微生物诱导碳酸钙沉淀技术的工程应用进展与评述

基于微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Calcium carbonate Precipitation,MICP)技术的土体胶结固化技术是21世纪以来岩土工程、地质工程领域研究的热点之一。本文系统阐述了MICP技术的加固机理,从MICP加固效果和应用实践的角度出发,对MICP技术工程应用的研究现状进行评述。结果表明:MICP固化后的场地强度呈现出不均匀性明显、碳酸钙含量分布随深度递减的趋势;沙漠环境中,原位提取的菌种诱导生成的碳酸钙覆膜较传统的巴氏芽孢杆菌,具有更好的强度表现和稳定性;新型MICP技术应用(如微生物水泥、微生物砖)在强度、耐久性上表现出良好的应用前景,有望为实现我国双碳目标注入新的活力。基于MICP技术碳酸钙沉淀特质的影响因素,现场尺度下如何提高碳酸钙分布的均匀性以及在季节性变化下的碳酸钙骨架的耐久性、不同环境下的固化效率改进方案应该成为日后研究的重中之重。

低pH值下微生物诱导碳酸盐沉淀加固尾矿砂试验研究

开展低pH值下微生物诱导碳酸盐沉淀(microbially induced carbonate precipitation,简称MICP)加固尾矿砂试验,研究了菌液浓度、pH值对碳酸钙生成量和絮凝滞后期的影响。采用渗透性、保水性、抗雨滴侵蚀、抗风蚀、贯入度试验评价该方法加固尾矿砂效果。通过分析pH值对脲酶活性和碳酸盐体系平衡的影响,结合扫描电子显微镜和X射线衍射试验观察尾矿砂微观结构,揭示低pH值下MICP加固尾矿砂机制。结果表明,低pH值下MICP方法可以显著提高尾矿砂力学性能,一轮喷淋处理后尾矿砂的风蚀质量为0,渗透系数最大可降低一个数量级,pH值为4的高浓度菌液处理后的尾矿砂风雨侵蚀质量也为0。低pH值暂时抑制了脲酶活性,打破了碳酸盐体系的平衡,延缓了碳酸钙的生成,使得方解石均匀填充于粒间孔隙,将尾矿砂颗粒胶结为整体。提出的尾矿库加固及尾矿砂治理新技术及其加固机制,为低pH值下MICP加固尾矿砂应用提供了理论与试验依据。

沸石增强砂土微生物固化效果研究

为提高砂土的微生物固化效果,考虑沸石作为吸附材料具有多孔的特性,通过宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析了沸石对微生物固化砂土的增强效果。研究结果表明:沸石能够显著提高砂土微生物加固过程中的固菌率。与常规微生物固化相比,掺入沸石后,固菌率提升约5.5倍,抗压强度提升39.35%,渗透系数减小71.94%。掺入沸石,一方面能够增加碳酸钙沉淀生成量,并改善其分布均匀性;另一方面,沸石周围的碳酸钙沉淀对两侧砂颗粒起到良好的桥接作用,能够增强砂颗粒之间的结构性及试样的整体性。研究成果为进一步优化微生物诱导碳酸钙沉积技术提供参考。

纳米四氧化三铁对微生物诱导碳酸钙沉淀的作用效果与机理研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)是环境岩土工程领域一项新型的土体加固技术。微生物的生长及活性会受到外部磁场的影响,改变MICP中碳酸钙的晶型晶貌及沉淀方式,从而对碳酸钙的胶结性能产生影响。采用纳米四氧化三铁(Nano-Fe_(3)O_(4)),设计了Nano-Fe_(3)O_(4)作用下的微生物诱导碳酸钙沉淀的水溶液及MICP砂土固化试验,对比分析了Nano-Fe_(3)O_(4)含量对微生物诱导生成的碳酸钙晶体含量(CCC)、类型、比例以及MICP固化砂土力学强度等参数的影响规律,并结合扫描电镜(SEM)试验分析了溶液环境及砂柱中碳酸钙的微观形貌特征,系统归纳了Nano-Fe_(3)O_(4)对MICP的作用效果及机制。结果表明:(1)Nano-Fe_(3)O_(4)能够有效改善细菌的新陈代谢性能,显著提高细菌OD_(600)及脲酶活性;(2)溶液环境中,MICP产生的碳酸钙晶体类型以球霰石为主,含少量方解石,且Nano-Fe_(3)O_(4)含量增加能够促进球霰石的生成及增大MICP沉淀物中稳定相碳酸钙所占的比例;(3)Nano-Fe_(3)O_(4)可以显著提高MICP固化砂土的无侧限抗压强度和CCC;(4)SEM分析结果表明,溶液环境中,碳酸钙晶体以球型堆积为主,MICP固化砂柱中碳酸钙晶型随Nano-Fe_(3)O_(4)含量的增加逐渐呈菱柱状堆积。

