微生物诱导碳酸钙沉淀技术改良黄土湿陷性研究
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尿素和钙离子最佳摩尔比为 1 ∶ 1 [11] 。 使用土工布缝制
成标准三轴件(38. 1 mm × 76. 2 mm) ,如图 1 所示。 将
配制好的土样装入缝制好的模具和 61. 8 mm × 20 mm
的环刀中,在温度为 25 ℃ ,湿度为 95% 的环境下进行
为期 7 d 的养护,用于无侧限抗压强度试验和湿陷性
的试样无侧限抗压强度提高 36. 7% 。 依据研究发现,MICP 用于砂土及粗粒土的改良,针对黄土的研究较
少。 根据黄土特有的不良性质,本文拟从黄土湿陷性角度出发,采用 MICP 改良黄土湿陷性。
基于此,本文采用配置不同浓度的胶结液,通过无侧限抗压强度和湿陷系数等指标分析经 MICP 改良后
试样的变化情况及改良机理。 然后利用 CT 扫描技术,从微观角度分析改良后试样内部变化情况,研究成果
存活的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性。 其自身可以通过新陈代谢产生的产物与钙离子诱导生成碳酸根沉淀,进而填充试样孔隙。 试
验选用 YE-NH4 液体培养基( 巴士芽孢杆菌通用培养基) ,培养基配方为酵母 20 g、硫酸铵 10 g、三羟甲基氨
基甲烷 15. 75 g 和尿素 30 g。 将制作好的培养基置于 120 ℃ 高压灭菌锅内 30 min。 待培养基冷却后,将细菌
我国黄土具有覆盖广、厚度大、大面积连续等特点,其大孔隙、结构性、湿陷性等严重制约了黄土地区工
程建设的发展。 其中,黄土湿陷性一直是黄土地区研究热点 [1] 。 黄土湿陷性是指在自重或外力作用下,受
水浸润后黄土颗粒骨架迅速崩溃,强度大幅度降低的特性。 这种性质易导致建筑物发生不均匀沉降,对建筑
物的安全性及经济性带来极大的损害。 近年来,针对黄土湿陷性已展开了大量的研究,周建基等 [2] 用石灰
reduced; the amount of calcium carbonate production continues to increase with the increasing concentration of the
cementing fluid, but decreases when the concentration of the cementing fluid is greater than 1. 25 mol / L; the porosity and
Abstract: In order to effectively reduce the collapsibility of loess areas in contact with water, a study was conducted on the
collapsibility of loess using microbial induced calcium carbonate precipitation ( MICP) in Lanzhou loess. The unconfined
1. 3 试样制备
将烘干后的黄土碾碎过 2 mm 筛,加入不同浓度的
菌液。 采用拌和法将菌液与黄土充分搅拌。 为观察胶
结液浓度对试验的影响,按照 0. 50 mol / L、0. 75 mol / L、
1. 00 mol / L、1. 25 mol / L 和 1. 50 mol / L 进行配制,其中
27. 1
Plastic limit / %
13. 6
Plastic index
13. 5
Coefficient of
collapsibility
0. 129
1. 2 微生物的培养
本试验所使用的细菌为巴士芽孢杆菌( sporosarcina pasteurii) ,该细菌具有高活性、好氧、能在复杂环境下
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
970
硅 酸 盐 通 报
资源综合利用
第 41 卷
化黄土,力学性能与湿陷性得到大幅度的改善。 沈小康等 [5] 从微观角度分析高钙细化粉煤灰改良黄土的机
理,结果表明高钙细化粉煤灰的掺入可降低黄土孔隙率,增强颗粒间的胶结,从而有效改良黄土湿陷性。 目
着对试样分级加压,荷载顺序为 12. 5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa,在加上砝码的同时启动
秒表,按照规范要求进行读数,直至达到稳定沉降为止。 沉降稳定的标准是每小时变形量不超过 0. 01 mm,
而后从试样顶面加水,水面不应超过土样高度,待再度达到稳定状态后,并记录读数。
术之一,通过分解尿素生成碳酸根离子和钙离子进而诱导碳酸钙结晶体形成 [6-7] ,进一步填充颗粒孔隙和土
