微生物诱导碳酸钙沉淀联合膨润土固化粗砂的试验研究
发布时间：2021-01-09 16:54
微生物诱导碳酸钙沉淀技术（Microbial induced calcium carbonate precipitation,简称MICP）主要是利用产生脲酶的微生物水解溶液中的尿素产生碳酸根和氢氧根离子,与游离的钙离子结合生成碳酸钙沉淀,其生成的沉淀具有胶结作用,可以使松散的砂土颗粒胶结起来,显著改善松散砂土的性质,是一种较有前途的绿色可行性技术。本文主要利用钠基膨润土和MICP技术一起改善粗砂的特性,不同钠基膨润土掺量（0.0%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%）对MICP固化粗砂进行了碳酸钙沉淀含量测试,并对其微观结构进行了表征,评价了其渗透性及强度特性等,试验结果验证了将膨润土与MICP技术联合改良粗砂的可行性,其可以有效地应用于MICP技术的局部土体改良。论文的主要内容及研究成果如下:（1）采用膨润土和MICP一起用来改善粗砂特性是可行的,添加的膨润土没有影响或抑制细菌的脲酶活性,反而有利于碳酸钙沉淀的生成,膨润土为其提供了较为适宜的物质载体,使得固菌率和碳酸钙含量均随膨润土掺量的增加而增加,而碳酸钙含量随固菌率的增加呈指数增加。MICP技术固化后粗砂试样的吸水率随着膨...
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
颗粒表面处的微生物诱导碳酸钙沉积过程[1]
1绪论3间产生胶结作用，将松散的颗粒粘结在一起形成较为密实的块状体，增强了土颗粒间的黏聚力，进而提高了土体的强度。在MICP整个生化反应过程中，巴氏芽孢杆菌基本不会产生有毒有害物质，具有黏性低、反应速率可调控、环境污染少、成本低等优势使得该技术广泛应用到各个领域[11-12]。图1-2微生物为碳酸钙沉积提供呈核点[10]Fig.1-2Microorganismsprovidenucleationpointsforcalciumcarbonateprecipitation[10]1.2.2MICP技术影响因素研究由于MICP技术受温度、pH值、培养基成分及浓度等因素的影响，以至于近年来国内外学者对MICP技术影响因素进行了相关研究。赵茜[13]通过对不同温度下的菌液浓度及脲酶活性进行试验研究发现，低温（20℃）条件下菌液浓度及脲酶活性均显著降低。HammesF等[9]通过研究发现MICP过程主要受4个关键因素控制:（1）Ca2+浓度；（2）CO32-浓度；（3）pH值；（4）成核位点可用性。部分学者通过对MICP过程中的培养基浓度、细菌接种量、温度及pH值等影响因素进行试验研究，研究结果发现，培养基浓度、细菌接种量、温度和pH值对其影响较为显著[14-18]。AlQabany等[19-20]探究了不同胶结液浓度（即尿素和氯化钙）对MICP的影响因素，试验结果表明，低浓度溶液下试样强度更高，高浓度的尿素氯化钙溶液下渗透性降低较为显著，在相同的沉淀量下，注射时使用较低的化学浓度可以使方解石沉淀分布更均匀，尤其是在较低的胶结水平下。王瑞兴等[21]通过进行MICP试验发现，pH值、Ca2+浓度及温度均会对生成的碳酸钙晶体形状有显著的影响。Ferris[22]等通过试验研究发现，氢氧根离子有助于提高细胞周围的pH值，在MICP过程中最优pH值范围是6.5～9.3。彭劼等[23]对不同温度（10℃、14℃、18℃、21℃
