微生物浸泡砂土固化试验及细观力学模拟研究

发布时间：2019-11-23 06:12

【摘要】：微生物诱导碳酸钙沉积技术作为一项绿色环保、可持续发展的新型技术,得到了国内外学者的广泛关注与深入研究。此项技术具有固化胶结松散砂土颗粒的潜在价值,可应用于加固软弱地基、防风治沙等领域。与传统技术相比,由于其能耗少、污染轻、相容性好等优势,具有较高的生态利用价值。本文着重探讨MICP技术在砂土固化领域的应用,设计矿化试验研究了不同影响因素下微生物浸泡砂土的固化效果与力学特性,并从微细观角度进行了深入分析。首先从微生物的活化与培养繁殖入手,探索微生物的生长特性及变量因素并开展溶液内矿化反应;继而探索不同固化工艺对松散砂颗粒的固化效果,重点研究砂颗粒粒径尺寸、菌液初始浓度和胶结液初始浓度对试样固化效果的影响,并分析矿化过程中注液循环批次、测试强度和碳酸钙含量变化规律;最后利用SEM扫描电镜分析探明了矿化产物的形成规律,使用基于离散单元法的数值软件PFC得出了矿化试样加载过程中的细观力学特征。最终得到以下研究结论:(1)微生物的脲酶活性与菌液浓度呈正比例关系。不同浓度菌液在静置过程中,其浓度和脲酶活性会随时间的增长而逐渐降低;不同浓度菌液-钙离子矿化组合时具有不同的最佳矿化反应时间。在开展矿化试验时,应使用摩尔比为1:1的尿素与CaCl2作为诱导物质,在较高温度(不超过50℃),在pH值为6.0-9.0范围内开展矿化试验。(2)在应用MICP技术进行砂土固化时,采用垂直渗透固化工艺的方法有利于提高固化试样的均匀性,同时符合实际工程的应用。按此工艺固化成型的砂颗粒试样,试样的抗压强度目前最高达到3.26 MPa,抗拉强度最高达到0.79 MPa。在所研究的变量因素中,颗粒粒径尺寸对固化效果的影响最为明显,大空隙率砂土有利于矿化产物的填充积累达到良好的固化效果。菌液浓度与胶结液浓度的高低组合,影响着矿化反应的速率和矿化均匀性。采用菌液初始OD值0.5,胶结液浓度0.5mol/L的组合注液工况,相对其他工况而言,其矿化反应的可控性较好,具有较为理想的固化效果。注液循环批次、碳酸钙含量与强度值亦存在一定的联系,即提高注液循环批次,有利于砂砾间碳酸钙含量的提升,而强度值随碳酸钙含量的增多呈逐渐增长趋势。(3)在本文的试验条件下,通过SEM扫描电镜观测到的溶液内微生物诱导碳酸钙沉积的矿化产物大部分为球状的球霰石,并且在菌液初始浓度相同的情况下,随着胶结液浓度的提高,矿化产物的颗粒尺寸呈逐渐增大的趋势。而在砂砾间的矿化反应,矿化产物多为不规则多面体所堆积而成的方解石,说明砂砾间矿化反应较为复杂。(4)在离散元细观力学分析中,微生物诱导碳酸钙沉积固化砂土试样具有典型的岩土材料力学性能。试样颗粒粒径较小的试验工况具有较多的裂纹数;不同类型能量的变化规律与加载过程的应力-应变情况联系密切,可以为微生物矿化材料的破坏提供一定的参考。
【图文】：

微生物诱导碳酸钙沉积固化过程示意图

论文研究技术路线图
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU441

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本文编号：2564843