CN112125574A - 运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法 - Google Patents

运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112125574A
CN112125574A CN202011053799.2A CN202011053799A CN112125574A CN 112125574 A CN112125574 A CN 112125574A CN 202011053799 A CN202011053799 A CN 202011053799A CN 112125574 A CN112125574 A CN 112125574A
Authority
CN
China
Prior art keywords
protein
cementing
sand
microbial
liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011053799.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112125574B (zh
Inventor
闫云君
姚敦璠
吴姣
袁升
王磊
阎金勇
徐莉
杨敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202011053799.2A priority Critical patent/CN112125574B/zh
Publication of CN112125574A publication Critical patent/CN112125574A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112125574B publication Critical patent/CN112125574B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B26/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing only organic binders, e.g. polymer or resin concrete
    • C04B26/02—Macromolecular compounds
    • C04B26/10—Macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • C04B26/20—Polyamides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B26/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing only organic binders, e.g. polymer or resin concrete
    • C04B26/02—Macromolecular compounds
    • C04B26/026—Proteins or derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00732—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for soil stabilisation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2201/00—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
    • C04B2201/50—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Consolidation Of Soil By Introduction Of Solidifying Substances Into Soil (AREA)

Abstract

本发明涉及一种运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，属于岩土(地质)工程与微生物交叉技术领域。本发明的胶结液中含有蛋白胶凝材料、尿素和氯化钙，胶结固化的过程中，细菌水解尿素产生的碳酸根与氯化钙电离产生的钙离子形成碳酸钙沉淀，蛋白胶凝材料通过化学键使碳酸盐和砂土颗粒之间形成有效连接，从而达到胶结砂土的目的，并且，所述蛋白胶凝材料均匀分布于砂土颗粒之间，为碳酸钙沉淀提供更多成核位点，有利于碳酸钙的沉淀，同时，蛋白胶凝材料的粘性和链状的结构特性改善砂土颗粒与碳酸钙之间的界面力学作用，提高微生物胶结砂土的韧性。

Description

运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法
技术领域
本发明属于岩土(地质)工程与微生物交叉学科领域，更具体地，涉及一种提高微生物胶结松散砂土机械性能的方法，特别是涉及一种运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结松散砂土机械性能的方法。
背景技术
随着城市化进程加快，世界范围内对水泥、石灰等传统胶凝材料的需求量空前增加，而传统胶凝材料存在能耗高、污染大等缺点，急需开发高效、环保、经济的新型胶凝材料予以改善或部分替代。