华北水利水电大学硕士学位论文14图2-1砂颗粒级配曲线Fig.2-1Gradingcurveofsandparticles2.2.2膨润土膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的黏土矿物，膨润土中蒙脱石含量一般在65%以上。同时，蒙脱石是一种含水的二八面体或三八面体的层状铝硅酸盐矿物，具有单斜晶体结构，并且在四面体或八面体中，高价的硅离子和铝离子能被其它低价阳离子置换，使蒙脱石蒙脱石晶胞带有负电荷，进而成为一个大的负离子，以致于使其具有吸附某些阳离子的能力，这也是膨润土具有较强吸附性的原因。根据蒙脱石层间可交换阳离子种类以及含量，可将膨润土主要划分成钠基膨润土和钙基膨润土两大类。钠基膨润土交换阳离子含量高达750~1000ml/kg，且交换的阳离子是以钠离子为主，钠离子含量大于50%。钠基膨润土的碱性系数大于1，pH值高达8.5~10.6，胶质价高达100%；钠基膨润土膨胀倍数高达20~30倍，其吸水量大，最高达500%以上，且吸水时间长。而钙基膨润土交换的阳离子是以钙离子为主，但其阳离子交换含量低，一般只有600ml/kg左右。钙基膨润土的碱性系数小于1，pH值一般为6.4~8.5，胶质价约为60%；钙基膨润土膨胀倍数较小，仅有几倍到十几倍，且吸水量小，最高不超过200%。可以看出，相比钙基膨润土，钠基膨润土阳离子交换量更高，在水中分散性更好，胶质价更高，胶体悬浮液的粘度和润滑性好，且pH值高，高温稳定，可塑性较高，粘结性较强，热湿拉强度以及干压强度较高[91]。所以，钠基膨润土较钙基膨润土具有较高的使用价值和经济价值。并且，钠基膨润土较钙基膨润土具有更强的吸附性，可将微生物与砂颗粒紧密的黏结在一起，进而优化试样的强度
【参考文献】：
期刊论文
[1]膨润土持水特性试验研究及其SEM微观定性分析[J]. 姜彤,王兴翠,张俊然. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2020(01)
[2]玄武岩纤维加筋微生物固化砂力学特性试验[J]. 郑俊杰,宋杨,吴超传,崔明娟. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(12)
[3]微生物诱导碳酸钙沉淀固结黄河泥沙试验研究[J]. 景天宇,姜晗琳,李振山. 人民黄河. 2019(11)
[4]微生物固化砂土强度增长机理及影响因素试验研究[J]. 吴超传,郑俊杰,赖汉江,崔明娟,宋杨. 土木与环境工程学报(中英文). 2020(01)
[5]微生物沉积碳酸钙胶结砂土力学特性及本构模型[J]. 刘鹏,邵光辉,黄容聘. 东南大学学报(自然科学版). 2019(04)
[6]微生物加固黄河中下游典型粉土的影响因素分析[J]. 肖志阳,程留全,葛飞,郝小红,赵阳. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2019(03)
[7]微生物诱导碳酸钙沉积加固土体的注浆方法[J]. 彭劼,黄慕凡,谢高强,田艳梅. 河海大学学报(自然科学版). 2019(03)
[8]MICP拌和固化钙质砂一维固结试验[J]. 郭红仙,李东润,马瑞男,程晓辉. 清华大学学报(自然科学版). 2019(08)
[9]海水环境下MICP加固珊瑚砂试验[J]. 彭劼,田艳梅,杨建贵. 水利水电科技进展. 2019(01)
[10]纤维加筋微生物固化砂土的力学特性[J]. 谢约翰,唐朝生,尹黎阳,吕超,蒋宁俊,施斌. 岩土工程学报. 2019(04)
博士论文
[1]基于掺砂膨润土的离子固化剂加固机理研究[D]. 王凤华.中国地质大学 2018
[2]微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）固化土壤实验研究[D]. 赵茜.中国地质大学（北京） 2014
硕士论文
[1]微生物联合碳基材料诱导碳酸钙沉淀加固砂土试验研究[D]. 范存彬.华北水利水电大学 2019
[2]盾构渣土改良用膨润土泥浆试验分析[D]. 于有强.沈阳工业大学 2019
