CN112500010A - 一种基于micp技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于土木工程的材料应用领域，尤其涉及一种基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法。本发明利用MICP技术对黄河粉沙颗粒级配进行改良，一方面利用菌种形成的具有凝胶作用的碳酸钙结晶使得沙粒自身粒径增大，另一方面可以通过对沙粒之间进行固结，使得多个小粒径沙粒构成大粒径沙粒整体，进而使得黄河粉沙的颗粒级配优化，提高黄河粉沙的细度模数。

Description

一种基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法
技术领域
本发明属于土木工程材料应用领域，尤其涉及一种基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法。
背景技术
沙石作为混凝土结构材料的重要组成部分，其质量优劣对整个工程质量及耐久性具有举足轻重的影响，同时随着社会城市建筑进程的不断推进，优质天然砂石的含量逐渐减少，只能采用质量较差的天然砂或机制砂。而黄河以泥沙多而闻名于世，根据近代实测资料分析，黄河干流的平均年输沙量为16亿吨，含沙量为35千克/立方米，但是黄河沙粒径较小，呈粉沙状并存在细度模数小、颗粒级配不良、含泥量高、孔隙较多、降低混凝土工程质量等问题，制约了黄河粉沙在建筑工程中的应用，因此如何有效利用黄河沙是当代建筑工程领域一直亟待解决的问题。
现有技术中的改良方法或能够解决黄河粉沙应用的局限性，方法基本都是采用掺配法，即掺和细度模数高的沙进行改良，这种方法在很多专利技术文件中也有所体现，例如申请号为2014104234215、2013100452733、201810954223X、2013103921776等文件。但是这种掺配法实则治标不治本，对黄河粉沙本身没有改变，无法对其颗粒粒度组分及微观结构进行改良，导致工程材料成本无法降低，同时更加大了建筑材料购买分类及需求，材料配置时难度大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，本发明利用MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配，创造性对黄河粉沙的颗粒粒度组分及微观结构进行改良，使其达到建筑工程的使用标准，不仅对环境友好，而且充分利用了黄河的泥沙资源。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，按质量配比2-1：1-2：9-20取菌液、胶结液和黄河粉沙并于10-35℃环境下混合后静置20-75h，即得颗粒级配改良后的黄河粉沙。
优选的，所述菌液活性OD600大于3。
所述菌液优选采用如下方法制备：将巴氏芽孢杆菌(编号ATCC11859)从平板接种到液体培养基中，置于30℃、170r/min的震荡培养箱内培养48h，即得所述菌液。
优选的，所述液体培养基中CH4N2O：蛋白胨：酵母提取物：NaCl的质量比为1:1:0.5:1，例如，可将10g/L的CH4N2O、10g/L蛋白胨、5g/L酵母提取物、10g/L的NaCl混合并经1mol/L的NaOH调pH值至9±0.2得所述液体培养基。
优选的，所述胶结液中尿素和钙离子的摩尔浓度配比为2-1：1-2，且胶结液的浓度为0.5-1.5mol/L。
更优选的，所述胶结液由摩尔浓度配比为2：1的尿素和钙离子溶液组成，胶结液的浓度为1.5mol/L。
所述钙离子溶液优选为CaCl2溶液。
所述菌液、胶结液和黄河粉沙的混合方式优选如下：取黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛，再依次加入菌液和胶结液至黄河粉沙拉毛面即可。
更进一步，可以颗粒级配改良后的黄河粉沙再次作为待改良的黄河粉沙，继续与菌液、胶结液混合并重复改良步骤。
重复改良步骤的次数一般为1-2次，但具体可根据用沙颗粒级配的要求进行。
本发明所述MICP技术主要通过巴氏芽孢杆菌(编号ATCC11859)在新陈代谢过程中产生的一种可以将尿素分解的酶，形成铵根离子和碳酸根离子，该细菌表面带负电荷，当溶液中含有一定浓度钙离子时，钙离子会被细胞吸附，从而以细胞为晶核，在细菌周围就会形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶，该晶体如果附着在沙粒上时，可以提高该沙粒的粒径，同时也可通过该晶体将相邻沙粒进行“粘接”组成一个大粒径整体，进而使得黄河粉沙的粒径发生改变。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明利用MICP技术对黄河粉沙进行改良，一方面利用菌种形成的具有凝胶作用的碳酸钙结晶使得沙粒自身粒径增大，另一方面可以通过对沙粒之间进行固结，使得多个小粒径沙粒构成大粒径沙粒整体，进而使得黄河粉沙的颗粒级配优化，提高黄河粉沙的细度模数。