基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术加固珊瑚砂试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)广泛应用于土木工程领域,为更好地了解微生物加固钙质砂场地的作用效果,本文通过采用低pH一相注浆加固的方法,开展对加固后的钙质砂场地的室内分析测试以及现场加载测试。通过钻孔取样开展了无侧限压缩试验、剪切波速试验以及扫描电镜试验。试验结果表明,在相同的加固条件下,碳酸钙沉淀作用形式不同将会导致较大的强度差异性;现场加载试验在微生物场地加固、养护结束后,且场地保持干燥时进行平板载荷试验,通过荷载板试验可以发现,当荷载逐渐增大时,承压板周边土开始出现裂缝延展,最终破坏时土体发生了较大的位移沉降和裂缝扩展,也证明了携带菌种现场扩培的方法在岛礁微生物加固中的可取性。

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。

基于尿素水解机制的微生物固化土体的影响因素分析

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)加固土体是一种新型绿色环保的土体改良技术,具有广阔的应用前景。基于尿素水解机制的MICP固化土体的效果受多种因素影响和制约,包括生物原料、细菌类型、菌液浓度等生物因素和胶结溶液的成分与浓度、pH值、温度、土的粒径与矿物类型等非生物因素。结论表明,使用较高的菌液浓度和脲钙比可改善土体固化效果。环境温度和pH值的升高会增加碳酸钙沉淀生成量,但碳酸钙晶体的平均尺寸会随温度和pH值的增加而减小,应根据需求寻求最优范围。MICP可用于加固粒径范围在2~400μm之间的土体,用于方解石类的土体时可提高沉淀速率,黏土矿物对生物活性有一定抑制作用。

基于MICP法的巴氏生孢八叠球菌固化镉污染土的试验研究

以重金属污染土的治理为背景,通过毒性浸出、无侧限抗压强度、土柱淋滤试验并结合镉形态分析等其他微观测试方法,探讨了Ca^(2+)的添加、Cd^(2+)浓度、养护时间等因素对驯化巴氏生孢八叠球菌固化镉污染土特性的影响.结果表明:Ca^(2+)对固化土中Cd^(2+)浸出特性影响显著,不添加Ca^(2+)时,当尿素浓度为0.5 mol·L^(-1),固化土的Cd^(2+)浸出质量浓度(0.42~5.64 mg·L^(-1))最低;添加Ca^(2+)后,Cd^(2+)浸出浓度略有增大,胶结液中尿素和Ca^(2+)浓度均为0.5 mol·L^(-1)时,Cd^(2+)的固化效果较好.延长养护时间,固化后土体的抗压强度增加,Cd^(2+)浸出浓度降低且固化效果提高;增大Cd^(2+)浓度,固化后土体的抗压强度降低,Cd^(2+)浸出浓度提高;添加Ca^(2+)有助于增强镉污染土的固化效果,在养护时间为28 d时,当Cd^(2+)浓度为100 mg·kg^(-1)时,添加Ca^(2+)的试样强度达到312 kPa,相较于未添加Ca^(2+)试样强度(234 kPa)提升了33.3%;当Cd^(2+)浓度增大至1600 mg·kg^(-1)时,添加Ca^(2+)的试样强度达到269 kPa,相较于未添加Ca^(2+)试样强度提升了57.3%,试样的浸出浓度降低了15.4%;经淋滤后,添加Ca^(2+)的试样滤出液中Cd^(2+)浓度始终低于未添加Ca^(2+)试样.固化后土中弱酸可提取态镉向可还原态镉和残渣态镉转变,添加Ca^(2+)进一步降低弱酸可提取态镉所占比例,减小了Cd^(2+)的迁移能力.

