CN111576390A

CN111576390A - 一种降低膨胀土膨胀性的方法

Info

Publication number: CN111576390A
Application number: CN202010251631.6A
Authority: CN
Inventors: 蔡红; 魏迎奇; 王子文; 肖建章; 严俊; 吴帅峰; 孙黎明; 谢定松; 宋建正
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2020-08-25

Abstract

本发明公开了一种降低膨胀土膨胀性的方法，采用微生物诱导碳酸钙技术对膨胀土进行处理，巴氏芽孢八叠球菌菌株在新陈代谢过程中会产生脲酶，可将尿素分解成铵根离子和碳酸根离子，由于细胞壁的特殊结构，细胞壁表面带负电荷，当溶液中含有钙离子时，钙离子会被细胞吸附，从而以细胞为晶核，在微生物菌种周围形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶，碳酸钙结晶附着在膨胀土表面，随着微生物代谢反应的进行，碳酸钙结晶增多，并逐渐胶结在一起，从而抑制膨胀土膨胀性的发展，具有能耗小、种类多、资源丰富、环境友好等特点。

Description

一种降低膨胀土膨胀性的方法

技术领域

本发明涉及膨胀土处理技术领域，特别是指一种降低膨胀土膨胀性的方法。

背景技术

膨胀土是特殊土的一种，在我国20多个省区均有不同程度分布，其2μm以下的黏土性矿物在粒度组成中占30％以上，且主要组成为高岭石和伊利石，具有强亲水性。膨胀土具有强膨胀性、收缩性与裂隙性，雨季被雨水侵蚀后由坚硬或硬塑状态转变为流塑状态，其杂乱分布的裂隙及反复胀缩变形对工程建设有很大危害，极难防治，我国因膨胀土地基而损害的建筑面积高达1.0×10⁷m²。

随着经济迅速发展，工程项目建设中的膨胀性粘土改性研究引起了越来越多的注意，为保证膨胀土地基稳定与强度，通常要进行改良处理，改良方法主要为置换法、强夯法、化学改性等三种。置换法能彻底根治膨胀性，但对大面积分布的膨胀土地区并不适用，置换后会产生大量废土，大幅提高成本，也严重破坏环境；强夯法能降低地基土体的压缩性，但击实后膨胀土的胀缩性并没有消除，应用范围有限，只适用于弱膨胀性土；化学改性膨胀土往往会造成二次污染，且造价较高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种降低膨胀土膨胀性的方法，基于微生物诱导碳酸钙技术对膨胀土进行处理，具有能耗小、种类多、资源丰富、环境友好等特点。

基于上述目的本发明提供的一种降低膨胀土膨胀性的方法，采用产脲酶的微生物诱导碳酸钙，形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶，再通过碳酸钙结晶对膨胀土进行胶结固化。

可选的，包括如下步骤：

菌液制备，将产脲酶的微生物接种到无菌培养基中，在温控25～35℃，120～220r/min的振荡下，培养至菌液脲酶活性大于0.5mS/cm/min，得菌液；

诱导膨胀土胶结固化，将菌液、营养盐、膨胀土原样和水进行混合均匀，养护2～12h，得到固化膨胀土。

可选的，所述产脲酶的微生物为巴氏芽孢八叠球菌菌株。

可选的，所述巴氏芽孢八叠球菌菌株为化能异养菌，购于中国科学院微生物研究所，CGMCC编号1.3687。

可选的，所述营养盐浓度为0.5～2.5mol/L，包括二水氯化钙和尿素。

可选的，所述诱导膨胀土胶结固化中，混合后的膨胀土的含水率为5～15％。

可选的，所述将菌液、营养盐、膨胀土原样和水进行混合均匀采用拌合法、浸泡法或两者的结合。

可选的，所述诱导膨胀土胶结固化中，膨胀土原样的质量是营养盐质量的20～50倍。

可选的，所述无菌培养基的pH为9.0，且包括如下浓度成分20.0g/L酵母粉，10.0g/L硫酸铵，1.0mL/L氯化镍。

可选的，所述巴氏芽孢八叠球菌菌株细胞呈杆状，长度2～3μm，革兰氏阳性，芽孢圆形，直径0.5～1.5μm。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种降低膨胀土膨胀性的方法，采用微生物诱导碳酸钙技术对膨胀土进行处理，巴氏芽孢八叠球菌菌株在新陈代谢过程中会产生脲酶，可将尿素分解成铵根离子和碳酸根离子，由于细胞壁的特殊结构，细胞壁表面带负电荷，当溶液中含有钙离子时，钙离子会被细胞吸附，从而以细胞为晶核，在微生物菌种周围形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶，碳酸钙结晶附着在膨胀土表面，随着微生物代谢反应的进行，碳酸钙结晶增多，并逐渐胶结在一起，从而抑制膨胀土膨胀性的发展，具有能耗小、种类多、资源丰富、环境友好等特点。

