胶结液浓度对微生物固化花岗岩残积土强度特性的影响规律

在分析花岗岩残积土物理特性的基础上,选用巴氏芽孢杆菌菌液和不同浓度的氯化钙与尿素的混合胶结液,利用设计的室内试验装置对花岗岩残积土开展不同灌注次数的微生物固化试验,并对不同工况的固化试样进行无侧限抗压强度(UCS)试验、碳酸钙生成率测试和崩解试验,同时开展X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等微观结构分析,以此探讨胶结液浓度和灌注次数对固化后花岗岩残积土强度特性的影响规律.结果表明:试验参数范围内,灌注次数相同时,胶结液浓度为1.0 mol/L时,试样的固化效果最好;胶结液浓度相同时,灌注次数越多,试样的固化效果越好;固化试样的崩解性大大降低,崩解系数均小于30%;微生物固化生成的方解石晶体呈现明显的簇状,填充、胶结在土颗粒之间,与砂土的微生物固化特性具有一定差异性,但两者的固化过程与机理具有相似性.

粒径对微生物固化砂土抗风蚀扬尘能力的影响

为探究颗粒粒径对微生物固化砂土抗风蚀能力的影响,选用4种不同粒径范围的土样,通过风洞试验以及表面强度、碳酸钙含量测定等试验,从宏观角度分析粒径对微生物固化砂土抗风蚀能力的影响;采用SEM扫描电镜观测,从微观角度对微生物固化砂土的作用机理进行研究。结果表明:颗粒粒径较小的土样,孔隙面积和孔喉直径较小,更易发挥碳酸钙晶体的填充和胶结作用,土体表面形成的固结层更加密实,抗风蚀能力更强且时效性更好。

胶结液浓度对微生物固化花岗岩残积土特性试验研究

向花岗岩残积土注入巴氏芽孢杆菌菌液、氯化钙和尿素的混合液,利用微生物固化技术处理花岗岩残积土。通过无侧限抗压强度(UCS)、碳酸钙生成含量和微观结构分析等试验,评价不同胶结液浓度下微生物固化花岗岩残积土的效果。结果表明:巴氏芽孢杆菌菌液在2~12 h处于快速繁殖期,36~48 h处于平稳期,细菌数量保持衡定,吸光度OD 600值保持在1.9~2.0;微生物固化技术能有效提高花岗岩残积土的无侧限抗压强度、碳酸钙生成含量,进而改善花岗岩残积土的物理力学特性;胶结液浓度为1.0 mol/L时,被灌注土柱试样的无侧限抗压强度可达到625 kPa,碳酸钙生成含量为12.2%,其固化效果最好;微生物固化后生成的碳酸钙晶体形态呈现为明显的簇状或块状的不规则体,并填充和胶结在土团粒之间,这与微生物固化砂土过程具有一定的差异性,但其固化机理与砂土相似。

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。

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。

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。

微生物固化纤维加筋砂土抗剪强度试验研究

微生物固化(MICP)技术能显著提高土体的抗剪强度,但微生物固化土体也存在脆性破坏特征显著的缺陷。向待固化砂土中掺入一定量的纤维,以改善微生物固化砂土的脆性破坏特性,并基于固结排水三轴试验研究了微生物固化纤维加筋砂土的抗剪强度特性,在此基础上探讨胶结次数、纤维含量、纤维长度以及试样初始相对密实度等参数对微生物固化纤维加筋砂土剪切特性的影响。最后,结合电镜扫描测试探究纤维加筋对微生物固化砂土剪切特性影响的内在机理。结果表明:MICP过程中,碳酸钙晶体能有效沉积在纤维表面,提高其表面粗糙度,且碳酸钙与砂的混合体能对纤维提供锚固作用,从而在一定程度上提高微生物固化砂土抗剪强度,并改善其应变软化特性,纤维具备改善微生物固化土体脆性破坏特征的潜力。

珊瑚砂微生物固化体三轴压缩声发射试验研究

对不同干密度增量的珊瑚砂微生物固化体进行了三轴压缩声发射试验,研究不同围压条件下固化体的应力应变曲线特征及对应的声发射信号特征。试验结果表明,珊瑚砂微生物固化体的三轴压缩声发射曲线可分为三个阶段,在应力应变曲线的近似线弹性阶段声发射活动不频繁,屈服阶段声发射活动频度增大,延性流动阶段声发射活动频度降低,但仍有少量声发射振铃计数与能量高峰出现;累计振铃计数曲线呈直线型,反映了声发射活动在变形全过程均维持了一定的频度,说明内部的胶结断裂与颗粒破碎持续发生,颗粒发生错动并重新排列,导致固化体表现出延性流动特性。通过声发射试验,可以更好地理解珊瑚砂微生物固化体的宏观变形与破坏过程,为建立珊瑚砂微生物固化体损伤本构模型奠定基础。

