基于MICP技术的固化黏土抗侵蚀性能研究

近年来,微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术被应用于表层土体的加固处理,以提升土体的抗侵蚀能力。采用新型的单相法和传统的两相法对黏性土表层进行MICP处理,分析了环境pH值和胶结液浓度对MICP反应过程的影响,并对经过不同处理次数的土样进行冲刷试验,观察并记录冲刷试验过程中土样的质量变化,以此评价2种加固方法的效果。结果表明:采用MICP技术加固后,土壤颗粒之间形成了有效的胶结;使用单相法加固的土样中碳酸盐生成量少于两相法,但土体整体的水稳性高于两相法;经过单相法和两相法加固处理5次后,试样被冲刷40 s后的侵蚀量分别为0.43 g和0.11 g,而相同条件下未加固试样的侵蚀量为54.63 g,加固后的土样经过24 h的冲刷试验后表面几乎没有被破坏,显示采用MICP技术加固后土样的抗侵蚀能力远大于未处理土样。

MICP纤维加筋优化电渗法加固软黏土的试验研究

目的为缓解传统电渗法加固软黏土过程中土体开裂和不均匀沉降等问题,改善软黏土的工程性质,提出微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术联合玄武岩纤维加筋优化电渗法处理效果。方法通过开展软黏土室内电渗模型试验,分析电渗过程中的排水量、电流强度和有效电阻,以及电渗处理后土体表面沉降量、含水率、抗剪强度和pH,结合SEM图像探究不同掺量的玄武岩纤维以及MICP-玄武岩纤维联合作用机制对电渗加固效果的影响机理。结果结果表明:(1)不同掺量的玄武岩纤维对电渗效果影响差异显著,纤维加入软黏土后可抑制电渗过程中的土体裂缝发展与电流衰减,掺量为0.4%的试验组最佳效果;(2)MICP技术与玄武岩纤维加筋的联合使电渗过程变得更加均衡与顺畅,有效改善了电渗固结排水导致的土体表面不均匀沉降;(3)在电渗过程中,MICP反应在土颗粒与纤维表面上生成的碳酸钙沉淀填充加固了土体,提升了土体强度均匀性;(4)MICP技术的加入在提升土体强度的同时减少了土体孔隙液的排出,降低了废液处理的压力,具有更高的环境适应性。结论该研究结果为提升电渗法加固软黏土地基的处理效果提供了新思路,拓展了加固软黏土方法新的可能性。

砂颗粒矿物成分对MICP过程的影响及机理

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)是一种绿色环保的新型土体加固技术,具有广泛的应用前景。为了研究砂颗粒矿物成分对MICP过程的影响,分别选用石英砂和钙质砂为代表性研究对象,利用环氧树脂胶结固化后打磨制成样片,再在配置好的菌液和胶结液中对样片表面进行MICP处理,结合X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及超声震荡试验定量分析了碳酸钙产量、矿物晶型、晶貌及界面胶结特性。结果表明:(1)钙质砂颗粒比石英砂颗粒更利于微生物诱导生成碳酸钙,平均单位面积碳酸钙生成量前者约为后者的5倍;(2)两种砂颗粒表面生成的碳酸钙主要为球霰石和方解石,钙质砂界面能更低,诱导生成更多的方解石;(3)石英砂表面生成的碳酸钙主要为较大的球形颗粒,而钙质砂表面的碳酸钙形貌主要为板片状;(4)微生物在钙质砂颗粒上诱导生成的碳酸钙呈现更高的界面胶结强度,经超声波震荡后,石英砂颗粒上碳酸钙的质量损失率约为钙质砂的10倍。在此基础上,运用微生物学、晶体化学、结晶矿物学等其他相关学科的理论,系统分析了石英砂和钙质砂对MICP过程及效果的影响机理,取得了新的认识,对优化MICP技术在岩土工程中的应用有重要意义。

