CN114804732B - 一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法，属于岩土工程技术领域。该方法包括以下步骤：混合料的配制及预处理；微生物菌液的制作；胶结液的制作；微生物菌液与胶结液的灌注；养护。本发明采用边注入边拔高的方式通过注浆机灌浆，胶结液与菌液能以恒定速率均匀的向试样中渗透，其与混合物可充分接触与反应，生成的碳酸钙晶体可以填充孔隙，提高尾矿砂路基的抗剪强度等力学性质。MICP技术的应用可减少温室气体的排放，并且将碱渣引入MICP固化尾矿砂技术中，用碱渣中的游离钙元素取代传统的钙源，调节化学反应环境的酸碱度，降低了尾矿砂和碱渣的处理成本，达到两种工业废弃物同时回收利用的目的。

Description

一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法，具体是利用碱渣和微生物改良尾矿砂路基性质的方法。
背景技术
近年来，尾矿库的数量日益增多。由于尾矿砂颗粒粒径较小且均匀，含水量较高，粘聚力和抗剪强度低，较易液化，力学性质较差，重金属的存在也会降低尾矿砂的力学性能。根据文献1《有色金属尾矿的问题及处理现状[J]》(杨勇，张吉，张天佑.硅谷，2015，8(04)：253-254.)的研究，长期堆放的尾矿砂占用了大量土地资源，在风力作用下容易引起扬尘、雾霾从而带来环境污染，在雨水淋滤和地表径流作用下其中的重金属会发生扩散迁移，污染周边环境，尾矿坝潜在的工程灾害危及人民生命财产的安全和矿山的安全。
碱渣是盐化工产业氨碱法生产纯碱过程中产生的固体废弃物，以CaC03、CaSO4、CaCl2等钙盐为主要成分，属于强碱性材料，具有一定的腐蚀性。碱渣一般采取地表堆存的处理方式，占用大量宝贵的土地资源，经雨水等冲淋作用又会随水进入土壤，污染地下水，干燥的碱渣粉尘在风速较大的情况下会形成浮尘，影响大气质量，危害人体健康。碱渣库的容量毕竟有限，巨量碱渣的堆积对于挡墙有着更高的要求，否则将会发生溃坝等严重后果。
作为一种天然的生物介导技术，微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)在重金属污染土的治理方面有着越来越广泛的应用。这是一种将化学固定与微生物原位修复结合的土壤重金属污染修复新技术，主要利用细菌诱导产生CaCO3沉淀，沉淀的CaCO3充填在土内孔隙中，使土颗粒胶结在一起，提高土体强度，同时将重金属离子沉淀，以此固定重金属离子。MICP技术固化后的尾矿砂不仅强度大大提高，而且可交换态重金属离子浓度大大减少，经加工后可用作地基加固，液化地基改良、防风固沙等，起到了尾矿砂资源化利用的作用。但是在传统的MICP固化尾矿砂技术中，生成的CaCO3中的钙元素大多来源于人工添加的可溶性钙盐，没有对工业废弃物进行利用。且很多尾矿库呈现出酸性或者中性pH，或者随着MICP反应的进行，体系pH值会降低，使得部分碳酸钙又发生溶解，影响固化效果。
近些年，虽然尾矿砂的处理利用途径不断出现，但仍有不足之处。如《铁尾矿砂用作路基材料的试验研究[D]》(高斌.长安大学，2021.)中提出，尾矿砂可用于路基填料，但是尾矿砂粘粒含量较少，在碾压过程中难以形成约束力，造成颗粒流动，难以被压实。《铁尾矿砂砂浆力学特性及再生利用研究[J]》(许尔培，胡晓军，马梦云.绿色科技，2021，23(16)：251-253.)中提出铁尾矿砂可取代天然砂，在一定的铁尾矿取代率的条件下，铁尾矿砂砂浆相对于天然砂浆在抗折强度、抗压强度及收缩性能上都具有良好的工作性能，但未经处理的尾矿砂极易造成环境污染。现有技术中已经有针对微生物改善尾矿砂性质的试验研究，但其试验装置比较简单，注浆方式采用的是从上端注入，下端排出的单向注浆方式，这样的注浆方式容易导致上层的尾矿砂凝固，使得浆液无法流到下层，产生注浆不均匀的问题，从而强度也不会很高。
综上所述，现有的尾矿砂和碱渣存在以下问题：
1、尾矿砂和碱渣占用土地资源，带来环境污染，利用率低；
2、传统的MICP固化尾矿砂技术中，体系pH值会降低，使部分碳酸钙又发生溶解，影响固化效果；
3、传统注浆方式产生注浆不均匀问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服背景技术中指出的问题，即本发明的目的是提供一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法，两种工业尾料的优势互补，充分实现了对废弃物的资源化利用。经碱渣改性MICP技术固化的尾矿砂力学性质得到改善，可以用作路基填料，尾矿砂中的重金属离子得到有效固定，保护环境安全与人体健康。