颗粒级配对珊瑚砂微生物固化影响研究

对不同颗粒级配的珊瑚砂试样在相同条件下进行了微生物固化试验,研究颗粒对细菌的吸附性、固化体无侧限抗压强度与渗透系数、干密度增量的关系及内部碳酸钙的微观分布,分析颗粒级配及初始孔隙比对固化效果的影响。试验结果表明:低孔隙比试样对细菌的吸附性更好,适中的孔隙比能保证砂颗粒对细菌的吸附性与渗透性达到最优平衡;固化体无侧限抗压强度在1 MPa^3 MPa范围内,应力-应变曲线均为软化型,颗粒错动与薄弱结构面导致阶段性应力峰值的出现;抗压强度随干密度增量的增加而增大,随渗透性增大而减小,孔隙比约为1的级配不良试样固化效果最好;固化后孔隙比高的级配良好试样颗粒间碳酸钙黏结较少,孔隙比低的级配不良试样颗粒表面碳酸钙包裹覆盖更好,颗粒间碳酸钙分布更连续均匀。

菌液脲酶活性对珊瑚砂微生物固化效果的影响

使用不同脲酶活性的菌液对珊瑚砂进行微生物固化试验,分析了固化后试样的渗透特性、干密度增量分数、无侧限抗压强度与应力-应变曲线特征,研究了菌液脲酶活性对珊瑚砂微生物固化效果的影响。试验结果表明：脲酶活性为0.5 mmol/（L·min）的菌液,固化反应速率较慢、产物偏少;脲酶活性为1.0~1.5 mmol/（L·min）的菌液,固化后的珊瑚砂试样渗透系数降低了约2个数量级,固化生成的碳酸钙量多且分布较均匀,具有较高的抗压强度;脲酶活性为2.0-2.5 mmol/（L·min）的菌液,固化反应速率过快,导致试样上部易被碳酸钙堵塞,固化不均匀,应力-应变曲线形态不规则。菌液脲酶活性会影响珊瑚砂微生物固化生成的碳酸钙总量,试验中脲酶活性为1.5 mmol/（L·min）的菌液固化效果最好,珊瑚砂试样强度高、均匀性好,应力-应变曲线较为平滑。

纤维掺量对珊瑚砂微生物固化体力学性能的影响

在珊瑚砂中掺加纤维可改善珊瑚砂微生物固化体强度等力学性能,对固化体进行了无侧限抗压强度试验和抗拉强度试验,分析了纤维掺量对固化体力学性能的影响。结果表明,不同纤维掺量的试样均可以通过微生物固化反应形成整体;掺加纤维可以有效防止固化体发生脆性破坏,明显提高固化体延性。与不掺加纤维的固化体相比,纤维掺量为0.2%的固化体抗拉强度最高,无侧限抗压强度也明显提高;掺量为0.3%的固化体抗拉强度降低,抗压强度大幅提高;掺量为0.1%和0.4%的固化体力学性能大幅度降低。得出了最佳纤维掺量,为微生物固化技术在岛礁工程中的应用奠定基础。

微生物固化垃圾焚烧灰渣强度试验

垃圾焚烧灰渣(底渣和飞灰)是生活垃圾焚烧发电后的残余固体废弃物,对其进行固化处理和资源化利用是减少该类固体废弃物占用填埋场资源的重要途径。笔者利用微生物诱导碳酸钙沉积固化细粒底渣和飞灰,通过微生物注浆试验研究菌液浓度、胶结液浓度和处理轮数对垃圾焚烧灰渣胶结CaCO3生成量及强度的影响。结果表明,底渣和飞灰都具有一定的水硬性,其水硬固化体的无侧限抗压强度分别为174.46和381.73 kPa。底渣经微生物注浆处理2~10轮后的无侧限抗压强度较水硬固化体分别提高了35.8%~120.0%,飞灰经微生物注浆处理2~10轮后的无侧限抗压强度较水硬固化体则分别提高了9.5%~48.8%。随胶结溶液浓度的增大,微生物固化底渣和飞灰中的CaCO3生成量和无侧限抗压强度提高,但试样的可注性降低。稀释比1∶50、菌液比1∶100的菌液更利于底渣和飞灰胶结强度的提高,未稀释菌液固化效果差。与微生物固化天然砂土和粉土相比,微生物固化底渣和飞灰的无侧限抗压强度随CaCO3含量增加的增幅较缓,微生物固化垃圾焚烧灰渣的胶结效率略低。试验结果证明,微生物固化能有效改善垃圾焚烧灰渣强度的特性,微生物诱导碳酸钙沉积技术在垃圾焚烧灰渣固化处理方面具有一定的发展潜力。

