CN106047366A - 一种聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，将单丝短切聚丙烯纤维按照质量百分比掺入到珊瑚砂中，利用强制搅拌机干拌，然后均匀加入一定量的水湿拌，使纤维分散均匀，向试样模中注入水，利用沉砂法将拌好的纤维珊瑚砂混合物均匀装入试样模中，装样完毕后静置，将水排干备用。将巴斯德芽胞杆菌通过驯化培养、离心、真空冷冻干燥法等工序得到的菌粉按1g/L用海水配制成菌液，调节pH，向混合物中通入配制的菌液，2h后注入每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液，每天1次，连续4‑7天；利用此方法得到的固化体，强度达数MPa，成功解决了微生物珊瑚砂固化体脆性破坏等缺陷。

Description

一种聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法
技术领域
本发明属于岩土工程-生物-化学交叉学科领域，特别涉及一种聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法。
背景技术
随着我国建设海洋强国重大部署实施的逐步深入，大规模岛礁工程建设需要对珊瑚砂的工程特性和加固处理等进行深入研究，以减少大规模从陆地运输建筑材料降低建筑成本。珊瑚砂为富含碳酸钙或其它难溶碳酸盐类物质的特殊岩土介质，主要有以下特点：①多为生物成因，颗粒性质受原生物骨架的影响，颗粒中含有内孔隙；②孔隙比高，一般在0.7至2.5之间，而普通砂(硅砂)孔隙比为0.4至0.9之间，高孔隙比可能是珊瑚砂具有高压缩性的主要原因；③比重大，通常为2.72至2.8之间，而普通砂(硅砂)为2.65至2.7之间；④碳酸钙含量高，通常大于80％，由于方解石的莫氏硬度为3，而石英为7，珊瑚砂颗粒在受力时容易破碎，易引起工程问题。总之，珊瑚砂具有颗粒易破碎、压缩性较大、地基承载力较低等特性，需要妥善处理。
土壤(砂土)固化处理方法很多，固化途径包括机械方法、物理作用、土工织物、化学胶结等多种手段。但这些方法用于远离陆地的珊瑚砂处理时会遇到机械设备、原材料运输等困难，施工环境差以及可能破坏岛礁生态环境等问题。微生物矿物学最新进展表明，某些特定的微生物(可称之为碳酸盐矿化菌或产脲酶菌)，如巴斯德芽孢杆菌(Bacilluspasteurii)，通过为之提供氮源(如尿素等有机物)和钙离子源，能快速析出具有胶凝作用的碳酸钙结晶。这些微生物成因的碳酸钙具有特殊的微观结构、强度高、粘结性强、反应速度和反应量可控等特征，是化学方法所得碳酸钙无法比拟的。这一微生物成矿技术，被称为Microbially Induced Carbonate Precipitation(MICP)技术，该技术在材料工程、环境工程、土木工程等诸多领域已经或将要得到广泛应用：生物砂浆和生物水泥，放射性污染物的处理，废水中钙离子的处理，石油层渗透性控制，砖石建筑、文物等的保护和修复，地基加固，边坡防护等。
将MICP技术用于松散珊瑚砂固化方面也取得了初步进展，得到的珊瑚砂固化体强度达数MPa；但是，珊瑚砂微生物固化体韧性差，呈脆性破坏，受到冲击荷载破坏时分散成许多碎片等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，旨在解决现有微生物技术在固化处理珊瑚砂存在脆性破坏缺陷等问题。
本发明是这样实现的，一种聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，该聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法包括以下步骤：
将单丝短切聚丙烯纤维按照质量百分比0.05～0.5％掺入到珊瑚砂中，利用强制搅拌机干拌，然后均匀加入一定量的水湿拌，使纤维分散均匀；向试样模中注入水，利用沉砂法将拌好的纤维珊瑚砂混合物均匀装入试样模中，装样完毕后静置，将水排干备用；
将巴斯德芽胞杆菌通过驯化培养、离心、真空冷冻干燥法工序得到的菌粉用海水配制成菌液，调节pH；
向纤维珊瑚砂混合物中通入配制的菌液，再注入含有氯化钙和尿素的混合溶液，连续多天，每天1次。
