CN114894578A - 利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法 - Google Patents

利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及土木工程试验技术领域，具体涉及一种利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，包括：1)对灌浆的待粘结砂柱承装管进行闭水处理，灌入海砂，封闭待粘结砂柱承装管，预留进出浆口；2)将微生物菌液80mL通过蠕动泵以3mL/min的速度由注浆孔注入，并确保微生物菌液充分包裹海砂颗粒；3)静置2h后，再通过蠕动泵以3mL/min的速度注入固定液25mL；4)再将微生物菌液对应能产生矿化产物的胶结液450mL以相同方式注入待粘结砂柱承装管中；5)重复步骤2)至步骤4)过程多次，将固化成型的海砂砂柱拆模并放入烘箱中快速烘干，获得一定强度的砂柱试样。采用本发明方法制备的微生物砂浆，可以在4‑5天内到达需要的强度，且对保护环境有积极作用。

Description

利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法
技术领域
本发明涉及土木工程试验技术领域，具体涉及一种利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法。
背景技术
近年来，我国海洋经济步入快速发展阶段，在建设海洋强国强省的过程中必将带动海洋工程的迅速发展。一系列的国防和民用设施在工程建设及防护过程中，不可避免的需要对海洋港口、码头或海底的砂土地层进行加固处理。
海砂地基具有强度低、易液化、孔隙多、高压缩性等特点，并不适合作为海岸港口、码头或海底建筑物地基使用，必须采用一些措施进行加固处理。传统地基处理方法主要包括机械振动密实、固结排水等物理方法，以及使用水泥/环氧树脂等材料的化学方法。由于海洋地质条件复杂，传统物理方法在使用过程中均存在一定程度的限制作用，且效果较差，并不能有效解决加固海砂地基的问题。而使用水泥、环氧树脂等材料通过搅拌、高压喷射注浆等形式进行加固的化学方法，虽能使颗粒胶结，达到改善海砂物理力学性质的效果，但这些化学材料大都具有一定的生物毒性，对海洋生物危害极大。因此，需要寻找一种经济且能够有效解决这些问题的环境友好型地基加固方法。
近些年，微生物诱导碳酸盐沉淀(microbial induced carbonateprecipitation，简称MICP)技术成为一项研究热点。研究人员利用微生物的生理活动，如光合作用、尿素水解、反硝化作用、氨化作用、硫化作用和甲烷氧化作用等，人为的添加尿素、钙离子等物质，让微生物快速诱导生成具有胶凝性质的碳酸盐沉淀从而改良土体强度、渗透性和抗液化性，提高承载力。与一般化学作用生成的碳酸钙不同，微生物诱导矿物沉淀具有生成速度快及材料强度可控的特点，在一定条件下可以替代水泥、石灰、环氧树脂等传统材料。
近几年使用MICP技术进行地基处理加固的研究逐渐变多，在砂土地基中的应用取得了不错的进展，但大多在陆地环境下进行；且MICP技术需要大量淡水作为胶结液的溶剂，当处于海洋环境(如在岛礁、海岸港口、码头或海上环境作业)时，淡水资源紧张，MICP技术的应用将会受到成本、工序等因素的限制。此外，目前河沙匮乏但需求量却日益增长。2021年有媒体报道沙子短缺危机，指出在建筑领域，全球每年消耗大约41亿吨水泥，而沙子的使用量是水泥的10倍。这就意味着单单在建筑行业，全球每年就要消耗超过400亿吨的沙子用量。同时，研究人员指出，未来40年，人类对沙子的需求可能会激增约45％，不加节制的消费可能会破坏环境，并导致建筑关键用材出现短缺。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，采用本发明方法加固海砂，可以在4-5天内到达需要的强度。此外，一方面利用天然海水代替淡水作为胶结液水源的微生物加固海砂方法，极大降低MICP技术在海洋工程中的应用成本，提高该技术在海洋工程中应用的可行性，并且可以最大限度减少对海洋环境的破坏，为海洋工程中海砂地基处理的发展提供一种新的途径。另一方面使用海砂可以缓解河沙匮乏问题，降低建筑材料成本。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，利用天然海水作为胶结液水源，氯化钙作为钙源，生成了包括方解石和镁方解石的粘结物，具体包括如下步骤：