MICP增强改性煤矸石在水稳材料中应用的试验研究

为解决煤矸石集料强度低、吸水率高、易崩解等问题,采用微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)技术对煤矸石进行了增强改性。通过表观密度、吸水率、压碎值和超声波质量损失率的测试,同时结合SEM,EDS和XRD微观表征,研究了微生物矿化时间、菌液浓度和煤矸石粒径对MICP增强改性煤矸石性能的影响,并揭示了MICP增改性煤矸石的机理。将MICP增强改性煤矸石应用于水稳材料,通过无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压回弹模量的测试,对比了MICP增强改性煤矸石水稳材料与普通煤矸石水稳材料的性能。结果表明:采用MICP增强改性技术可以提升煤矸石的物理力学性能,并且煤矸石的粒径越大增强改性效果越明显;在菌液OD600值(溶液在600 nm波长处的吸光值)为0.8、矿化改性7 d的条件下,MICP增强改性煤矸石比普通煤矸石的表观密度增加了14.66%,吸水率降低了40.94%,压碎值降低了7.93%;经MICP增强改性后的煤矸石表面包裹的生物CaCO_(3)方解石使得煤矸石的表观密度增加,吸水率和压碎值降低,强度提高,从而提升了煤矸石的性能;水泥稳定MICP增强改性煤矸石混合料最佳含水量比普通煤矸石水稳材料降低了17.3%,最大干密度增加了7.9%;MICP增强改性煤矸石水稳材料各龄期的无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压回弹模量比普通煤矸石水稳材料均显著提升,表现出更高的强度、更好的抗裂性能和抗变形能力。

外掺剂联合MICP固化风积沙试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)结合纤维加筋或外加剂已成为岩土体改良的新型方式,在土地荒漠化治理等场景具有广阔的应用前景。以取自毛乌素沙漠的风积沙为研究对象,在MICP联合纤维加筋的基础上,分别引入料姜石和氧化钙,使得两种无机化合物对微生物过程及加固效果产生影响,在最优养护条件下进行风积沙的固化试验,通过无侧限抗压强度试验、三轴试验、扫描电镜试验等,从宏观、微观角度系统分析外掺剂参与固化后试样的力学特性、破坏形态及作用机理。结果表明,MICP纤维加筋试样的强度随料姜石掺量的增加呈现增大趋势,并在掺量为4%时达到峰值,较未掺入料姜石试样的强度提高了37.3%;MICP纤维加筋试样的强度随氧化钙掺量的增加呈现先减小后增大的趋势,并在掺量达到1%时强度下降了74.6%;氧化钙对细菌具有明显的抑制作用,当氧化钙掺量达到0.8%时,大部分细菌已失去活性,OD_(600)值降至最低,为0.107;料姜石对MICP纤维加筋固化效果的作用机理主要表现在料姜石可有效地黏结砂土颗粒和填充孔隙,从而提高试样的整体稳定性。研究成果可为风积沙固化实践和实际工程应用提供参考依据。

MICP加固花岗岩残积土的渗透特性

MICP技术可以显著降低固化土壤的渗透系数,然而目前没有关于MICP固化土壤渗透系数的理论计算方法。基于理论推导和试验验证的方法,研究MICP加固花岗岩残积土的渗透特性,提出MICP加固花岗岩残积土的碳酸钙生成量和渗透系数理论表达式。假设MICP的反应速率线性衰减,通过酶促反应动力学方程得到MICP加固土体的CaCO3生成量,估算CaCO3晶体的粒径和个数,从而获得加固后试样的孔隙比、迂曲度和颗粒比表面积,代入修正的Kozeny-Carman方程,得到加固后土体的渗透系数理论表达式。与试验数据对比分析结果表明:CaCO3的产量早期增加快,后期增加变缓并逐渐趋于稳定;MICP加固土体的渗透系数其具有早期降低快,后期趋于平稳的特征。胶结液浓度为0.50、0.75、1.00、1.25 kmol/m3的试样渗透系数最终分别降低了35%、40%、45%和55%。提出的CaCO3含量表达式和渗透系数表达式与试验结果拟合良好,可为微生物加固的设计计算提供参考。

MICP加固土质排水沟边坡稳定性分析

【目的】探究应用微生物诱导CaCO3沉淀(MICP)固结土壤技术对于土质排水沟边坡稳定性的影响机制。基于土工直剪试验和数值模拟法研究不同工况下MICP加固的土坡稳定性,为MICP生物护坡措施应用于土坡加固提供理论依据。【方法】选用OD600=0.97的巴氏芽孢杆菌和1 mol/L的固结液(CO(NH_(2))_(2)∶CaCl_(2)=1∶1),固菌比为5∶3,添加15%固结液质量的脲酶抑制剂。布置4个试验土箱,设置对照组CK和固结组C1、C2、C3,对照组喷洒清水,设计入渗10 cm土层,固结组按先固结液后菌液顺序喷洒设计入渗5、10、15 cm土层。对固结后的风干土、饱和土、落干土进行直剪试验,利用直剪结果分析不同工况土坡稳定性。【结果】MICP处理的土体抗剪强度均有所提升;饱和处理后CK、C1、C2、C3的内摩擦角降幅为46.67%,39.73%,28.98%和27.85%,黏聚力降幅76.37%,62.83%,39.09%和51.62%,CK土坡处于欠稳定,C1、C2、C3土坡满足安全要求,黏聚力是影响边坡稳定的主要因素。【结论】MICP可以提高土质排水沟边坡的稳定性,其最佳固结深度是10 cm。