微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)是一种在地质矿化沉积过程中最常见的微生物矿化沉积过程，可通过微生物代谢诱导碳酸盐沉淀过程胶结砂土并改善其性质，同时降低土体pH值和固定二氧化碳。与传统胶凝材料相比，微生物浆材具有能耗低、污染少、粘度低、砂土相容性好、反应速率和晶体尺寸及固结强度可调控等优势。目前，MICP在土坝/地基加固、固沙、补缝及抑制扬尘等工程领域均显示出广阔的应用前景。然而，使用现有方法通过MICP很难同步提高胶结砂土的强度与韧性，这严重制约了MICP在工程中的应用与发展。
公开号为CN109594552A的现有技术公开了一种微生物固化-纤维加筋联合改性砂土的方法，通过添加0.1-3.2％离散型纤维材料，适度改善了微生物胶结砂土的无侧限抗压强度、残余强度和韧性。然而，体系中添加的离散型纤维存在分布不均匀的缺点，使得微生物胶结体的强度和韧性难以同步大幅提高。而且离散型纤维材料的结构、生物活性、功能不能人为有目的调控，这也制约着它们的应用范围。利用连续型材料尤其是结构、生物活性和功能可定向调控的材料有望同步大幅提高微生物胶结砂土的强度和韧性，但目前尚未见有效的技术方法。
发明内容
针对现有技术中采用外源添加剂难以同时大幅提高微生物胶结松散砂土的强度和韧性，且不具备人为定向调控外源添加剂的结构、生物活性和功能等技术缺陷或改进需求，本发明提供了一种运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法。本发明的胶结液中含有蛋白胶凝材料，同步灌注的方法使蛋白胶凝材料在砂土中均匀分布；蛋白胶凝材料一方面能够占据砂土颗粒之间的孔隙，其粘性和链状等结构特性可使得碳酸钙和砂土颗粒之间建立有效连接，从而提高微生物胶结砂土的韧性；另一方面可在砂土颗粒孔隙之间为碳酸钙沉淀提供更多的成核位点，提高微生物胶结砂土的强度，最终能有效提高微生物胶结松散砂土的机械性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，包括以下步骤：
(1)向砂土中加入至少1倍孔隙体积水，搅拌均匀后，装入模具中，使砂土中的孔隙处于饱和状态，多余的水从模具底部的出水口流出；
(2)将具有矿化作用的微生物菌液活化，并灌注至少1倍孔隙体积该菌液至步骤(1)所述的砂土中，所述菌液置换砂土孔隙中的水，使砂土保持孔隙饱和，静置培养使菌液中的细菌固定在砂粒上；
(3)向步骤(2)所述的砂土中灌注至少1倍孔隙体积的胶结液进行胶结固化，得到微生物胶结砂土；所述胶结液中含有蛋白胶凝材料、尿素和氯化钙，胶结固化的过程中，所述细菌水解尿素产生的碳酸根与氯化钙电离产生的钙离子形成碳酸钙沉淀，蛋白胶凝材料通过化学键使碳酸盐和砂土颗粒之间形成有效连接，从而达到胶结砂土的目的，并且，所述蛋白胶凝材料均匀分布于砂土颗粒之间为碳酸钙沉淀提供更多成核位点，有利于碳酸钙的沉淀，同时，蛋白胶凝材料的粘性和链状的结构特性改善了砂土颗粒与碳酸钙之间的界面力学作用，提高了微生物胶结砂土的韧性。
优选地，所述蛋白胶凝材料为氨基酸聚合物、小分子蛋白、天然蛋白水解得到的蛋白或基因工程融合蛋白。
优选地，所述氨基酸聚合物为聚谷氨酸；所述小分子蛋白为牛血清蛋白；所述天然蛋白水解得到的蛋白为角蛋白；
优选地，所述角蛋白为羊毛水解角蛋白。
优选地，所述基因工程融合蛋白为人工融合粘胶蛋白，该人工融合粘胶蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO：1所示。
优选地，所述聚谷氨酸的浓度为2-9g/L，胶结固化的时间为10-30天；
所述牛血清蛋白的浓度为2-9g/L，胶结固化的时间为5-10天；
所述角蛋白的浓度为0.2-1g/L，胶结固化的时间为5-10天。
优选地，所述人工融合粘胶蛋白的浓度为0.1-1g/L，胶结固化的时间为5-10天。
优选地，步骤(3)中灌注胶结液为多次灌注，以补充胶结固化过程中消耗的尿素和氯化钙。
优选地，在多次灌注胶结液之间，还包括灌注活化的所述具有矿化作用的微生物菌液的步骤，以补充固定在砂粒上的细菌。
优选地，步骤(2)中将具有矿化作用的微生物菌液活化后，还包括向菌液中加入氯化钙的步骤，钙离子的静电吸附作用使菌液中的细菌固定在砂粒上。
优选地，所述微生物菌液中的细菌为巴氏芽孢八叠球菌、地尿素芽孢杆菌、球形芽孢杆菌或枯草芽孢杆菌。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)针对现有技术中通过外源添加剂难以同时大幅提高微生物胶结松散砂土的强度和韧性，且不具备人为定向调控外源添加剂结构、生物活性和功能的技术缺陷或改进需求，本发明利用蛋白胶凝材料，包括且不限于氨基酸高聚物如聚谷氨酸(PGA)、小分子蛋白如牛血清蛋白(BSA)、天然蛋白水解产物如羊毛水解角蛋白和商业品角蛋白(日本TCI)以及基因工程融合蛋白如实验室构建表达的人工融合粘胶蛋白，采用与胶结液同步灌注的方法使蛋白胶凝材料在砂土中均匀分布。蛋白胶凝材料一方面能够占据砂土颗粒之间的孔隙，其粘性和链状等结构特性可使得碳酸钙和砂土颗粒之间建立有效连接，从而提高微生物胶结砂土的韧性；另一方面可在砂土颗粒孔隙之间为碳酸钙沉淀提供更多的成核位点，提高微生物胶结砂土的强度，最终能有效提高微生物胶结松散砂土的机械性能。作为一种高效、环保、经济的新兴工艺方法，可以改善和部分替代水泥、石灰等传统胶凝材料，在土坝/地基加固、固沙、补缝和抑制扬尘等方面具有潜在的工程实用价值和广泛的应用前景。
