微生物诱导碳酸钙沉淀技术对花岗岩残积土渗透性的影响规律研究

用花岗岩残积土填筑的路基具有水稳性差、渗透系数大、易受降雨冲刷等特点。为探讨微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcite precipitation,MICP)技术对花岗岩残积土渗透系数的影响规律及作用机理,测定MICP固化前后重塑花岗岩残积土试样的渗透系数,并对固化前后的试样进行碳酸钙质量分数测定、核磁共振扫描、电镜扫描以及X射线衍射分析。结果表明:1) MICP技术能使花岗岩残积土试样的渗透系数降低两个数量级,且在试验范围内,将各因素按照对渗透系数的影响程度从大到小排列,依次为:胶结液浓度、固化次数、灌注液量。同时,最佳固化条件为灌注液量40 mL、胶结液浓度1.0 mol/L、固化16次。2)固化产生的沉淀填充在花岗岩残积土孔隙中,致使孔隙间的连通性变差,孔隙率下降。总体上,越靠近注入端碳酸钙的质量分数越大,固化效果越好。3)簇状的方解石碳酸钙有效胶结了原本松散的土颗粒,堵塞了土颗粒孔隙间的渗流通道,降低了试样的渗透系数。

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。

基于脲酶诱导碳酸钙沉积的微生物矿化技术在分散性土改良中应用的试验研究

将基于脲酶诱导碳酸钙沉积(EICP)的微生物矿化技术运用于分散性土的改良。以内蒙古呼伦贝尔某水库工程的筑坝土料作为岩土基质,通过针孔试验、双密度计试验和碎块试验,对微生物矿化改良前后的土样进行分散性试验鉴定和评价。试验结果显示,经过微生物矿化改良后的土样抗分散能力明显增强,特别是以脲酶溶液制备的微生物改性剂,改良后土样在针孔试验中经历了50、180、380 mm以及1020 mm的水头后,流出水始终保持清澈透明的状态,且出水口平整;针孔尺寸保持不变,收集针孔试验后的土样进行碎块试验,未出现胶粒的分散状况。双密度计试验中测得经脲酶溶液改良后土样的分散度低于30%,较原土样的分散度降低约50%,土样由分散性转变为非分散性;经微生物菌液改良后土样的分散度为41.1%,较原土样的分散度降低22%,土样由分散性转变为过渡性。以脲酶溶液制备的微生物改性剂,在粒径细小的黏性土中发挥矿化作用更加充分,就分散性土的改良和提高抗分散能力而言,优于以微生物菌液制备的微生物改性剂。首次将脲酶诱导碳酸钙沉积(EICP)技术应用于分散性土的改良,这是绿色微生物矿化技术与水利筑坝材料改良相结合的创新,在筑坝填料分散性土的改良中有着良好的应用前景。

微生物诱导碳酸钙沉淀改良黄土的崩解性试验研究

黄土特殊的结构和矿物组成导致其遇水易崩解,并引起边坡失稳、湿陷性沉降等一系列岩土工程问题。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是一种新型微生物矿化技术,本文通过自制崩解仪探究了养护龄期和胶结液浓度对MICP改良黄土崩解时间和崩解率的影响,根据非饱和土的单值有效应力公式,从孔隙水压力和孔隙气压力的角度建立了非饱和土崩解的力学模型,利用推导出的崩解率-时间公式拟合黄土试样的崩解曲线。结果表明:MICP改良试样的崩解率均低于未改良的试样;随着养护龄期增加,0.6 mol/L胶结液改良黄土的崩解时间由12 min增加到28 min;养护14 d时,MICP改良黄土的崩解率达到最低值0.02%,崩解率-时间公式对崩解率曲线的调整拟合优度均在0.90以上。

