液滴微流控芯片系统研发与微生物矿化机理研究

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术是一种基于生物矿化作用的新型土体加固和修复技术。由于生物反应过程复杂,结晶影响因素多,MICP矿化机理目前还不明确。MICP微流控系统能够对微细尺度下的微生物矿化沉积规律进行可视化研究,但观测晶体生长尺度仍较大。设计了一种液滴微流控芯片,通过调控不相溶两相流体的流速,生成了直径约450μm的扁球体弹状流液滴作为MICP微反应器,从而搭建了精度更高的微生物矿化液滴微流控芯片系统。通过该系统观测表明:碳酸钙结晶点周围的细菌分布均无变化,随着反应进行,晶体尺寸逐渐扩大,形貌不变;在晶体生长过程中,部分细菌吸附到晶体表面,但晶体周围无明显的细菌聚集现象。此外,采用扫描电镜进一步观测到碳酸钙表面细菌吸附部位存在孔洞。液滴微流控芯片系统为微生物矿化提供了一个精细的微米尺度反应器,为探究MICP成核机理提供了一种有效的分析方法。

微生物加固研究可视化试验系统的开发与应用

微生物加固是近十几年来兴起的绿色低碳建筑技术,在地基处理、边坡治理、混凝土裂缝修复等方面具有较好的应用前景。微生物加固涉及复杂的生物-物理-化学动态过程,需要开发实时可视化系统对其反应机理和加固机制进行研究。分析微生物加固可视化系统研发的必要性,提出微生物加固可视化试验系统由溶液输送系统、微反应器、观测系统、环境控制及监测系统组成的主要构造思路,其中溶液输送系统用于进样和控制流场边界条件,微反应器作为反应模具,观测系统用于反应过程的实时观测,环境控制及监测系统用于控制温度、光照等外部环境条件并获取流体压力等反馈数据。研究以图像处理为主,辅以环境监测的试验数据获取方法,提出相应的试验结果分析方法。结果表明:微生物加固可视化系统既能直接获取加固过程图像和渗透压力变化数据,亦能与扫描电镜等微观试验手段相结合进行材料表征和微观力学特性分析;开发的试验系统能用于微生物加固的微观实时研究,为微生物加固微观机制研究提供了新的手段,有利于揭示微生物加固机理。

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。

南方湿热区产脲酶菌固化海砂的碳酸钙结晶效果研究

从南方湿热区自然环境中分离得到一株产脲酶矿化菌,并将其高产突变株应用到海砂室内MICP灌浆试验,结合扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、拉曼(Raman)对固化后的产物进行细观形貌观测。通过分析碳酸钙的形貌、尺寸、空间分布、结晶状态等基本特征现象,初步探究南方湿热区产脲酶菌在碳酸钙结晶生长方面的调控作用及其固化土体的作用效果。结果表明:南方湿热区产脲酶菌固化土体具有可行性,但碳酸钙晶体形貌并不均一,晶体晶化过程、生物调控作用及土体结构均会对碳酸钙的生成情况造成影响;碳酸钙从无序到有序、分散到聚集、不稳定到稳定,最终生长聚集为完整的结构,在生长空间充足的环境下,碳酸钙更倾向于形成聚集体。研究结论可为进一步研究不同产脲酶菌诱导碳酸钙沉淀的作用过程与调控机制提供借鉴与参考。

颗粒级配对残积土MICP灌浆效果的影响评价

微生物诱导碳酸钙沉淀加固砂性土的试验研究较为丰富,但在固化崩解性软岩残积土的可行性及效果评价方面目前仍未涉及。考虑到崩解性软岩残积土与砂性土颗粒的诸多不同以及自身颗粒级配产生的差异,选用4种不同粒径范围的松散泥质软岩残积土颗粒进行微生物灌浆试验研究,并通过渗透性能、无侧限抗压强度(UCS)试验、碳酸钙生成量及孔隙率测试,分析颗粒级配对残积土MICP灌浆效果的影响;再借助于扫描电镜(SEM),观测全级配残积土颗粒表面的MICP反应效果。结果表明:不同粒径级配的崩解性软岩残积土在经过微生物灌浆处理后,其胶结效果差异明显。全级配崩解性软岩残积土灌浆过程中更易沉积具有胶结作用的碳酸钙晶体,其胶结试样力学性能较间断级配提升显著,且其孔隙率降幅和单位质量碳酸钙生成量也较大,胶结效果更佳。研究成果可为软岩弃渣填方路堤的微生物加固工程提供借鉴。

微生物加固土多尺度研究进展

主要介绍近年来重庆大学在微生物加固土方面的研究进展,包括:利用微流控技术从微细观尺度探究微生物加固土的加固机制;采用微粒固载法、温控法等工艺改进加固效果;从单元尺度对微生物加固法抑制颗粒破碎、纤维改性微生物土及钙质砂的静力、动力特性进行研究;在宏观及现场尺度方面,开展微生物注浆改性桩基础模型试验及现场地基处理试验,研究成果可为进一步推进微生物加固土技术的应用推广提供借鉴.

页岩填料MICP-格栅灌浆胶结体超声波速分布特征

将MICP(微生物诱导碳酸钙沉淀)技术应用于崩解性页岩残积土填筑体的加固,可有效提高页岩弃渣承载力从而解决填方路基的不均匀沉降、沉陷坍塌及路面开裂等问题。为模拟实际路基工程中空土工格栅的灌浆过程,设计了一种具有多层多孔灌浆管道系统的MICP-格栅灌浆模型箱,首先结合超声波技术对MICP灌浆加固过程中模型内部页岩残积土进行波速监测,再通过对土体进行单元划分并对其波速进行精细化分级,对灌浆过程中灌浆胶结体的超声波速等级的面积、体积分布特征,各级等势面特征及发展规律进行探究,最后对固化前后土体波速等级转换方式进行分析,掌握了模型土体波速等级的区域演化规律。研究成果可为微生物灌浆加固岩土体的效果检测提供理论基础。

残积土MICP灌浆结石体冻融损伤的核磁共振特性试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)可有效胶结残积土并形成一定强度的结石体,在地基加固工程中具有广阔的应用前景,但针对冻土地区残积土MICP灌浆结石体的耐久性目前还不明确,因此开展结石体的冻融循环损伤特征研究对MICP技术在该地区的适用性评价具有重要意义。在试验确定微生物灌浆周期和灌浆速率的基础上,成功制备出页岩残积土的MICP灌浆结石体,并对试样开展不同含水率下的气体冻融循环试验,对比分析结石体在冻融循环过程中的损伤破坏机制与表观演化特征,重点结合核磁共振技术(NMR)研究结石体冻融后损伤裂隙发育的变化规律。结果表明:结石体的冻融破坏主要表现为孔隙水结冰产生的冻胀力大于MICP胶结强度时,胶结作用失效导致表面碎屑颗粒大量脱落,且脱落面积随含水量和循环次数的增加而增大。不同含水率结石体的T2谱曲线特征差异显著,分析波峰随循环次数增加的迁移规律可知结石体内部裂隙在冻融循环过程中的发育情况。低含水率条件下主要表现为中、小裂隙的发育,而高含水率时则体现出大裂隙的不断扩张。结石体的破坏均由试样中部逐渐向两端发展,随着循环次数的增加,结石体中间部位的大裂隙增加速率高于两端,且含水率越高速率越大,高含水率结石体T2分层曲线的初始阶段中部“尖点”效应显著,但随着冻融循环的发展“尖点”逐渐消失,曲线渐趋平缓,此时试样中部的大裂隙逐渐向两端扩展并贯穿,最终达到冻融损伤破坏的极限状态。