(2)传统微生物胶结砂土是通过微生物代谢诱导碳酸盐沉淀，并且由微生物分泌的胞外有机质通过化学键使碳酸盐和砂土形成连接，从而达到胶结砂土的目的。但其胶结体韧性差，碳酸钙沉淀效率低。蛋白胶凝材料的加入不仅能够提高微生物胶结砂土的韧性，还能提高碳酸钙沉淀效率，机理在于：1)蛋白胶凝材料的粘性加强了砂颗粒和碳酸钙界面之间通过化学键形成的这种有效连接，可以改善砂颗粒与碳酸钙之间的界面力学作用，提高增韧效果；2)蛋白胶凝材料具有的链状等结构特性可以提高微生物胶结砂土的韧性；3)蛋白胶凝材料的加入为碳酸钙在细菌之外的沉淀提供了成核位点，改善了由于碳酸钙在细菌表面沉淀导致的细菌活性下降，维持了细菌活性从而促进碳酸钙沉淀；4)蛋白胶凝材料是水溶性或者可以在水中均匀分散成为悬浊液的材料，相比于离散型纤维材料，可以更加均匀的分布于砂土颗粒之间，为碳酸钙沉淀提供更多成核位点，有利于碳酸钙的沉淀。
(3)本发明中的蛋白胶凝材料具有以下有益效果，化学性能方面，无生物毒性，没有环境污染，且具有较好的生物稳定性和生物相容性；物理性能方面，具有溶解性或者极好的分散性；力学性能方面，具有较好的粘性，可人为定向调控其结构、生物活性和功能；经济可行性方面，无需预先与砂土拌合，直接与胶结液混合后灌注即可。
(4)本发明中灌注胶结液的方向单一，蛋白胶凝材料在砂土颗粒孔隙中均匀分散可以有效解决砂土在处理中出现上下胶结不均衡的问题。相比现有技术中采用的上下轮换灌注胶结液和颠倒样品浸泡的方法，本发明中方法操作更加方便高效，也更贴合实际工程需要。
(5)本发明将微生物诱导碳酸盐沉积MICP技术与连续型的蛋白胶凝材料相结合对砂土进行改性处理，不仅可以同时提高胶结松散砂土的强度和韧性，而且运用合成生物学前沿技术可以人为有目的调控外源蛋白胶凝材料的结构、生物活性和功能，从而定向调控砂土胶结体的机械性能，从整体上改良了传统MICP固化砂土的工程性质，对进一步提高工程结构的安全性和稳定性具有重要意义。
附图说明
图1为实施例1中不加蛋白胶凝材料时胶结后砂土试样的扫描电子显微镜(SEM)图片，显示在不加蛋白胶凝材料时，碳酸钙在细菌表面进行成核，随着碳酸钙晶体的长大，细菌被碳酸钙包裹，失去活性，最终形成如图所示的菌斑。
图2为实施例1中添加聚谷氨酸(PGA)时胶结后砂土试样的扫描电子显微镜(SEM)图片，显示在添加蛋白胶凝材料时，蛋白胶凝材料位于砂颗粒和碳酸钙之间，为两者建立了有效连接。
图3为图2中方框处的局部放大图，显示聚谷氨酸(PGA)为碳酸钙的沉淀提供成核位点，维持细菌活性，在碳酸钙表面没有菌斑。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种运用蛋白胶凝材料提高生物胶结松散砂土机械性能的方法，包括以下步骤：
(1)砂土中加入至少1倍孔隙体积的水搅拌均匀后分层装入模具中，压实填满使砂土保持饱和备用；
所述砂土粒径范围为0.1-2mm，所述模具为底部可以漏水的模具；
所述压实操作为将所述模具高度三等分处标记刻度线，分层加入，每填入一层砂土进行震动压实操作至刻度线；
(2)将具有矿化作用的微生物菌液活化；
所述具有矿化作用的微生物为巴氏芽孢八叠球菌，保存编号为ATCC11859；
所述具有矿化作用的微生物为地尿素芽孢杆菌，保存编号为CGMCC1.7272；
所述具有矿化作用的微生物为球形芽孢杆菌，保存编号为CGMCC1.1359；
所述具有矿化作用的微生物为枯草芽孢杆菌，保存编号为ATCC6633；
(3)将所述步骤(2)获得的活化微生物菌液通过一定方式灌注入所述步骤(1)得到的砂土中，置换掉砂土孔隙中的水，保持砂土饱和，恒温静置培养2-12h进行细菌固定处理；
(4)向所述步骤(3)处理后的砂土中灌注至少1倍孔隙体积含有蛋白胶凝材料的新鲜胶结液，将所述步骤(3)获得的砂土孔隙中的菌液置换成新鲜胶结液，保持砂土饱和，恒温静置养护进行胶结反应；
(5)向所述步骤(4)获得的砂土中灌注至少1倍孔隙体积含有蛋白胶凝材料的新鲜胶结液，将所述步骤(4)获得的砂土孔隙中的旧胶结液置换成新鲜胶结液，保持砂土饱和，恒温静置养护进行胶结反应，持续数天后得到蛋白胶凝材料增强的微生物胶结砂土。
所述步骤(1)、(3)、(4)和(5)中砂土孔隙体积测试方法为：将干砂分层装入模具中，压实填满后灌注过量水，然后弃去多余水并保持砂土饱和，计算饱和砂土和干砂的重量差，换算得到砂土孔隙体积。
所述步骤(4)和步骤(5)中的新鲜胶结液除了包含蛋白胶凝材料外，还应包含0.2-1M CaCl2和0.2-1M尿素。
在一些实施例中，所述步骤(3)至所述步骤(5)可交替进行数次。
在一些实施例中，所述步骤(3)中微生物菌液的灌注方式为直接灌注至少1倍孔隙体积的所述步骤(2)中获得的活化微生物菌液。
在一些实施例中，所述步骤(3)中微生物菌液的灌注方式为首先灌注0.4-0.8倍孔隙体积的所述步骤(2)中获得的活化微生物菌液，随后灌注混合菌液至1倍孔隙体积，所述该混合菌液由0.2-1M CaCl2和所述步骤(2)中获得的活化微生物菌液按照1:10体积比配置而成。
在一些实施例中，所述步骤(3)、(4)和(5)中的恒温范围为28-37℃。
在一些实施例中，所述步骤(4)和步骤(5)中每次胶结反应时间为8-14h。
在一些实施例中，所述步骤(4)和所述步骤(5)中蛋白胶凝材料为2-9g/L的氨基酸高聚物或小分子蛋白，所述步骤(5)中的数天为10-30天。
在一些实施例中，所述步骤(4)和所述步骤(5)中蛋白胶凝材料为0.2-1g/L的天然蛋白水解产物，所述步骤(5)中的数天为5-10天。
在一些实施例中，所述步骤(4)和所述步骤(5)中蛋白胶凝材料为0.1-1g/L的基因工程融合蛋白，所述步骤(5)中的数天为5-10天。
在一些实施例中，本发明中使用的菌液是由巴氏芽孢八叠球菌在ATCC1376 NH4-YE微生物培养基中以2％-5％(V/V)接种量接种，置于28-37℃恒温、转速170-220rmp/min摇床中活化22-30h后得到；
