CN108761044B - 一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置及方法 - Google Patents

一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置，所述试验装置包括培养箱、氧气输送装置和抽真空装置。本发明还公开了一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验方法，包括砂土试件制作、营养液配制、细菌与营养液混合、培养环境调试、有氧负压环境养护等步骤。本发明公开的试验方法探索出了负压条件下，随着养护时间的递增，微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的强度会出现一个急剧增长的趋势，优于正常大气压力环境下固砂效果。所述方法在负压环境工程的实际应用具有显著指导意义。

Description

一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置 及方法
技术领域
本发明属于固化砂土技术领域，具体涉及一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置及方法。
背景技术
随着世界范围内的人口增长和社会发展，对建设用地的需求不断增大。传统的化学灌浆材料和化学固化剂，大多含有有毒化学物质，常常对环境造成不良影响。微生物诱导固化是一种新型土壤固化技术，其实质是诱导某些特定微生物与有机物(如尿素)反应，并结合离子源，生成具有粘结作用且难溶的碳酸盐晶体，从而将松散无胶结或弱胶结颗粒粘结在一起，形成具有一定强度的整体。
CN201410671294公开了一种砂桩的施工方法，CN201410671469公开了一种加固治理液化砂土地基的方法，ZL201410671469.8公开了一种加固治理液化砂土地基的方法，CN201410671522公开了一种混凝土坝缝隙的堵漏方法，上述三个专利均使用了微生物诱导碳酸钙沉淀技术并作用于不同的领域。但是上述专利均是在常压下进行并没有公开气体压强对技术效果的影响。《微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化土壤实验研究》也开展了巴氏芽孢杆菌(Sporosarcinapasteurii)催化尿素水解进行MICP固化土壤效果和影响因素研究，主要包括：巴氏芽孢杆菌的培养和脲酶活性研究、尿素水解MICP过程及影响因素研究、砂土粒径对固化效果的影响等。也没有对气体压强环境对固砂效果展开研究。
由于微生物诱导碳酸钙沉淀法机理简单，快速高效，容易控制，环境耐候性好，项目组所在科研团队设想通过调整气压大小来实现固砂效果的突破。针对现有的微生物诱导碳酸钙沉淀固砂技术一般是在常压条件下进行固砂的技术现状，本发明欲探索一种负压条件下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置，所述试验装置简单易操作；本发明的目的之二在于提供一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验方法，突破常压条件下固化达到的砂土强度。
为实现上述发明目的，具体提供了如下所述的技术方案：
1.一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置，所述试验装置包括培养箱、氧气输送装置和抽真空装置；
所述培养箱包括培养箱体3及密封盖1，所述培养箱体3底部从下至上依次设有透气石6、多孔塑料板8，多孔塑料板8上放置试件5，所述试件模具(5)呈柱体空心结构，由土工膜制成；
所述氧气输送装置包括氧气泵15及输气管4，所述输气管4穿过密封盖1分别连接氧气泵15及透气石6；
所述抽真空装置包括真空泵16及抽真空气管14，所述抽真空气管14穿过密封盖1分别连接真空泵16及培养箱体3，所述抽真空气管(14)置于培养箱体内的一端位于培养液(17)上方，使培养箱内形成有氧负压环境。
进一步，所述试验装置还包括恒温控制装置，所述恒温控制装置包括恒温调节器9以及恒温控制器11，所述恒温调节器9浸没于培养液17中，所述恒温控制器11安置于培养箱外。
进一步，所述多孔塑料板8通过塑料支架7支撑于箱底以使透气石6与多孔塑料板8之间留有孔隙。
进一步，所述输气管4上设置有输气管阀门10并安置于培养箱外。
进一步，所述抽真空气管14上设置有真空表12及真空管阀门13并安置于培养箱外。
进一步，所述试验装置还包括密封条2以加强密封培养箱体3及密封盖1。
2、一种利用前述试验装置在负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验方法，包括如下步骤：
1)砂土试件制作：将标准砂装入试件模具5内，然后置于多孔塑料板8上；
2)粘结液配制：所述化学溶液以水为溶媒并含有NH4Cl、NaHCO3、CaCl2.2H2O、CO(NH2)2，粘结液的pH值由HCl或NaOH调节为6；
3)细菌培养液配制：细菌培养液以水为溶媒包含(NH4)2SO4、酵母粉、缓冲溶液，细菌培养液pH值为9.0，细菌浓度OD600＝0.640，并将细菌溶液混合在砂土试样中；
4)将上述粘结液倒入培养箱内淹没砂土试件，盖上密封盖1，然后在密封盖1四周通过C型夹扣仅仅扣住密封盖，控制温度在20～25℃；
