CN110685266A - 一种纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法，在模具底部装入粗砂砾作为隔流层，将纤维与钙质砂混合搅拌均匀，装填于试样模具中并夯实，然后重新取同样长度的单丝短切玄武岩纤维按照同样的比例与钙质砂混合，搅拌均匀，装填于试样模具中并夯实，重复多次直至装填完毕，铺上隔流层。将巴氏芽孢杆菌冻干粉，通过斜面活化培养、甘油管保存、扩大培养等工序得到菌液。向松散的纤维和砂的混合物中，用蠕动泵先从模具上端通入菌液后静置，待菌液完全渗出后，再从模具下端通入尿素和氯化钙的混合溶液，待混合溶液完全渗出后，静置2小时，反复固化。此方法提高了钙质砂的无侧限抗压强度和抗拉强度，解决了固化体脆性破坏等缺陷。

Description

一种纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法
技术领域
本发明属于岩土-生物-化学-交叉学科领域，特别涉及一种纤维加筋微生物固化联合改善 钙质砂力学性能的方法。
背景技术
钙质砂是一种特殊的岩土介质，广泛分布于我国南海岛礁之中，随着我国南海建设的大 力发展，钙质砂的地基改善成为岛礁建设的重要一环。钙质砂是一种形状不规则、棱角多、 质脆且含有内孔隙、易破碎、易胶结的特殊岩土材质，与普通陆源砂有较大区别。
传统的地基处理通常采用强夯法、预压法、置换法和化学灌浆等方法，这些方法费用较 高、能耗高，甚至产生环境污染。MICP技术是近年来岩土工程领域新兴的一种地基处理技 术，具有节能、环保、对土体扰动小等优点。微生物固化技术主要是通过向特定的微生物提 供营养物质和金属离子溶液等，利用微生物自身生命活动产生的脲酶，分解尿素生成碳酸根 离子和氨根离子，其中碳酸根离子与金属离子结合生成碳酸盐，碳酸盐作用于砂土之间，使 砂土形成一个具有一定强度的整体。
微生物固化技术用于松散钙质砂固化方面也取得了许多成果，得到的钙质砂固化体强度 达到数MPa；但是，钙质砂固化体在受到无侧限压缩荷载的条件下，固化体的延性较差， 易出现脆性破坏。
发明内容
本发明目的在于提供一种纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法，旨在解 决现有微生物技术在固化处理钙质砂存在脆性破坏以及得到最佳的玄武岩纤维长度和含量， 以此来改善钙质砂固化体的力学性能。
本发明是这样实现的，一种纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法，纤维 加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法包括以下步骤：
将一定长度的单丝短切玄武岩纤维按照一定含量掺入到钙质砂中，搅拌至纤维均匀分 布，然后将纤维和砂的混合物填装于模具中，并且在需要固化的砂样两端装填隔流层；
将巴氏芽孢杆菌冻干粉，通过活化培养、甘油管保存、扩大培养工序得到菌液，调节 pH待用；
向松散的纤维和砂的混合物中，用蠕动泵通入配置好的菌液，再注入尿素和氯化钙的混 合溶液，设置为固化了一次，反复固化多次。
进一步，该纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法具体为：
取高度为165mm，直径为50mm的试样模具，将试验模具均匀切开成三瓣，然后用喉箍箍紧，并且在模具内部用三轴试验使用的乳胶膜套好，防止漏水。在其底部装填20mm厚的2-5mm的粗砂砾作为隔流层。将4-18mm长的单丝短切玄武岩纤维与钙质砂按照 0.4％-1.2％(纤维占砂重量的百分比)的重量比混合，利用手工搅拌的方法，搅拌至纤维均 匀分布，然后装填10mm后停止并夯实，之后重新取同样长度的单丝短切玄武岩纤维按照 同样的比例与钙质砂混合，搅拌至纤维均匀分布，装填于试样模具中并夯实，重复10次直 至装填完毕，再在纤维和砂的混合物(即需固化的砂样)上端装入20mm厚度的直径为2-5mm 的粗砂砾作为隔流层。将巴氏芽孢杆菌冻干粉，通过斜面活化培养、甘油管保存、扩大培养 等工序得到的菌液，调节pH至7.3，得到的菌液放入4℃的冰箱中保存，7d内使用。
向松散的纤维和砂的混合物中，用蠕动泵先从模具上端通入100mL菌液后静置20min， 待菌液完全渗出后，再从模具下端通入1M的尿素和氯化钙的混合溶液100mL，待混合溶液 完全渗出后，静置2h，反复通2-3次设置为固化了一次，最终固化16次。