基于高密度电阻率成像技术的MICP浆液入渗过程监测研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是一种生态环保、前景广阔的土体改性方法,其改性效果与浆液的入渗特征密切相关。为此,提出将高密度电阻率成像(ERT)技术用于MICP浆液入渗过程监测。文章通过开展模型试验,对石英砂试样进行混合一步注浆法MICP处理,同时对试样持续进行ERT监测及电导率分析,获取了试样的三维电阻率变化特征,处理完成后测定了试样中碳酸钙含量的空间分布。结果表明:(1)MICP反应过程中,砂土与注浆液电导率随尿素分解而逐渐升高;(2)注浆液的迁移分布对砂土内部低电阻区的分布规律起主导作用,而碳酸钙沉淀的影响较小;(3)在MICP处理过程中,碳酸钙沉淀的生成与注浆液的迁移渗透相互作用,共同影响改性效果;(4)ERT技术可有效监测MICP处理区电阻率的时空演化特征,准确反映注浆液渗透迁移情况,进而评价改性效果。研究结果表明,采用ERT技术监测MICP改性土体过程具有可行性,为评价和优化微生物矿化改性效果提供了新的技术思路和方向。

MICP固化松散砒砂岩抗水蚀机理研究

[目的]探究MICP固化松散砒砂岩效果,为减少砒砂岩区水土流失提供解决方案与理论依据。[方法]从宏观尺度(贯入强度、降雨侵蚀等)探究菌液浓度和固化频次对MICP固化砒砂岩对力学性能及其抗水蚀性能的影响,并在微观尺度(X射线衍射、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、热分析)解释了砒砂岩固化土的抗水蚀机理。[结果]相同固化次数下菌液浓度(OD_(600))为0.8时固化效果最好,其强度相较其他浓度可提升20%~50%;在最佳菌液浓度0.8时,固化频次为5次时砒砂岩即可获得很好的强度以及抗水蚀性,总雨蚀损失量可降至固化前的10%。菌液浓度0.8时碳酸钙含量生成最多,且多为菱形块状的方解石相,分布更加密集,随着固化次数的增加,胶结及填充效果更好。[结论]细菌及其胞外聚合物(EPS)在MICP中作为成核位点,参与碳酸钙的定位以及生长,并提高了碳酸钙的稳定性;EPS与碳酸钙以及砒砂岩中的矿物形成分子间氢键,增强了碳酸钙的胶结性能,且进一步提高了砒砂岩的强度以及抗水蚀性。

基于MICP技术的海上风电场滩涂软土固化试验研究

针对基于微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术,研究浆料芽孢杆菌在不同pH值和有无钙源的常温培养环境下菌液浓度随时间的变化情况。以宁波滩涂淤泥为研究对象,考虑滨海相软土特性及边坡结构特点,利用巴氏芽孢杆菌诱导碳酸盐对滨海软土进行固结处理。通过压缩、渗透及雨水冲刷试验,并结合X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征结果,从宏、细观角度分析固化效果及抗冲刷性。研究结果表明:在pH值为7.3的环境下,芽孢杆菌生长最快,在培养约48 h后,其浓度达到峰值;Ca^(2+)会抑制芽孢杆菌的生长,但在生长前期影响较小,而后期影响较大;菌液浓度为1/100的重塑土经养护7 d后,其压缩系数降低19.58%,渗透系数降低87.34%;雨水冲刷结束后剥蚀率仅为3.9 g/(m^(2)·s);芽孢杆菌诱导结晶形成填充并胶结于土颗粒之间的CaCO_(3)晶体聚集体结构,这使得滨海软土具有更好的固结性能、抗渗性能以及坡面抗冲蚀效果提升。

天然海水环境下离子浓度对MICP反应的影响

微生物岩土技术通过生物矿化过程改善基础材料的力学性质,使其更适用于建筑或解决多学科领域的环境问题。微生物矿化过程中产生的碳酸钙是改善基础材料力学性质的主要成分,但其生成量及形态等受多种因素的影响。通过离子计、pH计、SEM、EDS和XRD等手段探究天然海水和去离子水环境在矿化过程中氯化钙和尿素浓度、比例及菌液和胶结液(氯化钙、尿素)体积比等因素对沉淀物质形貌及晶体组成的影响。结果表明:钙离子和尿素浓度及比例低时,碳酸钙的产率较高,但当初始钙离子、尿素浓度超过1.0 mol/L时,离子浓度增大对细菌产脲酶有抑制作用,浓度越高对脲酶的抑制作用越明显,沉淀物产率也随之减小,海水环境总体沉淀量与沉淀效率均高于去离子水环境。菌胶结液体积比去离子水中为1∶4、海水中不高于1∶10时,碳酸钙生成量较高,去离子水环境晶型以方解石为主,海水环境晶型以球霰石为主且沉淀中含有镁盐。

