CN112500040B

CN112500040B - 一种联合微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法

Info

Publication number: CN112500040B
Application number: CN202011400317.6A
Authority: CN
Inventors: 华晓烨; 彭劼; 戴迪; 徐亮; 白兰兰; 丁鸿志; 涂圣武; 赵余; 曹天赐; 赖用满; 赵晓婉
Original assignee: Hohai University HHU; JSTI Group Co Ltd
Current assignee: Hohai University HHU; JSTI Group Co Ltd
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2040-12-03
Also published as: CN112500040A

Abstract

本发明公开了一种联合微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法，涉及岩土工程领域。本方法的技术方案如下：首先将产脲酶微生物和胶结液原料配制成高浓度的悬浊液；再将吸水倍率400‑800倍的高分子树脂与其混合；然后将适量上述混合物与软土拌和，快速将软土含水率降低至最优含水率+6~8%；上述混合物构成MICP反应颗粒，反应析出碳酸钙并消耗液态水进一步降低软土含水率，碳酸钙的填充作用能够显著提高土体强度。接下来将4~7%的石灰与土体拌和均匀，并作为路基材料进行摊铺，碾压成型后，土体逐渐硬化，加上石灰的固化作用，能够满足路基填筑的压实度、强度及水稳性要求。该方法不仅可充分利用工程中的开挖弃土、保护环境，而且施工速度快、简单易行。

Description

一种联合微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，具体是一种联合微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法。

背景技术

随着我国经济的持续发展，高等级道路的大规模建设仍在进行中。在我国的道路建设过程中，往往会遇到较多的软土路基，软土普遍存在含水率高、粘粒和有机质含量高、渗透系数低等特点，其强度及压缩特性难以满足工程需求。

传统的软土处理方法包括复合地基法、排水固结法、化学加固法、动力固结法、换填法等。对地表厚度不大(厚0.5～5m)的软土层，通常采用换填法处理。但近年来我国对生态环境保护的力度越来越大，采用换填法存在换填土源紧张、开挖弃土无处放置等问题。固化土技术可以将软土强度提高，但是在软土含水率较高(40～60％)的条件下，固化处理后仍然难以满足路基填筑的要求，如果要将软土含水率降低到适合填筑的最优含水率附近，往往需要进行打堆、晾晒等工序，不仅耗时很长，且需要反复翻晒、易受天气影响。因此，亟需发明一种将软土快速处理后作为路基填筑材料的就地利用方法。

高分子吸水树脂(SAP)是一种新型高分子功能材料，是一种含有-COOH、-OH等强亲水性官能团，且同时具有较高的交联度的水溶胀型的高分子材料，该类高分子材料即不溶于水也不溶于有机溶液，但其吸水倍率能达到500～2000倍。其吸水后用普通的物理方法难以挤出水分，且可反复释水、吸水，因此该材料广泛应用于诸多领域，如应用于婴儿纸尿布、妇女卫生巾、药物缓释材料等，在工业中作为油水分离剂、干燥剂、脱臭剂、电缆及防水堵漏材料等，在农业上用作抗旱保水、农药化肥缓释等。但是由于吸水后水分仍在土中，且吸水后SAP颗粒强度低，因此不用于软土加固中的脱水材料使用。

MICP加固土的基本原理为在土体中注入特定的微生物，该微生物产生的脲酶能够水解尿素，产生碳酸钙根离子(CO₃ ^2-)后与钙离子(Ca²⁺)反应生成碳酸钙(CaCO₃)结晶，其总反应过程如下：

分步拆解即为：

CaCl₂+H₂CO₃→CaCO₃↓+2HCl

2HCl+2NH₄OH→2NH₄Cl+2H₂O

反应中生成的碳酸钙沉淀沉积于松散土颗粒间并发挥胶结作用，从而实现对土体的胶结加固；同时该反应需要消耗一定量的水。但是由于其应用时微生物及胶结材料一般是采用注入方式，一般用于渗透系数较大的砂土加固处理中。

发明内容

本发明的目的是提供一种联合微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法，结合微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)加固土体的技术及SAP材料，快速资源化利用软土。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种联合微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法，包括以下步骤：