在一些实施例中，本发明中使用的菌液是由地尿素芽孢杆菌在ATCC1376 NH4-YE微生物培养基中以2％-5％(V/V)接种量接种，置于28-37℃恒温、转速170-220rmp/min摇床中活化22-30h后得到；
在一些实施例中，本发明中使用的菌液是由球形芽孢杆菌在ATCC1376NH4-YE微生物培养基中以2％-5％(V/V)接种量接种，置于28-37℃恒温、转速170-220rmp/min摇床中活化22-30h后得到；
在一些实施例中，本发明中使用的菌液是由枯草芽孢杆菌在ATCC1376NH4-YE微生物培养基中以2％-5％(V/V)接种量接种，置于28-37℃恒温、转速170-220rmp/min摇床中活化22-30h后得到；
菌液活化具体实施方式如下：
S1：配置所需的ATCC 1376NH4-YE微生物液体培养基，培养基配方为：酵母膏提取物20g/L、硫酸铵10g/L、Tris base 15.7g/L，配置好的培养基于灭菌锅中进行121℃高温高压灭菌20min；
S2：冷却后在超净台中进行细菌接种，接种量为2％-5％(V/V)；
S3：接种后的菌液置于28-37℃恒温摇床当中活化22-30h，使细菌活性达到最高，可以用于砂土胶结；
S4：同时针对活化好的细菌分别进行细菌浓度以及细菌所产生的脲酶活性的检测，其中以分光光度计检测细菌浓度，波长设置为600nm；其中以电导率仪检测脲酶活性，具体方法为：取5mL培养24h后的菌液，加入45mL 1.1M的尿素溶液混合，在28℃条件下，用电导率仪检测时长5min内的电导率变化，推算出单位时间内脲酶水解的尿素量，并使用单位分钟脲酶水解的尿素量表示脲酶活性。
现以上述活化好的细菌作为菌液进行砂土胶结。
实施例1
取一定量的石英砂，加入1倍孔隙体积水拌匀。分三次加入到40×40×160mm的矩形模具当中，每填入三分之一砂土压实至模具高度三等分刻度线。压实填满后使砂土保持饱和备用。活化巴氏芽孢八叠球菌菌液后配制混合菌液，配方为：0.5M CaCl2和菌液按照1:10(V/V)配成。向装填好的砂土中灌注0.4倍孔隙体积菌液，完成后灌注0.6倍孔隙体积的混合菌液于30℃静置培养8h进行细菌固定处理。以氨基酸高聚物如聚谷氨酸(PGA)作为蛋白胶凝材料配制新鲜蛋白胶结液，配方为：尿素0.5M，CaCl2 0.5M，PGA 2.25g/L。向经过细菌固定处理的砂土中灌注1倍孔隙体积的新鲜蛋白胶结液，每次灌注新鲜蛋白胶结液后将砂土置于30℃静置培养12h进行胶结反应，一共灌注新鲜胶结液20-80次，共10-40天。其中，每3-4天灌注一次菌液，方法同上。对胶结好的砂土进行三点抗折强度和无侧限抗压强度测试(GB/T17671-1999)，得到试样的三点抗折强度2.9-9.6MPa、抗压强度5.1-55.0MPa，压/折强度比1.76-5.73。灌注不含蛋白胶凝材料的胶结液的对照试样的三点抗折强度0.6-3.3MPa、抗压强度1.2-20.9MPa，压/折强度比2.0-6.33，说明灌注PGA砂土试样的抗弯韧性和抗压强度相较于不灌注PGA的对照砂土试样均有显著提高。
如图1所示，不灌注PGA的胶结后砂土试样的扫描电子显微镜(SEM)图片显示在不灌注PGA时，碳酸钙表面存在菌斑，说明碳酸钙在细菌表面进行成核，随着碳酸钙晶体的长大，细菌被碳酸钙包裹，失去活性，最终形成如图所示的菌斑。图2为灌注PGA的胶结后砂土试样的扫描电子显微镜(SEM)图片，图3为图2中方框处的局部放大图，显示在灌注PGA时，砂颗粒和碳酸钙表面都覆盖了一层有机质，说明蛋白胶凝材料PGA位于砂颗粒和碳酸钙之间且为两者建立了有效连接；并且碳酸钙表面不存在菌斑，说明蛋白胶凝材料PGA在细菌之外为碳酸钙的沉淀提供成核位点，维持细菌活性，在碳酸钙表面没有菌斑。
实施例2
本实施例中步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：
在拌砂装样步骤中，将实施例1中的40×40×160mm的矩形模具替换为高60mm、直径30mm的圆柱形模具。仅在灌注蛋白胶结液之前灌注一次菌液，蛋白胶结液灌注过程中不再灌注菌液。在灌注新鲜蛋白胶结液步骤中，将实施例1中的聚谷氨酸(PGA)替换为小分子蛋白如牛血清蛋白(BSA)，且按照浓度2.25g/L进行新鲜蛋白胶结液的配制。一共灌注新鲜胶结液14次，共7天。对胶结好的砂土进行无侧限抗压试验，得到试样的无侧限抗压强度1.61MPa，韧性2.40MJ/m3。灌注不含蛋白胶凝材料的胶结液的对照试样的无侧限抗压强度0.47MPa，韧性1.31MJ/m3，说明灌注BSA砂土试样的抗压强度和韧性相较于不灌注BSA的对照砂土试样均有显著提高。
实施例3
本实施例中步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：
在拌砂装样步骤中，将实施例1中的40×40×160mm的矩形模具替换为高60mm、直径30mm的圆柱形模具。仅在灌注蛋白胶结液之前灌注一次菌液，蛋白胶结液灌注过程中不再灌注菌液。在灌注新鲜蛋白胶结液步骤中，将实施例1中的PGA替换为天然蛋白水解产物如羊毛水解角蛋白，且按照浓度0.44g/L进行新鲜蛋白胶结液的配制。一共灌注新鲜胶结液14次，共7天。对胶结好的砂土进行无侧限抗压试验，得到试样的无侧限抗压强度1.88MPa，韧性2.50MJ/m3。灌注不含蛋白胶凝材料的胶结液的对照试样的无侧限抗压强度0.47MPa，韧性1.31MJ/m3，说明灌注羊毛水解角蛋白砂土试样的抗压强度和韧性相较于不灌注羊毛水解角蛋白的对照砂土试样均有显著提高。
实施例4
本实施例中步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：