微生物诱导碳酸钙沉淀在土体改良中的应用

微生物诱导碳酸钙沉淀是一种新型改良土体的技术,该技术在较好保护环境的同时,可以改善不良土体自身的性质。本文系统总结了各类土体自身的特点以及利用微生物矿化机理固化各类土体后的无侧限抗压强度和渗透性大小,对加固效果的影响因素进行了讨论分析,以期为固化更多不良土体的技术和应用研究提供参考。研究结果表明,颗粒粒径和孔隙大小在一定范围内,才能具有较好的固化效果;初始渗透系数较大的土体矿化后渗透系数显著降低;土体自身的矿物成分和物理性质也会影响加固效果。可见影响微生物加固效果的因素有很多,需要选取最优方案以期达到较好的固化效果。

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。

盐渍环境微生物矿化碳酸钙技术可行性研究

为了从青海省寒旱环境的盐渍土、水、植物中筛选分离及鉴定可以生产脲酶的耐盐菌,改善青海牧区土壤环境,探索寒旱盐渍土环境中微生物矿化碳酸钙技术的可行性,试验利用5%盐浓度的筛选培养基筛选耐盐菌,从中筛选最优脲酶产生菌,测定其生长曲线和产酶曲线,并进行菌株鉴定及微生物矿化碳酸钙技术可行性测定。结果表明:筛选出200株耐盐菌,其中分离得到1株高产耐盐脲酶产生菌,该菌株在5%盐浓度下的液体培养基中于37℃、180 r/min振荡培养时,其对数生长期出现在4~24 h,最佳发酵时间为48 h,初始酶活性最高达到2.21 U/mL,经鉴定该菌株为木糖葡萄球菌,登录号为MN420830,生成的沉淀为碳酸钙。说明从青海省寒旱盐渍土环境中可以筛选出耐盐脲酶产生菌,且该菌在实验室环境条件下进行微生物矿化碳酸钙技术是可行的。

微生物诱导碳酸钙沉淀固结黄河泥沙试验研究

采用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术,以具有较高脲酶活性的巴氏芽孢杆菌制备微生物菌液,并辅以尿素和钙盐的水溶液对黄河泥沙样品进行灌浆固结试验,研究固结条件、颗粒类型对固结效果的影响,结果表明:MICP可以把泥沙颗粒黏结成型;泥沙的无侧限抗压强度为0.23~2.30 MPa,中沙的无侧限抗压强度为0.38~3.01 MPa;相同固结条件泥沙的无侧限抗压强度为中沙强度的76%,泥沙抗剪强度为中沙强度的48%;泥沙软化系数为32%;固结后仍存在强度分布不均匀和水稳定度不足等问题。

微生物诱导碳酸盐岩沉淀过程及作用机理

微生物诱导碳酸钙沉淀(microbially induced calcium carbonate precipitation,MICP)是一种在自然界中广泛存在的生物矿化过程。由于MICP具有反应速度快、环境条件要求低、应用范围广、温室气体减排效应显著等特点,在地质、土木、水利、环境多个领域中广泛推广应用。文章在分析国内外相关研究成果的基础上,归纳整理出反硝化过程、硫酸盐还原作用、尿素分解作用等多种微生物诱导下碳酸钙矿化途径和作用机制。以尿素分解菌为代表,重点讨论微生物诱导碳酸盐沉淀过程中pH、温度、离子浓度等环境因素对生成矿物晶型晶貌等方面的影响,总结了MICP的环境应用机制,即环境中的重金属元素通过替换作用替换矿化矿物中的Ca^(2+)或CO^(2-)_(3)从而被固定。MICP作为一种简单高效的地质环境过程,在生态环境修复领域具有广阔的应用前景。

