CN114657971B - 一种微生物微胶囊及其制备方法和固化软土地基的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微生物微胶囊及其制备方法和固化软土地基的应用，所述的微胶囊内是四腔室结构，囊壁为聚电解质薄膜，腔室内填充微生物干粉及碱性供氧剂。用其固化软土地基时，首先通过初次电渗初次排水在土体中产生裂缝，形成渗流通道；第二步，初次注浆，将微胶囊悬液通过初次注浆时产生的渗流通道注入软土地基中，填充土体裂缝；第三步，二次注浆，注入有机物溶剂，并采用微电流间歇电渗，促进有机物溶剂在软土中的扩散，分解聚电解质薄膜使胶囊外部腔室物质发挥作用。当土体沉降发生时，应力裂解胶囊中部两腔室，二次释放微胶囊内容物，对土体进行二次加固。解决微胶囊在软土中的扩散及微生物的存活问题，实现可持续、大范围、智能高效地处理软土地基。

Description

一种微生物微胶囊及其制备方法和固化软土地基的应用

技术领域

本发明涉及一种软土地基处理方法，尤其涉及一种微生物微胶囊及其制备方法和固化软土地基的应用。

背景技术

微生物固化技术基于微生物成矿原理，通过简单投放含微生物的固化剂就可实现对地基的强化处理。当应用于软土地质时，虽然软土相对砂土富含有机质，利于微生物获取天然养分，但也存在渗透性、透气性差的缺点，这是不利于微生物生存以及固化剂扩散的。

为解决此问题，申请号为CN201811239819.8的专利申请文件公开了一种电渗联合微生物循环注浆的软黏土处理装置及处理方法。先利用电渗法，监测电流-时间曲线，出现拐点时停止电渗，向电极棒中压入高压空气形成渗流通道，再加入微生物菌液和胶结液，并使其向地基中均匀扩散并混合，生成碳酸钙沉淀。申请号为CN202110042721.9的专利申请文件公开了一种电渗联合微生物诱导碳酸钙沉淀加固地基的设备及方法，包括电渗系统，注浆系统和监测与控制系统。电渗排水联合MICP加固地基，实现了在加固过程中对系统pH和土体温度的实时控制从而抑制了微生物活性的降低。然而，以上专利无法做到二次加固，初期加固后的地基在后期仍可能发生沉降变形从而导致建筑物结构提前失效，引发工程事故，而监测系统与事后修复复杂且耗费大量资源，所以亟需引入长期有效加固软土地基的方法，在目前提倡对建筑全生命周期管理的背景下，已有大量研究集中于自修复混凝土领域。

如申请号为201710977418.1的专利申请文件公开了一种自修复微胶囊混凝土，该微胶囊分散在自密实混凝土中，具有两腔室，内装有含钙材料和碳酸溶液。受到外力时胶囊破损，从而使含钙材料与碳酸溶液发生混合，生成碳酸钙，修补裂缝。申请号为201210580233.4的专利申请文件公开了一种内置好氧型微生物的复合胶囊地下结构混凝土自修复系统，胶囊内的好氧型微生物在混凝土产生裂缝时释放二氧化碳与钙离子发生反应产生碳酸钙沉淀修补裂缝。自修复微胶囊的设计方便易行，达到了对混凝土裂缝长时间、大范围的处理效果，但该思路在软土地基固化领域尚未有应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种微生物微胶囊及其制备方法和固化软土地基的应用,解决微胶囊在软土中的扩散及微生物的存活问题，达到可持续、大范围、智能高效地处理软土地基的目的。

技术方案：一种利用微生物微胶囊固化软土地基的方法，步骤如下：

第一步，在先期，通过强电压进行初次电渗，通过电渗初次排水在土体中产生裂缝，形成渗流通道；

初次电渗过程采用15V左右电压(如图2，负极9，正极10)，0.1A电流，电渗时间共100小时。

第二步，初次注浆，将微胶囊悬液通过初次注浆时产生的渗流通道注入软土地基中，填充初次电渗形成的土体裂缝；

初次注浆微生物微胶囊悬液包括微胶囊和培养溶剂。

培养溶剂包含NH₄Cl(0.1～0.5mol/L)、钙源CaCl ₂·2H₂O(0.5～1.0mol/L)、控制酸碱度的NaHCO₃(0.01～0.1mol/L)。

