拉应力相关。研究成果对以钙质砂为地基的岛礁工程的稳定性、安全性具有一定的指导意义。     

含盐量对石灰固化滨海盐渍土力学强度影响试验研究

随含盐量的增加,滨海盐渍土中的盐分结晶形成了许多晶体颗粒,改变了土的颗粒级配和微结构形式,使土的力学强度发生变化。无侧限抗压试验和三轴压缩试验结果表明,随含盐量的增加,石灰固化土的无侧限抗压强度和抗剪强度降低;随养护龄期的增加,石灰固化土的无侧限抗压强度和抗剪强度增加;随含盐量的增加,固化土试样浸水和不浸水无侧限抗压强度之间的差值越来越小。工程应用滨海盐渍土时需控制土的含盐量。     

高含水率疏浚淤泥新型复合固化材料试验研究

基于传统水泥固化处理方法,提出了水泥-生石灰-高分子添加剂新型复合固化材料处理高含水率疏浚淤泥的新方法,以期快速降低淤泥含水率并提高固化淤泥的无侧限抗压强度,拓展水泥固化淤泥的含水率范围,达到高效廉价固化处理高含水率疏浚淤泥的目的。通过系列室内试验,探讨了该方法处理后高含水率淤泥的无侧限抗压强度变化规律以及各材料掺入比对强度的影响规律。研究结果表明,水泥掺入比低于7%的新型固化材料处理初始含水率2倍液限的高液限淤泥,早期强度大于0.5 MPa,28 d强度大于1 MPa;固化淤泥强度随龄期、水泥和生石灰掺入比的增大而增大;给出了考虑多因素多水平的无侧限抗压强度预测公式,预测值与实测值基本一致