1)对灌浆的待粘结砂柱承装管进行闭水处理，灌入海砂，封闭待粘结砂柱承装管，预留进出浆口；
2)将具有矿化沉积功能的微生物菌液通过预留的注浆口注入，并确保微生物菌液充分包裹海砂颗粒；
3)待注入完成后进行静置处理，接着再通过预留的注浆口注入固定液；
4)通过预留的注浆口注入胶结液；
5)重复步骤2)至步骤4)过程多次后，将固化成型的海砂砂柱拆模并放入烘箱中烘干，获得砂柱试样。
进一步的，步骤1)中所述待粘结砂柱承装管为300ml注射器；所述装砂过程为：将注射器活塞取出，并在底部垫上纱布，以防止海砂颗粒漏出注射器，使用漏斗将380g海砂装入注射器中，装入过程充分振捣，装砂高度控制在125±5mm，接着塞入打好孔的橡胶塞，并使用竹签将底部固定，防止试样松动。
进一步的，步骤1)中所述海砂粒径级配曲线如附图1所示，海砂颗粒的不均匀系数Cu为2.93，曲率系数Cc为0.97，属于级配不良土；且海砂粒径集中在0.25～1.00mm之间，平均粒径在0.5～1.0mm之间，主要为粗颗粒。
优选的，步骤2)中微生物菌液用量为80mL，将其以3mL/min注入待粘结砂柱承装管。
进一步的，步骤2)中具有矿化沉积功能的微生物菌液中的微生物为巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina Pasteurii)。所述巴氏芽孢杆菌是一种化能异养菌，在显微镜下细胞呈杆状或卵球状，直径大多在0.5～1.5μm之间，革兰氏阳性；具有非致病性，对环境友好，研究表明该细菌所产生的脲酶可达细菌干重的1％，属于高产脲酶微生物。所述巴氏芽孢杆菌Sporosarcina pasteurii来自于美国模式培养物集存库American type culturecollection，编号为ATCC11859。
进一步的，步骤2)中微生物菌液的制备方法，包括：
a)制备培养基：培养基各组分含量为蒸馏水1L、酵母提取物20.0g、硫酸铵10g、10μmol的氯化镍；
b)用氢氧化钠溶液将培养基pH调为9.0，然后在121℃、0.1MPa下高温灭菌20min后冷却至室温；
c)将巴氏芽孢杆菌接种至上述液体培养基中，将接种完成的培养基转移至恒温振荡培养箱中，设置30℃，150rpm/min，持续震荡培养24h得到菌液。
优选的，步骤3)中所述固定液为0.05mol/L的氯化钙溶液；固定液用量为25mL，将其以3mL/min注入待粘结砂柱承装管。
优选的，步骤3)中静置时间为2h。
进一步的，步骤4)中所述胶结液为0.75mol/L的尿素与氯化钙的混合溶液，所用溶剂为天然海水。
优选的，步骤4)中胶结液的用量为450mL，将其以3mL/min注入待粘结砂柱承装管。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明中的细菌首先会吸附在海砂颗粒之间，在进行生理活动的过程中产生脲酶，随后分解尿素生成碳酸根，碳酸根与钙离子形成沉淀，将松散的土颗粒胶结成一个整体，形成具有一定强度的砂柱试样。随着灌浆循环次数的增加，砂粒体系内的碳酸钙含量增加，强度随之增加，并且强度是可以控制的。
2、本发明利用天然海水代替淡水作为胶结液的溶剂，极大降低MICP技术在海洋工程中的应用成本，提高该技术在海洋工程中应用的可行性，并且可以最大限度减少对海洋环境的破坏。另外，使用海砂可以缓解河沙匮乏问题，降低建筑材料成本。