所述巴氏芽孢杆菌冻干粉通过斜面活化培养方法为：先将冻干粉用去离子水溶解，然后 接种在固体斜面培养基中，在30℃恒温培养箱中培养24h。
甘油管保存的方法为：将在斜面上活化好的菌种，用接种环接种到液体培养基中，然后 将液体培养基放在转速为130rmp/min，温度为30℃的恒温回旋振荡培养箱中培养24h，pH 调节为7.3，最后用移液枪以1:1的比例将菌液注入到50％的甘油管中，放入-70℃的超低温 冰箱中保存。
扩大培养的方法为：将甘油管用水浴法水浴15min后，接种到液体培养基中，然后将 液体培养基放在转速为130rmp/min，温度为30℃的恒温回旋振荡培养箱中培养24h，pH调 节为7.3，得到的菌液放入4℃的冰箱中保存，7d内使用。
培养基成分按浓度比为：胰蛋白胨15g/L，蛋白胨5g/L，氯化钠5g/L，尿素20g/L，蒸馏水1000g/L，用1mol/L的氢氧化钠溶液将培养基pH调至7.3。
进一步，将菌液培养至吸光度OD600为1.205，用生理盐水配制成脲酶活性为1.5mmol/(L·min)。
进一步，菌液的注入速度为5mL/min；1M的尿素和氯化钙混合溶液的注入速度为10mL/min。
进一步地，所述玄武岩纤维的长度为8mm，含量为1％。
本发明具有如下有益效果：利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术，在松散的钙质 砂中掺入适当的纤维长度和纤维含量的玄武岩纤维，可以大幅度提高微生物固化体的无侧限 抗压强度和抗拉强度，并且纤维是通过连接砂颗粒间的孔隙来加强MICP过程，同时，纤维 的使用还增加了固化体的延性，降低了固化体的脆性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的玄武岩纤维改善微生物固化钙质砂方法力学性能的试验装 置图。
图2是试样经强度测试后，取破坏后样品的SEM扫描图片。
图中A1和A2是不掺加纤维的样品SEM扫描照片，B是掺加纤维样品SEM扫描照片。
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，以下结合具体实施例，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。
实施例1
实际应用中：将8mm长的单丝短切玄武岩纤维与钙质砂按照1％(纤维占砂重量的百 分比)的重量比混合，例如，钙质砂质量m取27.6g，取纤维0.276g，混合物共27.876克，用搅拌机等搅拌至纤维均匀分布，然后装填10mm后停止并夯实，然后重新取8mm长的单 丝短切玄武岩纤维按照1％的比例与钙质砂混合，搅拌至纤维均匀分布，装填10mm后停止 并夯实，重复10次直至装填完毕。
将巴氏芽孢杆菌冻干粉，通过斜面活化培养、甘油管保存、扩大培养等工序得到的菌液， 调节pH至7.3，得到的菌液放入4℃的冰箱中保存，7d内使用。
向松散的纤维和砂的混合物中，用蠕动泵先从上端通入菌液后静置20min，待菌液完全 渗入后，再通入1M的尿素和氯化钙的混合溶液，待混合溶液完全渗入后，静置2h，反复通2-3次设置为固化了一次，最终固化16次。
所述钙质砂的颗粒级配如下表1所示
粒径/mm 1～2 0.5～1 0.25～0.5 0.1～0.25 0.075～0.1 <0.075
含量/％ 12.48 22.16 36.04 17.55 4.9 6.87
所述巴氏芽孢杆菌冻干粉通过斜面活化培养方法为：先将冻干粉用去离子水溶解，然后 接种在固体斜面培养基中，在30℃恒温培养箱中培养24h。
甘油管保存的方法为：将在斜面上活化好的菌种，用接种环接种到液体培养基中，然后 将液体培养基放在转速为130rmp/min，温度为30℃的恒温回旋振荡培养箱中培养24h，pH 调节为7.3，最后用移液枪以1:1的比例将菌液注入到50％的甘油管中，放入-70℃的超低温 冰箱中保存。
扩大培养的方法为：将甘油管用水浴法水浴15min后，接种到液体培养基中，然后将 液体培养基放在转速为130rmp/min，温度为30℃的恒温回旋振荡培养箱中培养24h，pH调 节为7.3，得到的菌液放入4℃的冰箱中保存，7d内使用。
培养基成分按质量比为：胰蛋白胨15g/L，蛋白胨5g/L，氯化钠5g/L，尿素20g/L，蒸馏水1000g/L，用1mol/L的氢氧化钠溶液将培养基pH调至7.3。