进一步，该聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法具体为：
将单丝短切聚丙烯纤维按照质量百分比0.05～0.5％掺入到珊瑚砂中，利用强制搅拌机干拌30s，然后均匀加入一定量的水湿拌60s，使纤维分散均匀；向试样模中注入水，利用沉砂法将拌好的纤维珊瑚砂混合物均匀装入试样模中，装样完毕后静置约30min将水排干备用；
将巴斯德芽胞杆菌通过驯化培养、离心、真空冷冻干燥法工序得到的菌粉按1g/L用海水配制成菌液，调节pH至7～8，得菌液；
将所得菌液注入纤维珊瑚砂混合物中，2h后注入每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液，连续4-7天，每天1次。
进一步，所述将单丝短切聚丙烯纤维按照质量百分比0.05～0.5％掺入到珊瑚砂中，利用强制搅拌机干拌30s，然后均匀加入一定量的水湿拌60s，使纤维分散均匀；向试样模中注入水具体为：将短切聚丙烯纤维拧散为单丝状，按照质量百分比0.05～0.5％均匀撒到珊瑚砂表面，利用强制搅拌机干拌30s，然后均匀加入珊瑚砂质量的10％的水，边加水边搅拌，湿拌60s左右，向试样模中注入珊瑚砂质量的40％水。
进一步，所述的单丝短切聚丙烯纤维为100％束状单丝，规格为6mm、13mm、19mm；
进一步，所述巴斯德芽胞杆菌通过驯化培养方法为：将巴斯德芽胞杆菌在培养基中培养24小时；
再离心收集菌体，然后采用真空冷冻干燥法冷藏；
所述培养基成分按质量比为：酵母提取物20-25g/L、尿素20g/L、NaCl10-20g/L、六水氯化镍和四水氯化锰微量，溶剂为蒸馏水。
进一步，巴斯德芽胞杆菌在培养基中培养温度为25±2℃，离心在温度为4℃、4000转/分条件下离心25分钟。
进一步，将菌粉按1g/L用海水配制成活性>1mM·min-1的菌液。
进一步，菌液的注入量相当于珊瑚砂孔隙体积的0.5倍；每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液注入量相当于珊瑚砂孔隙体积。
进一步，菌液的注入速度为10-20mL/min；每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液注入速度为2-10mL/min。
进一步，所述将所得菌液注入纤维珊瑚砂混合物中，2h后注入每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液具体注入方法为：菌液注入采用快速或慢速注入，速度快注入2遍，速度慢注入1遍；每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液注入采用快速或慢速注入，速度快注入3遍，速度慢注入2遍。
本发明通过在现有微生物固化松散珊瑚砂技术的基础上，掺入一定量的单丝聚丙烯纤维，并优化细菌驯化培养、施工工艺等，得到的纤维微生物珊瑚砂固化体性能得到较大改善。
本发明通过在珊瑚砂中掺入少量的聚丙烯短切单丝纤维，有效的提高微生物珊瑚砂固化体的韧性、抗冲击性及防裂性能等，该方法充分的利用了微生物固化珊瑚砂在岛礁工程建设中的优势(菌粉、氯化钙和尿素溶液均可直接用海水配制，解决了岛礁淡水缺乏和原材料运输成本高等问题)和聚丙烯纤维的优良特性，有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法流程图。
图2为固化前的珊瑚砂颗粒SEM扫描图片。
图3为固化后的珊瑚砂柱SEM扫描图片；
图中：A为放大50倍的图片，B为放大150倍的图片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示：
一种聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，该聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法包括以下步骤：
S101：将单丝短切聚丙烯纤维按照质量百分比0.05～0.5％掺入到珊瑚砂中，利用强制搅拌机干拌，然后均匀加入一定量的水湿拌，使纤维分散均匀；向试样模中注入水，利用沉砂法将拌好的纤维珊瑚砂混合物均匀装入试样模中，装样完毕后静置，将水排干备用。
