CN110965546A

CN110965546A - 一种改善微生物胶结砂土的方法

Info

Publication number: CN110965546A
Application number: CN201911274407.2A
Authority: CN
Inventors: 袁余洋
Original assignee: Zunyi Normal University
Current assignee: Zunyi Normal University
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: CN110965546B

Abstract

本发明公开了一种改善微生物胶结砂土的方法，包括以下步骤：1）培养细菌，然后测试其菌液OD600值和活性值，保存菌液；2）配置胶结液；3）制备土体；4）配置改性剂；5）在土体中加入改性剂，改性剂与土体的重量比为1:1000；6）接着加入菌液，菌液与土体的重量比100:1；7）再加入胶结液，胶结液与土体重量比为3：10；8）最后加入质量分数为2.5%大蒜素水溶液，大蒜素水溶液与土体重量比为1：1000。本发明提出改善微生物胶结砂土的方法，能够显著提高砂土的无侧限抗压强度和残余强度，尤其能够改善微生物胶结砂土原本脆性的缺点，增加破坏时的韧性，对提高工程结构的安全性和稳定性有积极效果，适宜广泛推广应用。

Description

一种改善微生物胶结砂土的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体是指一种改善微生物胶结砂土的方法。

背景技术

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术是近年发展起来的新兴土质改良与加固技术。该技术是建立在自然界中土体内部发生的生物化学成矿过程——由微生物分泌的脲酶水解尿素后结合钙离子生成碳酸钙，对土颗粒进行胶结，从而起到改善土体物理力学性质的目的。由于该技术具有节能减排、生态环保、经济高效、对土体扰动小等优点，引起了国内外学者的广泛关注，并围绕MICP改性土体的工程性质开展了大量研究。研究成果均表明：MICP作为一种可持续发展的土体加固新方法，具有潜在的工程实用价值，能应用到各个领域，如加固软弱地基、防治砂土液化、稳定路堤边坡和防治土体侵蚀等。然而，强度与韧性的互斥性一直是岩土工程材料面临的挑战性问题。经过微生物胶结作用加固的砂土虽然强度能达到很高的水平，但在很大程度上表现为一种典型的脆性材料，即破坏后强度瞬间丧失，在安全性方面具有一定的隐患。随着MICP技术的飞速发展，如何改善MICP固化土的韧性，有必要开展针对性研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微生物胶结砂土原本脆性的缺点，增加破坏时的韧性，提高工程结构的安全性、稳定性的改善微生物胶结砂土的方法。

为了实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：一种改善微生物胶结砂土的方法，包括以下步骤：

(1)选择合适的化能异养型革兰氏阳性菌，并配置相应的培养基对其进行培养，然后测试其菌液OD₆₀₀值和活性值，将菌液置于低温环境下保藏，并定期活化保持其活性；

(2)配置与所选择化能异养型革兰氏阳性菌匹配的胶结液；

(3)将粘性土、砂、石按重量比2:3:5混合制备土体；

(4)按重量份计，将硫酸酰胺2～7份，三异丙醇胺3～8份，滑石粉10～20份，石炭酸3～10份混合均匀，调节所得混合物的pH值，使其pH值为7～9，得到改性剂，备用；

(5)将制备的改性剂加入制备的土体中，并搅拌均匀，改性剂与土体的重量比为1:1000；

(6)将步骤(1)制备得到的菌液加入混有改性剂的土体中，拌匀，土体与菌液的重量比100:1；

(7)将步骤(2)制备得到的胶结液加入步骤(6)所得土体中，拌匀，加入胶结液与土体重量比为3：10；

(8)最后在步骤(7)中所得土体中加入质量分数为2.5％大蒜素水溶液，大蒜素水溶液与土体重量比为1：1000。

本技术方案的工作原理为，主要基于微生物诱导碳酸钙沉积技术，即在土体内部发生的生物化学成矿过程，由微生物分泌的脲酶水解尿素后结合钙离子生成碳酸钙，对土颗粒进行胶结，从而起到改善土体物理力学性质的目的，具体反应式如下：

CO(NH₂)₂+H₂O→NH₂COOH+2NH₃；

NH₂COOH+H₂O→NH₃+H₂CO₃；

2OH^-+HCO→CO^2-+2H₂O

Ca²⁺+Cell→Cell–Ca²⁺

Cell-Ca²⁺+CO₃ ²⁺→Cell-CaCO

为改善微生物诱导碳酸钙沉积技术改善的土体在破坏后强度瞬间丧失的不足，先对土体进行一定程度的改性，即加入本发明提供的改性剂，该改性剂能够改变土颗粒结构、降低土微粒界面活性，使土颗粒内部原始内聚力重新组合，产生不可逆转的凝聚，阻塞土体空隙，使土颗粒失去毛细吸水之特性。但是该改性剂的作用需要土体承受一定压力，才能彻底发挥改性土体的效果，因此，特别加入了微生物抑制剂—大蒜素，在土体未完全改性成功时，先抑制土体中微生物胶结固化土体，大蒜素具有一定的挥发性，在土体固定的过程中，含量会不断减少，在土体彻底改性成功后，极微量的大蒜素反而能够反向促进微生物的代谢，从而更好地实现土体的固话。