第三步，二次注浆，注入有机物溶剂，并采用微电流间歇电渗，通电后，土壤中的水从电渗阳极流向阴极，通过排水管道聚集到排水沟。在促使水的运动的同时促进有机物溶剂在软土中的扩散，同时避免大电压产生过大的液流使微生物微胶囊随液流产生位移。

二次电渗采用5V电压，每通电2小时，断电2小时，电渗时间共20小时。

通过有机物溶剂分解微胶囊外部包覆的聚电解质薄膜，释放微胶囊外部腔室内容物(供氧剂及菌种)，并通过微电流刺激内容物中微生物的胶结作用固化土壤；同时利用微胶囊悬液为二次电渗提供良好的电流通路；微生物的固结成岩作用填补由电渗法产生的土壤裂缝，降低电渗能耗，在土体中形成微小框架结构，缓解由电渗引起的土体沉降，当土体沉降发生时，应力裂解胶囊中部腔室，二次释放微胶囊内容物，对土体进行二次加固。多过程联合，取长补短、强强联合，有效改善软土地基的力学性质。同时满足排水固结、分解聚电解质薄膜释放微胶囊内容物(供氧剂及菌种)、刺激微生物固结成岩作用三种需求。

根据氧气扩散的速度与范围确定注浆孔间距，30孔以下采用环形布孔，30孔以上采用排列布孔。

二次注浆液包含氮源CO(NH₂)₂(0.5～1.0mol/L)、NH₄Cl(0.1～0.5mol/L)、钙源CaCl₂·2H₂O(0.5～1.0mol/L)、控制酸碱度的NaHCO₃(0.01～0.1mol/L)、酵母粉及葡萄糖。通过氯化钙提供钙源，通过葡萄糖分解胶囊聚电解质薄膜，释放并溶解部分外侧两个腔室的内容物，激活胶囊的固结成岩作用。随着时间的推移，土体强度逐渐提高。当地基出现裂缝时，可裂解微胶囊其他腔室内容物，二次释放固化剂，进一步修复土体裂缝，加固土体，形成一种自修复的智能地基。

所述的微胶囊整体呈四腔室结构，壳体外层包覆的囊壁为聚电解质薄膜，不同腔室内填充不同的内容物。所述的微胶囊壳体是采用注塑成型工艺成型，壳体为可降解材料。两个壳体水平拼合后通过端部卡口2-1物理连接形成了一个完整的微胶囊。每个壳体内腔通过隔板分成两个等大的腔室，中间两个腔室的壳体处为受力易碎的薄弱处(7)。

所述的四腔室结构分布是左腔室(3)、中腔室Ⅰ4、中腔室Ⅱ5和右腔室(6)四个腔室，其中，左腔室(3)填充巴氏芽孢杆菌干粉、中腔室(4)内填充巴氏芽孢杆菌干粉，中腔室(5)填充过氧化钙(CaO₂)干粉及葡萄糖干粉混合物、右腔室(6)腔室填充过氧化钙干粉(CaO₂)。中间两个腔室(中腔室Ⅰ4、中腔室Ⅱ5)注塑时留设小孔，便于填充内容物。填充完毕中腔室(中腔室Ⅰ4、中腔室Ⅱ5)后补孔，在左右两个腔室中填入内容物。

左腔室(3)中微生物干粉与(6)中过氧化钙干粉质量比为3:1；

中腔室Ⅰ(4)中微生物干粉与中腔室Ⅱ(5)中过氧化钙和葡萄糖干粉混合物的质量比为1:1。

所述的微胶囊聚电解质薄膜为葡萄糖敏感型薄膜，在接触葡萄糖等有机物后将自动裂解，释放外侧两个腔体的(左腔室(3)、右腔室(6))内容物。若土体固结后，发生土体不均匀沉降，在应力作用下，所述胶囊受力易碎的薄弱处(7)裂解，释放中间两个腔室的(中腔室Ⅰ4、中腔室Ⅱ5)内容物，提供菌体及菌体所需的养料、氧气、钙源及生存环境，对土体进行二次加固。

