CN115895666A - 一种micp-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩土工程地基加固相关技术领域，其公开了一种MICP‑改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，该方法包括以下步骤：(1)将巴氏芽孢杆菌进行富集培养以获得细菌悬浮液，并将部分细菌悬浮液进行离心处理以得到细菌沉淀物即为菌泥；同时，将丝素蛋白通过交联改性剂进行交联反应，以得到交联反应液；(2)将所述细菌悬浮液、菌泥、交联反应液混合得到复合型悬浮液，并向砂柱试样中循环多阶段灌注复合型悬浮液及胶结液，继而得到砂柱。本发明可以有效改善MICP固化效果，提高固化后砂土的强度，对于砂土等不良土地的加固具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程地基加固相关技术领域，更具体地，涉及一种 MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法。
背景技术
随着人口的快速增长与社会的不断发展，人们对建设用地的需求逐渐增大。如何利用含有砂土等不良土地，改善其承载力不足而不能满足工程或民用建筑用地要求的现状，成为了现代岩土工程的主要研究方向之一。微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术是一种新兴的岩土工程加固技术，因其具有环境友好、能耗低、无污染、高效快速等优势，逐渐成为了一个研究热点。MICP是自然界中普遍存在的一种生命活动，在岩土体中广泛存在着大量的微生物，微生物通过新陈代谢可以析出一些结晶和非结晶的无机化合物，在土体中起到填充和胶结的作用，进而改善土体性质。
现阶段，MICP技术正处于高速发展时期，现有理论和方法不断被完善，创新理论和方法也在不断被提出。如公开号为CN 109594552 A的现有技术公开了一种微生物固化-纤维加筋联合改性砂土的方法，针对微生物固化砂土后脆性增加的特征，在MICP技术中分别掺入玄武岩纤维、碳纤维与钢纤维改善固化后砂土的脆性，提高其残余强度与韧性。公开号为CN 111749227 A的现有技术公开了一种微生物联合橡胶材料诱导碳酸盐沉淀的方法，通过在MICP技术中掺入橡胶颗粒以提高固化砂土的抗液化性能。然而，由于MICP技术在地基处理领域中的应用起步较晚，无论是室内试验还是现场试验方面尚有许多问题亟需深入研究，其中最为重要的就是对于加固效果的提升，这将影响着MICP技术广泛应用于工程实践中。
因此，亟需一种方法以提高固化后砂土的强度，在地基加固领域中实现更好的加固效果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，该方法采用天然材料、绿色环保、能够实现对砂土的均匀高强固结，具有显著的固化效果，在沿途工程地基加固领域有着广阔的应用前景。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将巴氏芽孢杆菌进行富集培养以获得细菌悬浮液，并将部分细菌悬浮液进行离心处理以得到细菌沉淀物即为菌泥；同时，将丝素蛋白通过交联改性剂进行交联反应，以得到交联反应液；
(2)将所述细菌悬浮液、菌泥、交联反应液混合得到复合型悬浮液，并向砂柱试样中循环多阶段灌注复合型悬浮液及胶结液，继而得到砂柱。
进一步地，所述丝素蛋白为从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白。
进一步地，所述交联改性剂为戊二醛、环氧树脂、京尼平或氰脲酰氯。
进一步地，所述交联改性剂为戊二醛。
进一步地，所述戊二醛浓度为0.025％～0.01％水溶液。
进一步地，丝素蛋白和交联改性剂的质量比为(2.08～4.35):50。
进一步地，所述细菌悬浮液、菌泥、交联反应液混合时的体积比例为 1:1:1，所述菌泥为1体积细菌悬浮液离心获得。
进一步地，向砂柱试样中灌注复合型悬浮液，静置6～24h；然后灌注胶结液，静置；其中，每灌注1次复合型悬浮液静置后，灌注4次胶结液，胶结液的静置时间间隔为24h。
进一步地，循环多阶段灌注复合型悬浮液和胶结液的次数为2～3次。
进一步地，所述胶结液的浓度为0.5～1.5mol/L，所述胶结液为钙源溶液和尿素溶液按照体积比1:1混合而成，所述钙源溶液为氯化钙、硝酸钙或乙酸钙中的一种或几种的混合溶液。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法主要具有以下有益效果：