微生物固化砂土强度增长机理及影响因素试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)可以显著改善砂土的工程力学特性,但其固化效果易受诸多因素影响。基于不同胶结水平微生物固化砂土试样,开展固结排水三轴剪切试验和扫描电镜测试,探讨了MICP技术的固化效果及其相关机理;在此基础上,研究了胶结液浓度、砂土初始密实度、胶结液浓度配比等因素对微生物固化砂土抗剪强度的影响。结果表明:随着胶结水平的提高,微生物固化砂土试样强度提高,试样的脆性也越显著。微生物固化砂土强度的增长主要源于碳酸钙晶体对土体黏聚强度的提高。微生物固化砂土的强度主要包括土骨架强度和碳酸钙晶体胶结强度两部分,前者受土体性质及相关参数影响,后者主要取决于碳酸钙晶体的含量。采用合适的砂土初始密实度,适当提高胶结液浓度以及胶结液中尿素的浓度占比,均可提高微生物固化砂土试样的胶结强度。

纤维加筋微生物固化砂土的力学特性

微生物固化能有效提高砂土的强度,但同样会导致土体破坏时呈现明显的脆性。为了平衡微生物固化砂土脆性破坏的不利影响,提出纤维加筋与微生物固化相结合的改性方法,即将质量分数为0%,0.05%,0.15%,0.25%和0.30%的聚丙烯纤维与石英砂均匀混合,然后基于微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对土样进行固化,并开展了一系列无侧限抗压试验,同时采用酸洗法测定了各组试样中的碳酸钙含量,进一步分析了试样的微观结构及纤维–土颗粒之间的界面作用特征。结果表明:①在微生物固化砂土中掺入纤维,能极大提高土样的无侧限抗压强度和残余强度,并能显著改善土样破坏时的韧性;②纤维掺量对微生物固化砂土的力学特性有重要影响,无侧限抗压强度随纤维掺量总体上呈先增加后减小的趋势,最优纤维掺量为0.15%,峰后残余强度与纤维掺量呈单调正相关关系;③纤维加筋使微生物固化砂土的峰后应力–应变曲线呈阶梯式下降模式,局部存在波浪式起伏特征;④纤维加筋能够提高微生物诱导碳酸钙的沉积效率和产量,与此同时,碳酸钙的胶结作用对纤维加筋效果具有促进作用。纤维加筋技术与MICP技术相结合能够实现优势互补,对提高工程结构的安全性与稳定性具有积极意义。

微生物固化曝气技术对养殖废水的深度处理

以微生物固化曝气技术为核心的污水处理系统为研究对象,研究养猪废水中的COD、N、P、总有机碳及抗生素(土霉素、四环素、金霉素、强力霉素、罗红霉素、阿奇霉素、氧氟沙星、恩诺沙星和环丙沙星)在不同处理单元的动态变化.结果表明,微生物固化曝气技术能有效去除常规污染物,除TP外,COD和NH+4-N的出水浓度均能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596—2001);该技术对抗生素的去除效果依抗生素的种类而变,对4种四环素类抗生素-的去除率高达85%以上;对大环内酯类中的阿奇霉素的去除率为62.8%;对大环内酯类中的罗红霉素和氟喹诺酮类抗生素则基本无效.微生物固化曝气技术能有效去除总有机碳、COD、NH+4-N和四环素类抗生素,对TP和其它抗生素类,需要进一步优化处理系统的运行条件,或改善固化微生物的组成,以提高这类污染物的处理效果.

微生物固化纤维加筋砂质黏性紫色土试验研究

微生物诱导方解石沉积(MICP)技术是一种新型土体加固措施,大量的研究表明,土体加固强化的同时也使得土体破坏呈现明显脆性。为了改善微生物固化紫色土的脆性破坏模式,采用纤维加筋与微生物固化相结合的加固方法,将质量分数为0.4%、0.6%、0.8%的纤维与紫色土混合,然后采用巨大芽孢杆菌和钙盐溶液对土样进行不同灌浆次数的固化试验(3次、5次、7次、9次)。通过无侧限压缩试验测定试样抗压强度,洗酸法试验测定试样碳酸钙含量,烘干法测定试样干密度,结果表明:(1)在微生物固化紫色土中掺入纤维,能显著提高试样固化后的无侧限抗压强度和峰值强度对应的轴向应变,改善了土体破坏时的韧性;(2)纤维掺量影响微生物固化紫色土的力学性质,其强度随纤维掺量总体上呈先增大后减小的趋势,最优纤维掺量为0.6%;(3)随着固化时间增加,试样的碳酸钙生成量和干密度逐级增加,强度与碳酸钙生成量呈正相关且有效碳酸钙沉积越来越少,强度趋于稳定;(4)纤维加筋可以提高碳酸钙沉积的效率和产量,土样内生成的碳酸钙对纤维加筋效果具有强化作用。研究成果可以为纤维加筋与MICP固化相结合的土体加固技术应用提供指导和参考。