3、本发明进行微生物加固海砂的时间短、效果好，在4-5天内即可得到单轴抗压强度峰值为13.36MPa海砂砂柱试样。在相同灌浆条件下，单轴抗压强度峰值较淡水作为胶结液溶剂的制备技术提高了27.6％。
4、本发明使用天然海水作为胶结液溶剂，在灌浆加固时天然海水中金属离子也起到了传输和固定细菌的作用，使得生成的碳酸钙在砂柱中的分布更均匀。此外，与相同条件下使用淡水作为胶结液溶剂加固的试样相比，天然海水作为胶结液溶剂加固后的试样也更均匀，因此强度更高。
5、本发明中天然海水作为胶结液水源在海砂中诱导生成的碳酸盐沉积物不仅有方解石还有镁方解石，且这些矿物呈立方体、针簇状、不规则絮状，具有更高强度与稳定性，能够满足海洋工程的耐久性需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为海砂粒径级配曲线图；
图2为灌浆示意图；
图3为对比例1淡水试样不同胶结液浓度下不同灌浆次数与试样干密度的关系图；
图4为实施例1海水试样不同胶结液浓度下不同灌浆次数与试样干密度的关系图；
图5为对比例1淡水试样不同胶结液浓度下不同灌浆次数与试样碳酸钙生成量的关系图；
图6为实施例1淡水试样不同胶结液浓度下不同灌浆次数与试样碳酸钙生成量的关系图；
图7为对比例1淡水试样四次灌浆下的试样应力应变曲线图；
图8为实施例1淡水试样四次灌浆下的试样应力应变曲线图；
图9为MICP诱导生成的碳酸钙形态微观测试图；(其中a、b、c为淡水条件；d、e、f为海水条件)
图10为淡水试样的XRD分析结果图；
图11为海水试样的XRD分析结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，包括如下步骤：
步骤1)：对灌浆的待粘结砂柱承装管进行闭水处理，灌入海砂，封闭待粘结砂柱承装管，预留进出浆口；其中，待粘结砂柱承装管为300ml注射器(内径为50mm，高度为150mm)。所述装砂过程为：将注射器活塞取出，在底部垫上裁剪成直径50mm的圆形纱布(防止海砂颗粒漏出注射器)，使用漏斗将380g海砂装入注射器中，在装的过程中充分振捣，让海砂处于较为密实的状态，装砂高度控制在125mm左右，塞入打好孔的橡胶塞，并使用竹签将底部固定，防止试样松动。
步骤2)：将具有矿化沉积功能的微生物菌液80mL通过蠕动泵以3mL/min的速度由注浆孔注入，并确保微生物菌液充分包裹海砂颗粒；其中，具有矿化沉积功能的微生物菌液中的微生物为巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina Pasteurii)。
上述微生物菌液的制备方法如下：
a)制备巴氏芽孢杆菌的培养基：培养基各组分含量为蒸馏水1L、酵母提取物20.0g、硫酸铵10g、10μmol的氯化镍。
b)用氢氧化钠溶液将培养基pH调为pH＝9.0，121℃、0.1MPa下高温灭菌20min；
c)将巴氏芽孢杆菌接种至上述液体培养基中，将接种完成的培养基转移至恒温振荡培养箱中，设置30℃，150rpm/min，持续震荡培养24h得到菌液。
步骤3)：待步骤2)完成后静置2h，再通过蠕动泵以3mL/min的速度注入0.05mol/L的氯化钙溶液25mL。
步骤4)：然后再通过蠕动泵以3mL/min的速度注入胶结液450mL；其中，胶结液为0.75mol/L的尿素与氯化钙的混合溶液，所用溶剂为天然海水。
步骤5)：重复步骤2)到步骤4)过程多次(1～4次)，将所固化成型的砂柱拆模并放入烘箱中快速烘干，获得一定强度的砂柱试样。
实施例1
本实施例利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，利用天然海水作为胶结液溶剂，氯化钙作为钙源，具体包括如下步骤：
步骤1：对灌浆的待粘结砂柱承装管进行闭水处理，灌入粒径级配曲线如附图1所示的海砂，封闭待粘结砂柱承装管，预留进出浆口，如图2所示。
