CN111827258A - 一种有机物联合植物脲酶加固土体的方法 - Google Patents

一种有机物联合植物脲酶加固土体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种有机物联合植物脲酶加固土体的方法，包括以下步骤：一：大豆脲酶的提取；二：将有机物如糯米粉、红糖或脱脂奶粉按比例掺加至大豆脲酶溶液内；三：将有机物脲酶混合液、胶结液按一定比例依次注入土体；该方法将有机物引入EICP(脲酶诱导碳酸钙沉积)技术，为碳酸钙沉积提供成核点位，使钙离子被集中吸附于有机物所提供的阴离子集团上，以成核点位聚集形成大颗粒碳酸钙晶体；影响矿物晶体生长习性，改善矿物形貌结构，大幅提升加固土体强度；保护脲酶活性，少量提升高浓度下的碳酸钙沉积效率。本发明公开的方法高效经济，工艺便捷，环境友好，便于推广，适合大规模处理。

Description

一种有机物联合植物脲酶加固土体的方法
技术领域
本发明属于地基处理、岩土工程加固技术领域，具体涉及一种有机物联合植物脲酶加固土体的方法。
背景技术
MICP（微生物诱导碳酸钙沉积）因其环境友好、能耗低等优点，近年来成为一种新型的土体加固技术。然而，受产脲酶菌尺寸及好氧性影响，MICP处理土体的类型和深度均受一定程度的限制；且微生物培养步骤复杂、不易控制，尚存在副产物二次污染问题。研究人员发现脲酶不仅可由微生物分泌得到，还可从低廉的植物中提取，进而又提出一种直接用脲酶诱导碳酸钙沉积（EICP）的技术。
与微生物分泌的脲酶相比，植物脲酶尺寸为纳米级，水溶性较好，呈游离态，可降解。因而，EICP技术更适于加固细小颗粒土体，且能进一步减小对环境带来的影响。但由于植物脲酶为游离状态，较MICP技术缺乏成核位点，影响碳酸钙的沉积，导致EICP加固土体的整体效果偏差。
发明内容
本发明提出了一种有机物联合植物脲酶加固土体的方法，通过掺入一定浓度有机物于大豆脲酶溶液内，使得钙离子被吸附于有机物提供的阴离子基团上，有利于碳酸钙晶体聚集成团；有机物中的有机基质引导碳酸钙晶体的形成，改善了晶体形态；一定程度上保护了高浓度胶结液下脲酶的活性，增强了大豆脲酶诱导碳酸钙生成沉淀（EICP）的过程，较大程度上提升了加固土体的强度。本发明公开的方法效果好、成本低、工艺便捷且环保。
实现本发明的技术方案是：
一种有机物联合植物脲酶加固土体的方法，步骤如下：
（1）从大豆中提取脲酶，制备大豆脲酶溶液；
（2）将有机物加入到步骤（1）制备的大豆脲酶溶液中，搅拌均匀后得到有机物脲酶混合液，将有机物脲酶混合液、胶结液按一定比例依次注入待加固土体。
所述步骤（1）中大豆脲酶溶液的提取方法如下：
（a）将大豆放入烘箱中烘烤，破碎机粉碎后过筛制得豆粉；
（b）将豆粉和去离子水按100g/L质量浓度混合制得豆液，把豆液以电磁搅拌加热至50℃，离心、过滤去除豆渣，过滤后的溶液在冰箱静置8~12h，取得上清液即为大豆脲酶溶液。
步骤（a）中烘烤温度为40℃，时间为6h，步骤（b）中以3500r/min转速离心30min。
所述步骤（2）中有机物为糯米粉、红糖或脱脂奶粉中的任意一种。
所述步骤（2）中以大豆脲酶溶液的体积为基准，有机物的加入量为4~16g/L。
所述步骤（2）中胶结液为为CaCl2和CO(NH)2按浓度比2:3混合得到，CaCl2浓度为0.7~2.8mol/L，CO(NH)2浓度为1.05~4.2mol/L，并调节pH值至8。
所述步骤（2）中有机物脲酶混合液和胶结液的体积比为2：3，在15~50℃、高湿度环境下养护5~7天。
本发明的有益效果是：
（1）本发明所掺入的有机物能为碳酸钙沉积提供成核点位，影响矿物晶体生长习性，改善矿物形貌结构，大幅提高EICP加固土体的强度和效果，更适于其它方式加固效果较差的细粒土体；
（2）本发明有机物能一定程度上保护脲酶活性，提升高浓度下碳酸钙的沉积效率，高效经济；
（3）本发明所用材料来源广泛、资源丰富，且脲酶可自然降解，保护环境；
（4）反应液制备较易，可避开复杂、繁琐的细菌培养，操作简便，符合工程需求，适合大规模土体处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为按照实施例2、实施例5、实施例9所示配比加固与对照组土体的黏聚力对比图；