微生物加固技术研究进展

生物加固是工程地质领域近年来发展起来的一个新分支,微生物诱导碳酸钙沉淀(microbially induced calcite precipitation,MICP)加固技术是常用的方法之一。MICP加固技术是借助自然界广泛存在的微生物,利用其代谢活动诱导产生具有胶结作用和充填作用的碳酸钙沉淀,从而达到提高土体强度、降低土体渗透性、改善土体工程性能的目的。近20年来,MICP加固技术在理论研究、模型试验及现场试验方面已取得了许多重要成果。为推进对MICP加固技术的认识及研究,文章基于MICP加固技术目前取得的研究进展,进行了文献调研与分析,系统介绍了MICP技术的加固机理及影响因素,归纳分析了MICP加固技术的应用实例,在此基础上深刻分析了MICP技术目前存在的问题和挑战。结果如下:(1)MICP的加固机理是在微生物诱导矿化作用基础上产生的碳酸钙沉淀对土体的充填作用、覆膜作用和胶结作用;(2)MICP固化效果的影响因素主要有:菌液及胶结液的性质、pH值、温度、土体类型、注入技术等,以上影响因素均可以通过影响碳酸钙的形成及胶结效果来影响MICP的固化效果;(3)MICP加固技术在土体加固、抗裂防渗、防风抗蚀、修复污染水土等方面展现出了巨大的潜力;(4)MICP加固技术目前仍存在一些问题,包括固化均匀性、土体耐久性、经济效益、环境安全与可持续性等方面,为解决这些问题,需要进一步综合微生物学、土力学、材料科学、环境科学等多个学科进行深入研究。相关探讨有助于加深对MICP加固技术的理解,推动MICP加固技术在工程地质领域的发展及应用推广。

碳酸酐酶增强微生物矿化固土效果的试验研究

为了提升微生物固化砂土的效果,从自然界微生物主动参与碳循环、激发碳化现象中得到启发,利用碳酸酐酶(carbonic anhydrase,简称CA)能显著提高CO_(2)水合反应速率(提高108倍),促进脲酶(urease,简称UA)分解尿素生成的CO_(2)迅速水合形成大量CO_(3)^(2-)的特性,设计并进行了碳酸酐酶增强微生物矿化固化砂土试验,综合宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析了碳酸酐酶对微生物固化砂土的增强效果及增强机制。结果表明:(1)碳酸酐酶能够显著提高砂土微生物加固过程中的胶结物产量,碳酸酐酶菌掺量在4%左右达到最佳,与常规微生物诱导碳酸盐沉淀(microbial-induced carbonate precipitation,简称MICP)相比,胶结物生成量提高了105.3%。(2)碳酸酐酶的掺入提高了固化体的抗压强度和抵抗变形能力,在0.25%~4.00%掺量范围内,固化土样的无侧限抗压强度随碳酸酐酶菌掺量的增加而增大。当掺量为4.00%时固化土样的强度达到1.915 MPa,为常规MICP固化试样强度的8.54倍。(3)碳酸酐酶没有改变MICP过程的产物,仍是方解石。但在添加了CA后,方解石的晶粒尺寸更大,六面体形状更规范,力学性能也更好。(4)在MICP过程中,脲酶和碳酸酐酶相互协同沉淀碳酸钙固化砂土。碳酸酐酶可以显著加速脲酶分解尿素生成的CO_(2)水合并形成HCO_(3-)和CO_(3)^(2-)的速率,为矿化物沉降提供更有利的条件。