1.针对MICP技术中存在的加固效果不佳的问题，采用交联改性丝素蛋白和MICP技术相结合的方法，将交联改性丝素蛋白掺入菌液后注入砂土，使其在砂土中均匀分布，为MICP固化砂土提供了有利条件，可以有效增加巴氏芽孢杆菌诱导产生碳酸钙的含量，提高固化砂土的强度，增强砂土固化的效果。
2.本发明中采用的丝素蛋白是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白，约占蚕丝的70％～80％，具有生物相容性、生物安全性和生物降解性等优点，是一种生态效益良好的生物化学材料。
3.丝素蛋白含有丰富的氨基酸种类，C、H、O、N是其主要的组成元素，可以为巴氏芽孢杆菌额外提供生长所需的碳源、氮源等营养物质，更好地促进细菌生长，提高脲酶活性，提高碳酸钙产量，增强砂土固化的效果。
4.丝素蛋白经过交联改性后，可以改善其不稳定的构造，在砂颗粒间形成稳定的三维网状结构，起到初步固结砂土的作用，并且能够增加巴氏芽孢杆菌沉积碳酸钙的成核位点，提高碳酸钙产量，增强砂土固化的效果。
5.本发明采用液体培养基，培养基中的全部物质均可以用于后续复合型悬浮液的制备，避免了固体培养基的菌体剥离等操作，简单经济。
附图说明
图1是本发明所固化砂柱试样的剖面示意图；
图2是本发明固化砂柱试样所用的注浆装置示意图；
图3是利用发明获得的不同浓度交联改性蛋白掺入下MICP固化砂土的无侧限抗压强度的柱状图；
图4是利用发明获得的不同浓度交联改性蛋白掺入下MICP固化砂土后碳酸钙含量的柱状图；
图5是实施例中不掺交联改性蛋白的MICP固化砂土的SEM图；
图6是对应图5中的不掺交联改性蛋白的MICP固化砂土的SEM图中 A区域的SEM图，为A区域的放大图；
图7是对应图6中的不掺交联改性蛋白的MICP固化砂土的SEM图中 B区域的SEM图，为B区域的放大图；
图8是实施例2中掺入质量百分比浓度为5％的交联改性蛋白掺入下 MICP固化砂土的SEM图；
图9是对应图8中的掺入质量百分比浓度为5％的交联改性蛋白掺入下 MICP固化砂土的SEM图中C区域的SEM图，为C区域的放大图；
图10是对应图9中的掺入质量百分比浓度为5％的交联改性蛋白掺入下MICP固化砂土的SEM图中D区域的SEM图，为D区域的放大图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要说明：本发明所用到的巴氏芽孢杆菌为现有菌种，为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心提供的科研用菌种，源于美国典型培养物保藏中心，保藏编号为ATCC11859。
请参阅图1、图2、图3及图4，鉴于MICP技术在地基处理领域中存在加固效果不佳、难以应用于实际工程等现状，本发明提供了一种MICP- 改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，该方法主要包括以下步骤：
步骤一，将巴氏芽孢杆菌进行富集培养以获得细菌悬浮液，并将部分细菌悬浮液进行离心处理以得到细菌沉淀物即为菌泥；同时，将丝素蛋白通过交联改性剂进行交联反应，以得到交联反应液。
对巴氏芽孢杆菌进行富集培养的步骤为：
S11，采用pH为8.5的液体培养基对巴氏芽孢杆菌进行富集培养。
通过NaOH溶液对液体培养基进行pH调节，所述NaOH溶液的浓度为4～5mol/L。本实施例中，所述NaOH溶液的浓度为4mol/L。
所述液体培养基包括酵母提取物、氯化铵、一水硫酸锰、六水合氯化镍和水。所述酵母提取物、氯化铵、一水硫酸锰、六水合氯化镍和水的质量比为20:10:0.01:0.024:1000。本实施例中，所述液体培养基的配方为：每升液体培养基包含20g酵母提取物、10g氯化铵、10mg一水硫酸锰及24mg 六水合氯化镍。
S12，将上述液体培养基分装在锥形瓶并封口后在121℃条件下高压灭菌30min。
S13，在无菌操作台上开展接种操作，取巴氏芽孢杆菌加入所述液体培养基中，本实施例中每100mL所述液体培养基中加入0.3mL上一代细菌菌液，操作完成后重新密封锥形瓶。
S14，将锥形瓶固定在摇床上，设定振荡速度为160rpm，在30℃恒温环境下培养12～24h后得到细菌悬浮液。本实施例中培养时间为12h。