图2为按照实施例2、实施例5、实施例9所示配比加固与对照组土体的内摩擦角对比图；
图3为未加固土样1000倍和5000倍电镜图；
图4为与实施例2、实施例5、实施例9相同胶结液浓度下仅EICP加固土样1000倍和5000倍电镜图；
图5为按照实施例2所示配比加固土体1000倍和5000倍电镜图；
图6为按照实施例5所示配比加固土体1000倍和5000倍电镜图；
图7为按照实施例9所示配比加固土体1000倍和5000倍电镜图；
图8为本发明一种有机物联合植物脲酶加固土体的方法原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种有机物改良大豆脲酶诱导碳酸钙加固土体的方法，包括以下步骤：
（1）豆粉制备：大豆需放入烘箱以40℃烘烤6h，破碎机粉碎后过100目筛制得大豆粉；
（2）大豆脲酶提取：按100g/L质量浓度向锥形瓶内加入大豆粉和去离子水制得豆液，把豆液以电磁搅拌加热至50℃，以3500r/min转速离心30min；过滤去除豆渣，剩余溶液在冰箱静置12h，取得上清液即为大豆脲酶溶液；
（3）掺加有机物：将脱脂奶粉按4g/L掺入大豆脲酶溶液内，制得有机物脲酶混合液；
（4）胶结液制备：CaCl2和CO(NH)2按浓度比2:3混合，CaCl2浓度选用2.8mol/L，CO(NH)2浓度选用4.2mol/L，调节pH值至8；
（5）将有机物脲酶混合液、胶结液以2：3体积比依次注入土体，静置7天。
实施例2
与实施例1不同之处在于步骤（3）中掺入的有机物为8g/L的脱脂奶粉。
实施例3
与实施例1不同之处在于步骤（3）中掺入的有机物为16g/L的脱脂奶粉。
实施例4
与实施例1不同之处在于步骤（3）中掺入的有机物为4g/L的糯米粉。
实施例5
与实施例1不同之处在于步骤（3）中掺入的有机物为8g/L的糯米粉。
实施例6
与实施例1不同之处在于步骤（3）中掺入的有机物为16g/L的糯米粉。
实施例7
与实施例1不同之处在于步骤（3）中掺入的有机物为4g/L的红糖。
实施例8
与实施例1不同之处在于步骤（3）中掺入的有机物为8g/L的红糖。
实施例9
与实施例1不同之处在于步骤（3）中掺入的有机物为16g/L的红糖。
实施例10
与实施例9不同之处在于步骤（4）中CaCl2浓度选用0.7mol/L，CO(NH)2浓度选用1.05mol/L。
实施例11
与实施例9不同之处在于步骤（4）中CaCl2浓度选用1.4mol/L，CO(NH)2浓度选用2.1mol/L。
实施例12
与实施例9不同之处在于步骤（4）中CaCl2浓度选用2.1mol/L，CO(NH)2浓度选用3.15mol/L。
实验一：无侧限抗压强度试验
依照实施例1~实施例12配方分别在直径3.9cm、高8.1cm模具中制备无侧限抗压强度测试试样。各土样通过蠕动泵以2ml/min的注入速率，依次注入10ml有机物脲酶混合液和15ml胶结液，静置8h，此为一轮，共注5轮；同时制作未加固土和不同胶结液浓度下未掺有机物仅EICP加固土样共五组作为对照组。对土样进行无侧限抗压强度试验，试验编号及抗压强度测试结果见表1。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE002
可见，实施例1~实施例3土样抗压强度，较未加固土体提升了376%~475%，较相同胶结液浓度下未掺有机物仅EICP加固的土样提升了63%~97%；实施例4~实施例6土样抗压强度，较未加固土体提升了341%~408%，较相同胶结液浓度下未掺有机物仅EICP加固土样提升了51%~74%；实施例7~实施例9土样抗压强度，较未加固土体提升了239%~350%，较相同胶结液浓度下未掺有机物仅EICP加固土样提升了16%~54%。即使在胶结液浓度较低的实施例10~实施例12，土样抗压强度较未加固土体提升了89%~306%，较各自对应胶结液浓度下未掺有机物仅EICP加固土样提升了16%~47%。
实验二：直接剪切试验