体骨架。 MICP 因低污染、低成本、低能耗被广泛用于土壤固化领域中。 刘世豪 [8] 采用 MICP 固化粗颗粒盐
渍土,经处理后,盐渍土的抗压强度、抗渗性等能力显著得到改善。 李征 [9] 将 MICP 用于改良风积沙,改良后
前针对黄土改良主要集中在化学、机械、外加剂等固化方法,但这些方法具有耗能高、污染大、施工周期长等
特点,不利于我国可持续发展战略。 因此,发展低耗能、低污染的固化方法是目前迫切解决的问题。
微生物诱导碳酸钙沉淀( microbial induced calcium carbonate precipitation, MICP) 技术是土壤生物改良技
可为黄土地区湿陷性处理提供参考。
1 实 验
1. 1 黄土物理特性
本试验所用黄土取自甘肃兰州市境内。 依据《 土工试验方法标准》 ( GB / T 50123—2019) [10] 对其基本物
理性能指标进行测定,结果如表 1 所示。
表 1 黄土的基本物理性能指标
Table 1 Basic physical properties of loess
mechanism of MICP was further explored. The test results show that the unconfined compressive strength of the loess
specimens modified by MICP increases significantly, up to 150 kPa, and the collapsibility of the loess is effectively
compressive strength and coefficient of collapsibility of the loess before and after MICP treatment were evaluated. The
microscopic characteristics of loess modified by MICP were analysed by CT scanning technology, and the improvement
pore equivalent diameter of the modified loess specimens are decreased. The porosity and pore equivalent diameter of the
modified loess specimens are all reduced.
中图分类号:TU444
文献标志码:A
文章编号:1001-1625(2022)03-0969-07
Microbial Induced Calcium Carbonate Precipitation Technique for
Improving Collapsibility of Loess
KONG Decheng1 , SUN Zhiguo2 , JIA Fangfang1
(1. Road and Bridge, Beijing Jiaotong Vocational Technical College, Beijing 102200, China; 2. Key Laboratory of Building Collapse
Mechanism and Disaster Prevention, China Earthquake Administration, Institute of Disaster Prevention, Langfang 065201, China)
Key words: microbial induced; calcium carbonate precipitation; loess; unconfined compressive strength; collapsibility; CT
scan; pore characteristic
0 引 言
摘要:为有效降低黄土地区遇水产生的湿陷性,以兰州黄土为研究对象,利用微生物诱导碳酸钙沉淀( MICP) 技术
对黄土湿陷性进行研究。 首先对 MICP 处理前后黄土的无侧限抗压强度及湿陷系数进行评价,然后利用 CT 扫描技
术分析 MICP 改良后的黄土微观特征,进一步探究 MICP 改良机理。 试验结果表明:经 MICP 处理后的黄土试样无
动记录。
湿陷性试验采用南京宁溪土壤仪器公司生产的 WG( GDG) 高压固结仪,按照《 土工试验方法标准》
( GB / T 50123—2019) [10] 将土样上面覆以滤纸和透水石,然后放下加压导环和传压活塞,使各部密切接触,
保持平衡。 预加 1. 0 kPa 的压力,使固结仪各部密切接触,装好百分表,并调整读数至零。 去掉预加荷载,接
对黄土进行改良,试验结果表明当掺灰质量达到 7% 时黄土湿陷性达到最小。 于淮 [3] 、柳墩利 [4] 采用水泥固