步骤1)将活性良好的产脲酶细菌和胶结液原料混合，形成浓度较高的微生物+胶结物悬浊液；

步骤2)选取适量高分子树脂，将其和微生物+胶结物悬浊液搅拌混合，获得高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液的混合物；

步骤3)将高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液的混合物跟软土充分拌和，使高分子树脂吸收软土中的孔隙水，能够快速降低软土的含水率，将软土含水率降低至软土最优含水率+6～8％；

步骤4)掺入软土中的高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液及高分子树脂吸着的水构成了微型MICP反应颗粒，经过一定反应时间，微生物和胶结物反应生成碳酸钙沉淀，碳酸钙沉淀的填充作用能够显著提高微型MICP反应颗粒的强度；同时反应消耗液态水，使获得的土体含水率更加接近最优含水率；

步骤5)将4～7％的石灰与步骤4)中获得的土体拌和均匀形成路基填筑土；

步骤6)将路基填筑土在路基上进行摊铺，每层厚度控制在20～40cm，将摊铺好的土体分层碾压成型，完成对软土的资源化处理。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：利用高分子树脂吸收自重数百倍的液态水，能够快速降低软土的含水率，随后再由微生物与胶结液反应生成碳酸钙沉淀并消耗一部分液态水从而提高软土强度。具体优点如下：

(1)目前实际工程中主要采用翻晒、轻型井点降水和电渗降水三种降水措施，翻晒降水虽然具有施工简单、成本低等优点但也存在周期长，容易受到气候、温度、湿度、风速、天然含水率，翻晒厚度等影响；轻型井点降水具有井点布置灵活、使用方便、降水速率快，但其降水效果要受到真空吸程的限制；电渗降水则存在耗电多、费用较高等不利因素。利用高分子树脂可以快速降低软土的含水率，相对传统降水手段更加经济和省时。在后续的微生物与胶结物的反应中，土体中液态水将会被进一步消耗并生成碳酸钙沉淀，相对于传统降水手段具有持续提高土体强度的优势。

(2)使用浓度较高的胶结液加入软土之中，相比直接添加固体颗粒，较高浓度的胶结液可以更好地与软土搅拌均匀使得，并且通过软土中液态水的稀释，胶结液浓度可以达到微生物反应的要求。这种做法使得微生物与胶结液的反应可以更加均匀地分布在软土之中。

(3)微生物在软土中反应受到微生物个体与软土孔隙尺寸相容问题的影响，本发明中加入的高分子树脂在吸水后可以形成0.5～2mm的颗粒状。这些颗粒包含了微生物和胶结液，使得微生物反应不受与软土尺寸相容的影响，可以正常生成碳酸钙沉淀从而加强软土强度。

附图说明

图1是本发明的联合微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法流程图。

图2是利用本发明制得的路基填筑土的施工流程图。

具体实施方法

结合图1，一种联合微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法，包括以下步骤：

步骤1)将活性良好的产脲酶细菌和胶结液原料混合，形成浓度较高的微生物+胶结物悬浊液。

其中，产脲酶细菌为巴氏芽孢杆菌；胶结液原料包括固态氯化钙、尿素。

所述浓度较高的微生物+胶结物悬浊液中氯化钙与尿素的浓度为5～8mol/L，微生物浓度为2～4×10¹¹CFU/L。

步骤2)选取适量高分子树脂，将其和微生物+胶结物悬浊液搅拌混合，获得高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液的混合物。

所述高分子树脂为吸水树脂，吸水倍率在400～800倍的高吸水树脂。

所述高分子树脂具有亲水基团并有一定交联度、在大量吸收水分后能保住水分不外流的合成树脂，可吸收相当于自身重量500～2000倍的水分。

所述的高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液的混合物中包括氯化钙555～888g/L、尿素300～480g/L、微生物2～4×10¹¹CFU/L、高分子树脂60～120g/L、水1000g/L。

步骤3)将高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液的混合物跟软土充分拌和，使高分子树脂吸收软土中的孔隙水，能够快速降低软土的含水率，将软土含水率降低至软土最优含水率+6～8％。

其中，高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液的混合物跟软土的拌和比例为25～35L：1000L。