S102：将巴斯德芽胞杆菌通过驯化培养、离心、真空冷冻干燥法工序得到的菌粉用海水配制成菌液，调节pH。
S103：向纤维珊瑚砂混合物中通入配制的菌液，再注入含有氯化钙和尿素的混合溶液，连续多天，每天1次。
进一步，该聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法具体为：
将单丝短切聚丙烯纤维按照质量百分比0.05～0.5％掺入到珊瑚砂中，利用强制搅拌机干拌30s，然后均匀加入一定量的水湿拌60s，使纤维分散均匀；向试样模中注入水，利用沉砂法将拌好的纤维珊瑚砂混合物均匀装入试样模中，装样完毕后静置约30min将水排干备用；
将巴斯德芽胞杆菌通过驯化培养、离心、真空冷冻干燥法工序得到的菌粉按1g/L用海水配制成菌液，调节pH至7～8，得菌液；
将所得菌液注入纤维珊瑚砂混合物中，2h后注入每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液，连续4-7天，每天1次。
所述将单丝短切聚丙烯纤维按照质量百分比0.05～0.5％掺入到珊瑚砂中，利用强制搅拌机干拌30s，然后均匀加入一定量的水湿拌60s，使纤维分散均匀；向试样模中注入水具体为：将短切聚丙烯纤维拧散为单丝状，按照质量百分比0.05～0.5％均匀撒到珊瑚砂表面，利用强制搅拌机干拌30s，然后均匀加入珊瑚砂质量的10％的水，边加水边搅拌，湿拌60s左右，向试样模中注入珊瑚砂质量的40％水。
所述的单丝短切聚丙烯纤维为100％束状单丝，规格为6mm、13mm、19mm，比重0.91，密度0.6kg/m3，抗拉强度>350MPa，弹性模量>3.5GPa，熔点160℃，导热、导电性极低，无毒无吸水性，抗酸碱性高。
所述巴斯德芽胞杆菌通过驯化培养方法为：将巴斯德芽胞杆菌在培养基中培养24小时；
再离心收集菌体，然后采用真空冷冻干燥法冷藏；
所述培养基成分按质量比为：酵母提取物20-25g/L、尿素20g/L、NaCl10-20g/L、六水氯化镍和四水氯化锰微量，溶剂为蒸馏水。
巴斯德芽胞杆菌在培养基中培养温度为25±2℃，离心在温度为4℃、4000转/分条件下离心25分钟。
将菌粉按1g/L用海水配制成活性>1mM·min-1的菌液。如果将菌粉按1g/L用海水配制成的菌液活性<1mM·min-1，则适当增加菌粉用量，保证活性>1mM·min-1；如果将菌粉按1g/L用海水配制成的菌液活性>2mM·min-1，则适当减少菌粉用量。
菌液的注入量相当于珊瑚砂孔隙体积的0.5倍；每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液注入量相当于珊瑚砂孔隙体积。
菌液的注入速度为10-20mL/min；每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液注入速度为2-10mL/min。
所述将所得菌液注入纤维珊瑚砂混合物中，2h后注入每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液具体注入方法为：菌液注入采用快速或慢速注入，速度快注入2遍，速度慢注入1遍；每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液注入采用快速或慢速注入，速度快注入3遍，速度慢注入2遍。
本发明通过在现有微生物固化松散珊瑚砂技术的基础上，掺入一定量的单丝聚丙烯纤维，并优化细菌驯化培养、施工工艺等，得到的纤维微生物珊瑚砂固化体性能得到较大改善。
本发明通过在珊瑚砂中掺入少量的聚丙烯短切单丝纤维，有效的提高微生物珊瑚砂固化体的韧性、抗冲击性及防裂性能等，该方法充分的利用了微生物固化珊瑚砂在岛礁工程建设中的优势(菌粉、氯化钙和尿素溶液均可直接用海水配制，解决了岛礁淡水缺乏和原材料运输成本高等问题)和聚丙烯纤维的优良特性，有良好的应用前景。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
实施例1
纤维与珊瑚砂拌制