本实施方式中，采用高速离心机对所述细菌悬浮液进行离心沉降处理，得到细菌沉淀物，所述细菌沉淀物包含巴氏芽孢杆菌菌泥，离心沉降处理时所采用的离心转速为3000r/min，离心时长为10min。
交联剂为戊二醛、环氧树脂、京尼平和氰脲酰氯等。本实施例采用戊二醛作为交联改性剂，所述戊二醛的浓度为0.025％～0.01％水溶液。丝素蛋白与交联改性剂的质量比为(2.08～4.35):50，丝素蛋白的质量分数为4％～8％。在本实施例中，戊二醛的浓度为0.05％水溶液，丝素蛋白的质量分数为 4％～8％。
步骤二，将所述细菌悬浮液、菌泥、交联反应液混合得到复合型悬浮液，并向砂柱试样中循环多阶段灌注复合型悬浮液及胶结液，继而得到砂柱。
其中，将细菌悬浮液、菌泥、交联反应液以体积比为1:1:1的比例进行混合，所述菌泥为1体积细菌悬浮液离心获得。
所述砂柱试样由以下方法制备：
S51，模具准备。采用PVC管作为模具制备砂柱试样，所述PVC管的内径为37mm，高度为140mm。PVC模具竖直放置，顶部和底部配有打孔的橡胶塞，便于浆液的注入、静置与排出。
S52，填入干砂。称取160g ISO标准砂加入PVC模具中，砂柱的直径为37mm，高度为80mm。砂柱的顶部和底部各放置一块透水石，防止砂粒的流失，所述透水石的直径为36.5mm，厚度为5mm。
S53，孔隙体积测量。打开底部胶塞孔，将100mL纯水由上而下注入上述砂柱，用容器接取排出液，当所有纯水恰好没过顶部透水石时，封住底部胶塞孔，测量排出液体积即为试样的单位孔隙体积(PV)。在本实施例中，所述单位孔隙体积约为35mL(包括上下透水石的孔隙体积约5mL)。
S54，砂柱饱和。在上述砂柱中加入纯水对试样进行饱和处理，所述纯水体积为40mL，饱和时间为24h，饱和后即完成砂柱试样的制备。
采用蠕动泵进行复合型悬浮液和胶结液的灌注，灌注速率为10mL/min。取1PV上述复合型悬浮液，打开砂柱试样底部胶塞孔，利用蠕动泵从上至下灌注复合型悬浮液，灌注完毕后封闭底部胶塞孔，静置6～24h，在本实施例中，静置时间为24h。
复合型悬浮液静置完毕后，取1PV胶结液，打开砂柱试样底部胶塞孔，利用蠕动泵从上至下灌注胶结液，灌注完毕后封闭底部胶塞孔，静置24h，共注入胶结液4次。所述胶结液为钙源溶液和尿素溶液的混合溶液，所述钙源溶液和尿素溶液的浓度为0.5～1.5mol/L，所述钙源溶液和尿素溶液的体积比为1:1，所述钙源溶液为氯化钙、硝酸钙或乙酸钙中的一种或几种的混合溶液。在本实施例中，采用氯化钙作为钙源，可以诱导生成热力学最稳定呈菱面体型的碳酸钙，氯化钙和尿素溶液的浓度均为1mol/L。
所述循环多阶段灌注复合型悬浮液和胶结液的次数为2～3次。在本实施例中，循环多阶段灌注的次数为2次。
将经过注浆处理的砂柱试样清洗后置于烘箱中烘干至恒重，脱模得到固化后的砂柱。具体地，循环多阶段灌注复合型悬浮液和胶结液处理完成后，打开砂柱试样底部胶塞孔，自上而下多次注入纯水，终止试样中的MICP 反应并清洗残余可溶盐，直至排出液的电导率保持稳定。清洗完毕后，将试样置于60℃的烘箱中烘干至恒重。最后将试样脱模，即得到固化后的砂柱。
请参阅图5、图6、图7、图8、图9及图10，以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法主要包括以下步骤：
步骤一：取1PV富集培养后的细菌悬浮液进行离心处理，离心转速为 3000r/min，离心时间为10min，得到菌泥。
步骤二：取1mL25％戊二醛溶液，用纯水稀释成0.05％戊二醛溶液，在溶液中加入20.83g丝素蛋白，充分搅拌后得到质量分数为4％的交联反应液。
步骤三：将菌泥与0.5PV细菌悬浮液、0.5PV交联反应液均匀混合得到1PV复合型悬浮液。
步骤四：将复合型悬浮液注入制备好的砂柱试样中，静置24h。
步骤五：将1mol/L的氯化钙溶液与1mol/L的尿素溶液按照体积比1:1 混合，得到1mol/L的胶结液，并将胶结液注入制备好的砂柱试样中，静置24h，共注入胶结液4次。
步骤六：重复步骤四和步骤五1次。
步骤七：将注浆完毕的砂柱清洗、烘干，得到固化后的砂柱。
本实施例对固化后的砂柱进行无侧限抗压强度测试和碳酸钙含量测试，测试结果如表1所示：
表1无侧限抗压强度及碳酸钙含量测试结果
| <![CDATA[交联改性丝素蛋白浓度/％<sub>wt</sub>]]> | 无侧限抗压强度/MPa | 碳酸钙含量/％ |
| 0 | 1.066 | 7.687 |
| 4 | 1.754 | 10.563 |