依照实施例2、实施例5、实施例9分别制备直接剪切试样，各土样通过蠕动泵以2ml/min注入速率，依次注入15ml有机物脲酶混合液与22.5ml胶结液，静置8h，此为一轮，共注3轮；同时制作未加固土和相同胶结液浓度下未掺有机物仅EICP加固土样各一组作为对照组。所有试样置于25℃、100%湿度恒温养护箱养护。将养护完成的土样进行直剪试验，得到图1、图2。可见，实施例2、实施例5、实施例9土体黏聚力较未加固土体分别提高98.29%、80.84%、77.18%，较同胶结液浓度下未掺有机物仅EICP加固土体分别提升27.21%、16.02%、13.67%；实施例2、实施例5、实施例9土体内摩擦角较未加固土体分别提高37.64%、31.41%、30.52%，较同胶结液浓度下未掺有机物仅EICP加固土体分别提高10.78%、5.77%、5.05%。
结论
有机物与EICP联合加固后的土体强度，较未加固土体和相同胶结液浓度下未掺有机物仅EICP加固土体的强度均有明显提升，通过掺加有机物能显著提高EICP加固土体的效果。
机理分析
借助电镜对加固前后土体的微观结构进行观测（图3~图7），可见掺入有机材料后固化土样内单颗粒分布的碳酸钙晶体较少，呈集中簇状的碳酸钙晶体更多。说明三种有机物内所含物质确实可作为成核点位产出碳酸钙，并在此基础上持续累积新碳酸钙晶体产生；相邻的晶体因体积扩大而进一步合并，最终产出多颗粒簇状的集中形态晶体。由球霰石转为方解石，能起到很好的胶结填充作用（图8），增强了对土体的加固效果。
脱脂奶粉中的as-酪蛋白中的磷酸基团与β-酪蛋白N端上的羧基均有SerP-SerP-SerP-X-SerP序列，钙离子与酪蛋白结合、盐析，导致聚集的酪蛋白沉淀可作为碳酸钙成核的中心，且酪蛋白与钙离子同时有明显的螯合作用；糯米粉中的支链淀粉可为Ca2+提供配位点，钙离子的排布会更为规则；蔗糖分子内含有高活性的醇羟基基团，这种基团会参与碳酸钙生成过程，改变碳酸钙大小、形态。三种有机物为EICP技术提供成核点位，使得钙离子被集中吸附于有机物所提供的阴离子集团上，增强了脲酶诱导碳酸钙生成沉淀（EICP）的过程。以成核点位聚集形成大颗粒碳酸钙晶体，大幅度提高细粒土的强度。同时，有机物内的物质可保护脲酶活性，少量提升高浓度下的矿化率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有机物联合植物脲酶加固土体的方法，其特征在于步骤如下：
（1）从大豆中提取脲酶，制备大豆脲酶溶液；
（2）将有机物加入到步骤（1）制备的大豆脲酶溶液中，搅拌均匀后得到有机物脲酶混合液，将有机物脲酶混合液、胶结液按一定比例依次注入待加固土体。
2.根据权利要求1所述的有机物联合植物脲酶加固土体的方法，其特征在于，所述步骤（1）中大豆脲酶溶液的提取方法如下：
（a）将大豆放入烘箱中烘烤，破碎机粉碎后过筛制得豆粉；
（b）将豆粉和去离子水按100g/L质量浓度混合制得豆液，把豆液以电磁搅拌加热至50℃，离心、过滤去除豆渣，过滤后的溶液在冰箱静置8~12h，取得上清液即为大豆脲酶溶液。
3.根据权利要求2所述的有机物联合植物脲酶加固土体的方法，其特征在于：所述步骤（a）中烘烤温度为40℃，时间为6h，步骤（b）中以3500r/min转速离心30min。
4.根据权利要求1所述的有机物联合植物脲酶加固土体的方法，其特征在于：所述步骤（2）中有机物为糯米粉、红糖或脱脂奶粉中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的有机物联合植物脲酶加固土体的方法，其特征在于：所述步骤（2）中以大豆脲酶溶液的体积为基准，有机物的加入量为4~16g/L。
6.根据权利要求1所述的有机物联合植物脲酶加固土体的方法，其特征在于：所述步骤（2）中胶结液为CaCl2和CO(NH)2按浓度比为2:3混合，CaCl2浓度为0.7~2.8mol/L，CO(NH)2浓度为1.05~4.2mol/L，并调节pH值至8。
7.根据权利要求6所述的有机物联合植物脲酶加固土体的方法，其特征在于：所述步骤（2）中有机物脲酶混合液和胶结液的体积比为2：3，在15~50℃、高湿度环境下养护。
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