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。

微生物加固钙质砂试样的声发射能量统计特性

微生物加固是一种环境友好型土壤加固技术,具有提高强度、降低渗透率、控制液化等优点,也可以用于修复重金属污染物、防治矿井粉尘,大量学者对其进行了研究[1]。在中国南海地区,大量岛礁建设工程中主要地基材料均为钙质砂,由于复杂的工程环境,钙质砂地基存在沉降变形量过大、不均匀沉降和液化等问题,威胁到工程建设安全,有学者提出可以使用微生物加固技术对岛礁钙质砂地基进行加固以解决工程问题[2]。

微生物加固钙质砂地基动力响应特性研究

微生物加固技术是一种有效提高土体强度、抑制土体发生液化破坏的绿色环保加固技术。采用温控微生物加固法对南海钙质砂地基模型进行微生物加固处理,并开展了一系列模型振动台试验研究,系统讨论了微生物加固程度和土体深度对微生物加固钙质砂地基的动应力应变关系、剪切模量、剪切波速以及动强度等动力特性的影响。试验研究表明微生物加固对钙质砂地基的动力学特性影响十分显著,具体表现在:随着微生物加固程度的提高,动剪应变显著降低,滞回圈骨干曲线的斜率逐渐增大,滞回圈面积和土体能量的耗散逐渐减小;动剪切模量随着加固程度的提高而增大,但增大幅度逐渐降低;深部土体的剪切模量衰减要高于上部土体;剪切波速值随着微生物加固程度的提高而显著提高,振动后的土体剪切波速值要高于振动前。动三轴试验获得的统一动强度方程,通过折减系数进行修正处理,可在一定程度上模拟振动台试验所获得的微生物加固钙质砂动强度发展规律。

脲酶抑制剂作用下微生物加固某金属尾砂试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀过程是基于微生物产生脲酶而发生的。因此脲酶是影响该过程的重要因素。为了改善微生物加固尾砂的效果,考虑脲酶抑制剂能有效抑制脲酶活性、延缓尿素水解的作用,本文通过在微生物加固尾砂试验过程中引入了不同掺量的脲酶抑制剂,并对加固后的尾砂柱体进行宏观力学试验与微细观检测,系统分析了脲酶抑制剂对微生物加固尾砂的效果。结果表明:适量的脲酶抑制剂可较大程度地延长巴氏芽孢杆菌迟滞期,可改善碳酸钙沉淀分布的均匀性,可提升微生物固化后尾砂试样的力学性能。其中,脲酶抑制剂的掺量为0.1%时,砂柱试样具有明显的剪切破坏模式,其剪切峰增长13.26%,有效黏聚力增长11.82%,有效内摩擦角增长6.85%,碳酸钙生成率同比增长了34.17%,孔隙率降低了46.90%。

微生物加固钙质砂强度演化过程的环剪试验研究

为获得钙质砂试样在微生物加固过程中的强度特性,对环剪仪的剪切盒进行改造,实现在环剪仪上直接完成钙质砂试样的微生物固化过程。通过环剪试验研究加固时间对固化效果的影响,考虑环剪试验过程中竖向应力的影响并与未加固钙质砂试样进行对比分析。结果表明:在改造后的环剪仪上直接完成固化可以获得加固时间较短、强度相对较低的试样。随着加固时间的增加,试样的抗剪强度不断增大并逐渐达到稳定值,加固48 h后,试样的抗剪强度及残余强度分别达到未加固试样的1.8倍及1.6倍。与未加固试样相比,固化试样表现出明显的应变软化现象,这可能与碳酸钙胶结结构发生破坏有关。在较高竖向应力(75~125 kPa)条件下,固化试样与未加固试样均会表现出较明显的应变软化现象,但两者出现软化现象的原因不同。

微生物加固黄河中下游典型粉土的影响因素分析

采用单因素控制法研究了温度、pH值、接种量、转速4个因素对巴氏生孢八叠球菌脲酶活性的影响,获得了产地为德国的巴氏生孢八叠球菌的优选生长条件,并研究了不同营养盐浓度对黄河中下游典型粉土加固的效果。研究结果表明,温度对该菌种的生长有显著影响,最佳环境温度为32℃;当接种量为5%、pH值为8、摇床转速为180r/min时,该菌种的脲酶活性值较高。对于该粉土,1.10mol/L的高浓度钙盐有利于微生物诱导生成更多的碳酸钙,其含量可达261mg/g,且粉土试样的单轴抗压强度可达1.70MPa。

微生物加固钙质砂环剪试验研究

对取自南海岛礁的钙质砂进行固化处理,通过环剪试验研究微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)胶结钙质砂的抗剪强度特性,并考虑菌液浓度、菌液浸泡时间、加固液浓度、加固时间、竖向应力以及海水环境等因素的影响.结果表明:MICP方法可以有效提高钙质砂的抗剪强度.当加固液浓度为0.5 mol/L时,加固后试样的抗剪强度达到最大值,约为未加固试样的3倍,并表现出显著的应变软化现象.提高菌液浓度、菌液浸泡时间、加固液浓度、加固时间均可改善微生物加固效果,减小残余强度与峰值强度的比值,使试样的应变软化现象越来越明显.海水环境虽对MICP加固过程有抑制作用,但在此环境下采用MICP方法仍能有效提升钙质砂地基的抗剪强度.

