酶诱导碳酸钙沉淀技术加固TBM壁后吹填豆砾石最优配比试验及机制研究

TBM(tunnel boring machine,简称TBM)隧道中豆砾石作为管片与围岩填充层对管片承载及抗渗具有重要意义,水泥浆液流动性差,无法充满回填层进而导致壁后空洞、灌浆不密实等缺陷,酶诱导碳酸钙沉淀(enzyme-induced calcium carbonate precipitation,简称EICP)技术是作为一种环保高效的加固方法,灌浆材料均为液体具有很好的流动性和扩散性,用于豆砾石回填层灌浆施工有望解决上述问题。为实现吹填豆粒石EICP灌浆最优效果,尝试将标准砂与豆砾石共同作为回填骨料,为定量化分析二者的最优配合比,开展了不同豆砾石与砂的配合比(0.5、0.75、1.0、1.25、1.5)和不同灌浆次数(9、12、15次)的砂柱固化试验。通过无侧限抗压测试、渗透性测试、碳酸钙含量测定、超声波速测定、扫描电镜(scanning electron microscope,简称SEM)试验,从宏观和微观角度分析不同石砂配合比对EICP固化效果的影响。结果表明:EICP加固豆砾石混合砂的最优配比为1:1.5,经15次灌浆加固后,试样单轴抗压强度最高可达4.55 MPa,渗透系数达1.72×10^(-5)m/s;对于含砂量较高的试样,颗粒间孔隙易被碳酸钙晶体填充密实,碳酸钙晶体有效胶结比例较高,结石体无侧限抗压强度较高。研究成果可为EICP技术加固隧道掘进机壁后吹填豆粒石的工程应用提供理论依据。

植物脲酶诱导碳酸盐沉淀改良土体研究进展

酶诱导碳酸盐沉淀(EICP)改良土体是岩土工程领域的新兴热点技术,全面总结梳理EICP改良土体的研究现状,优选关键技术参数,并对EICP的未来发展提出了展望。建议制定植物脲酶促沉碳酸钙改良土体方法标准,对植物脲酶的保存方法、EICP改良土体在特殊环境条件下的长期性能开展研究。研究结果表明:EICP能够显著提高土体的性能,无侧限抗压强度最高可达3 MPa,抗风蚀能力可达29.1 m·s^(-1),表面贯入强度可达1.065 MPa,渗透系数降低率可达98.2%,重金属离子质量分数降低率可达99.96%。

土豆脲酶提取及基于酶诱导碳酸钙沉淀技术对风积沙改良的方法

基于酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)技术,使用植物脲酶对沙漠风积沙进行改良加固试验。为寻求价格低廉和操作简单的脲酶提取方法,以土豆为原材料,去离子水、甘油水溶液和乙醇水溶液为提取液,通过破碎冷藏及高速离心方法成功地从土豆中分离提取出植物脲酶,分析提取过程中不同提取液对脲酶提取效果的影响,基于EICP技术,利用土豆脲酶液对风积沙进行改良处理。结果显示,在3种提取液中,效果最优的是乙醇溶液,甘油水溶液次之,去离子水提取效果最差。而当固液比为1:6、乙醇溶液浓度为30%时,脲酶活性值最高且提取效果最佳。在风积沙改良试验中,试件表面形成了坚硬的结皮层并具有较高的抗压强度,随着浸泡脲酶次数的增加,无侧限抗压强度逐渐增强。

靶向激活产脲酶微生物联合酶诱导碳酸盐沉淀加固陆域吹填海砂试验研究

生物矿化加固土体方式目前呈现多样化,不同矿化方式又有其各自的局限性,酶诱导碳酸盐沉淀(EICP)缺乏成核位点,而靶向激活产脲酶微生物诱导矿化(生物刺激)加固周期较长、强度较低。针对这些问题,提出生物刺激联合EICP加固土体的矿化方法。以厦门翔安国际机场吹填海砂为试验对象,通过无侧限抗压强度测试(UCS)、碳酸钙生成量测定、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和微生物多样性检测等试验评价并分析联合方法的加固效果。结果表明:(1)生物刺激联合EICP的矿化方式得到更高的UCS,可以达到2300 kPa,大于两者单独矿化的强度之和;(2)生物刺激联合EICP的矿化方式可以促进碳酸钙沉淀生成的同时提高其分布均匀性,并优化碳酸钙的晶体结构;(3)微生物的群落分析表明,生物刺激可以高度激活产脲酶细菌,EICP对部分物种有轻微的刺激作用,生物刺激联合EICP的物种丰富程度、均匀程度则介于EICP和生物刺激之间。