微生物固化风沙土的保水性能试验研究

[目的]研究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化风沙土的性能,为MICP技术在固化风沙土以及恢复生态等方面提供理论依据。[方法]采用MICP技术对风沙土进行不同次数的固化处理,通过扫描电镜和光学显微镜对固化风沙土的微观结构进行分析,并测试分析固化试样的基本物理性质和保水性。[结果]通过MICP处理的风沙土,在风沙土颗粒之间有碳酸钙晶体生成,将沙土颗粒胶结在一起,使松散的风积沙固化成具有一定强度的整体;随着固化次数的增加,固化风沙土的厚度、干密度、碳酸钙含量逐渐增大,渗透系数逐渐减小,固化厚度由3.38 mm增加至11.28 mm,干密度由原沙的1.61 g/cm^(3)增加至2.05 g/cm^(3),碳酸钙含量由8.99%增加至13.08%,渗透系数由原沙的1.06×10^(-3)cm/s减少至2.35×10^(-4)cm/s;当固化处理次数不大于5次时,保水率随固化处理次数的增加而增大,固化试样的保水性能有所改善,固化处理超过5次后,保水性能则有所下降。[结论]采用MICP技术固化的风沙土,可明显改善风沙土的干密度、渗透性能和保水性。综合考虑固化效果、保水性及经济性,建议最佳的固化处理次数为3次。这样可有效防治风蚀并保持土壤水分以利于生态修复。

沙漠微生物矿化覆膜及其稳定性的现场试验研究

将微生物诱导矿化技术应用于原位沙漠覆膜的形成,使得流动沙丘经结皮固定而成为半固定、固定沙丘,从根本上阻断沙尘暴的源头。在内蒙古乌兰布和沙漠腹地选择两个微生物矿化试验区域(TP1和TP3),分别用于两种不同矿化菌种诱导生成碳酸钙覆膜。研究沙漠微生物矿化覆膜的现场试验方法及工艺,对原位矿化覆膜的强度及其在沙漠环境中的长期稳定性进行跟踪检测。采用沙漠土中自行提取的葡萄球菌和传统的巴氏芽孢杆菌两种不同的微生物矿化菌种,通过现场贯入试验检测7、14、28、60、210 d后矿化覆膜沿深度发展的贯入阻力,并将覆膜厚度为2 cm处的平均贯入阻力换算成覆膜层强度,总结覆膜强度随时间的发展变化规律。现场观测结果显示,不同微生物菌种诱导生成的矿化覆膜均在试验的第4天开始形成,到第7天覆膜层具有稳定的强度和厚度,现场检测覆膜的平均厚度为2.0～2.5cm,经自源葡萄球菌诱导生成的矿化覆膜(TP1)的强度是巴氏芽孢杆菌诱导生成的矿化覆膜(TP3)强度的1.05倍。当经历冬春交替后覆膜层强度都有不同程度的降低,明显地TP3较TP1区域表面剥落更为严重,第210天检测TP3的平均厚度为0.7～1.0 cm,覆膜强度较第7天时降低19%,覆膜内碳酸钙含量较第7天检测时降低15%～30%。而TP1在第210天时的强度较第7天时强度降低仅2%。因此,微生物诱导矿化技术可以应用于沙漠原位覆膜的形成,且沙漠自源葡萄球菌经诱导生成的矿化覆膜层具有更好的强度表现和稳定性。

纤维掺量对微生物固化海洋砂土力学性能的影响

利用微生物能够固化海洋砂土,但在其固化强度和均匀性方面还有些许不足。为此本文提出纤维加筋与微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)相结合并添加活性炭的方法,制备了纤维掺量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的海砂土试样,经MICP固化后进行围压为100 kPa的三轴压缩试验以及添加活性炭(AC)和未添加活性炭(NAC)的三轴压缩对比试验。试验结果显示:围压为100 kPa时,AC试样及NAC试样的最优纤维掺量皆为0.2%;当纤维掺量为0%、0.1%和0.2%时,添加活性炭会提高试样的强度,而当纤维掺量为0.3%和0.4%时,活性炭的添加对试样强度影响不大;试样的初始弹性模量E_(0)和割线模量E_(50)均随纤维掺量的增大呈现先增大后减小的趋势,且在纤维掺量为0.2%时有最大值,当纤维掺量较小(为0%、0.1%和0.2%)时,添加活性炭可以提高试样的初始弹性模量E_(0)和割线模量E_(50),而当纤维掺量较大(0.3%和0.4%)时,添加活性炭对试样的初始弹性模量E_(0)和割线模量E_(50)影响不大。

