CN111877564B - 一种外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法及锚固结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法及锚固结构，包括以下步骤：在锚固基体钻孔，钻孔内安设实心锚固杆和灌浆管，灌浆管环绕设置在实心锚固杆周围；将灌浆液经由灌浆管注入钻孔；在锚固基体侧壁安装被固定物体，在实心锚固杆安装螺帽，完成锚固；其中，灌浆液包括钙源溶液、营养盐和菌液的混合液，灌浆时，先注入营养盐和菌液的混合液，后注入钙源溶液，在钻孔内形成灌浆沉积生成物。
Description
技术领域
本发明属于灌浆锚固技术领域，具体涉及一种外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法及锚固结构。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
锚栓是一种机械固定件，由锚杆、螺帽和垫板组成。锚杆需要锚入墙体基层一定深度，然后通过螺帽固定墙体保温或装饰材料等。用于胶结锚栓的材料主要有水泥基和环氧树脂两大类。水泥基材料由于水泥硬化体积收缩、材料易出现沁水，流动性差等问题，在锚固深度较大时效果不好；环氧树脂类材料易老化，具有一定毒性。利用微生物诱导生成的碳酸钙沉积具有很好的填充和粘结特性，这种新型材料固化前粘性很低，可渗透到锚固孔道的深处，与墙体基材的结合性好，不会因为材料的老化而失效，因此用于锚固螺栓具有天然的优势。
用水泥基和环氧树脂作为胶结材料固定螺杆时，先在墙体等基层上钻孔，再将胶结材料注入孔内，插入螺杆。然而，发明人发现，在微生物灌浆锚固螺杆时，由于灌浆液几种组分的黏性低，注入孔道后不易存留；几种灌浆组分混合后很快生成碳酸钙沉积，采用后插螺杆的方法锚固效果差；在孔口注浆孔道内空气不易排出，影响生成物的密实性。随着灌浆组分混合，碳酸钙沉积的逐步生成、沉积，靠近出浆口附近逐渐堵塞，影响灌浆液的渗透距离和生成物的匀质性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法及锚固结构，该方法中先安装锚固杆，而后采用微生物灌浆液进行灌浆，可以保证在锚固杆周围形成良好的锚固效果。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法，包括以下步骤：
在锚固基体钻孔，钻孔内安设实心锚固杆和灌浆管，灌浆管环绕设置在实心锚固杆周围；
将灌浆液经由灌浆管注入钻孔；
在锚固基体侧壁安装被固定物体，在实心锚固杆安装螺帽，完成锚固；
其中，灌浆液包括钙源溶液、营养盐和菌液的混合液，灌浆时，先注入营养盐和菌液的混合液，后注入钙源溶液，在钻孔内形成灌浆沉积生成物。
作为进一步的技术方案，在安设实心锚固杆之前，先在钻孔内填筑石英砂，以与灌浆沉积生成物共同形成粘结锚固体，提高实心锚固杆与钻孔间的摩擦力。
作为进一步的技术方案，所述灌浆管设置多组，其中部分组灌浆管延伸至钻孔孔底，部分组灌浆管延伸至钻孔中部；每组灌浆管均包括输送营养盐和菌液混合液的管道和输送钙源溶液的管道。
作为进一步的技术方案，灌浆时，输送同一溶液的灌浆管同时灌浆；先注入营养盐和菌液的混合液，直至孔口有浆液流出；静置设定时间后，再注入钙源溶液，直至孔口有含碳酸钙沉积的浆液流出。
作为进一步的技术方案，灌浆时，分多轮进行，每轮灌浆重复注入钙源溶液多次；多轮灌浆依次进行；当灌浆压力满足设定值时，停止灌浆。
作为进一步的技术方案，所述钙源溶液、营养盐和菌液的混合液的体积比为1-3:1-4；营养盐和菌液的混合液中，菌液、营养盐溶液的体积比为1:1。
作为进一步的技术方案，所述钙源溶液选用硝酸钙溶液或醋酸钙溶液；所述营养盐溶液包括尿素溶液；所述菌液包括巴氏芽孢杆菌液；灌浆前0.5～1小时，将菌液和营养盐溶液先行混合。
作为进一步的技术方案，钻孔倾斜设置，其与水平方向夹角在15～20度，钻孔孔口高度高于钻孔孔底高度。
作为进一步的技术方案，被固定物体与锚固基体侧壁相贴，实心锚固杆穿过被固定物体的开孔；在实心锚固杆安装楔形垫板，楔形垫板两个面的楔形夹角与钻孔的水平夹角相同，楔形垫板其中一面与被固定物体贴紧，螺帽的其中一端面与楔形垫板的另一面相贴挤紧。