附图说明

图1为本发明实施例未固化膨胀土原样自由膨胀率测试示意图；

图2为本发明实施例无荷载膨胀率随膨胀土含水率变化示意图；

图3为本发明实施例拌合法无荷载膨胀率随时间的变化示意图；

图4为本发明实施例浸泡法无荷载膨胀率随时间的变化示意图；

图5为本发明实施例无荷载膨胀率测试后土样表层颗粒情况示意图；

图6为本发明实施例无荷载膨胀率测试后固结仪内部情况示意图。

具体实施方式

为下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

可知的，目前国内外主要将微生物成因的碳酸钙作为粘结剂，用于松散砂土中。由于膨胀土特殊的化学组成及土力学性质，对于微生物法用于处理膨胀土方面研究目前暂未有研究，且根据在研究的过程中表明，将微生物成因的碳酸钙作为粘结剂，用于松散砂土中的研究思路和方法在膨胀土中是不适用的。

同时现有对膨胀土的研究方法中，置换法能彻底根治膨胀性，但对大面积分布的膨胀土地区并不适用，置换后会产生大量废土，大幅提高成本，也严重破坏环境；强夯法能降低地基土体的压缩性，但击实后膨胀土的胀缩性并没有消除，应用范围有限，只适用于弱膨胀性土；化学改性膨胀土往往会造成二次污染，且造价较高。

为了解决上述问题，本发明提供一种降低膨胀土膨胀性的方法，采用产脲酶的微生物诱导碳酸钙，形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶，再通过碳酸钙结晶对膨胀土进行胶结固化。

进一步的，包括如下步骤：菌液制备，将产脲酶的微生物接种到无菌培养基中，在温控25～35℃，120～220r/min的振荡下，培养至菌液脲酶活性大于0.5mS/cm/min，得菌液；

采用微生物诱导碳酸钙技术对膨胀土进行处理，营养盐中的二水氯化钙提供钙离子，尿素参与微生物代谢作用形成碳酸根离子，同钙离子结合形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶，附着土颗粒表面；巴氏芽孢八叠球菌菌株在新陈代谢过程中会产生脲酶，可将尿素分解成铵根离子和碳酸根离子，由于细胞壁的特殊结构，细胞壁表面带负电荷，当溶液中含有钙离子时，钙离子会被细胞吸附，从而以细胞为晶核，在微生物菌种周围形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶，碳酸钙结晶附着在膨胀土表面，随着微生物代谢反应的进行，碳酸钙结晶增多，并逐渐胶结在一起，从而抑制膨胀土膨胀性的发展，具有能耗小、种类多、资源丰富、环境友好等特点。

在一些可选实施例中，本发明实施例1提供的一种降低膨胀土膨胀性的方法，具体操作如下：

菌株培育，采用巴氏芽孢八叠球菌菌株，所用巴氏芽孢八叠球菌菌株(Sporosarcina pasteurii)购于中国科学院微生物研究所，CGMCC编号1.3687，为化能异养菌，细胞呈杆状，长度2～3μm，革兰氏阳性，芽孢圆形，直径0.5～1.5μm。选用优化后的培养基，培养基的成分如下：每1.0L水中添加20.0g酵母粉，10.0g硫酸铵，1.0mL氯化镍，将培养基的pH值调整为9.0，用高压蒸汽灭菌锅在120℃灭菌20min，接种完成后，在温控30℃，170r/min的振荡培养箱中培养24h。通过接种后的培养液的不同对比试验结果表明菌液脲酶活性大于0.5mS/cm/min情况，可以促使膨胀土的微生物固化，当菌液脲酶活性大于1mS/cm/min情况下更有利膨胀土的微生物固化。

营养盐的构成，由二水氯化钙(分子式CaCl₂·2H₂O)提供钙离子，尿素(分子式CH₄N₂O)参与微生物水解作用形成碳酸根离子，同钙离子结合形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶，附着土颗粒表面。营养盐的浓度为1mol/L。