EICP与木质素联合改性粉土边坡抗雨蚀试验研究

通过设置6组试样,采用降雨试验,通过试样的表面侵蚀状况与冲蚀量、表面强度、碳酸钙含量的变化分析了改性后粉土边坡的抗雨蚀性能。试验结果表明:植物源酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)与木质素联合改性试样并在表面喷洒EICP溶液后,试样表面完整度更好,表面强度及碳酸钙含量更高,质量损失更小,抗雨蚀能力明显提高,与其他试样的平均值相比,边坡土体侵蚀量降低了75.0%,表面强度提高了33.8%,碳酸钙含量提高了235.2%;坡面喷洒EICP溶液可形成硬壳层,有效避免坡面侵蚀;木质素可为碳酸钙提供成核位点,使分布散乱的碳酸钙附着在木质素上,添加木质素后试样碳酸钙含量提高,且表面强度随碳酸钙含量提高而增大。

EICP改良膨胀土的物理力学性质试验研究

为了探究脲酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)技术改良弱膨胀土的物理力学特性,利用大豆脲酶开展EICP技术处理弱膨胀土的膨胀特性和力学特性试验研究。通过EICP多因素配比正交试验研究脲酶浓度、初始Ca^(2+)浓度、酶胶比、尿钙比、养护时间对膨胀土碳酸钙生成率、自由膨胀率的影响及其变化规律,确定了EICP反应液最佳配比。采用不同掺量EICP反应液改良膨胀土,通过无荷载膨胀率试验、无侧限抗压强度试验及三轴压缩试验验证改良效果。结果表明:EICP反应液掺量为20%时抑制膨胀土膨胀性效果最好,且此时土体力学强度和碳酸钙生成率最高。大豆脲酶诱导产生的沉淀物为方解石型碳酸钙,附着在土颗粒表面既填充了土颗粒孔隙,也胶结了土体骨架颗粒,阻碍土体与水分接触,提高了土体密实性和黏结强度,改善了膨胀土膨胀性和力学性能。

基于黄豆脲酶的EICP变量试验研究

为进一步优化酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)技术中的变量取值,基于黄豆脲酶,研究了尿素浓度与体积、pH值、氯化钙浓度、尿素与氯化钙溶液体积比等变量对脲酶活性的影响。在此基础上,研究了胶结液浓度及尿素与氯化钙溶液体积比两个变量对碳酸钙沉淀量与沉淀率的影响。研究结果表明:脲酶活性随尿素浓度的增加先上升后下降,峰值脲酶活性对应的最优尿素浓度为1.35 mol/L,且脲酶与尿素溶液的最佳体积比为1∶9;脲酶活性随pH值的增加先上升后下降,但不同浓度尿素的最优pH值存在差异;钙离子的加入会降低脲酶活性,且降低幅度随钙离子加入量的不断增加而逐渐增大;碳酸钙沉淀率随胶结液浓度及尿素与氯化钙溶液体积比的增加均呈先上升后下降的变化规律,最优胶结液浓度为1.35 mol/L,最佳尿素与氯化钙溶液体积比为1∶1。

EICP固化轮胎颗粒混合黏土的强度特性及微观机理

酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)技术固化轮胎颗粒混合黏土轻质回填材料可以高效吸纳废旧轮胎,推动废旧轮胎在岩土工程领域资源化利用。基于EICP技术结合轮胎颗粒,系统开展了复合改良黏土的强度特性和机理研究。结果表明,EICP技术可以提高轮胎颗粒混合黏土的无侧限抗压强度。当胶结液浓度为0.5 mol/L时,处理效果最好。随着胶结液浓度增大,CaCO_(3)含量逐渐增加,但转化率逐渐降低。EICP固化轮胎颗粒混合黏土的强度和弹性模量随轮胎颗粒掺量增加先增加后降低,轮胎颗粒的最佳掺量为5%;微观结构分析表明EICP生成的CaCO_(3)有效增强了轮胎颗粒和土颗粒之间的黏结并填充了孔隙。研究结果可为EICP固化轮胎颗粒混合黏土填充材料提供理论依据。

有机材料联合EICP固化黄泛区粉土抗剪特性

针对酶诱导碳酸钙沉淀(enzyme-induced calcite precipitation,EICP)缺乏成核位点、对细粒土体固化效果不理想的问题,提出将有机材料(糯米粉、红糖和脱脂奶粉)与EICP相结合的技术用于固化黄泛区粉土。通过直接剪切试验分析有机材料对EICP固化黄泛区粉土抗剪性能的影响,并借助扫描电子显微镜(SEM)分析其改良机理。结果表明:与传统EICP相比,有机材料联合EICP可将土体抗剪强度和地基承载力分别提升5.7%~20.3%和6.2%~32.2%;土体抗剪强度的提高主要源于黏聚力的提升,脱脂奶粉的改良效果最好;当土体含水率位于塑限附近时,土体抗剪强度和地基承载力对反应液掺量的变化最为敏感。有机材料改良EICP高效经济,可用于实际工程中细粒土地基的固化。