本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法，包括以下步骤：
步骤1，混合料的配制及预处理
步骤1.1，将尾矿砂与碱渣分别置于路基场地中，平摊风干后，尾矿砂和碱渣粉碎并分别过网孔为3mm～7mm的筛；然后将过筛后的尾矿砂与碱渣按照质量比为4∶1的比例均匀混合得到混合料；
步骤1.2，将混合料均分为N层平摊在场地中，并进行分层压实，形成待处理混合料路基，压实度控制在60％～70％，待处理混合料路基每层厚度h≤30cm，待处理混合料路基总厚度H≤1.5m；
步骤2，微生物菌液的制作
步骤2.1，采用美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376NH4-YE配置培养液，然后将培养液在121℃～123℃下灭菌20～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，待培养液的温度降至室温时待用；
步骤2.2，待培养液的温度降至室温后，取培养液于容器中，用无菌移液器将巴氏芽孢杆菌加入到培养液内得到菌液，巴氏芽孢杆菌与培养液的容量比为1∶100，将菌液放入恒温震荡箱内进行培养，恒温震荡箱温度为28℃～32℃，振荡频率为200rpm～320rpm，培养时间为48h～72h；
步骤2.3，培养完成后，测量菌液在600nm波长处的吸光值，即OD600值，在OD600＝1.2～1.8时取出待用；
将完成上述处理的菌液记为微生物菌液；
步骤3，胶结液的制作
胶结液由尿素和水配置而成，其质量组成按前述顺序为6：100；首先将尿素配置成为溶质，然后将溶质与水混合调配成胶结液；
步骤4，微生物菌液及胶结液的灌注
步骤4.1，在步骤1.2完成的待处理混合料路基中均匀布设多个注浆孔，具体的，每两个相邻注浆孔的孔距为0.6m～1.0m，所述注浆孔为钻机在待处理混合料路基上钻设的孔，注浆孔底部与待处理混合料路基底部保持1～3个拔高h的垂直距离，所述拔高h为10cm～15cm；然后将注浆管从上到下垂直插入到注浆孔中，所述注浆管为顶端开口、底端也开口的空心圆管，将注浆管上自底端面为L距离以下的部分记为注入区，且在注入区的的管壁上均匀分布开有多个通孔；
步骤4.2，按照微生物菌液和混合料的质量比为1∶6～7的比例配置微生物菌液，并采用边注入边拔高的方式通过注浆机、注浆管将该微生物菌液灌注到待处理混合料路基中，具体的，用注浆机将微生物菌液注入到注浆管中，且每注入10～15分钟后停止注入，并将注浆管向上拔一个拔高h后再进行下一10～15分钟的注入，重复该边注入边拔高的动作直到注浆管拔出为止；所述注浆机的流速为1L/min～2L/min；
步骤4.3，微生物菌液灌注结束后，静置24h～72h，然后将注浆管按照步骤4.1的方法再次插入到待处理混合料路基中；
步骤4.4，按照胶结液和混合料的质量比为1∶6～7的比例配置胶结液，并采用边注入边拔高的方式将该胶结液通过注浆机、注浆管灌注到待处理混合料路基中，具体的，用注浆机将胶结液注入到注浆管中，且每注入10～15分钟后停止注入，并将注浆管向上拔一个拔高h后再进行下一10～15分钟的注入，重复边注入边拔高的动作直到注浆管拔出为止；所述注浆机的流速为1L/min～2L/min；
步骤4.5，胶结液灌注完成后，静置24h～72h；
步骤4.6，按照步骤4.2～步骤4.5所述方法完成一次灌注后，对混合料路基进行养护，具体的：
若25℃＜自然温度＜35℃，养护时间为3天～7天；
若0℃≤自然温度≤25℃，养护时间为7天～28天；
将通过步骤4处理完成的待处理混合料路基记为待检测碱渣尾矿砂路基；
步骤5，从步骤4处理完成的待检测碱渣尾矿砂路基场地中取适量土样并记为固化土样，密封保存至实验室，检测固化土样的无侧限抗压强度UCS；
若UCS＜600KPa，返回步骤4.2；
若UCS≥600KPa，即得到改良后的碱渣尾矿砂路基。
优选地，所述美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置的培养液的组成为：20g酵母提取物、10g(NH4)2SO4、0.13mol/L Tris Buffer，加去离子水至1L，用1mol/LHCl调节培养液pH＝9.0。