本发明试验了很多微生物抑制剂，到目前为止，只发现大蒜素能够满足前期抑制，后期促进，而且具有一定挥发性的微生物抑制剂。因此大蒜素的加入，是实现本发明所述土体改善的关键技术因子。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)中选择的化能异养型革兰氏阳性菌为巴氏芽孢八叠球菌。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)中的配置的培养基组分，按重量份计，由为酵母提取物20份，硫酸铵10份，Trisbase16份构成。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)中的菌液OD₆₀₀值测试过程为，先将活化培养的菌液稀释至10倍，然后取200μL放入酶标仪中，直接测量菌液的OD₆₀₀值。菌液浓度是影响固化效果的重要因素之一，通常用OD₆₀₀值来表征，因此测试OD₆₀₀值，是对菌液浓度进行测试。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)中菌液活性值的测试过程为，取5mL菌液，与45mL1.6M尿素溶液混合，用电导率仪测量5min溶液电导率的变化，所测5min内平均电导率变化值乘以稀释倍数来反映菌液酶活性。脲酶活性反映了细菌水解尿素的能效，也是影响固化效果的重要因素，因此本发明通过电导率来反应菌液的活性值。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(2)中胶结液组分，按重量份计，由55.5份CaCl₂，30份尿素，6份营养肉汤构成。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(4)中改性剂的组分，按重量份计，酸酰胺5份，三异丙醇胺6份，滑石粉15份，石炭酸5份混合均匀。

为更好的实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(4)中，通过pH调节剂进行改性剂pH值的调节，所述pH调节剂为柠檬酸。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过在土体中加入改性剂，改变了土颗粒结构、降低土微粒界面活性，使土颗粒内部原始内聚力重新组合，产生不可逆转的凝聚，阻塞土体空隙，使土颗粒失去毛细吸水之特性，使之可以更好地配合微生物胶结对土体的固化，固化后的土体韧性大大提升，避免土体发生破坏后强度瞬间丧失的情况发生；

(2)本发明通过在土体中加入少量大蒜素，能够轻度抑制于土体中微生物的新陈代谢，延缓土体中微生物胶结土体的过程，使得土体具有更长的改性时间，从而更好地配合微生物胶结固化土体；

(3)本发明加入的大蒜素具有一定的挥发性，在土体中一段时间后，含量会越加减少，能够在土体改性完成后，反向促进土体中微生物的生长，在后期加强微生物对土体的加工作用，实现土体的“自愈合”效果；

(4)本发明提出改善微生物胶结砂土的方法，能够显著提高砂土的无侧限抗压强度和残余强度，尤其能够改善微生物胶结砂土原本脆性的缺点，增加破坏时的韧性，对提高工程结构的安全性和稳定性有积极效果，适宜广泛推广应用。

具体实施方式

为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本实施例的一种改善微生物胶结砂土的方法，包括以下步骤：

(2)配置与所选择化能异养型革兰氏阳性菌匹配的胶结液；

(3)将粘性土、砂、石按重量比2:3:5混合制备土体；

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地限定了选择使用的微生物，所述步骤(1)中选择的化能异养型革兰氏阳性菌为巴氏芽孢八叠球菌。该菌种购自于美国菌种保藏中心，编号为ATCC11859，该细菌为化能异养型革兰氏阳性菌。巴氏芽孢八叠球菌个体呈卵圆形，长度约2～3μm。这种细菌是目前岩土工程领域MICP应用最普遍的细菌，其分泌脲酶的活性较强，具有一定代表性。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地限定了培养微生物的培养基组分，所述步骤(1)中的配置的培养基组分，按重量份计，由为酵母提取物20份，硫酸铵10份，Trisbase16份构成。对微生物进行培养的具体过程如下：