风积沙的微生物固化试验研究

风积沙主要分布在干旱少雨的沙漠地区,是一种结构松散、颗粒细小而均匀、自稳能力差且不易压实的特殊土体。为探讨大体积风积沙微生物固化规律,采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术,利用巴氏芽孢杆菌,在饱和状态下对风积沙沙柱进行了微生物加固试验,测定了沙柱内不同深度处的细菌浓度以及细菌吸附量、酶活性、尿素浓度等指标。同时,分析了不同深度处固化试样的干密度、无侧限抗压强度和碳酸钙含量的变化规律。试验结果表明,细菌在沙柱中的最佳静置时间为4 h,胶结液在沙柱中的最佳静置时间为24 h。通过在风积沙中灌注巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液可以在风积沙颗粒之间生成碳酸钙结晶,从而将沙颗粒黏结在一起,形成具有一定强度的整体。固化风积沙的无侧限抗压强度在0.43~7.13 MPa之间。微生物诱导碳酸钙沉淀技术固化风积沙的有效深度为0.2~0.7 m,固化沙柱不同位置处的干密度、无侧限抗压强度和碳酸钙含量随深度的变化规律相似,都是先升高后降低,在0.4 m左右处达到峰值。因此,采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术可有效加固沙漠风积沙,能明显改善风积沙的工程性质。

珊瑚砂微生物固化体三轴压缩试验及损伤本构模型研究

利用微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术固化南海某岛礁的陆域吹填珊瑚砂,对珊瑚砂微生物固化体进行了三轴压缩试验,基于损伤力学理论建立了珊瑚砂微生物固化体的损伤本构模型。结果表明,利用MICP技术固化珊瑚砂效果好,强度高;固化体的三轴压缩应力–应变曲线可分为近似线弹性阶段、屈服阶段与延性流动阶段。将固化体划分为匀质微元进行损伤演化分析,根据连续介质损伤力学的有效应力理论与应变等效假说,定义了损伤变量,假定固化体强度服从双参数的Weibull分布及Druker-Prager准则,建立了损伤本构模型。模型参数包括固化体力学参数和Weibull分布参数,由三轴试验和线性回归法确定,并用试验资料初步验证了模型的合理性。

珊瑚砂微生物固化体单轴损伤本构模型

利用MICP技术固化南海某岛礁吹填珊瑚砂,对固化体试样进行了单轴抗压强度试验,基于损伤力学理论建立了单轴压缩条件下的固化体损伤本构模型。结果表明:利用MICP技术得到的珊瑚砂微生物固化体无侧限抗压强度均大于5 MPa,固化体单轴受压应力-应变曲线可大致分为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段与破坏软化阶段。基于连续介质损伤力学理论,假定固化体微元强度服从双参数的Weibull分布,考虑应力-应变曲线特征进行参数简化后建立了单轴压缩条件下的损伤本构模型;模型采用经验拟合方程与损伤本构方程结合的分段函数形式,用试验资料初步验证了模型的合理性。

珊瑚砂微生物固化条件优化的正交试验研究

珊瑚砂微生物固化影响因素众多,选取颗粒粒径、脲酶活性、底物溶液浓度和配比四个主要影响因素,每个因素取三个水平,对珊瑚砂进行了微生物固化正交试验,研究了各因素对珊瑚砂微生物固化体无侧限抗压强度及干密度增量的影响,得出了最优固化条件。试验结果表明,各因素对固化体无侧限抗压强度影响的主次顺序为:颗粒粒径、脲酶活性、底物溶液配比、底物溶液浓度;对固化体干密度增量影响的主次顺序为:脲酶活性、颗粒粒径、底物溶液配比、底物溶液浓度;综合无侧限抗压强度和干密度增量结果得到珊瑚砂微生物固化的最优条件为:颗粒粒径取粗粒组,脲酶活性取1.85 mmol/(L·min),底物溶液配比取0.75∶1,底物溶液浓度取1 mol/L。