菌液密封状态对微生物加固粉土的影响

利用巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉积来加固土体已成为土木工程领域的研究热点。菌液在土中的密封状态会影响其活性,并对加固效果有直接影响。已有研究多集中于加固砂土,而且较少涉及菌液密封状态这一因素。以海相粉土为研究对象,采用先将菌液与粉土拌合,然后入渗多轮胶结液的方法进行加固。通过控制是否允许菌液流出,来改变菌液在试样中静置时的密封状态,研究不同密封时间对加固效果的影响。结果表明:密封时间对菌液活性有影响。当密封时间从0增至12 h后,活性有较明显增加。随着胶结液的多轮入渗,菌液密封状态对活性的影响逐渐减小。采用不同方案处理后的试样加固效果相差较大。菌液密封时间短的试样,生成的碳酸钙数量和无侧限抗压强度均较低。菌液在试样中密封12 h后入渗胶结液的效果最好。采用更高浓度菌液进行了不同菌液密封时间的对比试验,仍是密封12 h的效果最好,所得结果验证了以上结论。

微生物加固技术在地基处理应用中的前景浅析

微生物加固技术由于其自身环保优势,得到了相关研究人员重视,并在国内得到了相应发展。相较混凝土而言微生物加固技术在环境保护及绿色再发展方面优势明显。

微生物加固技术在坝基裂隙岩防渗加固中的应用

微生物灌浆加固技术是一种新型无毒、无污染的学科交叉技术,具有广阔的市场应用前景。文章以三道岭水库大坝重建工程为例,利用现场试验的方式,探讨和验证了微生物加固技术在坝基裂隙岩防渗加固中的应用。结果显示,微生物防渗加固技术可以大幅提高坝基岩体的整体性、连续性和坚固性,可以在工程设计中选用。

生物修复加固石质文物研究进展

置于自然环境中的石质文物因物理、化学及生物等因素作用风化腐蚀、开裂破损而处于濒危境地,许多传统方法在应用中或因负面效应太强或因收效甚微而受局限。对结构修复加固应避免造成不可逆反应,其产物应兼具良好的相容性、有效性与耐久性,生物修复加固因应而生。综述了近年来生物修复加固方面的研究进展,并探讨了生物修复加固机理及应用研究前景。

生物修复加固材料在土木工程中的应用研究进展

生物修复加固材料生态环保、性能优异。本文综述了近年来生物修复加固材料在石质文物与历史建筑保护、混凝土裂缝修补、提高混凝土耐久性以及岩土工程等领域的应用研究进展,并探讨了材料修复加固机理、存在的问题及应用研究前景。简要梳理一下生物修复加固材料在土木工程中的应用研究思路。

微生物诱导矿化加固粉土坡面的径流与侵蚀特性

微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)是一种微生物矿化过程,能够胶结松散土体。将其应用于加固土体坡面提高抗降雨侵蚀能力具有潜在的发展前景。通过模拟降雨冲刷试验,对微生物诱导矿化加固前后粉土坡面的径流水动力与侵蚀特性开展研究,分析和讨论了水动力参数之间的相关性以及对土壤剥蚀率的影响规律。结果显示,加固后与加固前相比,粉土坡面径流的弗劳德数平均下降50%;在降雨前期的阻力系数平均下降66%,径流稳定后二者阻力系数接近;径流剪切力平均提高52%。径流系数与坡面入渗速率呈线性负相关(R^(2)=0.857),与加固层的贯入强度呈指数负相关(R^(2)=0.824);入渗速率与加固层的贯入强度呈二次负相关(R^(2)=0.930);径流剪切力与坡度呈指数正相关(R^(2)=0.964)。加固粉土坡面的剥蚀率与加固层的贯入强度呈指数负相关(R^(2)=0.822),与径流剪切力线性正相关(R^(2)=0.912),临界径流剪切力为0.5 Pa。对于坡度10~25°的粉土坡面,微生物加固能将其剥蚀率从58.2~118.4 g/m^(2)s降至2.4~21.2 g/m^(2)s,剥蚀率最大降幅可达95.0%。粉土坡面经微生物诱导矿化加固后,水动力参数值发生显著变化,径流特性与水动力参数、加固层特性及坡度相关,坡面的抗冲刷侵蚀性能得到有效提升。

浅析建筑结构加固技术应用

本文对建筑结构加固施工技术进行深入探讨,分析了建筑结构老化和损伤的原因,阐述建筑结构加固的必要性以及加固的效益。同时,详细介绍建筑结构加固的常用技术,如加大截面加固、外包角钢加固、碳纤维加固、微生物矿化加固、焊接加固、螺栓连接加固等。

微生物加固土体的反应-运移模型及数值模拟

基于微生物加固(MICP)技术的作用机理,考虑注浆(包括菌液和胶结液的注入)过程中细菌的运移和附着、尿素水解速率、碳酸钙沉淀、孔隙填充和渗透率降低等特征,建立了适用于现场尺度的反应-运移模型.结合实际工程中的注浆方案,模拟分析了注菌(即注入细菌悬浮液)和注胶(即注入胶结液)速率及注胶方式对固化效果的影响.结果表明:注菌速率的增加会降低细菌的固定率;在单一注胶方式下,注胶速率的增加能提高反应物的运移效率,改善碳酸钙沉淀的均匀性,但是不利于碳酸钙沉淀量的累积;采用循环注胶方式并提高胶结液浓度,能增加细菌和反应物的利用率及运移效率,在增加碳酸钙累积量的同时改善固化的均匀性.

