微生物岩土工程技术的过去、现在与未来

微生物岩土工程技术作为一种新兴的生态友好型岩土体改良加固技术,应用前景广阔。但限于理论水平和研究手段,该技术仍存在较多不足,难以实现高效固化,由此成为大规模现场应用的瓶颈。而提升固化效率的关键在于明确其作用原理和影响机制。文章梳理了微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)的研究现状,系统归纳了固化原理和改良岩土体的物理力学特性,并分析得出固化效率主要受到反应物自身和外部环境两方面的影响。当前MICP技术已初步应用于土体固化、裂缝修复、防渗处理、污染修复及微生物水泥等领域,但由于矿化难以均匀、反应物不经济、微生物及脲酶活性期短且受环境干扰大、代谢产物附带毒性、现场应用性差,该技术目前主要限于实验室水平。作者分别提出了可能的突破与改进方向,并结合实验室成果指出豆粕进行菌体扩培和脲酶供给的碳源优势,以及将磷石膏作为现场钙源的环保性和经济性,以期为从事微生物岩土工程研究与技术开发的人员提供参考。

盐蚀环境下微生物矿化岩土材料的冻融特性研究

基于MICP技术将松散砂粒改良成微生物矿化岩土材料,通过室内冻融循环实验,研究矿化材料在4种不同的冻融环境中的表观形貌、质量损失率、饱和含水率、无侧限抗压强度随冻融循环周期的变化规律,以及利用NMR测试手段分析材料的孔隙变化。结果表明:随着冻融周期增加,在4种冻融液中矿化材料均伴随剥落现象,无侧限抗压强度均呈逐渐减小趋势,质量的损失和饱和含水率的增加严重影响了材料的抗冻性能,且在5%Na2SO4溶液中矿化材料的粉化速度较快,质量损失最大,劣化速度最快,NMR图谱中弛豫时间大于200ms的未冻水含量在冻融过程变化最大,是造成样本质量的损失和强度的破坏的主要原因;在去离子水溶液中样本的抗冻能力也较弱,次于Na2SO4溶液;在3%NaCl溶液和混合溶液中由于NaCl的存在降低材料的凝固点,使得材料的抗冻能力延长,此研究为微生物矿化岩土材料在寒冷地区的工程应用提供基础实验依据。

微生物矿化风沙土强度及孔隙特性的试验研究

风沙土广泛分布于沙漠地区,其颗粒细小均匀,粒间无粘聚力,易引起风蚀形成沙尘暴的尘源.自行设计实验室制备方法及工艺,通过微生物诱导碳酸钙矿化(microbial induced calcite precipitation,MICP)技术固化沙漠风沙土.分析MICP矿化砂土试样的强度特性,以及菌液浓度,岩土基质的孔隙率及颗粒级配对MICP矿化砂土强度的影响.试验结果表明,当砂土试样的矿化时间为7天,菌液浓度OD600值在0.5～0.8之间,经MICP矿化后的风沙土其无侧限抗压强度平均值为0.66 MPa,内摩擦角平均值为36°,对运用MICP技术矿化沙漠风沙土的可行性进行了试验验证.当岩土基质具有较大的孔隙率且级配良好时,MICP矿化过程更加充分,MICP矿化砂土试样呈现出更好的强度特性.进而,利用核磁共振技术分析MICP矿化前后砂土试样的孔隙特征,测试结果显示经MICP矿化作用后试样的孔隙发育良好,孔隙半径大多分布在30μm～50μm之间,半径为100μm的孔隙提供大部分孔隙体积,且矿化作用后较未矿化前砂土试样孔隙率减小约15%.

微生物诱导矿化风沙土的紫外侵蚀微观试验研究

基于微生物诱导矿化(MICP)技术,以乌兰布和沙漠风沙土为岩土基质,对基于MICP技术诱导矿化风沙土的紫外侵蚀特性进行微观试验研究。模拟乌兰布和沙漠地区的冬季紫外线照射量,且将乌兰布和沙漠地区冬季室外紫外线照射总的有效时间等同于室内紫外线照射总有效时间,确定室内紫外侵蚀试验的紫外照射时间,并运用微观电镜扫描和核磁共振技术,在相同的紫外线照射强度下,研究矿化风沙土试件的孔隙特征随照射时间延长的变化规律。结果表明:经过紫外线照射后,微观电镜扫描显示MICP矿化试件在紫外线长时间照射下,碳酸钙晶体出现孔洞,此现象证明了紫外线的长期照射侵蚀弱化了碳酸钙的性能。当紫外侵蚀试验中照射时长为1046h时,MICP矿化风沙土材料孔隙度变化率为23.6%;在核磁共振试验中,照射前试件的T2图谱呈多峰型,孔隙分布不均匀;试件的孔隙度随照射时间的延长而增大;随照射时间的增加,孔隙不断发育扩展,大孔隙逐渐减少,中孔隙逐渐增多,而小孔隙逐渐发育并与中型孔隙连接,大孔隙虽有残留,但大部分都转化为中型孔隙,材料的抗紫外侵蚀能力逐渐降低;孔隙主要分布在0.1~8μm,以半径为1μm的小孔隙为主。微生物矿化风沙土的紫外侵蚀研究为该技术在沙漠原位微生物覆膜的应用推广提供了基础研究和试验依据。