纤维加筋微生物固化砂土的力学特性

微生物固化能有效提高砂土的强度,但同样会导致土体破坏时呈现明显的脆性。为了平衡微生物固化砂土脆性破坏的不利影响,提出纤维加筋与微生物固化相结合的改性方法,即将质量分数为0%,0.05%,0.15%,0.25%和0.30%的聚丙烯纤维与石英砂均匀混合,然后基于微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对土样进行固化,并开展了一系列无侧限抗压试验,同时采用酸洗法测定了各组试样中的碳酸钙含量,进一步分析了试样的微观结构及纤维–土颗粒之间的界面作用特征。结果表明:①在微生物固化砂土中掺入纤维,能极大提高土样的无侧限抗压强度和残余强度,并能显著改善土样破坏时的韧性;②纤维掺量对微生物固化砂土的力学特性有重要影响,无侧限抗压强度随纤维掺量总体上呈先增加后减小的趋势,最优纤维掺量为0.15%,峰后残余强度与纤维掺量呈单调正相关关系;③纤维加筋使微生物固化砂土的峰后应力–应变曲线呈阶梯式下降模式,局部存在波浪式起伏特征;④纤维加筋能够提高微生物诱导碳酸钙的沉积效率和产量,与此同时,碳酸钙的胶结作用对纤维加筋效果具有促进作用。纤维加筋技术与MICP技术相结合能够实现优势互补,对提高工程结构的安全性与稳定性具有积极意义。     

微生物固化纤维加筋砂土抗剪强度试验研究

微生物固化(MICP)技术能显著提高土体的抗剪强度,但微生物固化土体也存在脆性破坏特征显著的缺陷。向待固化砂土中掺入一定量的纤维,以改善微生物固化砂土的脆性破坏特性,并基于固结排水三轴试验研究了微生物固化纤维加筋砂土的抗剪强度特性,在此基础上探讨胶结次数、纤维含量、纤维长度以及试样初始相对密实度等参数对微生物固化纤维加筋砂土剪切特性的影响。最后,结合电镜扫描测试探究纤维加筋对微生物固化砂土剪切特性影响的内在机理。结果表明:MICP过程中,碳酸钙晶体能有效沉积在纤维表面,提高其表面粗糙度,且碳酸钙与砂的混合体能对纤维提供锚固作用,从而在一定程度上提高微生物固化砂土抗剪强度,并改善其应变软化特性,纤维具备改善微生物固化土体脆性破坏特征的潜力。     

MICP固化淤泥土的强度试验研究

为探究胶结液浓度对MICP固化淤泥土效果的影响,利用巴氏芽孢八叠球菌,开展不同胶结液浓度下的土体固化试验。通过试样的应力-应变关系、无侧限抗压强度、含水率变化情况和微观结构探讨了MICP技术加固淤泥土的固化效果和加固机理。结果表明采用上述方法加固淤泥土是有效的。通过微生物脲酶反应,试样内生成了碳酸钙晶体团聚体,无侧限抗压强度最高可提高24%,含水率降低范围在5.2%～10.9%。适当地提高胶结液中的尿素浓度,可在一定程度上提高脲酶活性,改善固化效果,而氯化钙浓度较高时,对微生物反应有一定的抑制作用,固化效果提升有限。     

低温条件下微生物诱导碳酸钙沉积加固土体的试验研究

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)加固土体是近年来受到学术界重视的问题,但是对实际土壤温度下MICP加固土体的可行性及效果研究未见报道。利用尿素水解菌ATCC 11859,进行了微生物诱导碳酸钙沉积的试管试验及一维砂柱试验,研究了不同温度下微生物诱导生成碳酸钙的特性及对土体的加固效果。试管试验表明温度越高生成的碳酸钙越多,在不同温度下微生物诱导生成的碳酸钙晶型无显著差异,但是温度对碳酸钙的生成速率有明显影响。一维加固试验表明MICP在一般土壤温度条件下都能够有效地加固土体,但低温下MICP加固的试样强度较低,渗透系数较高。     

微生物固化砂土强度增长机理及影响因素试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)可以显著改善砂土的工程力学特性,但其固化效果易受诸多因素影响。基于不同胶结水平微生物固化砂土试样,开展固结排水三轴剪切试验和扫描电镜测试,探讨了MICP技术的固化效果及其相关机理;在此基础上,研究了胶结液浓度、砂土初始密实度、胶结液浓度配比等因素对微生物固化砂土抗剪强度的影响。结果表明:随着胶结水平的提高,微生物固化砂土试样强度提高,试样的脆性也越显著。微生物固化砂土强度的增长主要源于碳酸钙晶体对土体黏聚强度的提高。微生物固化砂土的强度主要包括土骨架强度和碳酸钙晶体胶结强度两部分,前者受土体性质及相关参数影响,后者主要取决于碳酸钙晶体的含量。采用合适的砂土初始密实度,适当提高胶结液浓度以及胶结液中尿素的浓度占比,均可提高微生物固化砂土试样的胶结强度。     