珊瑚砂是发育于热带海洋环境中的一种特殊的岩土介质类型，主要由珊瑚碎屑和其它海洋生物碎屑组成，碳酸钙含量高，珊瑚砂SEM扫描照片如图2所示。
将束状短切聚丙烯纤维拧散为单丝状(性能参数见表1)，按照一定质量百分比掺入到珊瑚砂中，利用强制搅拌机干拌30s左右，然后均匀加入一定量的水(约为珊瑚砂质量的10％，边加水边搅拌)湿拌60s左右，使纤维分散均匀。向试样模中注入珊瑚砂质量的40％水，利用沉砂法将拌好的纤维珊瑚砂混合物均匀装入试样模中，装样完毕后静置约30min将水排干备用。
表1聚丙烯纤维性能参数
共做了6个试样，见表2所示。
表2试验方案
编号 1 2 3 4 5 6
掺量 0 0.025 0.05 0.1 0.2 0.5
实施例2
细菌的驯化培养和保藏
配制培养基，培养基成分如表3所示，溶剂为水。
表3培养基成分
成分 酵母提取物 尿素 氯化钠 氯化镍(六水) 氯化锰(四水)
含量 20g/L 20g/L 20g/L 23.8mg/L 13.9mg/L
将巴斯德芽胞杆菌(Bacillus pasteurii)接种至按表1配制的培养基中，在25±2℃条件下培养24h；然后将菌液在4℃、转速为4000转/分条件下离心25分钟，取底部固态细菌采用真空冷冻干燥法保藏；使用前将保藏的细菌粉加入水稀释至菌液活性大于1mM·min-1，调节pH＝7～8，备用。
本实施例中，使用前将保藏的菌粉按1g/L用水配制成菌液，并搅拌2h以上，以保证均匀，菌液活性大于1mM·min-1。
实施例3
珊瑚砂的固化
珊瑚砂的固化方法：将实施例2制得的菌液由上部向珊瑚砂中注入，注入量相当于珊瑚砂孔隙体积的0.5倍，由下部自然排出液体，并控制流出速度为10-20mL/min，注入2遍。2h后，将浓度为1.5mol/L的氯化钙溶液和2mol/L的尿素溶液等体积混合，注入相当于珊瑚砂孔隙体积1倍的氯化钙与尿素的混合液，并控制流速为2～10mL/min，注入2遍。每天按上述步骤注入1次，连续4-7天。
由于考虑以后实际工程应用，采用从上部通入，下端排出方式进行。一般情况下，注入初期，由于珊瑚砂较为松散，自然流速快，需要适当控制流速；注入后期，随着纤维珊瑚砂被固化，自然流速减慢，需要用蠕动泵从底部提高流速。
实施例4
强度试验
对固化后的纤维珊瑚砂柱进行无侧限抗压强度试验。试验前对砂柱进行表面磨平处理，并置于50℃烘箱48h烘干，然后进行试验。试验结果如表4所示。由表4可知，固化后的纤维珊瑚砂柱的无侧限抗压强度达数MPa。相对于未加纤维的砂柱固化体，强度略有增加，但破坏轴向应变大幅度增加，固化体破坏模式由脆性破坏变为塑性破坏；当纤维掺量为0.1％时，效果最佳。
表4纤维珊瑚砂柱试样抗压强度
砂柱 抗压强度/MPa 破坏应变/％ 破坏方式
1 6.5 1.52 脆性破坏
2 6.9 1.75 脆性破坏
3 7.2 2.34 塑性破坏
4 7.5 4.06 塑性破坏
5 6.8 3.28 塑性破坏
6 7.3 3.56 塑性破坏
SEM试验
对固化后的纤维珊瑚砂柱样品进行SEM试验，其结果如图3所示。A为放大50倍的图片，可以观察到珊瑚砂颗粒被大量微米级的碳酸钙包裹和呈网状分布的聚丙烯纤维；B为放大150倍的图片，可以观察到颗粒与颗粒之间通过包裹的碳酸钙咬合以及纤维表面被碳酸钙包裹。
微观结构显示利用本方法固化的珊瑚砂颗粒被大量微米级的碳酸钙包裹，颗粒与颗粒之间通过包裹的碳酸钙咬合以及纤维表面被碳酸钙包裹；不同于微生物处理硅砂固化体的微观结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，其特征在于，该聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法包括以下步骤：
将单丝短切聚丙烯纤维按照质量百分比0.05～0.5％掺入到珊瑚砂中，利用强制搅拌机干拌，然后均匀加入水湿拌，使纤维分散均匀；向试样模中注入水，利用沉砂法将拌好的纤维珊瑚砂混合物均匀装入试样模中，装样完毕后静置，将水排干备用；
将巴斯德芽胞杆菌通过驯化培养、离心、真空冷冻干燥法工序得到的菌粉用海水配制成菌液，调节pH；
向纤维珊瑚砂混合物中通入配制的菌液，再注入含有氯化钙和尿素的混合溶液，连续多天，每天1次。