步骤4)掺入软土中的高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液及高分子树脂吸着的水构成了微型MICP反应颗粒，经过一定反应时间(反应时间为36～72小时)，微生物和胶结物反应生成碳酸钙沉淀，碳酸钙沉淀的填充作用能够显著提高微型MICP反应颗粒的强度；同时反应消耗液态水，使获得的土体含水率更加接近最优含水率。

步骤5)将4～7％的石灰与步骤4)中获得的土体拌和均匀形成路基填筑土。

结合图2，利用本发明制得的路基填筑土的施工工艺如下：

一、路基施工前，应确保各点坐标准确，高程、压实度、平整度等满足规范要求，场地洁净无杂物，将软土开挖后静置在待填筑路基旁、

二、按松铺厚度采用推土机将软土固化土全断面摊铺初平，再用平地机按规定的路拱整形，压路机快速静压一遍，以暴露潜在不平整。后人工配合，平地机终平。

三、固化软土填筑路基碾压包括振动压实和冲击压实，每层固化软土铺筑完成后采用振动压实进行初始碾压；每两层固化软土铺筑完成后进行一次冲击压实，目的是进一步提高路基的压实度，减少路基的工后沉降。

四、碾压完成后，需对填筑路基厚度、压实度、强度等控制指标进行检测，核心为压实度。

五、采用黏土进行封层处理，在固化软土填筑路基达到路基标高封层部位后，按照设计时要求及时处理，如果不能及时封层，应做养护处理。

综上所述，本发明是一种用微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法，可以快速降低软土含水率，使其在最优含水率+6～8％。高分子树脂吸水可以形成0.5～2mm的颗粒，该颗粒包含了微生物、胶结液和液态水，在液态水的稀释下，胶结液浓度可以达到微生物反应的要求，并且反应发生在高分子颗粒中，不受软土孔隙与微生物大小不相容的影响，从而使得碳酸钙生成量不受影响，使得软土强度可以满足路基填筑的要求。本发明简化了施工步骤，降低了施工成本并且缩短了工期，具有良好的经济效益。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种联合微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）将活性良好的产脲酶细菌和胶结液原料混合，形成浓度较高的微生物+胶结物悬浊液；

所述产脲酶细菌为巴氏芽孢杆菌；胶结液原料包括固态氯化钙、尿素；

步骤2）选取适量高分子树脂，将其和微生物+胶结物悬浊液搅拌混合，获得高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液的混合物；

所述高分子树脂为吸水树脂，吸水倍率在400~800倍的高吸水树脂；

所述的高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液的混合物中包括氯化钙555~888g/L、尿素300~480g/L、微生物2~4*10¹¹ CFU/L、高分子树脂60~120g/L、水1000g/L；

步骤3）将高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液的混合物跟软土充分拌和，使高分子树脂吸收软土中的孔隙水，能够快速降低软土的含水率，将软土含水率降低至软土最优含水率+6~8%；

所述高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液的混合物跟软土的拌和比例为25~35L：1000L；

步骤4）掺入软土中的高分子树脂和微生物+胶结物悬浊液及高分子树脂吸着的水构成了微型MICP反应颗粒，高分子树脂吸水形成0.5~2mm的颗粒，该颗粒包含了微生物、胶结液和液态水，在液态水的稀释下，胶结液浓度达到微生物反应的要求，并且反应发生在高分子颗粒中；经过一定反应时间，微生物和胶结物反应生成碳酸钙沉淀，碳酸钙沉淀的填充作用能够显著提高微型MICP反应颗粒的强度；同时反应消耗液态水，使获得的土体含水率更加接近最优含水率；

步骤5）将4~7%的石灰与步骤4）中获得的土体拌和均匀形成路基填筑土；

步骤6）将路基填筑土在路基上进行摊铺，每层厚度控制在20~40cm，将摊铺好的土体分层碾压成型，完成对软土的资源化处理。

2.根据权利要求1所述的一种联合微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法，其特征在于：所述高分子树脂具有亲水基团并有一定交联度、在大量吸收水分后能保住水分不外流的合成树脂。

3.根据权利要求1所述的一种联合微生物及高分子树脂快速资源化利用软土的方法，其特征在于：步骤4）中的反应时间为36~72小时。