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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于新型单相MICP技术改性黏性土力学特性的试验研究

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)是一种绿色低碳的新型土体改性技术.该技术当前主要适用于渗透性较好的砂土,普遍使用两相处理方法,即菌液和胶结液分开施用.然而,对于渗透性相对较差的黏性土,传统的两相处理方法难以适用.为此,引入新的单相胶结方法,即菌液和胶结液混合施用,通过调节溶液的初始pH值为细菌水解作用提供窗口期,避免微生物絮凝阻塞孔隙,使混合液均匀分布于土体一定深度范围内,从而达到显著提升胶结效果的目的.利用喷洒法将混合液喷洒至土体表层进行MICP处理,处理完成后使用超微型贯入仪SMP-1测试土体表层不同深度处的结构强度,分析土体力学特性的空间差异,对土体的胶结效果进行定量评价.此外,探究了胶结液浓度(0.2M、0.5M和1.0M)及胶结方法(调节pH与否)对于土体结构强度及MICP改性效果的影响.结果表明:采用单相MICP技术对黏性土进行改性,能够显著提高其结构强度,具有较好的适用性;在不高于1.0 M的胶结液浓度范围内,黏性土的胶结效果随着胶结液浓度增加而提升;相比较而言,调节pH的单相胶结方法对于提升土体胶结的深度和均匀性有明显积极作用.新型单相MICP技术简单易行,能够节约成本,在黏性土表层加固方面具有潜在推广应用价值.     

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。     

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...     

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°。     

南方湿热区新型产脲酶菌加固土体的效果研究

MICP技术可以通过生成的碳酸钙将松散土颗粒胶结为具有一定强度的结石体,而碳酸钙的形貌、尺寸、晶型等均会直接影响到碳酸钙的自身性能及其在土体中的填充、胶结作用效果,继而影响固化土体的力学性能。在MICP加固不良土体相关研究的基础上,将从南方湿热地区土壤中分离得到的产脲酶细菌的突变株YB7应用至4种土的MICP室内灌浆试验,并结合扫描电子显微镜、能谱仪对比分析了各试样中碳酸钙的结晶现象,最后对突变菌YB7的灌浆试样开展直剪及单轴压缩试验,结合宏观力学特性与碳酸钙的细观生长特征分析,系统研究了该细菌加固土体的作用效应。结果表明：南方湿热区新型产脲酶菌加固不良土体具有可行性,但土体结构会对碳酸钙的生成情况造成影响,颗粒级配、矿物形貌适宜的土体中碳酸钙的生成效果更好,相应灌浆试样的胶结效果也更好。试样的力学性能受土的结构、碳酸钙的生长情况以及碳酸钙与土颗粒间的胶结效果共同影响。研究成果可为该技术的进一步推广应用提供研究基础。     

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。     

微生物胶结在防治堤坝破坏中的应用研究

为防治漫顶引起侵蚀造成堤坝破坏,将微生物诱导碳酸钙沉淀即MICP技术应用于加固堤坝表层。通过向堤坝表层喷洒微生物细胞以及营养盐,最终在砂土孔隙中快速析出碳酸钙胶凝结晶,以改善堤坝表层砂的力学性能。首先,采用喷洒法处理堤坝表层;其次,对处理好的堤坝模型进行水槽试验,研究其抗侵蚀性;最后,对堤坝表层的试样进行强度与渗透试验。试验结果表明,采用MICP技术加固堤坝模型表层可有效提高其抗侵蚀力,防治由漫顶引起的堤坝破坏。对加固后的表层取样进行测试,结果表明：无侧限抗压强度可高达9 MPa,渗透系数从4×10?4 m/s 降低至7.2×10?7 m/s。试验说明,微生物胶结技术在加固堤坝表层方面具有潜在的工程实用价值和广阔的应用前景。     

人工回灌条件下滨海砂质含水层渗透性的时空演变特征

人工回灌补给滨海含水层是海水入侵修复经常采用的工程措施,然而人工回灌条件下滨海砂质含水层经常出现渗透性显著降低的现象,其含水介质渗透性的时空演变规律仍不清楚。本文以青岛市大沽河下游咸水入侵区含水层砂样为研究对象,通过利用不同尺度的室内砂柱淡咸水驱替试验,对定水头和定流速条件下人工回灌咸淡水驱替过程中砂质含水层渗透性的时空演变特征进行了研究。结果表明：当淡水驱替咸水时含水介质的渗透性会发生显著变化,整个砂柱的渗透性先降低后回升,原因是回灌过程中砂柱中的黏土矿物发生释放、迁移、沉积;定水头条件下,在砂柱的前半段存在一个淘空区,渗透系数是初始渗透系数的1.6~2.0倍,砂柱其它部分渗透性是先降低再轻微回弹;定流速条件下,砂柱的渗透系数随时间的变化均呈现先降低后升高趋势,且砂柱各段离入水口的距离越远其渗透系数的值越小;砂柱黏粒含量的变化规律与渗透性的演化特征相吻合。研究成果可为人工回灌治理滨海含水层海水入侵提供一定的科学依据。     

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。     

黄河流域内蒙古段砒砂岩风化土微生物矿化改良的试验研究

砒砂岩,一种在黄河中上游广泛分布的特殊岩石,是由砂页岩和泥质砂岩组成的岩石互层,由于成岩程度低、沙粒间胶结程度差、结构强度低,且含有大量黏土矿物,其抗侵蚀能力弱,遇风成沙、遇水成泥,是“泥沙入黄”的重要来源。基于微生物诱导碳酸钙沉积(microbially induced carbonate precipitation,MICP)技术对砒砂岩风化土进行改良加固,以矿化后试样获得良好的强度为目标,结合物性及孔隙结构分析,对含有大量细粒土的砒砂岩风化土进行微生物矿化改良试验的最优方案设计。试验方案中设置12种工况,通过菌液浓度、菌液与胶结液用量比、钙尿摩尔比3个控制要素,对经微生物诱导沉积的碳酸钙晶体的晶型、形貌和尺寸进行人为调控。试验结果表明,当微生物矿化试验中尿素消耗量为0.4 mol时,采用菌液浓度OD₆₀₀值为1.2、菌液与胶结液用量比为1:20、钙尿摩尔比为1:1的试验方案,经微生物诱导的碳酸钙晶体以20～30μm的“方解石-球霰石团聚体”的晶型被沉积,并填充于砒砂岩风化土的孔隙中,使得砒砂岩风化土密实度提高,矿化后试样的孔隙度减小了62.4%,抗蚀能力得到...     

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。     

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。     

微生物诱导碳酸盐在土体加固中的应用进展

微生物矿化是近年来在土体改良工程发展起来的一个新分支,主要研究微生物活性在改善土体颗粒特性方面的应用。微生物诱导碳酸盐沉积（MICP）是实现土体生物胶结最常用的方法之一,该技术借助脲酶菌的代谢行为诱导碳酸钙,将松散的砂颗粒胶结成整体,从而提高了土体的力学性能。文章系统性地介绍了MICP研究中的脲酶菌矿化机理、相关处理方法、影响因素、衍生新工艺脲酶诱导碳酸盐沉积EICP及MICP技术在岩土领域的相关现场试验,并对MICP的实用性进行了总结,最后简要讨论了现研究阶段MICP工程应用所面临的挑战和潜在解决方案。     

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。     

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...