2.如权利要求1所述的聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，其特征在于，该聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法具体为：
将单丝短切聚丙烯纤维按照质量百分比0.05～0.5％掺入到珊瑚砂中，利用强制搅拌机干拌30s，然后均匀加入水湿拌60s，使纤维分散均匀；向试样模中注入水，利用沉砂法将拌好的纤维珊瑚砂混合物均匀装入试样模中，装样完毕后静置约30min将水排干备用；
将巴斯德芽胞杆菌通过驯化培养、离心、真空冷冻干燥法工序得到的菌粉按1g/L用海水配制成菌液，调节pH至7～8，得菌液；
将所得菌液注入纤维珊瑚砂混合物中，2h后注入每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液，连续4-7天，每天1次。
3.如权利要求2所述的聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，其特征在于，所述将单丝短切聚丙烯纤维按照质量百分比0.05～0.5％掺入到珊瑚砂中，利用强制搅拌机干拌30s，然后均匀加入水湿拌60s，使纤维分散均匀；向试样模中注入水具体为：将短切聚丙烯纤维拧散为单丝状，按照质量百分比0.05～0.5％均匀撒到珊瑚砂表面，利用强制搅拌机干拌30s，然后均匀加入为珊瑚砂质量的10％的水，边加水边搅拌，湿拌60s左右，向试样模中注入珊瑚砂质 量的40％水。
4.如权利要求2所述的聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，其特征在于，所述的单丝短切聚丙烯纤维为100％束状单丝，规格为6mm、13mm、19mm。
5.如权利要求2所述的聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，其特征在于，所述巴斯德芽胞杆菌通过驯化培养方法为：将巴斯德芽胞杆菌在培养基中培养24小时；
再离心收集菌体，然后采用真空冷冻干燥法冷藏；
所述培养基成分按质量比为：酵母提取物20-25g/L、尿素20g/L、NaCl 10-20g/L、六水氯化镍和四水氯化锰微量，溶剂为蒸馏水。
6.如权利要求5所述的聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，其特征在于，巴斯德芽胞杆菌在培养基中培养温度为25±2℃，离心在温度为4℃、4000转/分条件下离心25分钟。
7.如权利要求2所述的聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，其特征在于，将菌粉按1g/L用海水配制成活性>1mM·min-1的菌液。
8.如权利要求2所述的聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，其特征在于，菌液的注入量相当于珊瑚砂孔隙体积的0.5倍；每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液注入量相当于珊瑚砂孔隙体积。
9.如权利要求2所述的聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，其特征在于，菌液的注入速度为10-20mL/min；每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液注入速度为2-10mL/min。
10.如权利要求2所述的聚丙烯纤维改善微生物固化珊瑚砂的方法，其特征在于，所述将所得菌液注入纤维珊瑚砂混合物中，2h后注入每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液具体注入方法为：菌液注入采用快速或慢速注入，速度快注入2遍，速度慢注入1遍；每升含0.75mol氯化钙和1mol尿素的混合溶液注入采用快速或慢速注入，速度快注入3遍，速度慢注入2遍。
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