优选地，所述巴氏芽孢杆菌的美国菌种保藏中心编号为ATCC11859。
优选地，步骤4.1中的L＝10cm～15cm。
优选地，步骤4.1所述通孔的孔径≤3mm，每两个相邻通孔的孔距为1cm～2cm。
优选地，步骤1.1所述风干指的是碱渣与尾矿砂的重量含水率均≤5％。
与现有技术相比，本发明的有益的效果包括：
1、本发明增强了尾矿砂路基的强度。本发明中碱渣的加入，碱渣一方面可作为土体骨架，另一方面可与尾矿砂中的SiO2、Al2O3和Fe2O3反应，产生胶结作用，提高尾矿砂路基的强度。
2、本发明实现了工业废料的资源化。本发明中尾矿砂和碱渣均属于具有污染性的工业废物，将碱渣引入MICP固化尾矿砂技术中，用碱渣中的游离钙元素取代传统的钙源，并调节化学反应环境的酸碱度，降低了尾矿砂和碱渣的处理成本，达到两种工业废弃物同时回收利用的目的。
3、本发明基于的实验方法新颖。采用边注入边拔高的方式通过注浆机、注浆管将微生物菌液灌注到混合料基体中，改善注浆不均匀问题，胶结液、微生物菌液能够与碱渣和尾矿砂的混合料充分接触与反应。
4、本发明具有一定的环保性。本发明对碱渣和尾矿砂综合利用，减少占用土地资源，减少环境污染，从而产生更好的环境效益。
附图说明
图1为本发明流程图。
图2为本发明实施例中微生物菌液及胶结液扩散图。
图3为本发明实施例固化土样无侧限抗压强度检测图。
图中，2为待处理混合料路基，3为注浆管，4为通孔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明方法做进一步详细的描述。
图1是本发明的流程图，从该图可见，本发明包括以下步骤：
步骤1，混合料的配制及预处理
步骤1.1，将尾矿砂与碱渣分别置于路基场地中，平摊风干后，尾矿砂和碱渣粉碎并分别过网孔为3mm～7mm的筛；然后将过筛后的尾矿砂与碱渣按照质量比为4∶1的比例均匀混合得到混合料。
步骤1.2，将混合料均分为N层平摊在场地中，并进行分层压实，形成待处理混合料路基2，压实度控制在60％～70％，待处理混合料路基2每层厚度h≤30cm，待处理混合料路基2总厚度H≤1.5m。
在本实施例中，所述风干指的是碱渣与尾矿砂的重量含水率均≤5％。
在本实施例中，选用网孔为5mm的筛。
在本实施例中，层数N＝5，压实度为65％，待处理混合料路基2每层厚度h为25cm，待处理混合料路基2总厚度H为1.25m。
步骤2，微生物菌液的制作
步骤2.1，采用美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置培养液，然后将培养液在121℃～123℃下灭菌20～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，待培养液的温度降至室温时待用。
步骤2.2，待培养液的温度降至室温后，取培养液于容器中，用无菌移液器将巴氏芽孢杆菌加入到培养液内得到菌液，巴氏芽孢杆菌与培养液的容量比为1∶100，将菌液放入恒温震荡箱内进行培养，恒温震荡箱温度为28℃～32℃，振荡频率为200rpm～320rpm，培养时间为48h～72h。
步骤2.3，培养完成后，测量菌液在600nm波长处的吸光值，即OD600值，在OD600＝1.2～1.8时取出待用。
将完成上述处理的菌液记为微生物菌液。
在本实施例中，所述美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置的培养液的组成为：20g酵母提取物、10g(NH4)2SO4、0.13mol/L Tris Buffer，加去离子水至1L，用1mol/L HCl调节培养液pH＝9.0。所述巴氏芽孢杆菌的美国菌种保藏中心编号为ATCC11859。
在本实施例中，将培养液在121℃下灭菌30min，待冷却到室温时备用。
在本实施例中，恒温震荡箱温度为30℃，振荡频率为200rpm，培养时间为48h。
在本实施例中，OD600＝1.6。
步骤3，胶结液的制作
胶结液由尿素和水配置而成，其质量组成按前述顺序为6∶100；首先将尿素配置成为溶质，然后将溶质与水混合调配成胶结液。
步骤4，微生物菌液及胶结液的灌注