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。

MICP技术应用于岩体裂隙灌浆的现场试验研究

利用微生物诱导产生碳酸钙沉淀(MICP)技术对岩体裂隙进行灌浆,具有浆液黏度低、可灌性好、绿色环保等优点。结合现场试验开展微生物菌种的提取、活化培养和扩大培养等工作,对微生物菌液培养的最适条件进行探讨,并制备能用于现场灌浆的微生物浆液,结合现场岩体裂隙分布特征进行微生物浆液的岩体裂隙灌浆现场试验。结果表明:利用当地菌种制备形成的微生物浆液初始粘度为2 mPa·s~3 mPa·s,具有良好的可灌性;以重复多次灌注和每次定量灌注为主要特征的微生物灌浆施工工艺能适用于岩体0.2 mm以下微小裂隙灌浆,且扩散距离可达到0.4 m以上,灌后岩体透水率可达到0.1 Lu量级,防渗效果显著,为开度小于0.2 mm的岩体裂隙防渗加固处理提供了一种新的技术手段。

MICP技术在地下水封油库渗控注浆中的应用潜力

地下水封油库在建设及运营过程中洞室涌水量大小是影响洞库水封安全和运营成本的重要因素。目前地下水封油库工程建设中采用传统的注浆方式难以将围岩渗透性降低到设计要求,因此洞室涌水量得不到很好的控制。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术具有注浆黏度低、环境适应性强、生成矿化物质稳定等显著优点,引起了学术界与工程界广泛的兴趣和研究。本文首先分析了地下水封油库涌水量控制中存在的相关问题,然后阐述了MICP技术对裂隙渗流控制的机理、影响因素以及对裂隙渗透性的影响效果,最后探讨了MICP技术在地下水封油库中应用的关键问题。通过分析表明,MICP作为地下水封油库渗流控制的一种辅助注浆方式,可以较为准确地控制围岩渗透性变化,达到对洞室涌水量有效控制的目的。

椰壳纤维-MICP复合改良膨胀土膨胀特性研究

采用椰壳纤维联合微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对南水北调中线工程南阳段的膨胀土进行试验改良,对素土、纤维土、MICP土以及椰壳纤维-MICP复合改良土开展无荷膨胀率试验和有荷膨胀率试验,研究改良前后膨胀土无荷膨胀率、有荷膨胀率随纤维掺量的变化规律,并对比分析单一改良方式和复合改良方式下纤维掺量对膨胀土膨胀特性的影响,最后通过电镜扫描试验,观察土样微观结构,揭示纤维-MICP复合改良膨胀土特性的内在机理。结果表明:单掺椰壳纤维和MICP技术改良均可抑制膨胀土的膨胀性能,而椰壳纤维-MICP复合改良土的改良效果最明显,且随着纤维掺量的增加,纤维土和复合改良土的无荷膨胀率和有荷膨胀率呈现出先减后增的趋势,纤维最佳掺量为0.5%,电镜扫描试验显示椰壳纤维可发挥桥联的作用以增强MICP膨胀土的改良效果。

木质素纤维-MICP固化粉土在冻融循环作用下的力学性能研究

为探究木质素纤维联合微生物诱导碳酸盐沉淀技术(MICP)固化季节冻土区粉土的力学性能,开展了木质素纤维影响下MICP诱导碳酸钙生成量试验、冻融循环下木质素纤维-MICP固化试样的无侧限抗压试验、直剪试验和SEM扫描电镜试验。结果表明,随着纤维掺量的增加,碳酸钙含量呈线性增加趋势,与SF0M试样相比,SF2.0M试样的碳酸钙含量增加了426.6%。随着冻融循环次数的增加,所有试样的无侧限抗压强度和抗剪强度均下降并最终趋于恒定,且SF1.5M协同固化试样的抗冻融能力最佳,10次冻融后其无侧限抗压强度仅下降45.9%,而SF0M和SF0试样下降63.4%和80.0%;经历10次冻融循环之后,在400 kPa法向应力下,相较于SF0M和SF0,SF1.5M土样抗剪强度分别增加了76.4%和184.0%;而其黏聚力也提高了46.5%和126.0%。木质素纤维为碳酸钙的生成提供了更多的附着位点,纤维掺量为1.5%时,土颗粒与碳酸钙晶体和纤维形成了更为致密的胶结结构。当纤维掺量增加到2.0%时,碳酸钙晶体与纤维交织在一起,出现团聚体,阻碍了土颗粒之间的有效胶结,对固化效果起到相反作用。本研究可为寒区土体加固提供了数据支持和理论指导。