诱导膨胀土胶结固化，将膨胀土原样烘干、碾碎，过0.5mm筛，用量筒取10mL膨胀土原样，将50mL量筒放置于试验台上，然后将膨胀土原样倒入量筒中，同时加入菌液、营养盐和去离子水使量筒内液面约至50mL充分搅拌，浸泡膨胀土原样养护2～12h，得到固化膨胀土。

在一些可选实施例中，本发明实施例2提供的一种降低膨胀土膨胀性的方法，同实施例1，不同是诱导膨胀土胶结固化，将膨胀土原样烘干、碾碎，过0.5mm筛，用量筒取10mL膨胀土原样，将50mL量筒放置于试验台上，然后将膨胀土原样倒入量筒中，同时加入菌液、营养盐充分搅拌，拌合后将膨胀土原样养护2～12h，得到固化膨胀土。

在一些可选实施例中，本发明实施例3提供的一种降低膨胀土膨胀性的方法，同实施例1，不同是混合后的膨胀土的含水率为5％。

在一些可选实施例中，本发明实施例4提供的一种降低膨胀土膨胀性的方法，同实施例1，不同是混合后的膨胀土的含水率为10％。

在一些可选实施例中，本发明实施例5提供的一种降低膨胀土膨胀性的方法，同实施例1，不同是混合后的膨胀土的含水率为15％。

自由膨胀率在一定程度上能反应土体的矿物成分、交换性阳离子总量等信息，测试操作简单，是反映粘土膨胀性的指标之一，也是目前世界大部分国家用于判断土壤膨胀性的基本指标，我国现行的公路、铁路标准均把自由膨胀率作为土壤膨胀性最基本的评价指标。

无荷载膨胀率试验按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)规定的方法进行，设备选用南京土壤仪器厂的固结仪，将样品装样完成后，调整百分表，记录初始读数。然后向水盒内注入去离子水，使水自下而上进入样品，并保持水面高出样品5mm。记录注水开始时间，按5、10、20、30min，1、2、3、6、12h测读百分表读数。

(1)未固化膨胀土原样自由膨胀率的测定

将两种不同的膨胀土原样烘干、碾碎，过0.5mm筛，用量筒取10mL土样。将50mL量筒放置于试验台上，注入30mL蒸馏水，然后将膨胀土原样倒入量筒中，充分搅拌，并冲洗量筒内壁和搅拌器，使量筒内液面约至50mL，每隔5h观测一次，待膨胀土原样膨胀稳定后，记录膨胀土原样体积，计算自由膨胀率。测量过程如图1所示，图1中A1和A2是两种不同膨胀土原样的测试过程观察到的图，自由膨胀率的计算结果如表1所示。

表1未固化膨胀土原样自由膨胀率测试结果

结果显示未固化膨胀土原样的自由膨胀率为78％，按膨胀潜势分类标准，属于中等膨胀潜势。

(2)固化后膨胀土无荷载膨胀率的测定

含水率对膨胀土的无荷载膨胀率有重要影响，通常情况下，膨胀土无荷载膨胀率随含水率的增高而降低。

利用微生物诱导碳酸钙技术处理膨胀土的无荷载膨胀率试验中，分别考虑5％、10％、15％等3种含水率条件，其中B1、C1、D1、E1为未进行微生物处理的对照组，B2、C2、D2、E2为添加微生物和营养盐的试验组，具体方案见表2。

表2微生物处理膨胀土的无荷载膨胀率对比方案

为了进一步对比微生物处理后膨胀土的无荷载膨胀率抑制效果，测试中，将E2组浸泡在菌液和营养盐溶液中进行测试，在常温下进行养护1d。结果如图2和图3所示。

图2为得到的无荷载膨胀率膨胀土含水率变化关系，图中可以看出，处理前膨胀土的含水率为5％、10％、15％时，其无荷载膨胀率分别为12.7％、2.9％、1.6％。

采用微生物诱导碳酸钙技术处理时，将上述3种含水率中水的质量分别置换为相应的菌液和营养盐质量。结果表明，当含水率为5％、10％、15％时，其无荷载膨胀率分别下降至9.4％、2.1％、0.75％。与未经微生物处理的对照组相比，无荷载膨胀率分别下降了26％、27％、53％。说明微生物诱导生成碳酸钙对抑制膨胀土无荷载膨胀率的作用是比较明显的。