步骤4.1，在步骤1.2完成的待处理混合料路基2中均匀布设多个注浆孔，具体的，每两个相邻注浆孔的孔距为0.6m～1.0m，所述注浆孔为钻机在待处理混合料路基2上钻设的孔，注浆孔底部与待处理混合料路基2底部保持1～3个拔高h的垂直距离，所述拔高h为10cm～15cm；然后将注浆管3从上到下垂直插入到注浆孔中，所述注浆管3为顶端开口、底端也开口的空心圆管，将注浆管3上自底端面为L距离以下的部分记为注入区，且在注入区的管壁上均匀分布开有多个通孔4。
步骤4.2，按照微生物菌液和混合料的质量比为1∶6～7的比例配置微生物菌液，并采用边注入边拔高的方式通过注浆机、注浆管3将该微生物菌液灌注到待处理混合料路基2中，具体的，用注浆机将微生物菌液注入到注浆管3中，且每注入10～15分钟后停止注入，并将注浆管3向上拔一个拔高h后再进行下一10～15分钟的注入，重复该边注入边拔高的动作直到注浆管3拔出为止；所述注浆机的流速为1L/min～2L/min。
步骤4.3，微生物菌液灌注结束后，静置24h～72h，然后将注浆管3按照步骤4.1的方法再次插入到待处理混合料路基2中。
步骤4.4，按照胶结液和混合料的质量比为1∶6～7的比例配置胶结液，并采用边注入边拔高的方式将该胶结液通过注浆机、注浆管3灌注到待处理混合料路基2中，具体的，用注浆机将胶结液注入到注浆管3中，且每注入10～15分钟后停止注入，并将注浆管3向上拔一个拔高h后再进行下一10～15分钟的注入，重复边注入边拔高的动作直到注浆管3拔出为止；所述注浆机的流速为1L/min～2L/min。
步骤4.5，胶结液灌注完成后，静置24h～72h。
步骤4.6，按照步骤4.2～步骤4.5所述方法完成一次灌注后，对混合料路基进行养护，具体的：
若25℃＜自然温度＜35℃，养护时间为3天～7天；
若0℃≤自然温度≤25℃，养护时间为7天～28天；
将通过步骤4处理完成的待处理混合料路基记为待检测碱渣尾矿砂路基；
步骤5，从步骤4处理完成的待检测碱渣尾矿砂路基场地中取适量土样并记为固化土样，密封保存至实验室，检测固化土样的无侧限抗压强度UCS；
若UCS＜600KPa，返回步骤4.2；
若UCS≥600KPa，即得到改良后的碱渣尾矿砂路基。
在本实施例中，每两个相邻注浆孔的孔距为0.8m，注浆孔底部与待处理混合料路基2底部保持2个拔高h的垂直距离，所述拔高h为12cm。
在本实施例中，注浆管3上自底端面为L距离指的是注浆管3上自底端面为12cm距离，注入区的的管壁上均匀分布开有多个通孔4指的是每两个相邻通孔4的孔距为1.5cm，通孔4孔径为2mm。
在本实施例中，微生物菌液和混合料的质量比为1∶6，胶结液和混合料的质量比为1∶6，每注入10分钟后停止注入，微生物菌液灌注时注浆机的流速为1L/min，胶结液灌注时注浆机的流速为1L/min。
在本实施例中，微生物菌液灌注结束后，静置24h；胶结液灌注完成后，静置24h。
在本实施例中，若25℃＜自然温度＜35℃，养护时间为5天；若0℃≤自然温度≤25℃，养护时间为14天。
图2为本实施例中微生物菌液及胶结液的扩散图。由图可见，在注浆机设置流速下，微生物菌液和胶结液通过注浆管3下端注入区管壁上的通孔4可以均匀的向待处理混合料路基2的四周渗透。
图3为本发明实施例中固化土样无侧限抗压强度检测图。在图3中，横坐标为检测固化土样编号，纵坐标为无侧限抗压强度。无侧限抗压强度检测采用的仪器为YSH-2型应变控制式无侧限压力仪，检测固化土样的规格为高径比2∶1，实验结果表明，固化土样无侧限抗压强度为800KPa左右，达到《公路路面基层施工技术规范要求》中路基填料强度要求，证明了碱渣与微生物改良尾矿砂路基的可行性。

Claims (6)

1.一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，混合料的配制及预处理
步骤1.1，将尾矿砂与碱渣分别置于路基场地中，平摊风干后，尾矿砂和碱渣粉碎并分别过网孔为3mm～7mm的筛；然后将过筛后的尾矿砂与碱渣按照质量比为4∶1的比例均匀混合得到混合料；
步骤1.2，将混合料均分为N层平摊在场地中，并进行分层压实，形成待处理混合料路基，压实度控制在60％～70％，待处理混合料路基每层厚度h≤30cm，待处理混合料路基总厚度H≤1.5m；
步骤2，微生物菌液的制作
步骤2.1，采用美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置培养液，然后将培养液在121℃～123℃下灭菌20～30min，再放置在超净工作台上进行紫外灭菌并通风，待培养液的温度降至室温时待用；