附图说明
图1为实施例1中改良后黄河粉沙颗粒级配曲线及细度模数图；
图2为实施例2中改良后黄河粉沙颗粒级配曲线及细度模数图；
图3为实施例3中改良后黄河粉沙颗粒级配曲线及细度模数图；
图4为实施例4中改良后黄河粉沙颗粒级配曲线及细度模数图；
图5为实施例5中改良后黄河粉沙颗粒级配曲线及细度模数图；
图6为实施例6中改良后黄河粉沙颗粒级配曲线及细度模数图；
图7为实施例7中改良后黄河粉沙颗粒级配曲线及细度模数图；
图8为实施例8中改良后黄河粉沙颗粒级配曲线及细度模数图；
图9为实施例9中改良后黄河粉沙颗粒级配曲线及细度模数图；
图10为实施例10中改良后黄河粉沙颗粒级配曲线及细度模数图；
图11为实施例11中改良后黄河粉沙颗粒级配曲线及细度模数图。
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。
实施例1
一、原料准备
按照1：1：9.5的质量配比分别取菌液、胶结液和黄河粉沙：将黄河粉沙放入105±5℃下烘至质量恒定后取出，冷却至室温，然后振捣均匀并测定其颗粒级配及细度模数；胶结液由摩尔浓度配比为1：1的尿素和氯化钙溶液组成，且胶结液的浓度为1.0mol/L。
二、改良处理
首先使用凡士林对长、宽、高70.7mm×70.7mm×70.7mm的试验模具内表面进行涂刷，并在模具底部放一张滤纸，为防止一次滴灌过多使沙样表面的液体张力过大，液体渗流不均匀，于15-20℃环境下，将黄河粉沙、菌液和胶结液等分为三份，取一份黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛并将一份菌液和胶结液先后交替均匀滴至黄河粉沙拉毛面并静置0.5小时，然后依序放沙-振捣-拉毛-倒液-静置作业，直至原料全部加入模具内静置72小时，即得改良后黄河粉沙。
三、数据测量
将改良后的黄河粉沙放入105±5℃下烘至质量恒定后取出冷却至室温，然后振捣均匀并测定其颗粒级配及细度模数。
上述操作重复三次(平行测定)并绘制曲线如附图1所示。
实施例2
一、原料准备
按照1：1：9.5的质量配比分别取菌液、胶结液和黄河粉沙，胶结液由摩尔浓度配比为1：2的尿素和氯化钙溶液组成，且胶结液的浓度为0.5mol/L，其他同实施例1。
二、改良处理
于15-20℃环境下，将黄河粉沙、菌液和胶结液等分为三份，取一份黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛并将一份菌液和胶结液先后交替均匀滴至黄河粉沙拉毛面并静置0.5小时，然后依序放沙-振捣-拉毛-倒液-静置作业，直至原料全部加入模具内静置72小时，即得改良后黄河粉沙。
其他步骤皆同实施例1，并最终绘制曲线如附图2所示。
实施例3
一、原料准备
按照1：1：9.5的质量配比分别取菌液、胶结液和黄河粉沙，胶结液由摩尔浓度配比为2：1的尿素和氯化钙溶液组成，且胶结液的浓度为1.5mol/L，其他同实施例1。
二、改良处理
于15-20℃环境下，将黄河粉沙、菌液和胶结液等分为三份，取一份黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛并将一份菌液和胶结液先后交替均匀滴至黄河粉沙拉毛面并静置0.5小时，然后依序放沙-振捣-拉毛-倒液-静置作业，直至原料全部加入模具内静置72小时，即得改良后黄河粉沙。
其他同实施例1，并最终绘制曲线如附图3所示。
实施例4
一、原料准备
按照1：2：9.5的质量配比分别取菌液、胶结液和黄河粉沙，胶结液由摩尔浓度配比为2：1的尿素和氯化钙溶液组成，且胶结液的浓度为0.5mol/L，其他同实施例1。
二、改良处理
于15-20℃环境下，将黄河粉沙、菌液和胶结液等分为三份，取一份黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛并将一份菌液和胶结液先后交替均匀滴至黄河粉沙拉毛面并静置0.5小时，然后依序放沙-振捣-拉毛-倒液-静置作业，直至原料全部加入模具内静置72小时，即得改良后黄河粉沙。
其他同实施例1，并最终绘制曲线如附图4所示。
实施例5
一、原料准备