本发明基于微生物的自修复混凝土技术，通过微生物生长分解产生的CO₃ ^2-与NH⁴⁺，与营养液中的钙离子结合，通过碳化作用，逐渐生成碳酸钙沉淀。沉淀附着在混凝土表面，从而达到修复混凝土的目的。软土地基中有机质含量丰富，适合微生物生存及繁殖，故可利用相似的机理和处置方法固化软土地基。

配置微生物微胶囊时，选择一种高产脲酶的巴氏芽孢杆菌，它是一种嗜碱菌，通过为之提供富含钙离子和氮源的营养盐，可快速析出具有胶凝作用的碳酸钙结晶。菌种生存环境需要氧气的支持，在此处引入供氧剂CaO₂，通过过氧化钙与水反应产生氧气，其本身与水反应速率较慢，可满足缓释供氧的要求。胶囊中的CaO₂在外部聚电解质薄膜被分解时释放出来，与水反应为微生物存活提供氧气；过氧化钙破坏软土地基的絮状结构，增加了孔隙率，进一步提高了固化剂在软土地基中的渗透性；同时，过氧化钙与水反应产生碱性物质，为巴氏芽孢杆菌提供了合适的碱性生存环境，并为碳酸钙沉积提供做需要的钙源；且环保无污染，对巴氏芽孢杆菌几乎无毒性。

为解决软土地基渗透性差的问题，引入电渗法。通过电渗，在定向排出自由水与弱结合水的同时，形成土体裂缝，为微胶囊在土体中扩散提供通道，实现在软土地基中引种菌种。微生物固化作用与电渗法相结合，可实现互相补足的效果。通过电渗法，可令微生物微胶囊在软土地基中扩散，而微生物固化作用产生的碳酸钙沉积，填充了电渗法后期产生的裂缝，避免了电渗法后期产生裂缝，导致电阻增大，排水效率降低的问题，同时缓解了电渗引起的周边建筑物沉降的问题。在弱电作用下，可刺激巴氏芽孢杆菌的固化成岩作用，因此，电渗法与微生物成岩技术相结合，能产生相互促进的效应。

本方法所述初次电渗过程采用15V左右电压，0.1A电流，电渗时间共100小时；二次电渗采用5V电压，每通电2小时，断电2小时，电渗时间共20小时，间歇通电，提高电能利用率，且间歇通电土体的整体差异性较小。本方法所采用的供氧剂提供了碱性环境，在一定程度上改善了电极环境，减轻电极的腐蚀问题。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有以下优点：

(1)不用将软土地基土挖出堆积在别处，在原位直接处理土壤，避免了软土地基堆积引起的环境污染，并节省了运输成本。

(2)分次电渗的方法，有效保证了菌体的成活率，避免在初次电渗过程中菌体过热死亡。同时微胶囊外覆聚电解质薄膜，可识别胶囊所处环境是否适宜菌体生长，是否提供了菌体所需的有机物，当环境适宜生长时，薄膜裂解释放内腔的微生物固化软土地基。

(3)二次电渗，可有效促进有机物溶剂在软土中的扩散，同时避免一次电渗的大电压产生过大的液流使微生物微胶囊随液流产生位移。通过有机物溶剂分解微胶囊端部聚电解质薄膜，释放微胶囊内容物(供氧剂及菌种)，并通过微电流刺激内容物中微生物的胶结作用固化土壤；同时利用微胶囊悬液为二次电渗提供良好的电流通路；微生物的固结成岩作用填补由电渗法产生的土壤裂缝，降低电渗能耗，在土体中形成微小框架结构，缓解由电渗引起的土体沉降。

(4)微生物改良软土地基土是一个长期有效的过程。随着时间的推移，土体强度会逐渐提高。当地基出现裂缝时，可裂解微胶囊中腔室，二次释放固化剂，进一步修复土体裂缝，加固土体，形成一种自修复的智能地基。