[3]微生物诱导碳酸钙沉淀技术优化及其在粉土固化中的应用[D]. 程留全.华北水利水电大学 2018
[4]微生物诱导碳酸钙沉淀固化掺纤维砂试验研究[D]. 李翔.广东工业大学 2018
[5]微生物改良土动力特性试验研究[D]. 田岳东.沈阳建筑大学 2017
[6]微生物矿化固定重金属和改善土体力学性质的试验研究[D]. 陈溪海.清华大学 2016
[7]微生物注浆加固砂土地基的抗液化能力研究[D]. 麻强.清华大学 2013
[8]微生物成因土工材料实验及应用研究[D]. 沈吉云.清华大学 2009
本文编号：2967045
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
颗粒表面处的微生物诱导碳酸钙沉积过程[1]
1绪论3间产生胶结作用，将松散的颗粒粘结在一起形成较为密实的块状体，增强了土颗粒间的黏聚力，进而提高了土体的强度。在MICP整个生化反应过程中，巴氏芽孢杆菌基本不会产生有毒有害物质，具有黏性低、反应速率可调控、环境污染少、成本低等优势使得该技术广泛应用到各个领域[11-12]。图1-2微生物为碳酸钙沉积提供呈核点[10]Fig.1-2Microorganismsprovidenucleationpointsforcalciumcarbonateprecipitation[10]1.2.2MICP技术影响因素研究由于MICP技术受温度、pH值、培养基成分及浓度等因素的影响，以至于近年来国内外学者对MICP技术影响因素进行了相关研究。赵茜[13]通过对不同温度下的菌液浓度及脲酶活性进行试验研究发现，低温（20℃）条件下菌液浓度及脲酶活性均显著降低。HammesF等[9]通过研究发现MICP过程主要受4个关键因素控制:（1）Ca2+浓度；（2）CO32-浓度；（3）pH值；（4）成核位点可用性。部分学者通过对MICP过程中的培养基浓度、细菌接种量、温度及pH值等影响因素进行试验研究，研究结果发现，培养基浓度、细菌接种量、温度和pH值对其影响较为显著[14-18]。AlQabany等[19-20]探究了不同胶结液浓度（即尿素和氯化钙）对MICP的影响因素，试验结果表明，低浓度溶液下试样强度更高，高浓度的尿素氯化钙溶液下渗透性降低较为显著，在相同的沉淀量下，注射时使用较低的化学浓度可以使方解石沉淀分布更均匀，尤其是在较低的胶结水平下。王瑞兴等[21]通过进行MICP试验发现，pH值、Ca2+浓度及温度均会对生成的碳酸钙晶体形状有显著的影响。Ferris[22]等通过试验研究发现，氢氧根离子有助于提高细胞周围的pH值，在MICP过程中最优pH值范围是6.5～9.3。彭劼等[23]对不同温度（10℃、14℃、18℃、21℃
华北水利水电大学硕士学位论文14图2-1砂颗粒级配曲线Fig.2-1Gradingcurveofsandparticles2.2.2膨润土膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的黏土矿物，膨润土中蒙脱石含量一般在65%以上。同时，蒙脱石是一种含水的二八面体或三八面体的层状铝硅酸盐矿物，具有单斜晶体结构，并且在四面体或八面体中，高价的硅离子和铝离子能被其它低价阳离子置换，使蒙脱石蒙脱石晶胞带有负电荷，进而成为一个大的负离子，以致于使其具有吸附某些阳离子的能力，这也是膨润土具有较强吸附性的原因。根据蒙脱石层间可交换阳离子种类以及含量，可将膨润土主要划分成钠基膨润土和钙基膨润土两大类。钠基膨润土交换阳离子含量高达750~1000ml/kg，且交换的阳离子是以钠离子为主，钠离子含量大于50%。钠基膨润土的碱性系数大于1，pH值高达8.5~10.6，胶质价高达100%；钠基膨润土膨胀倍数高达20~30倍，其吸水量大，最高达500%以上，且吸水时间长。