5)打开氧气泵15，并调节输气管阀门10大小，氧气通过透气石6均匀地扩散在溶液中，并给细菌提供生存的氧气，氧气的大小控制在使溶液中有微小的气泡即可；
6)打开真空泵16，调节真空管阀门13的大小，并保证真空表12显示15inHg；
7)保持以上条件不变，让细菌参与微生物固砂，养护14天以上。
优选的，所述细菌为巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii)CGMCCNO.1.3687。
优选的，所述NH4Cl、NaHCO3、CaCl2.2H2O、CO(NH2)2的浓度分别为10.0g/L、2.12g/L、73.5g/L、30.0g/L。
本发明的有益效果在于：
1、本发明公开的试验装置操作简单，通过使用本发明的化学溶液的配比：氯化铵(10.0g/L)，碳酸氢钠(2.12g/L)，尿素(30.0g/L)，氯化钙(73.5g/L)，pH值为6.0，能使细菌和营养液快速反应，有效地利用了CO3 2-离子和Ca2+钙离子。试验发现，有氧负压环境下微生物固砂在后期强度非常高，其原因在于微生物生产的碳酸钙悬浮物在负压环境下晶体颗粒更加趋于紧密，因此，可以通过该方法得到比正常大气压环境下更高的试样强度。同时，本方法的成果还可以应用在具有负压环境的实际工程中，以提高在负压环境下岩土体的强度。
附图说明
图1为本发明公开的负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置的结构示意图；
图2为试验装置的俯视图；
图3为输气管与透气石的连接图；
图中：1-密封盖；2-密封条；3-培养箱体；4-输气管；5-试件；6-透气石；7-塑料支架；8-多孔塑料板；9-恒温调节器；10-输气管阀门；11-恒温控制器；12-真空表；13-真空管阀门；14-抽真空气管；15-氧气泵；16-真空泵；17-培养液。
图4为实施例及对比实施例固砂试验试件应力测试数据曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明进行更加详细的阐述。
一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置，如图1所示，所述试验装置包括培养箱、氧气输送装置和抽真空装置；
所述培养箱包括培养箱体3及密封盖1，所述培养箱体3底部从下至上依次设有透气石6、多孔塑料板8，多孔塑料板8上放置试件5，试件模具(5)呈柱体空心结构，由土工膜制成；所述氧气输送装置包括氧气泵15及输气管4，所述输气管4穿过密封盖1分别连接氧气泵15及透气石6；所述抽真空装置包括真空泵16及抽真空气管14，所述抽真空气管14穿过密封盖1分别连接真空泵16及培养箱体3；在培养箱体3中装培养液17以浸没试件5。
所述试验装置还包括恒温控制装置，所述恒温控制装置包括恒温调节器9以及恒温控制器11，所述恒温调节器9浸没于培养液17中，所述恒温控制器11安置于培养箱外。所述多孔塑料板8通过塑料支架7支撑于箱底以使透气石6与多孔塑料板8之间留有孔隙。所述输气管4上设置有输气管阀门10并安置于培养箱外。所述抽真空气管14上设置有真空管阀门13以及真空表12并安置于培养箱外。
所述试验装置还包括密封条2以加强密封培养箱体3及密封盖1。
所述试验装置的俯视图如图2所示，图3显示了输气管与透气石的连接方式。
实施例
使用如上所述的装置进行固砂试验，具体操作步骤按如下所述：
1)砂土试件制作：将标准砂装入空心圆柱形试件模具5内，共计制作18件，然后置于多孔塑料板8上；
2)粘结液配制：所述营养液以水为溶媒并含有NH4Cl、NaHCO3、CaCl2.2H2O、CO(NH2)2，所述NH4Cl、NaHCO3、CaCl2.2H2O、CO(NH2)2的浓度分别为10.0g/L、2.12g/L、73.5g/L、30.0g/L；最终粘结液的pH值将由HCl或NaOH调节为6；
3)细菌培养液配制：细菌培养液以水为溶媒包含(NH4)2SO4、酵母粉、缓冲溶液，细菌培养液pH值为9.0，细菌浓度OD600＝0.640，并将细菌溶液混合在砂土试样中；
4)将上述粘结液倒入培养箱内淹没砂土试件，盖上密封盖1，然后在密封盖1四周通过C型夹扣仅仅扣住密封盖；
5)打开氧气泵15，并调节输气管阀门10大小，氧气通过透气石均匀地扩散在溶液中，并给细菌提供生存的氧气，氧气的大小控制在使溶液中有微小的气泡即可；
6)打开真空泵16，调节真空管阀门13的大小，并保证真空表12显示15inHg；
7)保持以上条件不变，让细菌参与微生物固砂；分别在第3天、第5天、第7天、第10天、第14天、第18天取出3件试件进行应力测试取平均值，并做好记录见表1。
对比实施例
1)砂土试件制作：将标准砂装入空心圆柱形试件模具5内，共计制作18件，然后置于多孔塑料板8上；
2)粘结液配制：所述粘结液以水为溶媒并含有NH4Cl、NaHCO3、CaCl2.2H2O、CO(NH2)2，所述NH4Cl、NaHCO3、CaCl2.2H2O、CO(NH2)2的浓度分别为10.0g/L、2.12g/L、73.5g/L、30.0g/L；所述粘结液的pH值最终由HCl或NaOH调节为6；
3)细菌培养液配制：细菌培养液以水为溶媒包含(NH4)2SO4、酵母粉、缓冲溶液，细菌培养液pH值为9.0，细菌浓度OD600＝0.64。将巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii)CGMCC NO.1.3687细菌与培养液混合得混合液，使得细菌浓度OD600＝0.640并将混合液混合在砂土试样中；