(5)利用微生物处理软土地基土，可将重金属等有害物质固化在土体中，减少重金属等物质的渗出；且菌体本身环保无污染，是一种绿色无污染的处理方法。

附图说明

图1为本发明微胶囊结构示意图，整体尺寸应控制在0.5～1cm，质量约为0.5g。

图2为本发明微生物微胶囊在固化软土地基的应用示意图。

附图标记说明：1-微胶囊外壁薄膜；2-壳体；2-1-端部卡口；2-2-隔板；3-左腔室；4-中腔室Ⅰ；5-中腔室Ⅱ；6-右腔室；7-受力薄弱处；8-软土地基；9-注浆液输送管道，兼作电渗过程的负极；10-注浆液输送管道，兼作电渗过程的正极；11-冲孔管；12-排水管道；13-排水沟。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例，具体说明本发明的技术方案：

以下实施例所涉及的腔室内的填充物均市售获得。

实施例1微胶囊的制备

(1)采用注塑成型工艺制作胶囊壳体2，壳体内腔通过隔板2-2分成左右两个腔室。

(2)腔室填充对应的内容物后，将上述两个壳体水平拼合后通过端部卡口2-1物理连接形成了一个完整的微胶囊，胶囊外包覆囊壁为聚电解质薄膜。该薄膜为葡萄糖敏感型薄膜，在接触葡萄糖等有机物后将自动裂解，释放左腔室3、右腔室6的内容物。中间两个腔室的壳体处为受力易碎的薄弱处7。

参照图1所示，基于上述的制备方法，所得微胶囊从整体看，尺寸应控制在0.5～1cm，质量约为0.5g。内腔通过两个隔板被分成左腔室3、中腔室Ⅰ4、中腔室Ⅱ5和右腔室6四个腔室，不同的腔室内填充不同的内容物。中间两个腔室(中腔室Ⅰ4、中腔室Ⅱ5)注塑时留设小孔，便于填充内容物。其中，中腔室Ⅰ4内填充巴氏芽孢杆菌干粉，中腔室Ⅱ5填充过氧化钙(CaO₂)干粉及葡萄糖干粉混合物。填充完毕后补孔，在左右两个腔室中填入内容物，左腔室3填充巴氏芽孢杆菌干粉，右腔室6腔室填充过氧化钙干粉(CaO₂)。

实施例2

1、取一定量淤泥质土，对土体进行考察，测量其干密度为1.2g/cm³，控制其含水量为50％，拌和后静置24h。调配培养溶剂与注浆浆液中NaHCO₃含量，控制固化过程pH值为9左右，保证微生物的活性并适应其他环境影响因素。

2、如图2所示，设置一个300mm×100mm×100mm的实验槽，在其两侧安装电极板，钻有小孔用于排水，下设集水沟，用于测量排水量，实验电源为直流稳压电源，电压为30V。

3、组别设置：

试验组：初次注浆的材料是：实施例1所得微生物微胶囊悬液，包括微胶囊和培养溶剂微胶囊悬液；

一种利用微生物微胶囊固化软土地基的方法，步骤如下：

步骤1，在先期，通过强电压进行初次电渗，通过电渗初次排水在土体中产生裂缝，形成渗流通道；

初次电渗过程采用15V左右电压(如图2，负极9，正极10)，0.1A电流，电渗时间共100小时。

第二步，初次注浆，将微生物微胶囊悬液通过初次注浆时产生的渗流通道注入软土地基中，填充初次电渗形成的土体裂缝；

初次注浆微生物微胶囊悬液包括微胶囊和培养溶剂。

培养溶剂包含NH₄Cl(0.1～0.5mol/L)、钙源CaCl₂·2H₂O(0.5～1.0mol/L)、控制酸碱度的NaHCO₃(0.01～0.1mol/L)。

通过定点注浆，在软土地基8中注入微胶囊悬液，填充初次电渗形成的土体裂缝。为使微胶囊悬液能均匀扩散入土体中而非淤积在一点，可通过设置沙井，并在沙井中埋入冲孔管11注浆、提高注浆压力的方法，来保证微胶囊悬液在软土地基土中均匀扩散。