而钙基膨润土交换的阳离子是以钙离子为主，但其阳离子交换含量低，一般只有600ml/kg左右。钙基膨润土的碱性系数小于1，pH值一般为6.4~8.5，胶质价约为60%；钙基膨润土膨胀倍数较小，仅有几倍到十几倍，且吸水量小，最高不超过200%。可以看出，相比钙基膨润土，钠基膨润土阳离子交换量更高，在水中分散性更好，胶质价更高，胶体悬浮液的粘度和润滑性好，且pH值高，高温稳定，可塑性较高，粘结性较强，热湿拉强度以及干压强度较高[91]。所以，钠基膨润土较钙基膨润土具有较高的使用价值和经济价值。并且，钠基膨润土较钙基膨润土具有更强的吸附性，可将微生物与砂颗粒紧密的黏结在一起，进而优化试样的强度
【参考文献】：
期刊论文
[1]膨润土持水特性试验研究及其SEM微观定性分析[J]. 姜彤,王兴翠,张俊然. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2020(01)
[2]玄武岩纤维加筋微生物固化砂力学特性试验[J]. 郑俊杰,宋杨,吴超传,崔明娟. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(12)
[3]微生物诱导碳酸钙沉淀固结黄河泥沙试验研究[J]. 景天宇,姜晗琳,李振山. 人民黄河. 2019(11)
[4]微生物固化砂土强度增长机理及影响因素试验研究[J]. 吴超传,郑俊杰,赖汉江,崔明娟,宋杨. 土木与环境工程学报(中英文). 2020(01)
[5]微生物沉积碳酸钙胶结砂土力学特性及本构模型[J]. 刘鹏,邵光辉,黄容聘. 东南大学学报(自然科学版). 2019(04)
[6]微生物加固黄河中下游典型粉土的影响因素分析[J]. 肖志阳,程留全,葛飞,郝小红,赵阳. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2019(03)
[7]微生物诱导碳酸钙沉积加固土体的注浆方法[J]. 彭劼,黄慕凡,谢高强,田艳梅. 河海大学学报(自然科学版). 2019(03)
[8]MICP拌和固化钙质砂一维固结试验[J]. 郭红仙,李东润,马瑞男,程晓辉. 清华大学学报(自然科学版). 2019(08)
[9]海水环境下MICP加固珊瑚砂试验[J]. 彭劼,田艳梅,杨建贵. 水利水电科技进展. 2019(01)
[10]纤维加筋微生物固化砂土的力学特性[J]. 谢约翰,唐朝生,尹黎阳,吕超,蒋宁俊,施斌. 岩土工程学报. 2019(04)
博士论文
[1]基于掺砂膨润土的离子固化剂加固机理研究[D]. 王凤华.中国地质大学 2018
[2]微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）固化土壤实验研究[D]. 赵茜.中国地质大学（北京） 2014
硕士论文
[1]微生物联合碳基材料诱导碳酸钙沉淀加固砂土试验研究[D]. 范存彬.华北水利水电大学 2019
[2]盾构渣土改良用膨润土泥浆试验分析[D]. 于有强.沈阳工业大学 2019
[3]微生物诱导碳酸钙沉淀技术优化及其在粉土固化中的应用[D]. 程留全.华北水利水电大学 2018
[4]微生物诱导碳酸钙沉淀固化掺纤维砂试验研究[D]. 李翔.广东工业大学 2018
[5]微生物改良土动力特性试验研究[D]. 田岳东.沈阳建筑大学 2017
[6]微生物矿化固定重金属和改善土体力学性质的试验研究[D]. 陈溪海.清华大学 2016
[7]微生物注浆加固砂土地基的抗液化能力研究[D]. 麻强.清华大学 2013
[8]微生物成因土工材料实验及应用研究[D]. 沈吉云.清华大学 2009
本文编号：2967045
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