由试验结果可知，相较于传统MICP，掺入交联改性丝素蛋白的MICP 固化砂土，可以提高细菌沉积碳酸钙的含量约2.876％，同时提高了砂柱的抗压强度约0.689MPa。试验证明，该MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法可以有效提高砂土的固化效果。
实施例2
本发明实施例2提供的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法主要包括以下步骤：
步骤一：取1PV富集培养后的细菌悬浮液进行离心处理，离心转速为 3000r/min，离心时间为10min，得到菌泥。
步骤二：取1mL25％戊二醛溶液，用纯水稀释成0.05％戊二醛溶液，在溶液中加入26.32g丝素蛋白，充分搅拌后得到质量分数为5％的交联反应液。
步骤三：将菌泥与0.5PV细菌悬浮液、0.5PV交联反应液均匀混合得到1PV复合型悬浮液。
步骤四：将复合型悬浮液注入制备好的砂柱试样中，静置24h。
步骤五：将1mol/L的氯化钙溶液与1mol/L的尿素溶液按照体积比1:1 混合，得到1mol/L的胶结液，并将胶结液注入制备好的砂柱试样中，静置 24h，共注入胶结液4次。
步骤六：重复步骤四和步骤五1次。
步骤七：将注浆完毕的砂柱清洗、烘干，得到固化后的砂柱。
本实施例对固化后的砂柱进行无侧限抗压强度测试和碳酸钙含量测试，测试结果如表2所示：
表2无侧限抗压强度及碳酸钙含量测试结果
| <![CDATA[交联改性丝素蛋白浓度/％<sub>wt</sub>]]> | 无侧限抗压强度/MPa | 碳酸钙含量/％ |
| 0 | 1.066 | 7.687 |
| 5 | 2.767 | 10.788 |
由试验结果可知，相较于传统MICP，掺入交联改性丝素蛋白的MICP 固化砂土，可以提高细菌沉积碳酸钙的含量约3.101％，同时提高了砂柱的抗压强度约1.701MPa。试验证明，该MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法可以有效提高砂土的固化效果。
实施例3
本发明实施例3提供的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法主要包括以下步骤：
步骤一：取1PV富集培养后的细菌悬浮液进行离心处理，离心转速为 3000r/min，离心时间为10min，得到菌泥。
步骤二：取1mL25％戊二醛溶液，用纯水稀释成0.05％戊二醛溶液，在溶液中加入31.91g丝素蛋白，充分搅拌后得到质量分数为6％的交联反应液。
步骤三：将菌泥与0.5PV细菌悬浮液、0.5PV交联反应液均匀混合得到1PV复合型悬浮液。
步骤四：将复合型悬浮液注入制备好的砂柱试样中，静置24h。
步骤五：将1mol/L的氯化钙溶液与1mol/L的尿素溶液按照体积比1:1 混合，得到1mol/L的胶结液，并将胶结液注入制备好的砂柱试样中，静置 24h，共注入胶结液4次。
步骤六：重复步骤四和步骤五1次。
步骤七：将注浆完毕的砂柱清洗、烘干，得到固化后的砂柱。
本实施例对固化后的砂柱进行无侧限抗压强度测试和碳酸钙含量测试，测试结果如表3所示：
表3无侧限抗压强度及碳酸钙含量测试结果
| <![CDATA[交联改性丝素蛋白浓度/％<sub>wt</sub>]]> | 无侧限抗压强度/MPa | 碳酸钙含量/％ |
| 0 | 1.066 | 7.687 |
| 6 | 1.722 | 10.375 |
由试验结果可知，相较于传统MICP，掺入交联改性丝素蛋白的MICP 固化砂土，可以提高细菌沉积碳酸钙的含量约2.688％，同时提高了砂柱的抗压强度约0.656MPa。试验证明，该MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法可以有效提高砂土的固化效果。
实施例4
本发明实施例4提供的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法主要包括以下步骤：
步骤一：取1PV富集培养后的细菌悬浮液进行离心处理，离心转速为 3000r/min，离心时间为10min，得到菌泥。
步骤二：取1mL25％戊二醛溶液，用纯水稀释成0.05％戊二醛溶液，在溶液中加入43.48g丝素蛋白，充分搅拌后得到质量分数为8％的交联反应液。
步骤三：将菌泥与0.5PV细菌悬浮液、0.5PV交联反应液均匀混合得到1PV复合型悬浮液。