基于菌促方法和酶促方法的黄河泥沙加固参数试验研究

为了改善黄河泥沙的质量和推广其在路基工程中的应用,基于新兴的生物矿化技术,考虑胶结液浓度和灌浆次数,采用无侧限抗压强度(UCS)试验、碳酸钙质量分数测试、扫描电镜(SEM)等方式,对比分析微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)与酶诱导碳酸钙沉积(EICP)技术固化黄河泥沙试样的效果.试验结果表明:大豆粉质量浓度为40 g/L时,大豆脲酶的提取效率最优;培养基溶液pH=8时,细菌和大豆脲酶的活性最好;生物酶和胶结液的体积比为1∶1时,尿素能够与氯化钙充分反应.增加胶结液浓度、灌浆次数均能够提高黄河泥沙试样的抗压强度,但两者的影响规律不同,胶结液浓度起主导作用.当胶结液浓度为1 mol/L、灌浆次数为8次时,EICP、MICP技术固化后试样的抗压强度达到最大,分别为954.65、674.98 kPa.黄河泥沙试样内部生成的碳酸钙和抗压强度呈线性关系,EICP、MICP技术固化后试样的碳酸钙质量分数最大值分别为24.05%、21.35%.黄河泥沙颗粒表面和颗粒之间的孔隙中均有方解石型碳酸钙附着,但其质量分数在试样内部自上而下逐渐降低.宏观、微观的角度分析结果均表明,EICP技术相比MICP技术更加适合固化黄河泥沙.

EICP修复重金属污染土的环境耐久性研究

为探究脲酶诱导碳酸钙沉淀(enzyme induced carbonate precipitation,EICP)技术修复重金属污染土的环境耐久性,分别对EICP修复后的锌、铅污染土进行酸液浸泡、冻融试验和雨淋试验,探讨了EICP修复锌、铅污染土在不同环境条件下的耐久性及其影响规律。结果表明,在不同浓度、不同类型酸液条件下,EICP修复后的锌、铅污染土中可交换态和碳酸盐结合态的重金属离子浸出量随p H值降低,碳酸盐结合态含量降低,可交换态含量逐渐增加,且硫酸环境下的稳定性大于硝酸环境下的稳定性;随着冻融循环次数的增加,EICP修复后的锌、铅污染土中可交换态离子浸出量增加,碳酸盐结合态含量减少;在大雨条件下,Zn^(2+)、Pb^(2+)主要在前20 min内进行释放,并由上往下迁移;经EICP修复重金属污染土在酸液、冻融循环和雨淋条件下具有良好的耐久性。

EICP固化砂土强度特性试验研究

为了研究脲酶诱导碳酸钙沉淀(Enzyme Induced Carbonate Precipitation,简称EICP)技术固化砂土的强度特性,首先探究pH及反应时间对脲酶活性的影响,进而开展直接剪切试验及无侧限抗压强度试验,分析颗粒级配、胶结液浓度、胶结比、养护周期和相对密实度对EICP固化砂土强度特性的影响。结果表明:脲酶活性在pH=7时活性最大并随时间增长而降低;级配0.075 mm~0.25 mm的砂土固化效果最好,经济胶结液浓度为1 mol/L;当氯化钙浓度一定时,抗剪强度最高的胶结液比值为1∶1;砂土在3 d时基本完全固化;相对密实度在0.5~0.7范围内时,无侧限抗压强度随着EICP固化砂土的相对密实度增大而增大;胶结液浓度在0.5 mol/L~1.5 mol/L范围内时,胶结液浓度越大,EICP固化砂土的无侧限抗压强度越大。

EICP-木质素联合固化粉土的试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Carbonate Precipitation,MICP)是通过在土壤颗粒接触处和土壤颗粒表面生成碳酸钙沉淀来改善土壤岩土工程性质的一种方法,目前对MICP的研究众多。近几年来,酶诱导碳酸钙沉淀技术(Enzyme Induced Carbonate Precipitation,EICP)被广泛用于土体改良等方面,EICP技术是利用脲酶将尿素水解成NH4^+和CO3^2-,CO3^2-和Ca^2+结合生成CaCO3沉淀,碳酸钙的胶结作用将土体连接在一起,能提高土体强度。在EICP技术中,矿化会产生大量碳酸钙,但是,在EICP技术中没有给碳酸钙提供成核位点[1],生成的碳酸钙聚集形式杂乱无章,固化后的试样脆性较高,容易发生脆性破坏。为了改善这个性质,考虑向EICP技术中添加木质素,用来调节碳酸钙的晶型。