按照1：2：9.5的质量配比分别取菌液、胶结液和黄河粉沙，胶结液由摩尔浓度配比为1：1的尿素和氯化钙溶液组成，且胶结液的浓度为1.5mol/L，其他同实施例1。
二、改良处理
于15-20℃环境下，将黄河粉沙、菌液和胶结液等分为三份，取一份黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛并将一份菌液和胶结液先后交替均匀滴至黄河粉沙拉毛面并静置0.5小时，然后依序放沙-振捣-拉毛-倒液-静置作业，直至原料全部加入模具内静置72小时，即得改良后黄河粉沙。
其他同实施例1，并最终绘制曲线如附图5所示。
实施例6
一、原料准备
按照1：2：9.5的质量配比分别取菌液、胶结液和黄河粉沙，胶结液由摩尔浓度配比为1：2的尿素和氯化钙溶液组成，且胶结液的浓度为1.0mol/L，其他同实施例1。
二、改良处理
于15-20℃环境下，将黄河粉沙、菌液和胶结液等分为三份，取一份黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛并将一份菌液和胶结液先后交替均匀滴至黄河粉沙拉毛面并静置0.5小时，然后依序放沙-振捣-拉毛-倒液-静置作业，直至原料全部加入模具内静置72小时，即得改良后黄河粉沙。
其他同实施例1，并最终绘制曲线如附图6所示。
实施例7
一、原料准备
按照2：1：9.5的质量配比分别取菌液、胶结液和黄河粉沙，胶结液由摩尔浓度配比为1：2的尿素和氯化钙溶液组成，且胶结液的浓度为1.5mol/L，其他同实施例1。
二、改良处理
于15-20℃环境下，将黄河粉沙、菌液和胶结液等分为三份，取一份黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛并将一份菌液和胶结液先后交替均匀滴至黄河粉沙拉毛面并静置0.5小时，然后依序放沙-振捣-拉毛-倒液-静置作业，直至原料全部加入模具内静置72小时，即得改良后黄河粉沙。
其他同实施例1，并最终绘制曲线如附图7所示。
实施例8
一、原料准备
按照2：1：9.5的质量配比分别取菌液、胶结液和黄河粉沙，胶结液由摩尔浓度配比为2：1的尿素和氯化钙溶液等体积组成，且胶结液的浓度为1.0mol/L，其他同实施例1。
二、改良处理
于15-20℃环境下，将黄河粉沙、菌液和胶结液等分为三份，取一份黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛并将一份菌液和胶结液先后交替均匀滴至黄河粉沙拉毛面并静置0.5小时，然后依序放沙-振捣-拉毛-倒液-静置作业，直至原料全部加入模具内静置72小时，即得改良后黄河粉沙。
其他同实施例1，并最终绘制曲线如附图8所示。
实施例9
一、原料准备
按照2：1：9.5的质量配比分别取菌液、胶结液和黄河粉沙，胶结液由摩尔浓度配比为1：1的尿素和氯化钙溶液组成，且胶结液的浓度为0.5mol/L，其他同实施例1。
二、改良处理
于15-20℃环境下，将黄河粉沙、菌液和胶结液等分为三份，取一份黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛并将一份菌液和胶结液先后交替均匀滴至黄河粉沙拉毛面并静置0.5小时，然后依序放沙-振捣-拉毛-倒液-静置作业，直至原料全部加入模具内静置72小时，即得改良后黄河粉沙。
其他同实施例1，并最终绘制曲线如附图9所示。
实施例10
一、原料准备
按照1：1：9.5的质量配比分别取菌液、胶结液和黄河粉沙，胶结液由摩尔浓度配比为2：1的尿素和氯化钙溶液组成，且胶结液的浓度为1.5mol/L，其他同实施例1。
二、改良处理
于15-20℃环境下，将黄河粉沙、菌液和胶结液等分为三份，取一份黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛并将一份菌液和胶结液先后交替均匀滴至黄河粉沙拉毛面并静置0.5小时，然后依序放沙-振捣-拉毛-倒液-静置作业，直至原料全部加入模具内静置72小时，即得第一次改良后黄河粉沙。
将第一次改良后黄河粉沙烘干8小时，进行颗粒级配筛分，后进行第二次加固，处理流程同第一次加固，即得第二次改良后黄河粉沙。
其他同实施例1，并最终绘制曲线如附图10所示。
实施例11
一、原料准备
按照1：1：9.5的质量配比分别取菌液、胶结液和黄河粉沙，胶结液由摩尔浓度配比为2：1的尿素和氯化钙溶液组成，且胶结液的浓度为1.5mol/L，其他同实施例1。
二、改良处理