图3中可以看出，微生物对于膨胀土无荷载膨胀率的抑制作用贯穿整个过程，但在微生物和营养盐参与的前期反应更为迅速，采用微生物诱导碳酸钙技术处理可在短期2h内明显抑制膨胀土的膨胀性。

为了进一步提高微生物诱导生成碳酸钙对膨胀土无荷载膨胀率的处理效果，结合拌合法、浸泡法对膨胀土进行制样，养护龄期为1d。具体方案见表3。

表3采用浸泡法对膨胀土无荷载膨胀率试验方案

测试结果如图4所示，图4中，未经微生物处理的15％含水率膨胀土对照组试样其无荷载膨胀率在1.6％左右，微生物处理后试样采用浸泡法测出无荷载膨胀率降为0.0％，说明较高含水率情况下，采用拌合法制样浸泡后能抑制膨胀土膨胀率的增长，无荷载膨胀率试验后土样表层颗粒情况对比见图5，A代表是未经微生物处理的E1试样，B代表经微生物处理的E2试样；对比无荷载膨胀率测试后的固结仪内部情况如图6所示，C代表是未经微生物处理的E1试样测试后的固结仪内部情况，D代表经微生物处理的E2试样测试后的固结仪内部情况。可以看出，经过微生物诱导碳酸钙技术处理的E2试样取走后，固结仪内部液体清澈，基本未出现残留颗粒，未经处理的E1试样取走后，液面浑浊，底部还残留了较多颗粒。

本发明实施例采用微生物诱导碳酸钙技术对膨胀土进行了处理，从不同含水率、不同微生物用量角度有效实现了对膨胀土膨胀性的抑制，同对照组相比，在含水率为5％、10％、15％的情况下，实测无荷载膨胀率分别下降了26％、27％、53％，说明应用微生物诱导生成碳酸钙技术处理膨胀土，对无荷载膨胀率的抑制作用是明显的。

在此基础上，采用拌合法与浸泡法相结合，能更加充分的发挥微生物诱导生成碳酸钙的优势，抑制膨胀率的增长。

同时，通过对菌液、营养盐、膨胀土原样和水之间的不同配比，进行无荷载膨胀率的测量，结果如表4所示。

表4不同用量条件下无荷载膨胀率测试结果

数据显示，在含水率相同的状态下，采用本发明实施例的方法对膨胀土进行处理，无荷载膨胀率觉降低，说明微生物诱导生成碳酸钙，抑制膨胀率的增长。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种降低膨胀土膨胀性的方法，其特征在于，采用产脲酶的微生物诱导碳酸钙，形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶，再通过碳酸钙结晶对膨胀土进行胶结固化。

2.根据权利要求1所述的降低膨胀土膨胀性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求1或2所述的降低膨胀土膨胀性的方法，其特征在于，所述产脲酶的微生物为巴氏芽孢八叠球菌菌株。

4.根据权利要求3所述的降低膨胀土膨胀性的方法，其特征在于，所述巴氏芽孢八叠球菌菌株为化能异养菌，购于中国科学院微生物研究所，CGMCC编号1.3687。

5.根据权利要求2所述的降低膨胀土膨胀性的方法，其特征在于，所述营养盐浓度为0.5～2.5mol/L，包括二水氯化钙和尿素。

6.根据权利要求2所述的降低膨胀土膨胀性的方法，其特征在于，所述诱导膨胀土胶结固化中，混合后的膨胀土的含水率为5～15％。

7.根据权利要求2所述的降低膨胀土膨胀性的方法，其特征在于，所述将菌液、营养盐、膨胀土原样和水进行混合均匀采用拌合法、浸泡法或两者的结合。

8.根据权利要求2所述的降低膨胀土膨胀性的方法，其特征在于，所述诱导膨胀土胶结固化中，膨胀土原样的质量是营养盐质量的20～50倍。

9.根据权利要求2所述的降低膨胀土膨胀性的方法，其特征在于，所述无菌培养基的pH为9.0，且包括如下浓度成分20.0g/L酵母粉，10.0g/L硫酸铵，1.0mL/L氯化镍。

10.根据权利要求4所述的降低膨胀土膨胀性的方法，其特征在于，所述巴氏芽孢八叠球菌菌株细胞呈杆状，长度2～3μm，革兰氏阳性，芽孢圆形，直径0.5～1.5μm。