微生物固土胶结液的尿素和氯化钙优化配比试验

采用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术,开展不同胶结液配比方案的粘性土固化试验.测试MICP固化土样的物理性质、力学强度和矿化反应后的碳酸钙含量,研究胶结液中不同尿素和氯化钙体积配比对土体试样加固效果的影响.结果表明,MICP加固后的各试样与天然含水率重塑土样相比,其含水率和孔隙率均减小,干密度与碳酸钙含量增加,颗粒表面积聚大量CaCO_(3)晶体,抗剪强度与抗压强度均有不同程度的提高.当尿素和氯化钙的体积配比为1∶1时,微生物矿化形成的碳酸钙含量最高;当尿素和氯化钙的体积配比为2∶1时,微生物矿化试样的强度更高.分析认为微生物固土的效果不仅与矿化后的碳酸钙含量有关,也与矿化结晶体的微观结构及其在土体孔隙中的充填特性密切相关.

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对膨胀土性能改良研究

通过试验分析不同养护时间下微生物诱导碳酸钙沉积技术改良土的膨胀特性,表明微生物对膨胀土进行固化改良后,其自由膨胀率在养护1、3、7、15、30 d后与重塑膨胀土样相比,分别减小了10.0%、13%、15.8%、20.4%、20.6%;微生物改良膨胀土的自由膨胀率随着养护时间的提高持续减弱,在养护前15 d内快速减小,15 d后趋于稳定;随着膨胀土自身膨胀特性的增强,微生物对其改良效果越显著;微生物固化作用能够明显削弱膨胀土的浸水膨胀率。

微生物诱导碳酸钙沉积加固有机质黏土的试验研究

利用尿素水解菌ATCC 11859,开展了不同胶结液浓度下MICP压力灌浆加固有机质黏土的研究试验。通过试验前后试样的无侧限抗压强度、CaCO_3含量、渗透系数、有机质含量以及灌浆过程中流出液Ca^(2+)与NH_4^+浓度的变化,综合评价了MICP压力灌浆加固有机质黏土的效果。结果表明:MICP压力灌浆加固有机质黏土是有效的,处理后试样有机质含量可降低1%～4%,无侧限抗压强度提高可达370%,渗透系数可降低约1个数量级;在本试验的菌液活性(即每分钟水解尿素的量为9.68毫摩尔每升)及浓度(约108 cell/mL)下,胶结液浓度对处理效果有明显影响,提高0.25M胶结液中的urea浓度,可显著提高处理后土体的无侧限抗压强度。

超声波提高微生物固化砂土效果的试验研究

为了研究超声波对巴氏生孢八叠球菌及其诱导碳酸钙沉积能力的影响,利用超声(20 kHz)开展超声辐照时间(0~30 min)和超声功率强度(0~0.8 W/cm3)的正交试验,用超声处理后的菌液进行水溶液试验和砂柱加固试验.测定菌液脲酶活性、OD600、细菌颗粒分布参数、碳酸钙的产量和加固后砂柱无侧限抗压强度.分析超声辐照时间、超声功率强度、超声能量强度对碳酸钙产量的影响.结果表明,超声辐照能够引发细菌产生生理强化反应,提高菌液脲酶活性.当超声能量强度约为8 W·min/cm3时,超声辐照能够有效地提高菌液诱导生成碳酸钙的能力.经优化的辐照策略(超声功率强度为0.4 W/cm3,处理时间为20 min)进行超声辐照处理后,水溶液中和砂柱中的碳酸钙产量分别提高了28.5%和35.6%,加固后砂样无侧限抗压强度为1.25 MPa,较对照组提高了91.6%.

