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不同加固工藝對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的影響研究 內(nèi)容總結(jié)：

目前生物工程領(lǐng)域中，可以利用自然土壤中某些特定的微生物的新陳代謝或酶化作用結(jié)合環(huán)境中的鈣離子源生成碳酸鈣，這一反應(yīng)過(guò)程也被稱(chēng)為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(Microbial Induced Carbonate Precipitation，即MICP) [1]。MICP加固技術(shù)生成的碳酸鈣與一般化學(xué)反應(yīng)中的碳酸鈣不同，這種微生物誘導(dǎo)的碳酸鈣礦化材料是一種新型的材料，其具有良好的膠結(jié)能力，可以將松散的砂礫加固成堅(jiān)硬的砂柱。該材料最早應(yīng)用于多孔介質(zhì)材料的堵漏 [2]，隨后應(yīng)用于石質(zhì)材料的表面裂縫修復(fù) [3] [4] [5]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在微生物種類(lèi) [6]、微生物濃度 [7]、反應(yīng)液濃度 [8] [9] 等方面開(kāi)展了較為全面的研究，探討了MICP加固的可行性及適用性，但這些研究主要集中在MICP溶液濃度方面，對(duì)于加固工藝研究較少 [10]，為此，本文以MICP不同加固工藝為研究對(duì)象，利用MICP技術(shù)對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行加固，對(duì)比分析不同加固工藝對(duì)MICP加固效果的影響。

內(nèi)容：

1. 引言

目前生物工程領(lǐng)域中，可以利用自然土壤中某些特定的微生物的新陳代謝或酶化作用結(jié)合環(huán)境中的鈣離子源生成碳酸鈣，這一反應(yīng)過(guò)程也被稱(chēng)為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(Microbial Induced Carbonate Precipitation，即MICP) [1]

MICP加固技術(shù)生成的碳酸鈣與一般化學(xué)反應(yīng)中的碳酸鈣不同，這種微生物誘導(dǎo)的碳酸鈣礦化材料是一種新型的材料，其具有良好的膠結(jié)能力，可以將松散的砂礫加固成堅(jiān)硬的砂柱

該材料最早應(yīng)用于多孔介質(zhì)材料的堵漏 [2]，隨后應(yīng)用于石質(zhì)材料的表面裂縫修復(fù) [3] [4] [5]

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在微生物種類(lèi) [6]、微生物濃度 [7]、反應(yīng)液濃度 [8] [9] 等方面開(kāi)展了較為全面的研究，探討了MICP加固的可行性及適用性，但這些研究主要集中在MICP溶液濃度方面，對(duì)于加固工藝研究較少 [10]，為此，本文以MICP不同加固工藝為研究對(duì)象，利用MICP技術(shù)對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行加固，對(duì)比分析不同加固工藝對(duì)MICP加固效果的影響

2. 試驗(yàn)情況2.1. 微生物試驗(yàn)試驗(yàn)選用從中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)購(gòu)買(mǎi)的巴氏生孢八疊球菌(Sporosarcina pasteurii)，CMGMCC編號(hào)為1.367

首先對(duì)該微生物進(jìn)行活化，用酒精加熱裝有微生物的安瓿瓶上部，之后滴上水滴使之破裂，用鑷子取出內(nèi)管，打開(kāi)棉塞

利用無(wú)菌移液槍吸取1 ml液體培養(yǎng)基注入內(nèi)管，使呈凍干粉狀態(tài)的細(xì)菌溶解

將溶解后的細(xì)菌倒入含有培養(yǎng)液的培養(yǎng)管中，輕微振蕩使之混合均勻

之后利用接種環(huán)以平板劃線法將細(xì)菌接種至固體培養(yǎng)基在微生物恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，待平板培養(yǎng)基內(nèi)生長(zhǎng)出白色菌落后，在30℃恒溫?zé)o菌環(huán)境下挑出單菌落于液體培養(yǎng)基內(nèi)(

圖1)，將其放置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱內(nèi)以30℃和200 r/min條件培養(yǎng)24 h，液體培養(yǎng)基會(huì)由清澈變得渾濁，如

圖2所示，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是微生物在液體培養(yǎng)基內(nèi)大量繁殖

取部分活化后的菌液在4℃環(huán)境中用離心機(jī)中以4000 r/min速度離心20 min，離心后的菌液如

圖3所示，然后倒掉上清液，取下部沉淀放入甘油中?80℃冷凍保存?zhèn)溆?br />
本試驗(yàn)培養(yǎng)基配方如下：酵母提取物20 g/L，氯化銨10 g/L，硫酸錳10 mg/L，氯化鎳24 mg/L，蒸餾水1000 g/L，(平板培養(yǎng)基配方中需加入瓊脂15 g/L)，用濃度為1 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH值為9.0