步骤四：将复合型悬浮液注入制备好的砂柱试样中，静置24h。
步骤五：将1mol/L的氯化钙溶液与1mol/L的尿素溶液按照体积比1:1 混合，得到1mol/L的胶结液，并将胶结液注入制备好的砂柱试样中，静置 24h，共注入胶结液4次。
步骤六：重复步骤四和步骤五1次。
步骤七：将注浆完毕的砂柱清洗、烘干，得到固化后的砂柱。
本实施例对固化后的砂柱进行无侧限抗压强度测试和碳酸钙含量测试，测试结果如表4所示：
表4无侧限抗压强度及碳酸钙含量测试结果
| <![CDATA[交联改性丝素蛋白浓度/％<sub>wt</sub>]]> | 无侧限抗压强度/MPa | 碳酸钙含量/％ |
| 0 | 1.066 | 7.687 |
| 8 | 1.620 | 9.937 |
由试验结果可知，相较于传统MICP，掺入交联改性丝素蛋白的MICP 固化砂土，可以提高细菌沉积碳酸钙的含量约2.250％，同时提高了砂柱的抗压强度约0.554MPa。试验证明，该MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法可以有效提高砂土的固化效果。
综上所述，本申请提供了一种MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，该方法可以促进砂颗粒间碳酸钙的生成，能有效提高固化砂土的强度，提高砂土固化的效果，在应用于砂土等不良土地的地基加固处理领域具有良好的应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将巴氏芽孢杆菌进行富集培养以获得细菌悬浮液，并将部分细菌悬浮液进行离心处理以得到细菌沉淀物即为菌泥；同时，将丝素蛋白通过交联改性剂进行交联反应，以得到交联反应液；
(2)将所述细菌悬浮液、菌泥、交联反应液混合得到复合型悬浮液，并向砂柱试样中循环多阶段灌注复合型悬浮液及胶结液，继而得到砂柱。
2.如权利要求1所述的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，其特征在于：所述丝素蛋白为从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白。
3.如权利要求1所述的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，其特征在于：所述交联改性剂为戊二醛、环氧树脂、京尼平或氰脲酰氯。
4.如权利要求3所述的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，其特征在于：所述交联改性剂为戊二醛。
5.如权利要求4所述的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，其特征在于：所述戊二醛浓度为0.025％～0.01％水溶液。
6.如权利要求1所述的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，其特征在于：丝素蛋白和交联改性剂的质量比为(2.08～4.35):50。
7.如权利要求1-6任一项所述的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，其特征在于：所述细菌悬浮液、菌泥、交联反应液混合时的体积比例为1:1:1，所述菌泥为1体积细菌悬浮液离心获得。
8.如权利要求1-6任一项所述的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，其特征在于：向砂柱试样中灌注复合型悬浮液，静置6～24h；然后灌注胶结液，静置；其中，每灌注1次复合型悬浮液静置后，灌注4次胶结液，胶结液的静置时间间隔为24h。
9.如权利要求8所述的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，其特征在于：循环多阶段灌注复合型悬浮液和胶结液的次数为2～3次。
10.如权利要求1-6任一项所述的MICP-改性丝素蛋白协同固化砂土的方法，其特征在于：所述胶结液的浓度为0.5～1.5mol/L，所述胶结液为钙源溶液和尿素溶液按照体积比1:1混合而成，所述钙源溶液为氯化钙、硝酸钙或乙酸钙中的一种或几种的混合溶液。
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