第二方面，本发明实施例还提供了一种微生物灌浆锚固结构，包括实心锚固杆，实心锚固杆延伸至锚固基体的钻孔内，钻孔与实心锚固杆之间设置碳酸钙胶结体，锚固基体侧壁设置被固定物体，实心锚固杆穿设楔形垫板和螺帽，楔形垫板第一面与被固定物体相贴，楔形垫板第二面与螺帽相贴，楔形垫板第二面与实心锚固杆相垂直。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明的方法，微生物灌浆生成物是碳酸钙，其与混凝土成分相同，相容性好。这种材料固化前是液体粘性很低，借助负压可渗透到混凝土裂缝深处，生成物碳酸钙是固体，可以起到非常好的填充、粘结等效果，避免了水泥砂浆等灌浆材料体积收缩、不能进入孔道深处的缺点。与环氧类有机锚固材料相比，具有无毒、耐久性好、高温下不会软化。能够很好保证螺栓的力学性能。
本发明的方法，采用钙源溶液、营养盐和菌液的混合液组成灌浆液，并在注入时先注入营养盐和菌液的混合液，后注入钙源溶液。营养盐和菌液灌浆前0.5～1小时先行混合，可以先产生大量碳酸根离子，并且该离子广泛吸附分布在孔壁和石英砂表面；待钙源溶液灌入后，即可生成碳酸钙沉积，形成分布均匀、密实的锚固体。
本发明的方法，设置的斜向钻孔能保证气体顺利排出，防止灌浆中混入过多空气，造成生成物不密实。
本发明的方法，采用分段灌浆，在钻孔孔底和中部均设置灌浆管进行灌浆，可以防止靠近出浆口附近的堵塞，延长了灌浆液的渗透距离，提高了生成物均匀性，增强了螺栓锚固性能。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1——在锚固基体上打孔的剖面示意图；
图2——在孔内填筑少量石英砂的剖面示意图；
图3——在孔内插入实心螺杆的剖面示意图；
图4——在孔内螺杆外侧插入菌液和营养盐混合液灌浆管和钙源溶液灌浆管以及两种灌浆管与相应灌浆泵连接的剖面示意图；
图5——灌浆管、螺杆、钻孔的相对位置的横截面示意图；
图6——用螺帽将被固定物体固定在基体上的示意图；
图7——外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法流程示意图；
图中：1——锚固基体；2——钻孔；3——石英砂；4——实心螺杆；5——丝扣；6——伸至钻孔底的菌液、营养盐混合液灌浆管；7——伸至钻孔底的钙源溶液灌浆管；8——伸至钻孔中部的菌液、营养盐混合液灌浆管；9——伸至钻孔中部的钙源溶液灌浆管；10——输送菌液、营养盐混合液的软管；11——输送钙源溶液的软管；12——菌液、营养盐混合液分配阀；13——钙源溶液的分配阀；14——菌液、营养盐混合液灌浆泵；15——钙源溶液灌浆泵；16——被固定物体；17——螺帽；18——微生物诱导生成的碳酸钙胶结体；19——楔形垫板。
为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分:本发明中如出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法及锚固结构。
实施例1：
本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图7所示，提出一种外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法。
首先，该方法中用到的锚固构件由实心锚固杆(本实施例中为实心螺杆4)、螺帽17组成，实心螺杆4的锚固段伸入锚固基体1的钻孔内，实心螺杆4的自由段设置丝扣5与螺帽17紧固连接。
其锚固方法的步骤过程为：
步骤1，先在墙体等锚固基体1上钻孔，如图1所示；钻孔2的直径比锚固构件的实心螺杆大5～6mm，以便填入螺杆和灌浆管。
钻孔向斜下方，与水平方向夹角在15～20度左右，钻孔孔口高度高于钻孔孔底高度，以便灌浆过程中空气的排出。
钻孔深度需要根据灌浆生成物提供的粘结力和螺杆需要提供的设计抗拔力计算确定，其计算公式为：
式中，l为钻孔深度；F为螺杆需要提供的设计抗拔力；d为螺栓直径；τ为单位面积灌浆生成物提供的粘结力，可通过拉拔试验确定。