钙源对微生物矿化胶结砂土材料均匀性的影响

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术可以改善砂土材料的力学性质,但MICP胶结砂土材料的均匀性问题是目前存在的重要问题,且严重影响了MICP技术的工程应用。进行小尺寸(直径3 cm、高度11 cm)和细长(直径5 cm、高度100 cm)砂柱试样的MICP一批次灌浆试验和溶液环境试验,探究氯化钙和乙酸钙两种钙源对MICP矿化反应过程和MICP胶结砂土材料均匀性的影响。MICP胶结砂土试样的碳酸钙含量和单轴抗压强度试验结果表明,与氯化钙作为钙源相比,乙酸钙作为钙源可以增加砂柱胶结长度,改善碳酸钙在灌浆方向的均匀性,减少MICP胶结砂土材料沿灌浆路径的强度差异;乙酸钙作为钙源可减缓MICP矿化反应过程,降低营养液中尿素的分解速率,进而提高营养液中未分解尿素和游离钙离子在MICP胶结砂土材料中的传输距离,有利于提高MICP胶结砂土材料的均匀性。

微生物加固粉土的强度特性及加固机理研究

针对华北地区广泛分布的黄河冲积粉土级配差、强度低的问题,采用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术对其进行加固。通过三轴试验研究加固粉土的强度特性,通过微观结构测试分析其微观机理;结合宏观现象和微观机理揭示强度加固机理。结果表明:MICP加固后粉土的强度得到了大幅提升;其黏聚力和内摩擦角均随加固轮数、胶结液浓度的增加而增大,且增长速率呈现出先快后慢的趋势;在胶结液浓度为0.5 mol/L、加固两轮时加固效率更高。就微观结构而言,土样中的孔隙随胶结液浓度和加固轮数的增大而逐渐减少;土样截面的平均非孔隙面积比随加固轮数、胶结液浓度的增加而增大;黏聚力、内摩擦角与平均非孔隙面积比之间均符合先快后慢的双线性增加关系。黏聚力与内摩擦角提升原因在于MICP加固生成的碳酸钙通过粘结粉土颗粒,填充堵塞颗粒间孔隙,使平均非孔隙面积比增大,进而提升土体强度。

基于微生物诱导碳酸钙沉积技术的黏性土水稳性改良

采用微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对黏性土进行改性处理,以改善其水稳性与抗侵蚀能力.利用喷洒法将配制的微生物菌液及胶结液先后喷洒至黏性土表层进行MICP处理,并开展一系列崩解试验,通过数字图像处理技术对土样的崩解过程进行定量分析和评价.通过颗粒分析试验研究MICP改性前后土样粒度组分的变化,通过扫描电子显微镜(SEM)分析土样的微观结构特征.结果表明:1)素土在浸水后发生快速崩解,而在相同的时间内MICP改性土样则能较好地保持原始结构,水稳性更强;2)崩解指数是描述土体崩解过程和评价土体水稳性的定量指标.MICP改性土样的崩解速率远低于素土,且最终稳定后的崩解指数仅为素土的50%;3)MICP改性能显著改变土样的粒度组分,具体表现为细颗粒质量分数减少,粗粒土质量分数增加;4)微生物诱导所产生的碳酸钙填充了土样中的大孔隙,并在土颗粒之间形成有效的胶结,极大提高土颗粒之间的联接强度,这是MICP技术提高土体水稳性的主要作用机制.

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。

微生物诱导碳酸钙沉淀改性膨胀土试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcite precipitation,简称MICP)技术可能是有助于解决膨胀土胀缩行为的一种潜在方法。用细菌浓度和脲酶活性作为控制指标,研究了在不同培养条件下的巴氏芽孢杆菌的生长特性,确定了最有利于细菌生长的温度、pH和摇床震荡速率。用MICP技术对两种不同的膨胀土进行处治,通过比较处治前后土样的自由膨胀率、无荷膨胀率、黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度等物理力学指标,验证处治效果,从微观角度解释了改性膨胀土的作用机制。结果表明:培养温度为30℃、pH为7、摇床震荡速率为200 r/min时,最适宜细菌生长。MICP处治后的膨胀土自由膨胀率和无荷膨胀率均有明显下降,黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度均有明显增强,MICP过程中生成的碳酸钙起到了孔隙填充和土颗粒胶结作用,同时钙离子对低价阳离子的置换和碳酸钙对土颗粒的包裹效应,共同作用改善了膨胀土特性。研究可为微生物处治膨胀土技术和工程应用提供参考。

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。