在拌砂装样步骤中，将实施例1中的40×40×160mm的矩形模具替换为高60mm、直径30mm的圆柱形模具。仅在灌注蛋白胶结液之前灌注一次菌液，蛋白胶结液灌注过程中不再灌注菌液。在灌注新鲜蛋白胶结液步骤中，将实施例1中的PGA替换为天然蛋白水解产物如商业品角蛋白(日本TCI)，且按照浓度0.44g/L进行新鲜蛋白胶结液的配制。一共灌注新鲜胶结液14次，共7天。对胶结好的砂土进行无侧限抗压试验，得到试样的无侧限抗压强度1.86MPa，韧性2.80MJ/m3。灌注不含蛋白胶凝材料的胶结液的对照试样的无侧限抗压强度0.47MPa，韧性1.31MJ/m3，说明灌注商业品角蛋白砂土试样的抗压强度和韧性相较于不灌注商业品角蛋白的对照砂土试样均有显著提高。
实施例5
本实施例中步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：
在拌砂装样步骤中，将实施例1中的40×40×160mm的矩形模具替换为高60mm、直径30mm的圆柱形模具。仅在灌注蛋白胶结液之前灌注一次菌液，蛋白胶结液灌注过程中不再灌注菌液。在灌注新鲜蛋白胶结液步骤中，将实施例1中的PGA替换为基因工程融合蛋白如实验室构建表达的人工融合粘胶蛋白，且按照浓度0.36g/L进行新鲜蛋白胶结液的配制。一共灌注新鲜胶结液14次，共7天。对胶结好的砂土进行无侧限抗压试验，得到试样的无侧限抗压强度1.14MPa，韧性2.79MJ/m3。灌注不含蛋白胶凝材料的胶结液的对照试样的无侧限抗压强度0.47MPa，韧性1.31MJ/m3，说明灌注实验室构建表达的人工融合粘胶蛋白砂土试样的抗压强度和韧性相较于不灌注实验室构建表达的人工融合粘胶蛋白的对照砂土试样均有显著提高。
实施例6
本实施例中步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：
在拌砂装样步骤中，将实施例1中的40×40×160mm的矩形模具替换为高60mm、直径30mm的圆柱形模具。灌注的菌液中的细菌为地尿素芽孢杆菌。仅在灌注蛋白胶结液之前灌注一次菌液，蛋白胶结液灌注过程中不再灌注菌液。在灌注新鲜蛋白胶结液步骤中，按照浓度9g/L PGA进行新鲜蛋白胶结液的配制。一共灌注新鲜胶结液14次，共7天。对胶结好的砂土进行无侧限抗压试验，得到试样的无侧限抗压强度2.14MPa，韧性6.76MJ/m3。灌注不含蛋白胶凝材料的胶结液的对照试样的无侧限抗压强度0.55MPa，韧性1.70MJ/m3，说明灌注PGA砂土试样的抗压强度和韧性相较于不灌注PGA的对照砂土试样均有显著提高。
实施例7
本实施例中步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：
在拌砂装样步骤中，将实施例1中的40×40×160mm的矩形模具替换为高60mm、直径30mm的圆柱形模具。灌注的菌液中的细菌为球形芽孢杆菌。仅在灌注蛋白胶结液之前灌注一次菌液，蛋白胶结液灌注过程中不再灌注菌液。在灌注新鲜蛋白胶结液步骤中，将实施例1中的PGA替换为BSA，且按照浓度9g/L进行新鲜蛋白胶结液的配制。一共灌注新鲜胶结液14次，共7天。对胶结好的砂土进行无侧限抗压试验，得到试样的无侧限抗压强度2.01MPa，韧性2.99MJ/m3。灌注不含蛋白胶凝材料的胶结液的对照试样的无侧限抗压强度0.57MPa，韧性1.61MJ/m3，说明灌注BSA砂土试样的抗压强度和韧性相较于不灌注BSA的对照砂土试样均有显著提高。
实施例8
本实施例中步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：
在拌砂装样步骤中，将实施例1中的40×40×160mm的矩形模具替换为高60mm、直径30mm的圆柱形模具。灌注的菌液中的细菌为枯草芽孢杆菌。仅在灌注蛋白胶结液之前灌注一次菌液，蛋白胶结液灌注过程中不再灌注菌液。在灌注新鲜蛋白胶结液步骤中，将实施例1中的PGA替换为天然蛋白水解产物如商业品角蛋白(日本TCI)，且按照浓度1g/L进行新鲜蛋白胶结液的配制。一共灌注新鲜胶结液14次，共7天。对胶结好的砂土进行无侧限抗压试验，得到试样的无侧限抗压强度1.89MPa，韧性2.86MJ/m3。灌注不含蛋白胶凝材料的胶结液的对照试样的无侧限抗压强度0.40MPa，韧性1.35MJ/m3，说明灌注商业品角蛋白砂土试样的抗压强度和韧性相较于不灌注商业品角蛋白的对照砂土试样均有显著提高。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
序列表
<110> 华中科技大学
<120> 运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法
<160> 1
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 196
<212> PRT
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro
1 5 10 15
Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys
20 25 30
Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr
35 40 45
Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ser Ser Glu Glu
50 55 60
Tyr Lys Gly Gly Tyr Tyr Pro Gly Asn Thr Tyr His Tyr His Ser Gly
65 70 75 80
Gly Ser Tyr His Gly Ser Gly Tyr His Gly Gly Tyr Lys Gly Lys Tyr