于15-20℃环境下，将黄河粉沙、菌液和胶结液等分为三份，取一份黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛并将一份菌液和胶结液先后交替均匀滴至黄河粉沙拉毛面并静置0.5小时，然后依序放沙-振捣-拉毛-倒液-静置作业，直至原料全部加入模具内静置72小时，即得第一次改良后黄河粉沙。
第一次改良后黄河粉沙烘干8小时，进行颗粒级配筛分，后进行第二次加固，处理流程同第一次加固，即得第二次改良后黄河粉沙。
第二次改良后黄河粉沙烘干8小时，进行颗粒级配筛分，后进行第三次加固，处理流程同第一次加固，即得第三次改良后黄河粉沙。
其他同实施例1，并最终绘制曲线如附图11所示。
实施例1-11中，所采用的菌液采用如下方法制备：
1)按1:1:0.5:1的质量配比取10g/L的CH4N2O、10g/L蛋白胨、5g/L酵母提取物、10g/L的NaCl混合，经1mol/L的NaOH调pH值至9±0.2，制得液体培养基；
2)将巴氏芽孢杆菌(编号ATCC11859)从平板接种到所述液体培养基中，置于30℃、170r/min的震荡培养箱内培养48h，即得所述菌液，菌液活性OD600大于3。
实施例1-11获得的改良后的黄河粉沙的细度模数数据如下：
Figure BDA0002848628290000111
由附图和上述细度模数数据可知，本发明所述方法能够有效提高黄河粉沙的细度模数和颗粒级配。在第一次加固时，实施例3所述方法改良后的黄河粉沙较于改良前黄河粉沙变化最为明显，细度模数较于初始试样从1.12提升至1.55，其中1mm至2mm粒径区间的颗粒比重从0％提高到27.39％，0.25mm至1mm粒径区间的颗粒比重从2.35％提高到32.87％，最细粒径处的改良幅度也达到10％。在第二次加固时，细度模数较于初始试样从1.12提升至1.62，其中1mm至5mm粒径区间的颗粒比重提高了50％。在第三次加固时，细度模数较于初始试样从1.12提升至1.84，其中1mm至5mm粒径区间的颗粒比重提高了70％。

Claims (10)

1.一种基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，其特征在于，按质量配比2-1：1-2：9-20取菌液、胶结液和黄河粉沙并于10-35℃环境下混合后静置20-75h，即得颗粒级配改良后的黄河粉沙。
2.如权利要求1所述的基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，其特征在于，所述菌液活性OD600大于3。
3.如权利要求1所述的基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，其特征在于，所述胶结液中尿素和钙离子的摩尔浓度配比为2-1：1-2，且胶结液的浓度为0.5-1.5 mol/L。
4.如权利要求3所述的基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，其特征在于，所述胶结液由摩尔浓度配比为2：1的尿素和钙离子溶液组成，胶结液的浓度为1.5 mol/L。
5.如权利要求3所述的基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，其特征在于，所述钙离子溶液为CaCl2溶液。
6.如权利要求2所述的基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，其特征在于，所述菌液采用如下方法制备：将巴氏芽孢杆菌(编号ATCC11859)接种到液体培养基培养即得所述菌液。
7.如权利要求6所述的基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，其特征在于，所述液体培养基中CH4N2O：蛋白胨：酵母提取物：NaCl的质量比为1:1:0.5:1。
8.如权利要求1所述的基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，其特征在于，所述菌液、胶结液和黄河粉沙的混合方式如下：取黄河粉沙振捣密实后对其顶面拉毛，再依次加入菌液和胶结液至黄河粉沙拉毛面即可。
9.如权利要求1-8任一所述的基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，其特征在于，以颗粒级配改良后的黄河粉沙再次作为待改良的黄河粉沙，继续与菌液、胶结液混合并重复改良步骤。
10.如权利要求9所述的基于MICP技术改良黄河粉沙颗粒级配的方法，其特征在于，重复改良步骤的次数为1-2次。
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