氧化镁-微生物与微生物诱导碳酸盐沉淀固化尾矿砂效果的试验研究

将氧化镁与微生物结合运用到尾矿砂固化中,并与微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)相对比,通过无侧限抗压强度和扫描电镜试验,探究尾矿砂初始含水率(范围在16%～25%)和氧化镁掺量(范围在6%～15%)以及MICP中尾矿砂初始含水率(范围在16%～25%)对固化效果的影响。结果发现,在氧化镁-微生物固化尾矿砂中,初始含水率越高,试样无侧限抗压强度越低;氧化镁掺量越多,强度越高;在MICP过程中,随着初始含水率的增加,试样强度先降低后增高,最低点的初始含水率为19%。     

MICP-FR协同作用改善钙质砂的力学性能及抗侵蚀试验研究

南海岛礁是中国"一带一路"建设的重要支撑。作为岛礁工程的主要建筑材料和地基,钙质砂具有高孔隙、易破碎和强度低等不良特性,难以直接满足工程建设要求。为了改善钙质砂的力学特性,并减少极端暴雨冲刷导致的侵蚀问题,提出微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)协同纤维加筋(FR)改性技术,采用喷淋工艺,对浅表层钙质砂进行改性处理,并考虑胶结液浓度(0.5,1.0,1.5,2.0mol/L)和纤维掺量(0.1%,0.2%,0.3%,0.4%)对处理效果的影响。通过开展超微型贯入及模拟暴雨冲刷试验,结合冲刷后滤出溶液的电导率变化,对比分析了不同处理方式下钙质砂的胶结固化程度和抗侵蚀能力。研究结果表明:(1)MICP技术可以有效胶结钙质砂,改善其力学性质,胶结液浓度越高,试样碳酸钙含量和贯入阻力越高,2.0mol/L固化效果最佳;(2)纤维的加入能显著提升MICP的固化效果,纤维掺量对微生物固化试样的力学特性有重要影响,峰值贯入阻力随纤维掺量先增加后减小,最优纤维掺量为0.2%;(3)经过MICP固化处理后,试样在模拟暴雨条件下表现出较好的抗雨蚀能力,侵蚀量小于未处理试样的1/7,加入纤维后胶结试样的抗侵蚀能力更佳。MICP-FR协同作用可以高效改善钙质砂的工程特性,能在岛礁建设、海岸开发过程中发挥积极作用。     

棕榈纤维加筋土强度特性试验研究

通过无侧限抗压与直接剪切试验,研究了不同干密度与加筋率对棕榈纤维加筋土强度特性的影响。试验过程中,设置干密度为1.55 g/cm~3、1.6 g/cm~3、1.65 g/cm~3,加筋率为0、0.2%、0.4%、0.6%,在最优含水率下进行正交试验,并对其加固机理进行分析。结果表明:棕榈纤维可有效提高试样的无侧限抗压强度和抗剪强度。在含水率和干密度一定时,加筋黏土的抗压强度与抗剪强度随加筋率增大而增大;当加筋率超过最优加筋率0.4%时,试样的无侧限抗压强度反而随纤维含量的增加而降低。棕榈纤维与土颗粒通过摩擦力与黏聚力结合,在适宜加筋率下,纤维相互交织形成空间网状结构,增加了试样强度。随着加筋率持续增大,纤维在试样内部交织成团,纤维与土颗粒有效接触点降低,破坏了试样完整性,削弱了加筋效果。研究结果为棕榈纤维加固土体的理论研究与工程实践提供参考依据,以期减少土岩边坡滑坡、泥石流等地质灾害的发生。     

木质素磺酸钙增强花岗岩残积土微生物固化效果研究

为提升微生物固化花岗岩残积土的效果,综合考虑木质素磺酸钙的特点和MICP(Microbial-induced calcite precipitation)作用过程的环境条件,设计进行木质素磺酸钙增强MICP固化花岗岩残积土试验,综合宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析木质素磺酸钙对微生物固化花岗岩残积土的增强效果及增强机制。结果表明：(1)木质素磺酸钙能够显著提高花岗岩残积土微生物加固过程中的胶结物产量,木钙掺量在4.00%左右达到最佳,与常规MICP相比,胶结物生成量提高了48.86%;(2)木质素磺酸钙的掺入,显著提高了固化体的抗压强度和抵抗变形能力,2.00%～8.00%掺量下固化体的抗压强度提升了4.75%～41.20%,破坏时应变增加16.24%～38.55%;(3)掺入木质素磺酸钙后,固化体的孔隙大小及孔隙率均有不同程度降低,孔隙率降低了12.97%～37.38%,固化体的整体密实性进一步增强;(4)木质素磺酸钙的掺入,改善了残积土的孔隙结构,为后续微生物加固提供更好的环境条件;(5)在微生物固化花岗岩残积土过程中掺入木质素磺酸钙后,改善了微生物生长的酸碱环境,丰富了MI...     