收稿日期:2021-11-04;修订日期:2021-12-07
基金项目:河北省高等学校科学技术研究项目( ZD2017306)
作者简介:孔德成(1983—) ,男,讲师。 主要从事工程技术方面的研究。 E-mail:kongdc83@ 21cn. com
试验。
图 1 标准三轴件模具
Fig. 1 Standard triaxial parts mould
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
第3 期
孔德成等:微生物诱导碳酸钙沉淀技术改良黄土湿陷性研究
971
1. 4 试验方法
无侧限抗压强度试验所采用仪器为 SLB-1 型三轴剪切试验仪,升降速率为 2 mm / min,数据由计算机自
和培养基液以 1 ∶ 100 的质量比接种至培养基,并将培养基置于恒温震荡箱(30 ℃ ) 有氧培养 24 h。
胶结液培养基包括尿素(30 g / L) 、CaCl2 ·H2 O(73. 5 g / L) 、NH4 Cl(10 g / L) 、NaHCO3 (2. 12 g / L) 和营养
肉汤(3 g / L) ,所有样品均在有氧环境下用间歇式反应器浸入胶结介质中。
硅
第 41 卷 第 3 期
2022 年 3 月
BULLETIN
OF
酸
THE
盐
CHINESE
通
CERAMIC
报
SOCIETY
Vol. 41 No. 3
March,2022
微生物诱导碳酸钙沉淀技术改良黄土湿陷性研究
孔德成1 ,孙治国2 ,贾方方1
(1. 北京交通职业技术学院路桥系,北京 102200;2. 防灾科技学院中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室,廊坊 065201)
Dry density /
( g·cm - 3 )
1. 35
Maximum dry
density / ( g·cm - 3 )
1. 89
Natural water
mass fraction / %
4. 4
Specific gravity of
soil particle
2. 68
Liquid limit / %
侧限抗压强度显著提高,最高可达 150 kPa,黄土湿陷性有效降低;随着胶结液浓度不断增加,碳酸钙生成量持续增
加,但在胶结液浓度大于 1. 25 mol / L 时,碳酸钙生成量呈下降趋势;改良后黄土试样的孔隙率、孔隙等效直径等指
标均降低。
关键词:微生物诱导; 碳酸钙沉淀; 黄土; 无侧限抗压强度; 湿陷性; CT 扫描; 孔隙特征
成标准三轴件(38. 1 mm × 76. 2 mm) ,如图 1 所示。 将
配制好的土样装入缝制好的模具和 61. 8 mm × 20 mm
的环刀中,在温度为 25 ℃ ,湿度为 95% 的环境下进行
为期 7 d 的养护,用于无侧限抗压强度试验和湿陷性
的试样无侧限抗压强度提高 36. 7% 。 依据研究发现,MICP 用于砂土及粗粒土的改良,针对黄土的研究较
少。 根据黄土特有的不良性质,本文拟从黄土湿陷性角度出发,采用 MICP 改良黄土湿陷性。
基于此,本文采用配置不同浓度的胶结液,通过无侧限抗压强度和湿陷系数等指标分析经 MICP 改良后
试样的变化情况及改良机理。 然后利用 CT 扫描技术,从微观角度分析改良后试样内部变化情况,研究成果
存活的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性。 其自身可以通过新陈代谢产生的产物与钙离子诱导生成碳酸根沉淀,进而填充试样孔隙。 试
验选用 YE-NH4 液体培养基( 巴士芽孢杆菌通用培养基) ,培养基配方为酵母 20 g、硫酸铵 10 g、三羟甲基氨
基甲烷 15. 75 g 和尿素 30 g。 将制作好的培养基置于 120 ℃ 高压灭菌锅内 30 min。 待培养基冷却后,将细菌
我国黄土具有覆盖广、厚度大、大面积连续等特点,其大孔隙、结构性、湿陷性等严重制约了黄土地区工
程建设的发展。 其中,黄土湿陷性一直是黄土地区研究热点 [1] 。 黄土湿陷性是指在自重或外力作用下,受
水浸润后黄土颗粒骨架迅速崩溃,强度大幅度降低的特性。 这种性质易导致建筑物发生不均匀沉降,对建筑
物的安全性及经济性带来极大的损害。 近年来,针对黄土湿陷性已展开了大量的研究,周建基等 [2] 用石灰
reduced; the amount of calcium carbonate production continues to increase with the increasing concentration of the
cementing fluid, but decreases when the concentration of the cementing fluid is greater than 1. 25 mol / L; the porosity and