进一步，将菌液培养至吸光度OD600为1.205，用生理盐水配制成脲酶活性为1.5mmol/(L·min)。
进一步，菌液的注入速度为5mL/min；1M的尿素和氯化钙混合溶液的注入速度为10mL/min。
该方法可用于港口的柱子、桥墩，海南岛的塔、蓄水池、桩基础等基础设施的钙质砂力 学性能的改变。
实施例2
试样的准备
取高度为165mm，直径为50mm的试样模具，均匀切开成三瓣，然后用喉箍箍紧，并且在模具内部用三轴试验使用的乳胶膜套好，防止漏水；将单丝短切玄武岩纤维(性能参数见表1)按照长度分别为4mm、8mm、12mm和18mm，纤维含量分别为0％、0.4％、0.8％、 1％和1.2％(纤维占砂重量的百分比)掺入到钙质砂中，利用手工搅拌的方法搅拌至纤维均 匀分布，装填10mm后停止并夯实，再取新的纤维和砂混合并装填10mm后停止并夯实， 共装填10次，在需固化的砂样上下两端分别装20mm厚的2-5mm的粗砂砾作为隔流层。
表2玄武岩纤维性能参数
Figure BDA0002201141250000031
共设计了17组实验，见表3所示，每组实验做两个试样，共34个试样。
表3试验方案
试验编号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
纤维含量(％) 0 0.4 0.4 0.4 0.4 0.8 0.8 0.8 0.8 1 1 1 1 1.2 1.2 1.2 1.2
纤维长度(mm) 0 4 8 12 18 4 8 12 18 4 8 12 18 4 8 12 18
实施例3
巴氏芽孢杆菌的活化培养与保存
配制培养基，培养基成分如表4所示，溶剂为蒸馏水。
表4培养基成分
成分 胰蛋白胨 蛋白胨 氯化钠 尿素
含量 15g/L 5g/L 5g/L 20g/L
将巴氏芽孢杆菌(ATCC 11859)冻干粉用去离子水溶解，然后接种至按表4配制的固 体斜面培养基中，在30℃恒温培养箱中培养24h，制备成甘油管保存；将保存的甘油管水浴 解冻后倒入液体培养基中，然后将液体培养基放在转速为130rmp/min，温度为30℃的恒温 回旋振荡培养箱中培养至OD600＝1.205，pH调节为7.3得到的菌液放入4℃的冰箱中保存， 7d内使用。
本实施例中，固化实验前用生理盐水将菌液配制成脲酶活性为1.5mmol/(L·min)的菌液。
实施例4
钙质砂的固化
固化装置如图1所示
钙质砂固化过程：将实施例2中配制的菌液，以5mL/min的速率从上往下注入100mL菌液，注满后静置20min；待菌液完全渗出后，再以10mL/min的速率用蠕动泵从下往上注 入1M尿素和氯化钙的混合溶液100mL，注入后静置2h，这样使菌液和混合溶液充分反应， 然后解除封口，待混合溶液完全渗出后，重复上述步骤2～3次设置为固化了一次；最后重 复固化16次，烘干后拆模。
实施例5
强度试验
将固化后所得含有相同长度和相同含量的玄武岩纤维的微生物固化体，一组用来进行无 侧限抗压强度试验，另外一组用来进行劈裂抗拉强度试验。试验前利用单面磨平机和切割机 将固化体处理为力学试验要求的标准尺寸。试验结果如表4所示，由表4可知，掺加适当纤 维长度和纤维含量的钙质砂微生物固化体的无侧限抗压强度和抗拉强度大幅度提高。与未掺 加纤维的微生物固化体相比，玄武岩纤维能有效地降低钙质砂固化体的脆性，提高延性；当 纤维长度为8mm纤维含量1％时，微生物固化体的无侧限抗压强度提高了717％，抗拉强度 提高了115％。
固化体编号 抗压强度/kPa 抗拉强度/kPa 破坏方式
0 590 291 脆性破坏
1 230 132 塑性破坏
2 833 143 塑性破坏
3 786 189 塑性破坏
4 1067 211 塑性破坏
5 190 144 塑性破坏
6 3422 241 塑性破坏
7 815 269 塑性破坏
8 1191 287 塑性破坏
9 150 148 塑性破坏
10 4232 335 塑性破坏
11 997 301 塑性破坏
12 1250 386 塑性破坏
13 120 156 塑性破坏
14 998 412 塑性破坏
15 383 301 塑性破坏
16 548 447 塑性破坏
SEM试验