第三步，二次注浆，注入有机物溶剂，在沙井中设置电极间歇通电，并采用微电流间歇电渗。

二次电渗采用5V电压，每通电2小时，断电2小时，电渗时间共20小时。在促使水的运动的同时，促进有机物溶剂在软土中的扩散，同时避免大电压产生过大的液流使微生物微胶囊随液流产生位移。同时满足排水固结、分解聚电解质薄膜释放微胶囊内容物(供氧剂及菌种)、刺激微生物固结成岩作用三种需求。

通电后，土壤中的水从阳极流向阴极(注浆液输送管道9兼作电渗过程的负极；注浆液输送管道10兼作电渗过程的正极)，通过排水管道12聚集到排水沟13。根据氧气扩散的速度与范围确定注浆孔间距，30孔以下采用环形布孔，30孔以上采用排列布孔。

二次注浆液包含氮源CO(NH₂)₂(0.5～1.0mol/L)、NH₄Cl(0.1～0.5mol/L)、钙源CaCl₂·2H₂O(0.5～1.0mol/L)、控制酸碱度的NaHCO₃(0.01～0.1mol/L)、一定量酵母粉及葡萄糖。通过氯化钙提供钙源，通过葡萄糖分解胶囊聚电解质薄膜，释放并溶解左腔室(3)、右腔室(6)腔室内容物，激活胶囊的固结成岩作用。微生物改良软土地基土是一个长期有效的过程。随着时间的推移，土体强度会逐渐提高，在应力作用下，所述胶囊受力易碎的薄弱处(7)裂解，释放中间两个腔室的(中腔室Ⅰ4、中腔室Ⅱ5)内容物，提供菌体及菌体所需的养料、氧气、钙源及生存环境，对土体进行二次加固，加固土体，形成一种自修复的智能地基。

对比例1

与实施例2相比较，对照组1的初次注浆液、二次注浆液是在电渗溶液中同时加入巴氏芽孢杆菌、1mol/L的尿素与1mol/L的CaCl₂；

对照组2是在电渗溶液中仅加入1mol/L的CaCl₂，对比普通电渗法与电渗法结合MICP两种实验条件下固化软土的效果。

通过测量实施例2的实验组、对比例2的对照组1、2在相同物理性质的土体经过同一时间的排水量、土体最终沉降量及同一位置抗剪强度指标评定。经过30h，实验组排水量为400mL,而对照组1的效果为285mL，对照组2的效果155mL，为排水效果有显著提高。实验组表面沉降量为3mm，对照组1的沉降量为5mm，对照组2的沉降量为6.7mm，其原因在于巴氏芽孢杆菌产生的脲酶分解尿素产生碳酸钙沉淀填补了缝隙，故减少了土体变形。最后测定抗剪强度，取法向应力100kPa下相同位置抗剪强度值，实验组测得其抗剪强度为60kPa，而对照组1抗剪强度仅为45kPa，对照组2抗剪强度为38kPa，原因在于电渗联合微生物法不仅排水量大于普通电渗法，而且生成的碳酸钙沉淀进一步加固了土体，从而提高了抗剪强度。并且试验后土体pH碱性增强，pH从9升高到9.8，有助于巴氏芽孢杆菌存活，进一步加固软土。综合而言，该方法对于固化软土地质效果显著。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微生物微胶囊，其特征在于，微胶囊内壳体是采用注塑成型工艺制得，整体呈四腔室结构，不同腔室内填充不同的内容物，胶囊外包覆囊壁为聚电解质薄膜；

所述的四腔室结构分布依次是左腔室(3)、中腔室Ⅰ、中腔室Ⅱ和右腔室(6)，其中，左腔室(3)填充巴氏芽孢杆菌干粉、中腔室Ⅰ(4)内填充巴氏芽孢杆菌干粉，中腔室Ⅱ(5)填充过氧化钙干粉及葡萄糖干粉混合物、右腔室(6)腔室填充过氧化钙干粉；

所述的微胶囊是两个相似的壳体水平拼合后通过端部卡口（2-1）物理连接形成了一个完整的微胶囊；每个壳体内腔通过隔板分成两个等大的腔室，中间两个腔室的壳体处为受力易碎的薄弱处 (7)，注塑时该处留设小孔；