4)将上述粘结液倒入培养箱内淹没砂土试件，盖上密封盖1，然后在密封盖1四周通过C型夹扣仅仅扣住密封盖；
5)打开氧气泵15，并调节输气管阀门10大小，氧气通过透气石均匀地扩散在溶液中，并给细菌提供生存的氧气，氧气的大小控制在使溶液中有微小的气泡即可；
7)保持在大气压力下让细菌参与微生物固砂；分别在第3天、第5天、第7天、第10天、第14天、第18天取出3件试件进行应力测试取平均值，并做好记录见表1。
表1实施例及对比实施例固砂试验试件应力测试数据
Figure GDA0004229676790000081
将表1所列数据制作曲线进行表征，得到如图4所示的曲线图，由试验发现，在养护初期，负压条件下的微生物固砂试件的强度一直低于常压条件下养护的，但在在养护时间14天后，有氧负压环境下微生物固砂试件的强度非常显著的高于常规大气压力下养护的固砂试件。这是本发明所公开技术方案的一个非常显著的技术效果，即负压条件下，随着养护时间的递增，微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的强度会出现一个急剧增长的趋势，优于正常大气压力环境下固砂效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括培养箱、氧气输送装置和抽真空装置；
所述培养箱包括培养箱体(3)及密封盖(1)，所述培养箱体(3)底部从下至上依次设有透气石(6)、多孔塑料板(8)，多孔塑料板(8)上放置试件模具(5)，所述试件模具(5)呈柱体空心结构，由土工膜制成；
所述氧气输送装置包括氧气泵(15)及输气管(4)，所述输气管(4)穿过密封盖(1)分别连接氧气泵(15)及透气石(6)；
所述抽真空装置包括真空泵(16)及抽真空气管(14)，所述抽真空气管(14)穿过密封盖(1)分别连接真空泵(16)及培养箱体(3)，所述抽真空气管(14)置于培养箱体内的一端位于培养液(17)上方，使培养箱内形成有氧负压环境。
2.根据权利要求1所述一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括恒温控制装置，所述恒温控制装置包括恒温调节器(9)以及恒温控制器(11)，所述恒温调节器(9)浸没于培养液(17)中，所述恒温控制器(11)安置于培养箱外。
3.根据权利要求1所述一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置，其特征在于，所述多孔塑料板(8)通过塑料支架(7)支撑于箱底以使透气石(6)与多孔塑料板(8)之间留有孔隙。
4.根据权利要求1所述一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置，其特征在于，所述输气管(4)上设置有输气管阀门(10)并安置于培养箱外。
5.根据权利要求1所述一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置，其特征在于，所述抽真空气管(14)上设置有真空表(12)及真空管阀门(13)并安置于培养箱外。
6.根据权利要求1所述一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括密封条(2)以加强密封培养箱体(3)及密封盖(1)。
7.一种利用权利要求1-6任一所述的试验装置在负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)砂土试件制作：将标准砂装入试件模具(5)内，然后置于多孔塑料板(8)上；
2)粘结液配制：所述粘结液以水为溶媒并含有NH4Cl、NaHCO3、CaCl2.2H2O、CO(NH2)2，粘结液的pH值由HCl或NaOH调节为6；
3)细菌培养液配制：细菌培养液以水为溶媒包含(NH4)2SO4、酵母粉、缓冲溶液，细菌培养液pH值为9.0，细菌浓度OD600＝0.640，并将细菌溶液混合在砂土试样中；
4)将上述粘结液倒入培养箱内淹没砂土试件，盖上密封盖(1)，然后在密封盖(1)四周通过C型夹扣紧紧扣住密封盖，控制温度在20～25℃；
5)打开氧气泵(15)，并调节输气管阀门(10)大小，氧气通过透气石均匀地扩散在溶液中，并给细菌提供生存的氧气，氧气的大小控制在使溶液中有微小的气泡即可；
6)打开真空泵(16)，调节真空管阀门(13)的大小，并保证真空表(12)显示15inHg；
7)保持以上条件不变，让细菌参与微生物固砂，养护14天以上。
8.根据权利要求7所述一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验方法，其特征在于，所述细菌为巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcina pasteurii)CGMCC NO.1.3687。
9.根据权利要求7所述一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验方法，其特征在于，所述NH4Cl、NaHCO3、CaCl2.2H2O、CO(NH2)2的浓度分别为10.0g/L、2.12g/L、73.5g/L、30.0g/L。
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