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。

生物修复和微生物矿化在重金属污染土壤处理中的研究进展

随着工业化的发展,重金属对环境的污染日益严重,尤其越来越多的重金属通过各种途径被排放到环境中造成土壤污染。由于土壤中的重金属难于分离和降解,且可以通过食物链进入人体,从而对人类的生存健康造成了很大威胁。治理土壤重金属的办法有物理法、化学法和生物法。物理化学方法往往代价昂贵,而且效果不好,容易造成二次污染,并且不适合大面积,低浓度的重金属污染。生物法中的微生物治理土壤污染是一种新兴的土壤治理方法,其中微生物矿化(MICP)是一种对环境友好的绿色治理方法,并且代价低廉。文章主要探讨了近些年来微生物矿化在土壤重金属中的应用及未来前景展望。

微生物矿化技术改良砒砂岩风化土的冻融特性试验研究

砒砂岩地区严重的水土流失使当地植被稀少、生态环境恶劣,同时砒砂岩岩体经风化后形成的碎屑不断迁移到黄河等河流中,成为黄河中上游粗泥沙的主要来源。为此,将微生物矿化技术应用于砒砂岩及其风化土的加固和改良解决其遇水溃散的难题。在实现砒砂岩风化土矿化加固的基础上,采用宏观力学性能测试结合孔隙测定微细观结构测试手段,研究冻融循环作用后矿化风化土的性能变化和衰退机理。结果表明:矿化试样经盐蚀冻融循环后,其强度降低,内部孔隙不断变化,不同大小的孔径发育或相互转化。盐环境对试样强度性质造成的削弱程度大于去离子水中试样的劣化程度,复合盐环境中试样强度性质的削弱大于单一盐环境中的试样。混合盐环境下经历5次冻融循环后试样就侵蚀破坏了,抗冻融能力降低至0.125 6,同时期去离子水环境中试样抗冻融能力降低至0.416 7,相差将近3倍;因冻胀作用、干湿作用和颗粒间连接的破坏,试样孔隙度增大,不同类型孔的分布量累积变化率随冻融循环次数的增加而增大。试样强度的降低,实际是内部骨架力学性能降低的宏观体现,试样内部孔隙骨架因抵抗冻胀力能力的不断减弱,造成宏观上强度的不断降低,随着试样抵抗变形潜能的释放,冰的体积膨胀系数和孔隙收缩系数不断变大,混合盐由于内部胶结破坏多而孔隙骨架的变形能力弱,膨胀系数最大,收缩系数最小。

微生物地质工程技术及其应用

微生物地质工程技术是将微生物参与的生化过程加以控制和利用,来解决工程地质问题的一类新型岩土体水—力学特性改性技术。研究表明该技术具有低成本、环境友好、低能耗和过程可控的优点,是工程地质界近些年的一个热门研究内容,也是现代工程地质学科的重要发展方向。文章基于当前该技术取得的研究进展,系统总结了能被加以控制和高效利用的三种代表性微生物地质工程技术(微生物成矿作用、微生物膜作用及微生物产气作用)的原理及其应用领域。着重对研究最多、应用前景最广的微生物成矿作用改性岩土体力学特性、渗透特性、抗侵蚀性等工程性质及机理进行了阐述,并深入探讨了影响微生物成矿作用改性效果的关键因素(细菌种类、菌液浓度、环境温度、pH值、胶结液、土体性质及灌浆工艺)。此外,文章还详细论述了微生物成矿作用在地基处理、岛礁建设、防风固沙、水土保持、抗裂防渗、文物保护、地灾防治等领域的应用现状,并探讨了该技术当前面临的主要挑战及未来的重点研究方向。