利用恒温摇床培养箱在30℃和120rpm环境下对细菌进行有氧培养24h，之后利用酶标仪测得菌液的OD₆₀₀(每单位OD₆₀₀值约对应108个细菌)值约为1.10。利用电导率仪测定其活性约为2.79mMureahydrolysed·min^-1·OD^-1。菌种保存在4℃冰箱中，并定期活化保持活性。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地限定了菌液OD₆₀₀值测试过程，所述步骤(1)中的菌液OD₆₀₀值测试过程为，先将活化培养的菌液稀释至10倍，然后取200μL放入酶标仪中，直接测量菌液的OD₆₀₀值。菌液浓度是影响固化效果的重要因素之一，通常用OD₆₀₀值来表征，每单位OD600值约对应108个细菌。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地限定了菌液活性值的测试过程，所述步骤(1)中菌液活性值的测试过程为，取5mL菌液，与45mL1.6M尿素溶液混合，用电导率仪测量5min溶液电导率的变化，所测5min内平均电导率变化值乘以稀释倍数来反映菌液酶活性。脲酶活性反映了细菌水解尿素的能效，也是影响固化效果的重要因素。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例6：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地限定了胶结液的组分，所述步骤(2)中胶结液组分，按重量份计，由55.5份CaCl2，30份尿素，6份营养肉汤构成。胶结液主要是为微生物诱导碳酸钙沉积过程提供尿素以及钙离子，同时提供微生物生长繁殖的营养物质。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例7：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地限定了改性剂的组分，所述步骤(4)中改性剂的组分，按重量份计，酸酰胺5份，三异丙醇胺6份，滑石粉15份，石炭酸5份混合均匀。该改性剂能够改变土颗粒结构、降低土微粒界面活性，使土颗粒内部原始内聚力重新组合，产生不可逆转的凝聚，阻塞土体空隙，使土颗粒失去毛细吸水之特性，使之可以更好地配合微生物胶结对土体的固化，固化后的土体韧性大大提升，避免土体发生破坏后强度瞬间丧失的情况发生。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例8：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地限定了pH调节剂，所述步骤(4)中，通过pH调节剂进行改性剂pH值的调节，所述pH调节剂为柠檬酸。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种改善微生物胶结砂土的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）选择合适的化能异养型革兰氏阳性菌，并配置相应的培养基对其进行培养，然后测试其菌液OD₆₀₀值和活性值，将菌液置于低温环境下保藏，并定期活化保持其活性；

（2）配置与所选择化能异养型革兰氏阳性菌匹配的胶结液；

（3）将粘性土、砂、石按重量比2:3:5混合制备土体；

（4）按重量份计，将硫酸酰胺2~7份，三异丙醇胺3~8份，滑石粉10~20份，石炭酸3~10份混合均匀，调节所得混合物的pH值，使其pH值为7~9，得到改性剂，备用；

（5）将制备的改性剂加入制备的土体中，并搅拌均匀，改性剂与土体的重量比为1:1000；

（6）将步骤（1）制备得到的菌液加入混有改性剂的土体中，拌匀，土体与菌液的重量比100:1；

（7）将步骤（2）制备得到的胶结液加入步骤（6）所得土体中，拌匀，加入胶结液与土体重量比为3：10；

（8）最后在步骤（7）中所得土体中加入质量分数为2.5%大蒜素水溶液，大蒜素水溶液与土体重量比为1：1000。

2.根据权利要求1所述的一种改善微生物胶结砂土的方法，其特征在于，所述步骤（1）中选择的化能异养型革兰氏阳性菌为巴氏芽孢八叠球菌。

3.根据权利要求2所述的一种改善微生物胶结砂土的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的配置的培养基组分，按重量份计，由为酵母提取物20份，硫酸铵10份，Trisbase16份构成。

4.根据权利要求3所述的一种改善微生物胶结砂土的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的菌液OD₆₀₀值测试过程为，先将活化培养的菌液稀释至10倍，然后取200μL放入酶标仪中，直接测量菌液的OD₆₀₀值。

5.根据权利要求4所述的一种改善微生物胶结砂土的方法，其特征在于，所述步骤（1）中菌液活性值的测试过程为，取5mL菌液，与45mL1.6M尿素溶液混合，用电导率仪测量5min溶液电导率的变化，所测5min内平均电导率变化值乘以稀释倍数来反映菌液酶活性。

6.根据权利要求1~4任一项所述的一种改善微生物胶结砂土的方法，其特征在于，所述步骤（2）中胶结液组分，按重量份计，由55.5份CaCl₂，30份尿素，6份营养肉汤构成。

7.根据权利要求1~4任一项所述的一种改善微生物胶结砂土的方法，其特征在于，所述步骤（4）中改性剂的组分，按重量份计，酸酰胺5份，三异丙醇胺6份，滑石粉15份，石炭酸5份混合均匀。

8.根据权利要求7任一项所述的一种改善微生物胶结砂土的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，通过pH调节剂进行改性剂pH值的调节，所述pH调节剂为柠檬酸。