85 90 95
Tyr Gly Lys Ala Lys Lys Tyr Tyr Tyr Lys Tyr Lys Asn Ser Gly Lys
100 105 110
Tyr Lys Tyr Leu Lys Lys Ala Arg Lys Tyr His Arg Lys Gly Tyr Lys
115 120 125
Lys Tyr Tyr Gly Gly Gly Ser Ser Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr
130 135 140
Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser
145 150 155 160
Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys
165 170 175
Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro
180 185 190
Pro Thr Tyr Lys
195

Claims (10)

1.运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向砂土中加入至少1倍孔隙体积水，搅拌均匀后，装入模具中，使砂土中的孔隙处于饱和状态，多余的水从模具底部的出水口流出；
(2)将具有矿化作用的微生物菌液活化，并灌注至少1倍孔隙体积该菌液至步骤(1)所述的砂土中，所述菌液置换砂土孔隙中的水，使砂土保持孔隙饱和，静置培养使菌液中的细菌固定在砂粒上；
(3)向步骤(2)所述的砂土中灌注至少1倍孔隙体积的胶结液进行胶结固化，得到微生物胶结砂土；所述胶结液中含有蛋白胶凝材料、尿素和氯化钙，胶结固化的过程中，所述细菌水解尿素产生的碳酸根与氯化钙电离产生的钙离子形成碳酸钙沉淀，蛋白胶凝材料通过化学键使碳酸盐和砂土颗粒之间形成有效连接，从而达到胶结砂土的目的，并且，所述蛋白胶凝材料均匀分布于砂土颗粒之间为碳酸钙沉淀提供更多成核位点，有利于碳酸钙的沉淀，同时，蛋白胶凝材料的粘性和链状的结构特性改善了砂土颗粒与碳酸钙之间的界面力学作用，提高了微生物胶结砂土的韧性。
2.如权利要求1所述的运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，其特征在于，所述蛋白胶凝材料为氨基酸聚合物、小分子蛋白、天然蛋白水解得到的蛋白或基因工程融合蛋白。
3.如权利要求2所述的运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，其特征在于，所述氨基酸聚合物为聚谷氨酸；所述小分子蛋白为牛血清蛋白；所述天然蛋白水解得到的蛋白为角蛋白；
优选地，所述角蛋白为羊毛水解角蛋白。
4.如权利要求2所述的运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，其特征在于，所述基因工程融合蛋白为人工融合粘胶蛋白，该人工融合粘胶蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO：1所示。
5.如权利要求3所述的运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，其特征在于，所述聚谷氨酸的浓度为2-9g/L，胶结固化的时间为10-30天；
所述牛血清蛋白的浓度为2-9g/L，胶结固化的时间为5-10天；
所述角蛋白的浓度为0.2-1g/L，胶结固化的时间为5-10天。
6.如权利要求4所述的运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，其特征在于，所述人工融合粘胶蛋白的浓度为0.1-1g/L，胶结固化的时间为5-10天。
7.如权利要求1所述的运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，其特征在于，步骤(3)中灌注胶结液为多次灌注，以补充胶结固化过程中消耗的尿素和氯化钙。
8.如权利要求7所述的运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，其特征在于，在多次灌注胶结液之间，还包括灌注活化的所述具有矿化作用的微生物菌液的步骤，以补充固定在砂粒上的细菌。
9.如权利要求1所述的运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，其特征在于，步骤(2)中将具有矿化作用的微生物菌液活化后，还包括向菌液中加入氯化钙的步骤，钙离子的静电吸附作用使菌液中的细菌固定在砂粒上。
10.如权利要求1所述的运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，其特征在于，所述微生物菌液中的细菌为巴氏芽孢八叠球菌、地尿素芽孢杆菌、球形芽孢杆菌或枯草芽孢杆菌。
CN202011053799.2A 2020-09-30 2020-09-30 运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法 Active CN112125574B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011053799.2A CN112125574B (zh) 2020-09-30 2020-09-30 运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011053799.2A CN112125574B (zh) 2020-09-30 2020-09-30 运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112125574A true CN112125574A (zh) 2020-12-25
