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微生物诱导碳酸盐沉淀固化砂土的影响因素及其水下耐候性研究

张贺  
【摘要】:城市基础设施的建设对地基土承载力的要求日益提高,工程中地基土由于达不到承载力要求而需要加固处理的现象时有发生。微生物诱导碳酸盐沉积(Microbial induced carbonate precipitation,MICP)作为一种新型的改良地基土的方法,利用产脲酶菌的矿化作用析出具有胶结松散土体作用的碳酸钙。因其机制简单且对土体扰动小、耗能低、契合国家可持续发展战略,故具有良好发展前景。本文将巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)作为试验菌种,对砂土进行灌浆加固的研究。首先研究了摇床转速、接种比例、接种前底物的加入量以及反应液中尿素和氯化钙的配比等对目标菌种生长特性、脲酶活性和碳酸钙产量的影响;接着研究了菌液浓度、反应液浓度、反应时间等因素对微生物矿化反应析出的晶体形貌及晶型的影响;然后对标准砂以及不同球度的砂颗粒替代材料分别进行了微生物注浆试验,研究了颗粒形状对MICP技术注浆固化土体效果的影响;最后,将固化后的砂样分别在地下水和人工模拟海水中浸泡一定时间,研究了 MICP固化砂样在地下水以及海水条件下的耐候性。论文主要结论如下:(1)培养Bacillus pasteurii的菌液时,接种前加入底物可以提高菌种的脲酶活性,但过高浓度的底物将抑制菌种生长;在1%~3%母液接种比例及150rpm~210rpm的摇床转速范围内,随着接种量、转速的提高,菌液的脲酶活性峰值均呈现先升高后降低的趋势。控制碳酸钙的理想生成量一致,随着反应液中尿素与氯化钙的浓度比的增大,碳酸钙实际生成量逐渐升高,但尿素浓度占比提高至一定程度后,碳酸钙实际生成量提升不再显著。(2)在0.25~3mol/L不同反应液浓度下,0.5mol/L和1mol/L的反应液浓度下诱导出沉积物对应的碳酸钙结晶度相对较高,较高浓度的反应液诱导出的沉积物晶体结晶度较差。(3)纯菌液诱导出的碳酸钙晶型随矿化时间占比变化值较小,碳酸钙晶相始终以球霰石为主;无菌清液和50%浓度菌液体系下对应球霰石晶型占比变化值相对较大,但随时间增长也逐渐变为由球霰石晶相占主导。菌体在微生物矿化过程中对碳酸钙结晶定向成核、生长起调控作用。(4)微生物注浆后,标准砂试样由松散状颗粒胶结成整体,砂土强度提高。制样条件一致时,球度较低、具有一定棱角性的颗粒生物固化效果相比纯圆颗粒更优。(5)相同的注浆和颗粒组成条件下,随着试样初始干密度提升,灌浆试样中碳酸钙含量逐渐降低,但试样的无侧限强度先升高后降低,故只有起到胶结作用的碳酸钙才对固化试样强度提高有贡献。(6)经微生物注浆固化后的标准砂试样,分别在地下水中、人工模拟海水中浸泡60天后,表层均未出现大面积脱落,试样强度值降幅均较小,最大降幅分别为8.5%和10.8%。


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