步骤2，在钻孔内填筑少量石英砂3，如图2所示，与灌浆沉积生成物共同形成粘结锚固体，提高螺杆与钻孔间的摩擦力。
步骤3，在钻孔内安装实心螺杆和灌浆管，灌浆管环绕设置在螺杆周围，如图3、图4所示。
灌浆管设置多组，本实施例中设置两组，其中一组灌浆管延伸至钻孔孔底，另一组灌浆管延伸至钻孔孔体中段。每一组灌浆管均由一根输送菌液、营养盐混合液的管道和一根输送钙源溶液的管道组成，也即：本实施例中，设置四个灌浆管，其中一个为伸至钻孔底的菌液、营养盐混合液灌浆管6，其延伸至钻孔孔底，并输送菌液、营养盐混合液；其中一个为伸至钻孔底的钙源溶液灌浆管7，其延伸至钻孔孔底，并输送钙源溶液；其中一个为伸至钻孔中部的菌液、营养盐混合液灌浆管8，其延伸至钻孔中部，并输送菌液、营养盐混合液；其中一个为伸至钻孔中部的钙源溶液灌浆管9，其延伸至钻孔中部，并输送钙源溶液。四个灌浆管在实心螺杆外周均匀布设，如图5所示。
灌浆管一般为PVC或钢管等硬质空心管，直径2mm左右。
步骤4，为保证多个灌浆管同时灌浆，先将输送菌液、营养盐混合液以及钙源溶液的压力灌浆泵分别与分配阀相连，再用从分配阀连出的软管连接在相应的灌浆管上。
每一灌浆管均通过输送管路与灌浆泵连接，输送管路上设置分配阀；在本实施例中，伸至钻孔底的菌液、营养盐混合液灌浆管6、伸至钻孔中部的菌液、营养盐混合液灌浆管8均与输送菌液、营养盐混合液的软管10连通，输送菌液、营养盐混合液的软管10与菌液、营养盐混合液灌浆泵14连通，输送菌液、营养盐混合液的软管10上设置菌液、营养盐混合液分配阀12，以给两灌浆管分配混合液；伸至钻孔底的钙源溶液灌浆管7、伸至钻孔中部的钙源溶液灌浆管9均与输送钙源溶液的软管11连通，输送钙源溶液的软管11与钙源溶液灌浆泵15连通，输送钙源溶液的软管11上设置钙源溶液的分配阀13，以给两灌浆管分配钙源溶液。
步骤5，制作灌浆液；
所述灌浆液包括钙源溶液、营养盐和菌液的混合液；钙源溶液、营养盐和菌液的混合液的体积比为1-3:1-4；在该体积比下，可以保证灌浆液混合后形成锚固体具有较好的均匀、密实效果。
优选的实施方案中，钙源溶液、营养盐和菌液的混合液的体积比采用3:2，采用该体积配合比是最优化配合比，在该体积混合比下，可以保证灌浆液混合后形成锚固体具有最佳的均匀、密实效果。
所述钙源溶液选用硝酸钙(Ca(NO3)2)溶液或醋酸钙(Ca(CH3COO)2)溶液。
所述营养盐溶液包括尿素(CO(NH2)2)溶液，其主要作用是为微生物的生长和繁殖提供营养物质。
所述菌液包括巴氏芽孢杆菌；巴氏芽孢杆菌采用发酵罐培养；培养基成分及含量为：酵母提取物20g/L、硫酸铵10g/L、氢氧化钠2g/L(调节pH＝9)和氯化镍10umol/L；培养时间设定为20h，温度设定为30℃，为保证供给细菌充足的氧气，振荡床转速为210r/min；培养结束后用电导率方法检测菌液的酶活性OD600大于1。
灌浆前0.5～1小时，将菌液和营养盐溶液先行混合，有助于提高菌液的酶活性，在早期产生更多碳酸钙沉积。
所述菌液和营养盐溶液的体积比为1:1。
步骤6，先开动菌液、营养盐混合液灌浆泵，直至孔口有浆液流出；静置一段时间后，再开动钙源溶液泵注入钙源溶液，直至孔口有含碳酸钙沉积的浆液流出。灌浆时，分多轮进行，多轮灌浆依次进行；钙源溶液共重复泵入三次后，第一轮灌浆完成；此时，菌液活性已明显下降，需要开展新一轮灌浆；当灌浆压力满足设定值时，停止灌浆。先注入菌液、营养盐混合液，是为了两者生成的碳酸根离子尽可能广泛吸附分布在孔壁和石英砂表面；待钙源溶液灌入后，即可生成碳酸钙沉积，形成分布均匀、密实的锚固体。
灌浆后，钙源溶液、营养盐和菌液的混合液在钻孔内形成灌浆沉积生成物。
步骤7，安装被固定物体16，将被固定物体16设置于锚固基体1的侧壁，被固定物体与锚固基体侧壁相贴，实心螺杆穿过被固定物体的开孔。
被固定物体16可以是墙体外保温材料，也可以是装饰层的龙骨等结构层。
步骤8，在实心螺杆上安装楔形垫板19，楔形垫板两个面的楔形夹角与钻孔的水平夹角相同，以保证安装螺帽后与楔形垫板接触面垂直挤紧。楔形垫板其中一面与被固定物体贴紧，楔形垫板具有通孔以供螺杆穿过。
步骤9，在实心螺杆上安装螺帽17，螺帽17的其中一端面与楔形垫板的另一面相贴挤紧。