CN112125574B CN112125574B (zh) 2021-08-20

Family

ID=73843162

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011053799.2A Active CN112125574B (zh) 2020-09-30 2020-09-30 运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112125574B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114985431A (zh) * 2022-05-12 2022-09-02 南华大学 基于微生物加固工艺的改性纤维复合材料及其制备方法
CN115626790A (zh) * 2022-11-02 2023-01-20 中铁四局集团有限公司 一种快速修复混凝土微裂缝的生物材料及其制备方法
CN115838302A (zh) * 2022-10-17 2023-03-24 中国水利水电科学研究院 一种基于微生物水泥的混凝土表面修复防护方法
CN115895666A (zh) * 2022-09-21 2023-04-04 华中科技大学 一种micp-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104446324A (zh) * 2014-11-04 2015-03-25 东南大学 生物磷酸盐和碳酸盐复合胶凝材料固结松散砂颗粒的方法
CN105837075A (zh) * 2015-07-07 2016-08-10 东南大学 一种利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法
CN106168550A (zh) * 2016-08-10 2016-11-30 天津大学 采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法
US9650301B1 (en) * 2012-08-02 2017-05-16 University Of South Carolina Synthesis of a homogeneously porous solid oxide matrix with tunable porosity and pore size
CN109594552A (zh) * 2018-12-21 2019-04-09 南京大学（苏州）高新技术研究院 一种微生物固化-纤维加筋联合改性砂土的方法
CN109923090A (zh) * 2016-10-31 2019-06-21 拜奥梅森股份有限公司 微生物加载的集料和制造方法
CN110670575A (zh) * 2019-09-17 2020-01-10 东南大学 一种微生物诱导碳酸钙与聚丙烯酰胺联合固沙方法
CN110683802A (zh) * 2019-10-25 2020-01-14 中南大学 一种基于micp技术的磷石膏-赤泥充填体的制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9650301B1 (en) * 2012-08-02 2017-05-16 University Of South Carolina Synthesis of a homogeneously porous solid oxide matrix with tunable porosity and pore size
CN104446324A (zh) * 2014-11-04 2015-03-25 东南大学 生物磷酸盐和碳酸盐复合胶凝材料固结松散砂颗粒的方法
CN105837075A (zh) * 2015-07-07 2016-08-10 东南大学 一种利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法
CN106168550A (zh) * 2016-08-10 2016-11-30 天津大学 采用微生物固化粉细砂形成人工硬壳层的室内试验方法
CN109923090A (zh) * 2016-10-31 2019-06-21 拜奥梅森股份有限公司 微生物加载的集料和制造方法
CN109594552A (zh) * 2018-12-21 2019-04-09 南京大学（苏州）高新技术研究院 一种微生物固化-纤维加筋联合改性砂土的方法
CN110670575A (zh) * 2019-09-17 2020-01-10 东南大学 一种微生物诱导碳酸钙与聚丙烯酰胺联合固沙方法
CN110683802A (zh) * 2019-10-25 2020-01-14 中南大学 一种基于micp技术的磷石膏-赤泥充填体的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUAI-MIAO ZHENG等: "蛋清", 《SOILS AND FOUNDATIONSVOLUME》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114985431A (zh) * 2022-05-12 2022-09-02 南华大学 基于微生物加固工艺的改性纤维复合材料及其制备方法