步骤2：制备培养基：蒸馏水1L、酵母提取物20.0g、硫酸铵10g、10μmol的氯化镍，pH调为9.0。将200mL培养基装至事先洗净的1L锥形瓶中，放入高压蒸汽灭菌锅，121℃，0.1MPa灭菌20分钟。待冷却至90℃后打开灭菌锅，将灭菌完成的培养基放入超净工作台中，开启紫外线灯保持无菌环境，等冷却至室温；
步骤3：将巴氏芽孢杆菌按照1：50的比例接种到培养基中，接种完成后将其放入恒温振荡培养箱中，设置30℃，150rpm/min，振荡培养24小时，将菌液取出进行OD600与酶活测试，达到要求后便可使用；
步骤4：如图2所示，通过蠕动泵以3mL/min的注浆速率将80mL的菌液由注浆口注入，并确保生物菌液充分包裹海砂颗粒；
步骤5：待步骤4完成后静置2小时，再通过蠕动泵以3mL/min的速度注入固定液25mL；
步骤6：然后再以同样方式注入胶结液450mL(溶剂为天然海水)。
步骤7：重复步骤4到步骤7过程多次(1～4次)，制得砂柱试样。
对比例1
本对比例1中砂柱试样的制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，将实施例1中用的海水替换为淡水。
性能测试
对分别利用海水和淡水作为胶结液水源的微生物固化海砂砂柱试样(即实施例1及对比例1制得的砂柱试样)进行对比分析。
1、碳酸钙生成量及干密度分析
微生物灌浆形成试样的强度与体系内碳酸钙的含量有关。由图3-4及5-6可以看出来，随着灌浆次数的增加，试样的干密度与碳酸钙生成量均呈现上升的趋势，而在四批次灌浆下，淡水作为胶结液溶剂的试样干密度范围在1.72g/cm3～1.98g/cm3之间，碳酸钙生成量范围在41.3g～84.1g之间；而海水作为胶结液溶剂的试样干密度范围在1.74g/cm3～1.82g/cm3之间，碳酸钙生成量范围在46.7g～63.9g之间。此外，在四次灌浆的情况下，海水试样的最佳胶结液浓度为0.75mol/L，淡水的为1.0mol/L。
2、无侧限抗压强度分析
对试样进行单轴抗压测试：图7-8为四批次灌浆后试样的应力-应变曲线，其中图7为淡水作为胶结液水源、图8为海水作为胶结液水源的MICP技术加固海砂试样应力-应变曲线。红色曲线为胶结液浓度0.75mol/L的应力-应变曲线，其中淡水试样的峰值强度为6.92MPa，海水试样峰值强度为13.66MPa；蓝色曲线为胶结液浓度1.00mol/L的应力-应变曲线，其中淡水试样的峰值强度为10.47MPa，海水试样峰值强度为9.47MPa。天然海水作为胶结液溶剂制备试样的单轴抗压强度峰值较淡水作为胶结液溶剂的制备技术提高了27.6％。
3、微观形貌分析
对试样进行电镜扫描分析如图9所示，其中a、b、c为淡水作为胶结液水源的试样，d、e、f为海水作为胶结液水源的试样。可以看出在MICP注浆后会在砂颗粒上形成胶凝物质，其胶凝物质呈现不同的形态：淡水试样的碳酸钙结晶主要以立方体形为主(图9a、b、c)，并含有少量晶体形状不定的絮状物质，这种絮状物质可能是由于巴氏芽孢杆菌液中的营养成分以及一些杂质所形成的。海水试样的碳酸钙结晶与淡水的略有差别，海水试样的结晶形态为立方体形、针簇状、不规则絮状(图9d、e、f)，其原因是因为海水成分中含有如镁、钠、钡等金属离子与氯离子等非金属离子，在这些离子的影响下，将会使得微生物代谢环境出现改变，导致其诱导成碳酸钙晶体的形式发生变化或是生成其他晶体。
4、XRD分析
对试样进行X射线衍射分析(XRD)，得到结果如图10-11所示。淡水试样的晶体成分主要以原有的石英外，增加了方解石。说明淡水试样生成的碳酸钙都是方解石，并未生成文石、球霰石。在4次灌浆的条件下，试样内部压力增加，并不会影响方解石的结构。海水试样在X射线衍射下得到的数据在分析后可知，在淡水试样的基础上，海水试样增加了镁方解石。说明海水中的镁离子会对晶体的成分、形态、尺寸有显著的影响，并且对MICP加固后砂柱的物理力学性能起到增强的作用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，其特征在于，利用天然海水作为胶结液水源，氯化钙作为钙源，生成了包括方解石和镁方解石的粘结物，具体包括如下步骤：