Abstract: In order to effectively reduce the collapsibility of loess areas in contact with water, a study was conducted on the
collapsibility of loess using microbial induced calcium carbonate precipitation ( MICP) in Lanzhou loess. The unconfined
1. 3 试样制备
将烘干后的黄土碾碎过 2 mm 筛,加入不同浓度的
菌液。 采用拌和法将菌液与黄土充分搅拌。 为观察胶
结液浓度对试验的影响,按照 0. 50 mol / L、0. 75 mol / L、
1. 00 mol / L、1. 25 mol / L 和 1. 50 mol / L 进行配制,其中
27. 1
Plastic limit / %
13. 6
Plastic index
13. 5
Coefficient of
collapsibility
0. 129
1. 2 微生物的培养
本试验所使用的细菌为巴士芽孢杆菌( sporosarcina pasteurii) ,该细菌具有高活性、好氧、能在复杂环境下
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970
硅 酸 盐 通 报
资源综合利用
第 41 卷
化黄土,力学性能与湿陷性得到大幅度的改善。 沈小康等 [5] 从微观角度分析高钙细化粉煤灰改良黄土的机
理,结果表明高钙细化粉煤灰的掺入可降低黄土孔隙率,增强颗粒间的胶结,从而有效改良黄土湿陷性。 目
着对试样分级加压,荷载顺序为 12. 5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa,在加上砝码的同时启动
秒表,按照规范要求进行读数,直至达到稳定沉降为止。 沉降稳定的标准是每小时变形量不超过 0. 01 mm,
而后从试样顶面加水,水面不应超过土样高度,待再度达到稳定状态后,并记录读数。
术之一,通过分解尿素生成碳酸根离子和钙离子进而诱导碳酸钙结晶体形成 [6-7] ,进一步填充颗粒孔隙和土
体骨架。 MICP 因低污染、低成本、低能耗被广泛用于土壤固化领域中。 刘世豪 [8] 采用 MICP 固化粗颗粒盐
渍土,经处理后,盐渍土的抗压强度、抗渗性等能力显著得到改善。 李征 [9] 将 MICP 用于改良风积沙,改良后
前针对黄土改良主要集中在化学、机械、外加剂等固化方法,但这些方法具有耗能高、污染大、施工周期长等
特点,不利于我国可持续发展战略。 因此,发展低耗能、低污染的固化方法是目前迫切解决的问题。
微生物诱导碳酸钙沉淀( microbial induced calcium carbonate precipitation, MICP) 技术是土壤生物改良技
可为黄土地区湿陷性处理提供参考。
1 实 验
1. 1 黄土物理特性
本试验所用黄土取自甘肃兰州市境内。 依据《 土工试验方法标准》 ( GB / T 50123—2019) [10] 对其基本物
理性能指标进行测定,结果如表 1 所示。
表 1 黄土的基本物理性能指标
Table 1 Basic physical properties of loess
mechanism of MICP was further explored. The test results show that the unconfined compressive strength of the loess
specimens modified by MICP increases significantly, up to 150 kPa, and the collapsibility of the loess is effectively
compressive strength and coefficient of collapsibility of the loess before and after MICP treatment were evaluated. The
microscopic characteristics of loess modified by MICP were analysed by CT scanning technology, and the improvement
pore equivalent diameter of the modified loess specimens are decreased. The porosity and pore equivalent diameter of the
modified loess specimens are all reduced.