颗粒级配对残积土MICP灌浆效果的影响评价

微生物诱导碳酸钙沉淀加固砂性土的试验研究较为丰富,但在固化崩解性软岩残积土的可行性及效果评价方面目前仍未涉及。考虑到崩解性软岩残积土与砂性土颗粒的诸多不同以及自身颗粒级配产生的差异,选用4种不同粒径范围的松散泥质软岩残积土颗粒进行微生物灌浆试验研究,并通过渗透性能、无侧限抗压强度(UCS)试验、碳酸钙生成量及孔隙率测试,分析颗粒级配对残积土MICP灌浆效果的影响;再借助于扫描电镜(SEM),观测全级配残积土颗粒表面的MICP反应效果。结果表明:不同粒径级配的崩解性软岩残积土在经过微生物灌浆处理后,其胶结效果差异明显。全级配崩解性软岩残积土灌浆过程中更易沉积具有胶结作用的碳酸钙晶体,其胶结试样力学性能较间断级配提升显著,且其孔隙率降幅和单位质量碳酸钙生成量也较大,胶结效果更佳。研究成果可为软岩弃渣填方路堤的微生物加固工程提供借鉴。     

微生物矿化碳酸钙改良土体的进展、展望与工程应用技术设计

利用微生物矿化碳酸钙（Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation,简称MICP）沉积出具有胶结功能的碳酸钙,填充土内孔隙、胶结土颗粒,能够提高土体强度、降低渗透性,具有很好的土体改良作用,在微生物注浆、加固土坝、防风固砂、库底防渗、坝体防渗、污染土壤（地下水）修复等方面具有工程应用前景。对MICP土体改良研究进行了总结、分析和展望：利用MICP技术能够将砂土的无侧限抗压强度提高到20MPa以上,渗透系数降低到处理前的1%,剪切波速提高4倍,能够胜任岩土工程任务;认为下一步应重点对处理效果的均匀性、适用的地基土范围、处理土的全面性能开展系统研究,如耐久性、动力性能和防腐性能等。MICP技术已经在砂砾体稳定、地下室堵漏中得到了少量应用,工程应用施工技术是MICP应用的瓶颈。对MICP在岩土工程领域应用的施工技术进行了设计,包括地基加固、液化地基改良、污染土壤（地下水）修复、坝体防渗堵漏和加固砂桩,以推动MICP技术的实际工程应用为盼。     

多浓度营养盐处理对微生物胶结砂土均匀性与强度的影响

采用二次注入菌液方式,制备不同浓度营养盐处理的MICP(微生物诱导碳酸钙沉淀)胶结砂样。选用巴氏芽孢杆菌作为固化细菌,采用单一浓度(0.5、1.0mol/L)和多浓度相结合(前期采用0.5mol/L,后期采用1.0mol/L)的处理方式注射营养盐(尿素/氯化钙混合液),研究多浓度营养盐结合处理方式对微生物固化砂土强度及均匀性的影响。基于试验测试分析了固化砂土试样不同区间段的强度、弹性模量以及碳酸钙含量。试验结果表明,多浓度营养盐处理方式对固化砂土试样的强度及碳酸钙含量有明显影响;多浓度营养盐结合处理方式能够保证试样有较好的均匀性条件下获得较高强度及弹性模量。基于多浓度营养盐处理方式,探讨分析了影响试样强度和均匀性的基本因素。     

微生物诱导碳酸钙沉积加固有机质黏土的试验研究

利用尿素水解菌ATCC 11859,开展了不同胶结液浓度下MICP压力灌浆加固有机质黏土的研究试验。通过试验前后试样的无侧限抗压强度、CaCO_3含量、渗透系数、有机质含量以及灌浆过程中流出液Ca~(2+)与NH_4~+浓度的变化,综合评价了MICP压力灌浆加固有机质黏土的效果。结果表明:MICP压力灌浆加固有机质黏土是有效的,处理后试样有机质含量可降低1%～4%,无侧限抗压强度提高可达370%,渗透系数可降低约1个数量级;在本试验的菌液活性(即每分钟水解尿素的量为9.68毫摩尔每升)及浓度(约108 cell/mL)下,胶结液浓度对处理效果有明显影响,提高0.25M胶结液中的urea浓度,可显著提高处理后土体的无侧限抗压强度。     