1)对灌浆的待粘结砂柱承装管进行闭水处理，灌入海砂，封闭待粘结砂柱承装管，预留进出浆口；
2)将具有矿化沉积功能的微生物菌液通过预留的注浆口注入，并确保微生物菌液充分包裹海砂颗粒；
3)待注入完成后进行静置处理，接着再通过预留的注浆口注入固定液；
4)通过预留的注浆口注入胶结液；
5)重复步骤2)至步骤4)过程多次后，将固化成型的海砂砂柱拆模并放入烘箱中烘干，获得砂柱试样。
2.根据权利要求1所述的利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，其特征在于，步骤1)中所述待粘结砂柱承装管为300ml注射器；所述装砂过程为：将注射器活塞取出，并在底部垫上纱布，以防止海砂颗粒漏出注射器，使用漏斗将380g海砂装入注射器中，装入过程充分振捣，装砂高度控制在125±5mm，接着塞入打好孔的橡胶塞，并使用竹签将底部固定，防止试样松动。
3.根据权利要求1所述的利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，其特征在于，步骤1)中所述海砂粒径级配曲线如附图1所示，海砂颗粒的不均匀系数Cu为2.93，曲率系数Cc为0.97，属于级配不良土；且海砂粒径集中在0.25～1.00mm之间，平均粒径在0.5～1.0mm之间。
4.根据权利要求1所述的利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，其特征在于，步骤2)中微生物菌液用量为80mL，将其以3mL/min注入待粘结砂柱承装管。
5.根据权利要求1所述的利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，其特征在于，步骤2)中具有矿化沉积功能的微生物菌液中的微生物为巴氏芽孢杆菌。
6.根据权利要求4所述的利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，其特征在于，步骤2)中微生物菌液的制备方法，包括：
a)制备培养基：培养基各组分含量为蒸馏水1L、酵母提取物20.0g、硫酸铵10g、10μmol的氯化镍；
b)用氢氧化钠溶液将培养基pH调为9.0，然后在121℃、0.1MPa下高温灭菌20min后冷却至室温；
c)将巴氏芽孢杆菌接种至上述液体培养基中，将接种完成的培养基转移至恒温振荡培养箱中，设置30℃，150rpm/min，持续震荡培养24h得到菌液。
7.根据权利要求1所述的利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，其特征在于，步骤3)中所述固定液为0.05mol/L的氯化钙溶液；固定液用量为25mL，将其以3mL/min注入待粘结砂柱承装管。
8.根据权利要求1所述的利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，其特征在于，步骤3)中静置时间为2h。
9.根据权利要求1所述的利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，其特征在于，步骤4)中所述胶结液为0.75mol/L的尿素与氯化钙的混合溶液，所用溶剂为天然海水。
10.根据权利要求9所述的利用天然海水和海砂制备微生物砂浆的方法，其特征在于，步骤4)中胶结液的用量为450mL，将其以3mL/min注入待粘结砂柱承装管。
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CN115450197A (zh) * 2022-08-30 2022-12-09 南京理工大学 基于真空预压的脲酶催化加固钙质砂岛礁的方法及系统

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