微生物加固岛礁地基现场试验研究

人工吹填岛礁是我国南海开发的重要战略工程,但是吹填岛礁地基不能直接用于工程建设,必须对岛礁地基进行加固处理。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是近年来提出的一种新型加固技术,可以用于提高砂土强度并降低砂土渗透性能。本文开展了人工吹填岛礁钙质砂地基现场微生物加固试验研究,结果表明经过3?4次微生物加固处理后,开始检测到地基表面强度提升;经过9次微生物加固处理后,地基表面强度大于10 MPa,最高可达20 MPa,地基加固深度达70 cm,无侧限抗压强度最高可达821 kPa。

软岩填筑体多层多孔微生物灌浆室内模型试验研究

目前利用无损检测技术来评价微生物矿化反应加固效果的研究较少。在试验确定微生物灌浆周期、灌浆速率以及最优灌浆间距的基础上,结合填筑体内部进行管路灌浆的思想自主设计了用于填筑体加固的多层多孔灌浆管道系统,利用该系统开展泥质页岩残积土的微生物灌浆室内模型试验。利用超声波检测技术,针对循环灌浆得到的残积土胶结体开展详细的加固效果分析,结果表明:(1)利用多层多孔灌浆管道系统对填筑体进行微生物诱导方解石沉淀(MICP)技术处理后,残积土填筑模型的超声波速增大明显,表明采用该灌浆方法可有效提高填筑体密实度,证明了应用自主设计的多孔灌浆系统进行填筑体加固的可行性;(2)利用超声波检测技术测定不同灌浆阶段填筑体的正、侧面波速,发现其波速与增量呈左右对称分布,且随着微生物注浆加固次数的增加,模型加固区域逐步向上部土体扩散,其中中部土体加固效果较强;探究了填筑体内部的加固规律以及超声波速技术用于评价加固效果的可行性;(3)利用超声波检测技术,采用"正面提供权重,侧面提供波速"的方法对各测点的波速进行推算,得到填筑体的波速值云图,进一步揭示了填筑体内部密实度的变化规律。研究结论可为微生物加固填筑体的效果分析提供借鉴与依据。

不同处理工艺下微生物对岩石裂缝加固效果影响

随着微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术在岩石裂缝修复领域研究的深入,该技术在实际工程中的应用也日渐广泛。为深入研究不同处理工艺条件、胶结液浓度对MICP技术加固岩石裂缝效果的影响,采用蠕动泵注浆和浸泡灌浆两种不同工艺对岩石裂缝加固进行室内试验,确定最优微生物加固岩石裂缝工艺。经试验得出最优的处理工艺条件参数,并在此基础上开展不同胶结液浓度(0.5、0.7和1.0 mol/L)条件下微生物浸泡灌浆加固岩石裂缝试验,进行胶结液浓度对加固效果影响的量化分析。结果表明:相同胶结液浓度条件下,蠕动泵注浆工艺和浸泡灌浆工艺加固岩石裂缝后界面抗剪强度分别为0.28和0.89 kPa,后者约为前者的3.2倍;浸泡灌浆处理工艺条件下胶结液浓度对加固后岩石试样界面抗剪强度影响显著,随着胶结液浓度的增大,加固与未加固裂缝界面黏聚力的比值呈线性增长。不同形状岩样的试验结果表明,圆柱体岩样加固后裂缝界面黏聚力增长速度要明显高于长方体岩样。

冻融循环作用下MICP固化铅污染土的强度与浸出特性研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术可用于重金属污染土固化稳定修复。本文通过开展无侧限抗压强度、离子浸出及微观试验,主要研究MICP固化铅污染土在冻融循环作用下的强度与化学稳定性,并揭示其微观作用机理。结果表明:随着铅离子浓度的增加,土体的无侧限抗压强度先增大后减小,铅离子浸出浓度增大;随冻融循环次数的增加,土体的强度逐渐降低并趋于稳定,铅离子浸出浓度增大。冻融循环作用后,固化土的主要矿物成分未发生变化;土中的小孔隙数量增加,大孔隙数量基本保持不变。冻融循环作用损伤固化土的碳酸钙胶结与铅离子沉淀结构,致使土体性能劣化。