Assessment of the bio-cementation effect on shale soil using ultrasound measurement

The assessment of bio-cementation effect using nondestructive testing methods is important for the application of microbial-induced carbonate precipitation (MICP) technique. In this study, a special grouting system was designed to conduct the bio-grouting of shale soils on a testing model. The ultrasound technique was used to evaluate the effectiveness of bio-cementation. A method was derived to estimate the distribution of ultrasonic wave velocity values within the testing model based on the average values measured on the model surfaces. From the changes of isosurfaces of velocity values, the evolution of soil improvement within the model corresponding to the different number of grouting cycles was analyzed numerically and visually. The SEM imaging technique was used to illustrate the mechanism of influence of the calcium carbonate precipitation on the wave velocity of the bio-cemented specimen. The linear relationships were established among the ultrasonic wave velocity, unconfined compressive strength (UCS), and the amount of CaCO₃ precipitations formed in the MICP process. In combination with the application of the ultrasound measurement technique as demonstrated in this work, the relationship provides a very useful nondestructive testing tool to assess the effectiveness of bio-cementation within a large soil body.     

微生物固化砂柱效果电阻率评价研究

目前尚没有简便可行的方法对现场微生物固化效果进行评价,因此,提出采用便捷无损的电阻率法评价砂土的固化效果。首先对微生物固化砂柱的电阻率与孔隙率、含水率和碳酸钙含量的关系进行研究,然后研究了电阻率和无侧限抗压强度的关系,并提出综合参数N表示固化砂柱的孔隙率、含水率和碳酸钙含量,研究综合参数与固化砂柱电阻率和无侧限抗压强度的关系,从而提出微生物固化砂柱的电阻率模型。结果表明固化砂柱电阻率随着孔隙率的增加而增大,随含水率的增加而减小,随碳酸钙含量的增加近似线性减小。同时固化砂柱的电阻率与砂柱的相关性质存在较好的关联性。电阻率法是一种有效的微生物固化砂柱效果评价方法,可用在实际MICP技术的现场应用中。     

Recycling of dredged river silt reinforced by an eco-friendly technology as microbial induced calcium carbonate precipitation (MICP)

A large amount of river silt is continuously dredged and usually dumped in landfills or oceans, resulting in land occupation and environmental pollution. Traditionally, cement-based materials are used to cement dredged river silt as building materials, which not only increases carbon dioxide emissions but also uses very little dredged silt. In order to realize the resource utilization of dredged river silt, microbial induced calcium carbonate precipitation (MICP) technology, which has the advantages of lower energy consumption, less environmental pollution and lower carbon emissions, is adopted to solidify the dredged river silt as roadbed materials in this paper. The unconfined compressive strength (UCS) test, calcium carbonate (CaCO₃) content test and microstructure test are carried out to analyze the mechanical properties of the solidified dredged river silt. The test results show that the MICP mixing method can be employed to solidify loose dredged river silt into high-strength construction materials. The concentration of the cementation solution has a significant effect on the solidification effect, and the most reasonable concentration of the cementation solution is 1.5 mol/L. With the increase of treatment times, the pores in the soil are filled with CaCO₃, and the UCS of the specimens after 10 times of treatment can reach 6.75 MPa with a relatively uniform CaCO₃ content of 27.8 %. The main crystal form of CaCO₃ is calcite, which can fill the pores and make the river silt particles cement as a whole, which is the main reason for the improvement of mechanical properties of dredged river silt.     

温度对微生物诱导碳酸钙沉积加固砂土的影响研究

利用尿素水解菌ATCC 11859,在10℃,20℃,30℃的环境下进行了微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)水溶液试验、一维砂柱加固试验和细菌活性试验。研究表明,水溶液试验中,温度对于MICP的影响和反应时间有关,反应前期,温度较高的环境下钙离子消耗量较大,反应一段时间后温度较低的环境下钙离子消耗量较大;砂柱试验中,温度较低的环境下加固形成的砂样无侧限抗压强度较大,碳酸钙含量的检测表明,环境温度越高,砂柱中生成的碳酸钙含量越低;无侧限压缩试验的应力应变关系表明,相对低温条件下MICP处理的砂样在达到峰值强度时能够产生较大的变形;不同温度下细菌活性试验表明,细菌活性衰减较快是高温环境下碳酸钙的最终沉积量较小的原因。