中图分类号:TU444
文献标志码:A
文章编号:1001-1625(2022)03-0969-07
Microbial Induced Calcium Carbonate Precipitation Technique for
Improving Collapsibility of Loess
KONG Decheng1 , SUN Zhiguo2 , JIA Fangfang1
(1. Road and Bridge, Beijing Jiaotong Vocational Technical College, Beijing 102200, China; 2. Key Laboratory of Building Collapse
Mechanism and Disaster Prevention, China Earthquake Administration, Institute of Disaster Prevention, Langfang 065201, China)
Key words: microbial induced; calcium carbonate precipitation; loess; unconfined compressive strength; collapsibility; CT
scan; pore characteristic
0 引 言
摘要:为有效降低黄土地区遇水产生的湿陷性,以兰州黄土为研究对象,利用微生物诱导碳酸钙沉淀( MICP) 技术
对黄土湿陷性进行研究。 首先对 MICP 处理前后黄土的无侧限抗压强度及湿陷系数进行评价,然后利用 CT 扫描技
术分析 MICP 改良后的黄土微观特征,进一步探究 MICP 改良机理。 试验结果表明:经 MICP 处理后的黄土试样无
动记录。
湿陷性试验采用南京宁溪土壤仪器公司生产的 WG( GDG) 高压固结仪,按照《 土工试验方法标准》
( GB / T 50123—2019) [10] 将土样上面覆以滤纸和透水石,然后放下加压导环和传压活塞,使各部密切接触,
保持平衡。 预加 1. 0 kPa 的压力,使固结仪各部密切接触,装好百分表,并调整读数至零。 去掉预加荷载,接
对黄土进行改良,试验结果表明当掺灰质量达到 7% 时黄土湿陷性达到最小。 于淮 [3] 、柳墩利 [4] 采用水泥固
收稿日期:2021-11-04;修订日期:2021-12-07
基金项目:河北省高等学校科学技术研究项目( ZD2017306)
作者简介:孔德成(1983—) ,男,讲师。 主要从事工程技术方面的研究。 E-mail:kongdc83@ 21cn. com
试验。
图 1 标准三轴件模具
Fig. 1 Standard triaxial parts mould
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
第3 期
孔德成等:微生物诱导碳酸钙沉淀技术改良黄土湿陷性研究
971
1. 4 试验方法
无侧限抗压强度试验所采用仪器为 SLB-1 型三轴剪切试验仪,升降速率为 2 mm / min,数据由计算机自
和培养基液以 1 ∶ 100 的质量比接种至培养基,并将培养基置于恒温震荡箱(30 ℃ ) 有氧培养 24 h。
胶结液培养基包括尿素(30 g / L) 、CaCl2 ·H2 O(73. 5 g / L) 、NH4 Cl(10 g / L) 、NaHCO3 (2. 12 g / L) 和营养
肉汤(3 g / L) ,所有样品均在有氧环境下用间歇式反应器浸入胶结介质中。
硅
第 41 卷 第 3 期
2022 年 3 月
BULLETIN
OF
酸
THE
盐
CHINESE
通
CERAMIC
报
SOCIETY
Vol. 41 No. 3
March,2022
微生物诱导碳酸钙沉淀技术改良黄土湿陷性研究
孔德成1 ,孙治国2 ,贾方方1
(1. 北京交通职业技术学院路桥系,北京 102200;2. 防灾科技学院中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室,廊坊 065201)
Dry density /
( g·cm - 3 )
1. 35
Maximum dry
density / ( g·cm - 3 )
1. 89
Natural water
mass fraction / %
4. 4
Specific gravity of
soil particle
2. 68
Liquid limit / %
侧限抗压强度显著提高,最高可达 150 kPa,黄土湿陷性有效降低;随着胶结液浓度不断增加,碳酸钙生成量持续增
加,但在胶结液浓度大于 1. 25 mol / L 时,碳酸钙生成量呈下降趋势;改良后黄土试样的孔隙率、孔隙等效直径等指
标均降低。
关键词:微生物诱导; 碳酸钙沉淀; 黄土; 无侧限抗压强度; 湿陷性; CT 扫描; 孔隙特征