微生物加固钙质砂动孔压模型研究

在地震、波浪等动力荷载作用下钙质砂地基易发生砂土液化造成结构破坏,微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)可以大规模处理钙质砂地基,提高其抗液化能力。本文采用循环三轴试验研究微生物加固钙质砂的动孔压发展特性,探讨有效围压、动应力比、相对密实度以及加固程度对微生物加固钙质砂动孔压发展的影响。研究表明,微生物加固钙质砂的孔压发展模式受动应力比和微生物加固程度的影响较大,根据动应力比和加固程度不同,微生物加固钙质砂表现出3种不同的孔压发展模式,孔压曲线随动应力比和加固程度增加逐渐由S型向双曲线型过渡。根据动孔压的发展规律,提出一种适用于微生物加固钙质砂的统一孔压应力模型,通过对比验证了该模型在预测微生物加固钙质砂动孔压发展上的适用性。

微生物温控加固钙质砂动强度特性研究

利用微生物温控加固技术对南海某岛钙质砂进行了MICP加固砂柱试验,并通过循环三轴试验开展了MICP加固钙质砂的动强度特性试验研究,探讨了不同MICP加固程度、相对密实度以及有效围压对钙质砂动强度与液化特性的影响。研究发现,经过MICP加固后松散钙质砂的动力液化特性由"流滑"逐渐演变为"循环活动性";相较于未加固中密砂试样,MICP加固中密钙质砂试样表现出更加明显的"循环活动性"特点。MICP加固钙质砂的动强度随着MICP加固程度、相对密实度以及有效围压的提高表现出不同程度的提高。针对MICP加固钙质砂提出了优化动强度经验公式,建立了MICP加固钙质砂的统一动强度准则。该研究成果将为MICP加固技术在南海岛礁建设发展和应用中提供重要的理论基础。

微生物灌浆技术加固钙质砂的实验研究

微生物诱导碳酸钙加固技术(MICP)与传统化学灌浆加固技术相比,能有效提高砂土的强度、渗透性及抗侵蚀性能等,且微生物灌浆材料为溶液或悬浊液,与传统胶凝材料相比,具有黏性低、流动性好、反应速率可调控、环境污染少等优势。向砂土柱中灌注菌液以及胶结溶液(尿素和氯化钙混合溶液),通过四轮注浆实现对砂土柱的加固,基于无侧限抗压强度实验,分析砂土颗粒级配、营养液浓度对于砂土柱加固效果的影响。并且结合电镜扫描探究微生物灌浆加固技术的微观机理,实验结果表明:砂颗粒之间有明显的碳酸钙生成,生成的碳酸钙呈现出膜结构和颗粒的形态,将砂土颗粒黏结并填充起来,形成一个更加致密整体,从而提高砂土柱抗渗性和抗压性,同时适宜的浓度和颗粒大小对加固起到了明显的促进作用。

不同形式生物液加固砂土试验及机理分析

为研究用新鲜培养基重悬巴氏球菌菌体(RF)对砂土加固效果是否有促进作用及其作用机理,通过一系列溶液及砂柱试验对比分析4种不同形式生物液的尿素水解、诱导生成碳酸钙(MICP)及砂土加固能力.结果表明:培养完成后未经任何处理的原菌液(US)的尿素水解及MICP能力主要来源于菌体内脲酶,另一部分源于菌体裂解释放的游离脲酶;高菌液浓度时,用新鲜培养基重悬菌体可一定程度促进菌液中菌体的MICP能力,但由于RF制备时移除上清液(SS),造成脲酶损失,导致RF的总体MICP能力与原菌液基本相同;经原菌液加固的砂柱具有更高的抗剪强度及碳酸钙产量,且原菌液中上清液和菌体的共存使砂颗粒间产生的胶结接触更有效.相比RF,原菌液兼顾简便、经济及高效性,因此,在MICP处理需快速加固的地基问题时原菌液应被优先选用.

微生物诱导碳酸钙结晶加固路基土技术及应用

路基土体中存在多种微生物,微生物的活动会对路基土的物理力学性质产生影响,如何利用微生物技术加固路基土体是目前的研究热点之一。微生物矿化碳酸钙结晶(Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation,MICP)技术利用微生物在特定条件下反应生成具有胶结作用的碳酸钙凝胶加固路基土体属于环境友好型技术,且加固效果明显。文中介绍了该技术的理论基础和发展现状,从砂土注浆、微生物生成气泡降低饱和度、微生物反应产生微生物膜起到防渗作用等方面分析了其加固路基土体的机理。