由此，即完成了本发明的整体锚固方法，灌浆液中设置微生物菌液、钙源溶液，具有很好的填充和粘结特性，灌浆液与石英砂可共同形成粘结锚固体，形成了针对材料的特点的全新灌浆工艺。
实施例2：
本实施例提供一种微生物灌浆锚固结构，如图6所示，包括实心锚固杆(此处为实心螺杆4)，实心螺杆4延伸至锚固基体1的钻孔2内，钻孔与实心螺杆4之间设置微生物诱导生成的碳酸钙胶结体18，锚固基体侧壁设置被固定物体16，被固定物体16与锚固基体侧壁相贴，实心螺杆4穿设楔形垫板19和螺帽17，楔形垫板第一面与被固定物体相贴，楔形垫板第二面与螺帽相贴，楔形垫板第二面与实心螺杆4的轴向相垂直，螺帽的端面与楔形垫板的第二面相贴挤紧。
微生物诱导生成的碳酸钙胶结体为由灌浆沉积生成物、石英砂共同形成，灌浆沉积生成物为营养盐和菌液混合液、钙源溶液向钻孔内灌浆凝固而成。由碳酸钙胶结体，可以加强实心锚固杆的锚固效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)
1.一种外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法，其特征是，包括以下步骤：
在锚固基体钻孔，钻孔内安设实心锚固杆和灌浆管，灌浆管环绕设置在实心锚固杆周围；
将灌浆液经由灌浆管注入钻孔；
在锚固基体侧壁安装被固定物体，在实心锚固杆安装螺帽，完成锚固；
其中，所述灌浆液包括钙源溶液、营养盐和菌液的混合液；所述灌浆管设置多组，其中部分组灌浆管延伸至钻孔孔底，部分组灌浆管延伸至钻孔中部；每组灌浆管均包括输送营养盐和菌液混合液的管道和输送钙源溶液的管道；灌浆时，输送同一溶液的灌浆管同时灌浆；先注入营养盐和菌液的混合液，直至孔口有浆液流出；静置设定时间后，再注入钙源溶液，直至孔口有含碳酸钙沉积的浆液流出。
2.如权利要求1所述的外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法，其特征是，在安设实心锚固杆之前，先在钻孔内填筑石英砂，以与灌浆沉积生成物共同形成粘结锚固体，提高实心锚固杆与钻孔间的摩擦力。
3.如权利要求1所述的外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法，其特征是，灌浆时，分多轮进行，每轮灌浆重复注入钙源溶液多次；多轮灌浆依次进行；当灌浆压力满足设定值时，停止灌浆。
4.如权利要求1所述的外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法，其特征是，所述钙源溶液、营养盐和菌液的混合液的体积比为1-3:1-4；营养盐和菌液的混合液中，菌液、营养盐溶液的体积比为1:1。
5.如权利要求1所述的外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法，其特征是，所述钙源溶液选用硝酸钙溶液或醋酸钙溶液；所述营养盐溶液包括尿素溶液；所述菌液包括巴氏芽孢杆菌液；灌浆前0.5~1小时，将菌液和营养盐溶液先行混合。
6.如权利要求1所述的外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法，其特征是，钻孔倾斜设置，其与水平方向夹角在15~20度，钻孔孔口高度高于钻孔孔底高度。
7.如权利要求6所述的外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法，其特征是，被固定物体与锚固基体侧壁相贴，锚固杆穿过被固定物体的开孔；在实心锚固杆安装楔形垫板，楔形垫板两个面的楔形夹角与钻孔的水平夹角相同，楔形垫板其中一面与被固定物体贴紧，螺帽的其中一端面与楔形垫板的另一面相贴挤紧。
8.一种微生物灌浆锚固结构，其特征是，使用如权利要求1所述的外置灌浆管的微生物灌浆锚固方法，结构包括实心锚固杆，实心锚固杆延伸至锚固基体的钻孔内，钻孔与实心锚固杆之间设置碳酸钙胶结体，锚固基体侧壁设置被固定物体，实心锚固杆穿设楔形垫板和螺帽，楔形垫板第一面与被固定物体相贴，楔形垫板第二面与螺帽相贴，楔形垫板第二面与实心锚固杆相垂直。
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