不同温度环境下EICP固砂及优化试验研究

为了在不同温度下实现生物矿化技术对土体的改良,选取高性价比的植物脲酶进行酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)固砂研究.首先,分析温度环境对植物脲酶热稳定性的影响.然后,利用钙化试验研究温度、脲酶质量分数和pH值对碳酸钙生成速率的影响.最后,测试砂柱的声时值、无侧限抗压强度和碳酸钙质量分数,以评价固砂效果.结果表明,当温度高于55℃时脲酶会逐渐失活,提高脲酶活性有利于提高EICP碳酸钙的转换率.当脲酶活性高于10 mmol/(L·min)时易发生固砂效果不均匀的现象,控制溶液初始pH为4可以提高EICP的固砂效果.在不同温度下控制脲酶质量分数和溶液初始pH,可以调节脲酶活性,并优化EICP的固砂效果.

EICP联合Na-Mt固化粉砂抗剪特性

针对传统酶诱导碳酸盐沉淀(enzyme-induced carbonate precipitation,EICP)固化土体时,生成的碳酸钙分布零散、不聚集,进而导致土体固化效果不佳的问题,提出将钠基蒙脱石(Na-montmorillonite,Na-Mt)与EICP技术相结合,对黄泛区粉砂进行固化。通过直剪试验研究固化粉砂抗剪特性的变化,借助扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)并结合Photoshop软件分析固化粉砂孔隙率的变化,以揭示EICP联合Na-Mt固化粉砂的机理。结果表明:与传统EICP技术处理粉砂相比,EICP联合Na-Mt固化粉砂的抗剪强度、黏聚力最大可分别提高41.4%、147.7%,孔隙率降低27.97%;决定固化粉砂抗剪强度的关键因素并非孔隙率,而是“Na-Mt-CaCO_(3)-土颗粒”单元结构的建立。与传统EICP技术相比,EICP联合Na-Mt固化粉砂可形成大体积的碳酸钙,增强粉砂的骨架效应。EICP联合Na-Mt是一种高效的细粒土体固化技术。

EICP稳定化生活垃圾焚烧飞灰试验研究

生活垃圾焚烧飞灰富含内源钙、呈碱性,适合采用微生物矿化(MICP)技术进行重金属稳定化处理,但MICP工程应用因环境影响显著受到限制,故开展了植物豆酶矿化技术(EICP)稳定焚烧飞灰的研究.分别从黄豆、黑豆和鹰嘴豆中提取豆酶进行活性测试、EICP处理飞灰影响因素研究及稳定化效果评价,并与MICP、EICP联合MICP处理效果对比分析.结果表明,黄豆酶和黑豆酶活性接近,远高于鹰嘴豆且高于微生物脲酶活性.豆酶活性随豆酶浓度和温度升高均增强但存在最佳活性温度,最佳活性温度随豆酶浓度升高而降低.黄豆酶和黑豆酶活性受温度影响程度不同,可据环境温度确定豆酶种类及浓度.EICP对重金属的稳定效果受豆酶浓度和活性影响明显,而养护条件对其影响较小;黄豆酶浓度为200 g·L^(-1)时,EICP对重金属固定率达85%以上,较MICP(79%以上)稳定化效果更好,拥有更大的工程应用潜力,而EICP协同MICP处理效果较差(低于50%),表明微生物与黄豆酶之间可能存在反应消耗.

基于响应面法的EICP-PVA固化粉砂土优化试验研究

酶诱导碳酸盐沉淀(EICP)固化土体技术是近年来岩土工程领域中一种新型加固土体的方法,聚乙烯醇是一种环境友好型土壤改良材料,将EICP技术与聚乙烯醇相结合,对EICP技术进行优化改进。并基于响应面法,研究胶凝液浓度、胶凝液与大豆脲酶体积比和PVA掺量对加固后粉砂土样的无侧限抗压强度的影响。试验结果表明:胶凝液浓度与PVA的掺量对加固后粉砂土样的无侧限抗压强度影响非常显著,且强度预测值与试验值之间的相对误差小于5%,说明提出的模型可为EICP-PVA固化粉砂土优化提供参考。通过SEM扫描电镜试验观察其微观结构,发现PVA胶体的包裹黏结和脱水硬化,可能使得碳酸钙与粉砂土土颗粒之间的胶结更为紧密。