天然海水环境MICP固化硅质海砂模型试验研究

设计了微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)灌浆加固系统,开展了天然海水环境下MICP固化硅质海砂的室内缩尺模型试验。结果表明:天然海水环境下MICP灌浆技术可以将大小为Φ25×50 cm砂柱固化成型,且整体质地坚硬;无损超声波检测技术表明,固化后砂柱中部密实度最大、下部次之、上部最小,其轴线方向波速平均值分别为2.993、2.877、2.867 km/s;固化后模型砂柱平均抗压强度为13.72 MPa,比材料尺度提升了44.88%;平均干密度1.82 g/cm~3,比松散砂样提升18.18%;渗透系数为4.48E-04 cm/s,比未加固试样渗透系数降低2个数量级。MICP固化后形成的沉淀矿物包括立方体状、条柱状的方解石及针簇状、不规则絮状的碳酸镁,其主要分布于砂颗粒表面及颗粒连接处,从而起到胶结作用。本研究可为MICP技术改善海洋松散砂土地基提供理论依据和数据支撑。

基于MICP的固化粉尘微生物抑尘剂试验研究

为降低露天煤矿排土场粉尘浓度,减轻和防止粉尘危害。基于微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化粉尘技术,探究了环境因素(温度、pH)对巴氏芽孢杆菌生长的影响,通过测定CaCO_(3)的产量来评估细菌浓度、胶结液浓度和营养液浓度对固化效果的影响;通过设计正交试验,采用矩阵分析法对巴氏芽孢杆菌微生物抑尘剂配比进行优化,提出1种新型高效、环保矿用微生物抑尘剂。结果表明:巴氏芽孢杆菌的最佳培养条件为30~35℃、pH7.5左右,微生物抑尘剂适用于偏高温、中碱性环境下的露天煤矿;微生物诱导碳酸钙沉淀过程CaCO_(3)的生成量与营养物质浓度和菌液浓度呈正相关关系,CaCO_(3)的生成量随胶结液浓度(尿素、氯化钙)增大呈现先增大后减小的趋势;巴氏芽孢杆菌微生物抑尘剂具有良好的渗透性、抗强风、保水、抗雨淋等综合性能,巴氏芽孢杆菌微生物抑尘剂成分配比优化方案为:巴氏芽孢杆菌菌液OD600值为1,胶结液(尿素、氯化钙混合溶液)取0.5 mol/L,营养物质溶液取2 g/L。

考虑渗透系数变化的MICP加固钙质砂抗液化特性数值模拟研究

我国南海地区的吹填造陆和岛礁建设面临诸多挑战,如钙质砂材料面临的地基液化风险,微生物诱导碳酸钙沉淀技术为其(MICP)提供新的解决思路。该文进行考虑渗透系数变化的MICP加固钙质砂场地的两相流数值模拟分析,结果表明,随着加固次数的增加,胶结液的扩散范围从加固3次后的20倍管径增大到加固6次后的34倍管径,加固范围增大速率逐渐减慢,呈现“下大上小”的梯形状。采用微生物加固技术有效提高钙质砂场地的抗剪强度和抗液化能力,加固后土体强度、地基的剪应力大幅增加,超孔压比、地表沉降、水平位移和剪应变分别下降39.37%、36.61%、42.27%和41.17%。不考虑渗透系数变化的工况模拟结果偏差均在7%以上,因此不能忽略MICP加固过程中渗透系数的变化。

MICP固化石墨尾矿对其抑尘能力及环境的影响

我国石墨尾矿产量大,堆积而成的尾矿库在没有有效处理的情况下会造成扬尘。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)作为新型的岩土工程技术可以治理尾矿扬尘。MICP固化石墨尾矿影响因素众多,该文选取3种因素,对固化后的石墨尾矿进行风洞试验,酸碱度试验和易溶盐试验,研究各因素对微生物固化石墨尾矿的抑尘能力和环境的影响。从结果上看,MICP固化后的石墨尾矿试样抑尘能力好,且固化试样后的酸碱度与易溶盐含量变化不大。