试样经强度测试后，取破坏后的样品用扫描电镜进行观察。无纤维样品的图像如图A1和A2所示，可以看出，钙质砂经微生物固化生成的碳酸钙沉淀，或附着、或包裹在钙质砂表面，颗粒间原有空隙在一定程度上被生成的碳酸钙填充。图B显示了纤维长度8mm纤维含量1%固化体破坏后样品的扫描电镜，可以清楚的看出，纤维填补了砂颗粒间的孔隙，增强了胶结作用，而且纤维表面也附着了许多碳酸钙沉淀，因此纤维也促进了更多的碳酸钙在孔隙中沉淀，与掺加未纤维固化体相比，掺加纤维的固化体具有更高的抗压强度和抗拉强度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (6)

1.一种纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法，其特征在于，该纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法包括以下步骤：
将一定长度的玄武岩纤维按照一定含量掺入到钙质砂中，搅拌至纤维均匀分布，然后将纤维和砂的混合物填装于模具中，并且在需要固化的砂样两端装填隔流层；
将巴氏芽孢杆菌冻干粉，通过活化培养、甘油管保存、扩大培养工序得到菌液，调节pH待用；
向松散的纤维和砂的混合物中，用蠕动泵通入配置好的菌液，再注入尿素和氯化钙的混合溶液，静置一段时间，设置为固化了一次，反复固化多次。
2.如权利要求1所述的纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法，其特征在于，该纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法具体为:
在试样模具底部装入10-20mm厚度的直径为2-5mm的粗砂砾作为隔流层，将4-18mm长的单丝短切玄武岩纤维与钙质砂按照0.4％-1.2％的重量比混合，搅拌至纤维均匀分布，然后装填于试样模具中并夯实，然后重新取同样长度的单丝短切玄武岩纤维按照同样的比例与钙质砂混合，搅拌至纤维均匀分布，装填于试样模具中并夯实，重复多次直至装填完毕，再在纤维和砂的混合物上端装入10-20mm厚度的直径为2-5mm的粗砂砾作为隔流层；
将巴氏芽孢杆菌冻干粉，通过斜面活化培养、甘油管保存、扩大培养等工序得到的菌液，调节pH至7.0-7.5，得到的菌液放入冰箱中保存，7d内使用；
向松散的纤维和砂的混合物中，用蠕动泵先从模具上端通入菌液后静置，待菌液完全渗出后，再从模具下端通入的尿素和氯化钙的混合溶液，待混合溶液完全渗出后，静置一段时间，反复通2-3次设置为固化了一次，最终固化至少10次。
3.如权利要求2所述的纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法，其特征在于，所述模具需均匀切成三瓣，然后用喉箍箍紧，并且在模具内部用三轴试验使用的乳胶膜套好，防止漏水。
4.如权利要求2所述的纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法，其特征在于，所述巴氏芽孢杆菌冻干粉通过斜面活化培养方法为：先将冻干粉用去离子水溶解，然后接种在固体斜面培养基中，在恒温培养箱中培养10-30h；
甘油管保存的方法为：将在斜面上活化好的菌种，用接种环接种到液体培养基中，然后将液体培养基放在转速为100-150rmp/min，温度为20-40℃的恒温回旋振荡培养箱中培养10-30h，pH调节为7.0-7.5，最后用移液枪将菌液注入到甘油管中，放入超低温冰箱中保存；
扩大培养的方法为：将甘油管用水浴法水浴，接种到液体培养基中，然后将液体培养基放在转速为100-150rmp/min，温度为30℃的恒温回旋振荡培养箱中培养24h，调节pH为7.0-7.5，得到的菌液放入4℃的冰箱中保存，7d内使用；
所述培养基成分为：胰蛋白胨，蛋白胨，氯化钠，尿素，蒸馏水，用氢氧化钠溶液将培养基pH调至7.0-7.5。
5.如权利要求2所述的纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法，其特征在于，将菌液培养至吸光度OD600为1.205，用生理盐水配制成脲酶活性为1.5mmol/(L·min)。
6.如权利要求2所述的纤维加筋微生物固化联合改善钙质砂力学性能的方法，其特征在于，菌液的注入速度为5mL/min；1M的尿素和氯化钙混合溶液的注入速度为10mL/min。
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