CN115895666A (zh) * 2022-09-21 2023-04-04 华中科技大学 一种micp-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法
CN115838302A (zh) * 2022-10-17 2023-03-24 中国水利水电科学研究院 一种基于微生物水泥的混凝土表面修复防护方法
CN115626790A (zh) * 2022-11-02 2023-01-20 中铁四局集团有限公司 一种快速修复混凝土微裂缝的生物材料及其制备方法
CN115626790B (zh) * 2022-11-02 2023-10-27 中铁四局集团有限公司 一种快速修复混凝土微裂缝的生物材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112125574B (zh) 2021-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112125574B (zh) 运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法
Tang et al. Factors affecting the performance of microbial-induced carbonate precipitation (MICP) treated soil: a review
Gebru et al. Bio-cement production using microbially induced calcite precipitation (MICP) method: A review
CN109594552B (zh) 一种微生物固化-纤维加筋联合改性砂土的方法
CN105297705A (zh) 一种基于micp技术的生物砂岩的制备方法及装置
De Muynck et al. Microbial carbonate precipitation in construction materials: a review
CN108761044B (zh) 一种负压环境下微生物诱导碳酸钙沉淀固化砂土的试验装置及方法
CN109900880A (zh) 一种采用固定化微生物技术的micp试验方法
CN101302484A (zh) 利用微生物修复水泥基材料裂缝方法及培养液和修复营养液
CN113264723B (zh) 基于兼性好氧微生物矿化的高性能绿色透水砖及制备方法
CN112322519B (zh) 一种用于生物矿化的微生物复合菌群及其制备与应用
CN108531433B (zh) 一种固化土壤的芽孢杆菌菌剂及其使用方法
Yu et al. Mineralization and cementing properties of bio-carbonate cement, bio-phosphate cement, and bio-carbonate/phosphate cement: a review
Qian et al. Living concrete with self-healing function on cracks attributed to inclusion of microorganisms: Theory, technology and engineering applications—A review
CN114772968B (zh) 一种生物碳酸钙均匀强化再生骨料的制备方法和应用
CN111827258A (zh) 一种有机物联合植物脲酶加固土体的方法
CN112225481A (zh) 一种自愈合混凝土及其制备方法
Wang et al. A highly effective strain screened from soil and applied in cementing fine sand based on MICP-bonding technology
ZHANG et al. Advances in soil cementation by biologically induced calcium carbonate precipitation
Tang et al. Effect of cementation on calcium carbonate precipitation of loose sand resulting from microbial treatment
CN112813960A (zh) 一种利用微生物复合纤维加筋改良膨胀土的方法
Wang et al. Effect of low-temperature treatment on bacterial cultivation in bacterial induced mineralization
Xiao et al. Biocementation of coral sand under seawater environment and an improved three-stage biogrouting approach
CN113913469A (zh) 基于微生物菌剂的高炉裂缝修补方法
Wang et al. Macro and micro experimental study on solidification of Yellow River silt based on different biomineralization technologies

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant