CN111334309A - 一种利用镁添加剂的生物加固方法及其应用 - Google Patents

一种利用镁添加剂的生物加固方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用镁添加剂的生物加固方法及其应用。本发明首先向钙盐和镁盐混合溶液中加入尿素，溶解，得到营养液；接着将保存的产脲酶菌活化、扩大培养，得到菌液A；取CaCl2溶于菌液A中，得到菌液B；然后先往灌浆模具中灌入砂粒，分层捣实，形成砂样；最后往砂样灌浆，灌浆为依次注入步骤(2)得到的菌液A、菌液B和步骤(1)得到的营养液，得到生物砂浆。本发明在现有微生物诱导碳酸钙沉积加固技术的基础上引入镁离子，析出晶体有球霰石、方解石和镁方解石等各种混合物，使微生物固化砂土的强度和刚度大幅提升，有利于满足工程需要，可以广泛应用于建筑领域；采用的镁盐对环境污染小，同时，成本降低，经济性和环保效果较好。

Description

一种利用镁添加剂的生物加固方法及其应用
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种利用镁添加剂的生物加固方法及其应用。
背景技术
传统的地基改良方法主要有置换、加密、加筋和化学灌浆等，但是这些方法对土体扰动大，产生施工噪音，且有些化学灌浆会产生有毒物质，从而对环境造成不良影响。
微生物固化砂土技术是岩土工程领域兴起的一种不良地基处理技术，该技术主要是通过微生物自身代谢的脲酶水解尿素产生碳酸根离子与铵根离子，结合环境中提供的钙离子形成碳酸钙沉淀，胶结砂土颗粒，提升土体的力学性能。微生物固化砂土技术中需要消耗大量金属阳离子。大多数试验研究中选用了氯化钙作为钙源，但是其加固后强度未必能到达使用强度的要求，且试样较多情况下是脆性破坏。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用镁添加剂的生物加固方法。
本发明的另一目的在于提供上述利用镁添加剂的生物加固方法的应用。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
一种利用镁添加剂的生物加固方法，包括如下步骤：
(1)营养液的制备：向钙盐和镁盐混合溶液中加入尿素，溶解，得到营养液；
(2)菌液的制备：将保存的产脲酶菌活化、扩大培养，得到菌液A；取CaCl2溶于菌液A中，得到菌液B；
(3)生物砂浆的制备：先往灌浆模具中灌入砂粒，分层捣实，形成砂样；然后往砂样灌浆，灌浆为依次注入步骤(2)得到的菌液A、菌液B和步骤(1)得到的营养液，得到生物砂浆。
步骤(1)中所述的钙盐和镁盐混合溶液中的Mg2+、Ca2+优选按摩尔比0～0.5:0.5～0(不含端点值0)配比；更优选按摩尔比0.1～0.25:0.4～0.25配比；最优选按摩尔比0.1:0.4配比。
所述的钙盐为可溶性钙盐；优选为乙酸钙、硝酸钙和氯化钙中的至少一种；更优选为氯化钙。
所述的镁盐为可溶性镁盐；优选为硝酸镁、硫酸镁和氯化镁中的至少一种；更优选为氯化镁。
步骤(1)中所述的尿素的量优选按其与所述的钙盐和镁盐混合溶液中Mg2+和Ca2+的总量＝摩尔比1:1配比计算。
步骤(2)中所述的产脲酶菌优选为巴氏芽孢八叠球菌。
步骤(2)中所述的活化的方法优选如下：取产脲酶菌接入活化培养基，于28～32℃活化培养24小时，得到活化的产脲酶菌。
所述的活化培养基的制备方法优选如下：取酪蛋白胨15g、大豆蛋白胨5g、氯化钠5g，琼脂20g，溶解，蒸馏水定容至1000mL，调节pH值为7.1～7.5，118～122℃灭菌15～25min。
步骤(2)中所述的扩大培养的方法优选如下：取活化的产脲酶菌接入种子培养基中，于28～32℃、180～220rpm培养24～36h，得到菌液A。
所述的种子培养基的制备方法优选如下：取酵母浸粉20g、硫酸铵10g、氢氧化钠2g，溶解，蒸馏水定容至1000mL，调节pH值为8.8～9.2，118～122℃灭菌15～25min。
所述的菌液A的OD600优选为1.5～2.2；更优选为1.7～2.0。
步骤(2)中所述的CaCl2在所述的菌液B中的浓度优选为0.008M。
步骤(3)中所述的灌浆具体为：将步骤(2)得到的菌液A灌入砂样中，接着将步骤(2)得到的菌液B灌入砂样，静置2～3h；然后，将步骤(1)中得到的营养液灌入砂样中，静置6～8h，重复5～6次，完成一轮灌浆。
所述的菌液A的量按体积比优选为所述的砂样的1/5。
所述的菌液B的量按体积比优选为所述的砂样的3/10。
所述的菌液A和所述的菌液B的灌入速度优选为3.5～4.5mL/min。
所述的营养液的量按体积比优选为所述的砂样的1/2。
所述的营养液的灌入速度优选为3.5～4.5mL/min。
步骤(3)中所述的灌浆模具包括但不限于砂柱。
步骤(3)中所述的砂粒优选为粒径为75～2250微米的砂粒。
步骤(3)中所述的灌浆的次数优选为4～5轮；更优选为4轮。
所述的利用镁添加剂的生物加固方法在建筑领域的应用。
本发明原理：
微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)是通过微生物自身代谢产生的脲酶，尿素在脲酶作用下水解产生碳酸根离子和铵根离子，碳酸根离子与环境中提供的金属阳离子作用形成碳酸盐沉淀，达到加固土体的目的。尿素、钙源和微生物是传统的MICP加固砂土过程中形成碳酸盐沉淀必需的化学成分。可以通过以下主要的的化学反应式(a)～(e)说明传统的MICP加固砂土的原理：微生物通过自身产生的脲酶，发生尿素水解反应，发生式a的反应；尿素水解后产生碳酸和氨气，碳酸和氨气会进一步发生平衡反应，即式b和c的反应；发生式b和c的平衡反应后，营养液中的pH会升高，碳酸氢根会发生式d的反应转化为碳酸根离子；微生物细胞自身带负电荷，钙离子会吸附在细胞表面，结合游离的碳酸根离子形成碳酸钙沉淀，即化学反应式e。
镁离子的加入后，致使反应液中的pH发生改变，导致晶体结构同时结晶或再结晶。发生化学反应式(f)～(g)：式d反应产生的过量的碳酸根离子，可能会与镁离子结合形成碳酸镁晶体，发生式f的反应；一部分镁离子与营养液中未反应完的钙离子在碳酸根存在的条件下再结晶可能生成白云石晶体，即化学反应式g。矿物发生了球霰石、方解石和镁方解石等混合物转变。
Figure BDA0002392420760000031
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Figure BDA0002392420760000037
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明在现有微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)加固技术的基础上引入镁离子，不仅能对砂土进行加固，还获得了良好的材料强度和形貌，析出晶体的形态和尺寸也发生了改变，析出晶体有球霰石、方解石和镁方解石等各种混合物，使微生物固化砂土的强度和刚度大幅提升，有利于满足工程需要，可以应用于海水淡化、重金属治理和文物修复等实际工程上。
2、本发明采用的镁盐对环境污染小，同时，成本有所降低，经济性和环保效果较好。
附图说明
图1为实施例1～5制备的生物砂浆的无侧限抗压强度图。
图2为实施例1～5制备的生物砂浆的扫描电镜图：其中，A为标尺是10μm时，实施例1制备的生物砂浆的扫描电镜图；B为标尺是10μm时，实施例2制备的生物砂浆的扫描电镜图；C为标尺是10μm时，实施例3制备的生物砂浆的扫描电镜图；D为标尺是10μm时，实施例4制备的生物砂浆的扫描电镜图；E为标尺是10μm时，实施例5制备的生物砂浆的扫描电镜图。
图3为实施例1～5制备的生物砂浆的X射线衍射谱图：其中，A为实施例1制备的生物砂浆的X射线衍射谱图；B为实施例2制备的生物砂浆的X射线衍射谱图；C为实施例3制备的生物砂浆的X射线衍射谱图；D为实施例4制备的生物砂浆的X射线衍射谱图；E为实施例5制备的生物砂浆的X射线衍射谱图。
图4为本发明实施例中生物砂浆制备装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购以及本发明采用的方法和设备为本技术领域常规方法和设备。
本实施例中涉及的活化培养基制备方法如下：取酪蛋白胨15g、大豆蛋白胨5g、氯化钠5g，琼脂20g，溶解，蒸馏水定容至1000mL，调节pH值为7.1～7.5，118～122℃灭菌15～25min。
种子培养基制备方法如下：取酵母浸粉20g、硫酸铵10g、氢氧化钠2g，溶解，蒸馏水定容至1000mL，调节pH值为8.8～9.2，118～122℃灭菌15～25min。
本实施例采用如图4所示的生物砂浆制备装置进行砂浆固化，该装置包括储液室1，储液室1通过管道2连接有蠕动泵3，蠕动泵3通过管道2连接有砂柱5，所述砂柱5的上、下端分别设有盖子4、带小孔的底座7，盖子4与砂柱5之间设有土工布6，带小孔的底座7与砂柱5之间设有土工布6，土工布6的目的是为了防止小颗粒的砂子在灌浆过程中被冲走，砂柱5为PVC砂柱，盖子4为PVC盖子，带小孔的底座7为PVC带小孔的底座。本发明的装置在具体使用时，先向盖子4、带小孔的底座7与砂柱5组成的圆柱空间里分层装入砂样，分层捣实，最终砂子填满砂柱5的整个圆柱空间，形成砂样；然后将液体注入储液室1，蠕动泵3控制液体的流入砂柱5，经过4～5轮循环灌浆后，形成生物砂浆。
实施例1
一种利用镁添加剂的生物加固方法，包括如下步骤:
1、营养液的制备
取55.5g CaCl2溶于1L水中，得到浓度为0.5M的CaCl2溶液，然后加入30g尿素，溶解，得到工况(Mg2+/Ca2+按摩尔比)为0.0/0.5的营养液。
2、菌液的制备
取巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii)(购于荷兰DSM公司，编号为DSM33)接入活化培养基，于28～32℃活化培养24小时，得到活化的巴氏芽孢八叠球菌。
取活化的巴氏芽孢八叠球菌接入1L种子培养基中，于28～32℃、180～220rpm培养24～36h，直至OD600为1.7，得到菌液A。
取500mL菌液A，加入0.444g CaCl2，溶解，得到菌液B(CaCl2的终浓度为0.008M)。(菌液B中Ca2+的量占营养液中Ca2+和Mg2+总量不到0.3％，可以忽略不计，对Mg2+/Ca2+的摩尔比无影响)
3、生物砂浆的制备
生物砂浆制备过程中，先往砂柱中灌入粒径为75～2250微米的砂粒，分层捣实，形成约100立方厘米的圆柱体砂样，然后灌浆4轮，每轮灌浆依次包括注入步骤2得到的菌液和注入步骤1得到的营养液：
注入步骤2得到的菌液的过程如下：先通过导管和蠕动泵将20mL存放在储液室的步骤2得到的菌液A注入砂样中，接着将30mL存放在储液室的步骤2得到的菌液B注入砂样中，蠕动泵控制注入速度为3.5～4.5mL/min，注入完毕后静置2～3h；
注入步骤1得到的营养液的过程如下：将通过导管和蠕动泵将50mL存放在储液室的步骤1得到的营养液注入砂样中，蠕动泵控制注入速度为3.5～4.5mL/min，注入完毕，静置6～8小时后，重复进行5次，完成一轮灌浆；
4轮灌浆完成后，拆除盖子、带小孔的底座、砂柱和土工布，得到生物砂浆。
实施例2
一种利用镁添加剂的生物加固方法，包括如下步骤:
1、营养液的制备
取9.5g MgCl2、44.4g CaCl2溶于1L水中，得到Ca2+浓度为0.4M以及Mg2+浓度为0.1M的混合溶液，然后加入30g尿素，溶解，得到工况(Mg2+/Ca2+按摩尔比)为0.1/0.4的营养液。
2、菌液的制备
取巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii)(购于荷兰DSM公司，编号为DSM33)接入活化培养基，于28～32℃活化培养24小时，得到活化的巴氏芽孢八叠球菌。
取活化的巴氏芽孢八叠球菌接入1L种子培养基中，于28～32℃、180～220rpm培养24～36h，直至OD600为2.0，得到菌液A。
取500mL菌液A，加入0.444g CaCl2，溶解，得到菌液B(CaCl2的终浓度为0.008M)。(菌液B中Ca2+的量占营养液中Ca2+和Mg2+总量不到0.3％，可以忽略不计，对Mg2+/Ca2+的摩尔比无影响)
3、生物砂浆的制备
生物砂浆制备过程中，先往砂柱中灌入粒径为75～2250微米的砂粒，分层捣实，形成约100立方厘米的圆柱体砂样，然后灌浆4轮，每轮灌浆依次包括注入步骤2得到的菌液和注入步骤1得到的营养液：
注入步骤2得到的菌液的过程如下：先通过导管和蠕动泵将20mL存放在储液室的步骤2得到的菌液A注入砂样中，接着将30mL存放在储液室的步骤2得到的菌液B注入砂样中，蠕动泵控制注入速度为3.5～4.5mL/min，注入完毕后静置2～3h；
注入步骤1得到的营养液的过程如下：将通过导管和蠕动泵将50mL存放在储液室的步骤1得到的营养液注入砂样中，蠕动泵控制注入速度为3.5～4.5mL/min，注入完毕，静置6～8小时后，重复进行6次，完成一轮灌浆；
4轮灌浆完成后，拆除盖子、带小孔的底座、砂柱和土工布，得到生物砂浆。
实施例3
一种利用镁添加剂的生物加固方法，方法与实施例1一致，区别仅在于营养液的制备，具体如下：
1、营养液的制备
取19g MgCl2、33.3g CaCl2溶于1L水中，得到Ca2+浓度为0.3M以及Mg2+浓度为0.2M的混合溶液，然后加入30g尿素，溶解，得到工况(Mg2+/Ca2+摩尔比)为0.3/0.2的营养液。
实施例4
一种利用镁添加剂的生物加固方法，方法与实施例2一致，区别仅在于营养液的制备，具体如下：
1、营养液的制备
取23.75g MgCl2、27.75g CaCl2溶于1L水中，得到Ca2+浓度为0.25M以及Mg2+浓度为0.25M的混合溶液，然后加入30g尿素，溶解，得到工况(Mg2+/Ca2+摩尔比)为0.25/0.25的营养液。
实施例5
一种利用镁添加剂的生物加固方法，方法与实施例1一致，区别仅在于营养液的制备，具体如下：
1、营养液的制备
取47.5g MgCl2溶于1L水中，得到浓度为0.5M的MgCl2溶液，然后加入30g尿素，溶解，得到工况(Mg2+/Ca2+摩尔比)为0.5/0的营养液。
效果实施例
1、力学性能分析：
将实施例1～5获得的生物砂浆进行无侧限抗压强度测试，结果如图1所示：当营养液中只含有尿素和氯化钙或含有尿素和氯化镁(即Mg2+/Ca2+(摩尔比)＝0.0/0.5或0.5/0.0)时，无侧限抗压强度分别为324.9kPa、155.2kPa，远远小于营养液中同时含有尿素、氯化钙和氯化镁(即Mg2+/Ca2+(摩尔比)＝0.1/0.4、0.2/0.3或0.25/0.25，无侧限抗压强度分别为1259.9kPa、1120.9kPa、823.1kPa)时，表明钙离子和镁离子具有协同作用，可以大幅提高生物砂浆的无侧限抗压强度。
2、微观形貌分析
对实施例1～5获得的生物砂浆进行SEM扫描，结果如图2所示：Mg2+/Ca2+(摩尔比)＝0.0/0.5时，晶体主要呈菱面体形颗粒，晶体颗粒凝聚成簇；当Mg2+/Ca2+＝0.1/0.4时，晶体颗粒变粗，主要呈苦瓜状，夹带着少量哑铃状晶体颗粒；当Mg2+/Ca2+从0.2/0.3到0.25/0.25时，开始出现单轴生长的晶体形态，晶体主要呈纤维状，纤维状晶体既有独立生长也有交叉生长；当Mg2+/Ca2+＝0.5/0.0时，晶体形态进一步发生变化，主要呈花菜型；表明镁离子的加入改变了析出晶体的形态和尺寸，不同晶体的结合方式的改变有利于提高无侧限抗压强度，满足工程需要，使加固技术的成本有所降低，经济性和环保效果较好。
3、X射线衍射分析
对实施例1～5获得的生物砂浆进行X射线衍射分析，结果如图3所示：当Mg2+/Ca2+(摩尔比)＝0.0/0.5时，获得的碳酸盐沉淀成分主要是球霰石和方解石(均为碳酸钙)；当Mg2+/Ca2+＝0.1/0.4和0.2/0.3时，获得的碳酸盐沉淀成分主要是球霰石、方解石和镁方解石(化学式为(Mg0.06Ca0.94)CO3)；当Mg2+/Ca2+＝0.25/0.25时，获得的碳酸盐沉淀成分主要是方解石和镁方解石；当Mg2+/Ca2+＝0.5/0.0时，获得的碳酸盐沉淀成分未形成波峰。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用镁添加剂的生物加固方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)营养液的制备：向钙盐和镁盐混合溶液中加入尿素，溶解，得到营养液；
(2)菌液的制备：将保存的产脲酶菌活化、扩大培养，得到菌液A；取CaCl2溶于菌液A中，得到菌液B；
(3)生物砂浆的制备：先往灌浆模具中灌入砂粒，分层捣实，形成砂样；然后往砂样灌浆，灌浆为依次注入步骤(2)得到的菌液A、菌液B和步骤(1)得到的营养液，得到生物砂浆。
2.根据权利要求1所述的利用镁添加剂的生物加固方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的钙盐和镁盐混合溶液中的Mg2+、Ca2+按摩尔比0～0.5:0.5～0(不含端点值0)配比；进一步按摩尔比0.1～0.25:0.4～0.25配比；更进一步按摩尔比0.1:0.4配比。
3.根据权利要求2所述的利用镁添加剂的生物加固方法，其特征在于：
所述的钙盐为可溶性钙盐；进一步为乙酸钙、硝酸钙和氯化钙中的至少一种；更进一步为氯化钙；
所述的镁盐为可溶性镁盐；进一步为硝酸镁、硫酸镁和氯化镁中的至少一种；更进一步为氯化镁。
4.根据权利要求1所述的利用镁添加剂的生物加固方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的尿素的量按其与所述的钙盐和镁盐混合溶液中Mg2+和Ca2+的总量＝摩尔比1:1配比计算。
5.根据权利要求1所述的利用镁添加剂的生物加固方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的产脲酶菌为巴氏芽孢八叠球菌；
步骤(2)中所述的CaCl2在所述的菌液B中的浓度为0.008M。
6.根据权利要求1所述的利用镁添加剂的生物加固方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的活化的方法如下：取产脲酶菌接入活化培养基，于28～32℃活化培养24小时，得到活化的产脲酶菌；
步骤(2)中所述的扩大培养的方法如下：取活化的产脲酶菌接入种子培养基中，于28～32℃、180～220rpm培养24～36h，得到菌液A；
所述的菌液A的OD600为1.5～2.2；进一步为1.7～2.0。
7.根据权利要求1所述的利用镁添加剂的生物加固方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的灌浆具体为：将步骤(2)得到的菌液A灌入砂样中，接着将步骤(2)得到的菌液B灌入砂样，静置2～3h；然后，将步骤(1)中得到的营养液灌入砂样中，静置6～8h，重复5～6次，完成一轮灌浆。
8.根据权利要求7所述的利用镁添加剂的生物加固方法，其特征在于：
所述的菌液A的量按体积比为所述的砂样的1/5；
所述的菌液B的量按体积比为所述的砂样的3/10；
所述的菌液A和所述的菌液B的灌入速度为3.5～4.5mL/min；
所述的营养液的量按体积比为所述的砂样的1/2；
所述的营养液的灌入速度为3.5～4.5mL/min。
9.根据权利要求1所述的利用镁添加剂的生物加固方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的灌浆模具包括但不限于砂柱；
步骤(3)中所述的砂粒为粒径为75～2250微米的砂粒；
步骤(3)中所述的灌浆的次数为4～5轮；进一步为4轮。
10.权利要求1～9中任一项所述的利用镁添加剂的生物加固方法在建筑领域的应用。
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