所述的微胶囊聚电解质薄膜为葡萄糖敏感型薄膜，在接触葡萄糖后将自动裂解；

在固化软土地基过程中，在电渗作用下，通过有机物溶剂分解微胶囊外部包覆的聚电解质薄膜，外侧两个腔室的内容物先释放，在后期土样固化过程中，再释放中间两个腔室的内容物。

2.根据权利要求1所述的微生物微胶囊，其特征在于，

左腔室(3)中巴氏芽孢杆菌干粉与右腔室(6)中过氧化钙干粉质量比为3:1；

中腔室Ⅰ(4)中巴氏芽孢杆菌干粉与中腔室Ⅱ(5)中过氧化钙和葡萄糖干粉混合物的质量比为1:1；

中腔室(5)中过氧化钙和葡萄糖干粉的质量比是1：1。

3.根据权利要求1所述的微生物微胶囊的制备方法，其特征在于，步骤如下：

（1）采用注塑成型工艺制作胶囊壳体(2)，壳体为可降解材料；壳体内腔通过隔板（2-2）分成左右两个腔室；

（2）将上述两个壳体水平拼合后通过端部卡口（2-1）物理连接形成了一个完整的微胶囊，则微胶囊整体呈四腔室结构，两个壳体连接处为受力易碎的薄弱处 (7)，注塑时该处留设小孔；

（3）填充完毕中间两个腔室的内容物后补孔，然后在左右两个腔室中填入内容物；

在壳体外包覆囊壁为聚电解质薄膜，该薄膜为葡萄糖敏感型薄膜，在接触葡萄糖等有机物后将自动裂解，释放左腔室(3) 、右腔室(6)的内容物；然后在后期土体固化过程中，释放中间两个腔室的内容物。

4.权利要求1所述的微生物微胶囊的应用方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，在先期，通过强电压进行初次电渗，通过电渗初次排水在土体中产生裂缝，形成渗流通道；

第二步，初次注浆，将微胶囊悬液通过初次注浆时产生的渗流通道注入软土地基中，填充初次电渗形成的土体裂缝；

初次注浆微生物微胶囊悬液包括微胶囊和培养溶剂；

培养溶剂包含NH₄Cl(0.1~0.5 mol/L)、钙源CaCl ₂·2H₂O(0.5~1.0 mol/L)、控制酸碱度的NaHCO₃(0.01~0.1 mol/L)；

第三步，二次注浆，注入有机物溶剂，并采用微电流间歇电渗，通电后，土壤中的水从电渗阳极流向阴极，通过排水管道聚集到排水沟；

在促使水的运动的同时促进有机物溶剂在软土中的扩散，同时避免大电压产生过大的液流使微生物微胶囊随液流产生位移。

5.根据权利要求4所述的微生物微胶囊的应用方法，其特征在于，

第一步，初次电渗过程采用15 V电压，0.1 A电流，电渗时间共100小时；

第三步，二次电渗采用5V电压，每通电2小时，断电2小时，电渗时间共20小时。

6.根据权利要求4所述的微生物微胶囊的应用方法，其特征在于，第二步中，微胶囊的聚电解质薄膜为葡萄糖敏感型薄膜，在接触葡萄糖等有机物后将自动裂解，释放外侧两个腔体的内容物；土体固结后，发生土体不均匀沉降，在应力作用下，所述胶囊受力易碎的薄弱处(7)裂解，释放中间两个腔室的内容物，提供菌体及菌体所需的养料、氧气、钙源及生存环境，对土体进行二次加固。

7.根据权利要求4所述的微生物微胶囊的应用方法，其特征在于，在实施之前，首先需要对土体进行考察，针对每一种工程地质单独调配培养溶剂与注浆浆液中NaHCO₃含量，控制固化过程中pH为9左右。

8.根据权利要求4所述的微生物微胶囊的应用方法，其特征在于，第二步，通过设置沙井，并在沙井中埋入冲孔管(11)注浆、提高注浆压力的方法，来保证微胶囊悬液在软土地基土中均匀扩散。

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