步骤2.2，待培养液的温度降至室温后，取培养液于容器中，用无菌移液器将巴氏芽孢杆菌加入到培养液内得到菌液，巴氏芽孢杆菌与培养液的容量比为1∶100，将菌液放入恒温震荡箱内进行培养，恒温震荡箱温度为28℃～32℃，振荡频率为200rpm～320rpm，培养时间为48h～72h；
步骤2.3，培养完成后，测量菌液在600nm波长处的吸光值，即OD600值，在OD600＝1.2～1.8时取出待用；
将完成上述处理的菌液记为微生物菌液；
步骤3，胶结液的制作
胶结液由尿素和水配置而成，其质量组成按前述顺序为6∶100；首先将尿素配置成为溶质，然后将溶质与水混合调配成胶结液；
步骤4，微生物菌液及胶结液的灌注
步骤4.1，在步骤1.2完成的待处理混合料路基中均匀布设多个注浆孔，具体的，每两个相邻注浆孔的孔距为0.6m～1.0m，所述注浆孔为钻机在待处理混合料路基上钻设的孔，注浆孔底部与待处理混合料路基底部保持1～3个拔高h的垂直距离，所述拔高h为10cm～15cm；然后将注浆管从上到下垂直插入到注浆孔中，所述注浆管为顶端开口、底端也开口的空心圆管，将注浆管上自底端面为L距离以下的部分记为注入区，且在注入区的的管壁上均匀分布开有多个通孔；
步骤4.2，按照微生物菌液和混合料的质量比为1∶6～7的比例配置微生物菌液，并采用边注入边拔高的方式通过注浆机、注浆管将该微生物菌液灌注到待处理混合料路基中，具体的，用注浆机将微生物菌液注入到注浆管中，且每注入10～15分钟后停止注入，并将注浆管向上拔一个拔高h后再进行下一10～15分钟的注入，重复该边注入边拔高的动作直到注浆管拔出为止；所述注浆机的流速为1L/min～2L/min；
步骤4.3，微生物菌液灌注结束后，静置24h～72h，然后将注浆管按照步骤4.1的方法再次插入到待处理混合料路基中；
步骤4.4，按照胶结液和混合料的质量比为1∶6～7的比例配置胶结液，并采用边注入边拔高的方式将该胶结液通过注浆机、注浆管灌注到待处理混合料路基中，具体的，用注浆机将胶结液注入到注浆管中，且每注入10～15分钟后停止注入，并将注浆管向上拔一个拔高h后再进行下一10～15分钟的注入，重复边注入边拔高的动作直到注浆管拔出为止；所述注浆机的流速为1L/min～2L/min；
步骤4.5，胶结液灌注完成后，静置24h～72h；
步骤4.6，按照步骤4.2～步骤4.5所述方法完成一次灌注后，对混合料路基进行养护，具体的：
若25℃＜自然温度＜35℃，养护时间为3天～7天；
若0℃≤自然温度≤25℃，养护时间为7天～28天；
将通过步骤4处理完成的待处理混合料路基记为待检测碱渣尾矿砂路基；
步骤5，从步骤4处理完成的待检测碱渣尾矿砂路基场地中取适量土样并记为固化土样，密封保存至实验室，检测固化土样的无侧限抗压强度UCS；
若UCS＜600KPa，返回步骤4.2；
若UCS≥600KPa，即得到改良后的碱渣尾矿砂路基。
2.根据权利要求1所述的一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法，其特征在于，所述美国菌种保藏中心推荐配方ATCC 1376 NH4-YE配置的培养液的组成为：20g酵母提取物、10g(NH4)2SO4、0.13mol/L Tris Buffer，加去离子水至1L，用1mol/L HCl调节培养液pH＝9.0。
3.根据权利要求1所述的一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法，其特征在于，所述巴氏芽孢杆菌的美国菌种保藏中心编号为ATCC11859。
4.根据权利要求1所述的一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法，其特征在于，步骤4.1中的L＝10cm～15cm。
5.根据权利要求1所述的一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法，其特征在于，步骤4.1所述通孔的孔径≤3mm，每两个相邻通孔的孔距为1cm～2cm。
6.根据权利要求1所述的一种碱渣与微生物改良尾矿砂制作路基填料的方法，其特征在于，步骤1.1所述风干指的是碱渣与尾矿砂的重量含水率均≤5％。
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