采用電導(dǎo)率儀測(cè)量菌液?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電導(dǎo)率變化值，根據(jù)Whiffin [11] 得出的經(jīng)驗(yàn)公式換算出菌液脲酶活性，本試驗(yàn)所用菌液脲酶活性為1.1 mM urea?min?1

利用分光光度計(jì)測(cè)量吸光度，本試驗(yàn)菌液吸光度OD600為0.633



Figure 1. Liquid medium

圖1. 液體培養(yǎng)基



Figure 2. Turbid liquid medium

圖2. 液體培養(yǎng)基變渾濁



Figure 3. Bacteria liquid after high speed centrifugation

圖3. 高速離心后的菌液2.2. 反應(yīng)液的配置本試驗(yàn)中反應(yīng)液采用尿素和氯化鈣混合溶液，尿素在MICP反應(yīng)中提供碳酸根離子源，氯化鈣在MICP反應(yīng)中提供鈣離子源，參考文獻(xiàn) [8] 設(shè)置尿素濃度為1 mol/L，氯化鈣濃度為1 mol/L，反應(yīng)液中尿素和氯化鈣體積之比為1:1

2.3. MICP加固砂柱試驗(yàn)試驗(yàn)砂選取中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)砂，主要成分為二氧化硅，以對(duì)半剖開(kāi)的透明PVC管作為反應(yīng)模具，在剖開(kāi)兩側(cè)粘貼泡沫條，利用喉箍將模具箍緊，在模具底部塞入帶孔橡皮塞，橡膠塞孔上接帶有變徑接頭的橡膠管作為排水通道，在導(dǎo)管上設(shè)置流速調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)液體排出流速

試驗(yàn)裝置如

圖4所示，在模具底部放入厚棉花，主要作用為防止砂樣被液體帶出，堵塞導(dǎo)管，之后裝入250 g中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)砂，砂樣高度為11 cm，然后在砂樣頂部放入厚棉花，減小溶液對(duì)砂樣的擾動(dòng)

為了研究不同加固方式對(duì)微生物反應(yīng)的影響，本次試驗(yàn)采用單相加固和雙相加固方式進(jìn)行比較

單相加固方式為：首先將蒸餾水通入模具內(nèi)，排除砂間空氣，使其進(jìn)入飽和狀態(tài)

砂樣飽和后，向其注入100 mL菌液和反應(yīng)液的混合溶液，菌液與反應(yīng)液體積之比為1:1，打開(kāi)流速調(diào)節(jié)閥，讓混合溶液在重力作用下緩慢排出，排出的混合液重復(fù)上述步驟2~3次，采用循環(huán)反應(yīng)法使MICP在砂樣顆粒間充分反應(yīng)

以上步驟為1次完整的MICP加固試驗(yàn)，試樣加固重復(fù)8次

雙相加固方式為：首先將蒸餾水通入模具內(nèi)，排除砂間空氣，使其進(jìn)入飽和狀態(tài)

砂樣飽和后，向其注入50 mL菌液靜置1 h后打開(kāi)流速調(diào)節(jié)閥，讓菌液在重力作用下排出

反復(fù)通入菌液2~3次，使巴氏生孢八疊球菌均勻吸附在砂樣顆粒表面

然后向砂樣通入50 mL MICP反應(yīng)液，打開(kāi)流速調(diào)節(jié)閥，使反應(yīng)液在重力作用下緩慢排出，反復(fù)通入反應(yīng)液2~3次，采用循環(huán)反應(yīng)法使MICP在砂樣顆粒間充分反應(yīng)

以上步驟為1次完整的MICP加固試驗(yàn)，試樣加固重復(fù)8次

MICP反應(yīng)完成后將砂樣靜置1 d后再?gòu)纳皹禹敳客ㄈ肭逅M(jìn)行過(guò)水處理，以除掉殘留在試樣內(nèi)部的菌液和反應(yīng)液



Figure 4. MICP reactor

圖4. MICP反應(yīng)裝置為了控制溫度對(duì)微生物反應(yīng)速率的影響，所有試驗(yàn)過(guò)程均在30℃的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，本試驗(yàn)加固砂樣有兩組，A組采用單相加固方式進(jìn)行MICP加固試驗(yàn)，B組采用雙相加固方式進(jìn)行MICP加固試驗(yàn)

每組三個(gè)試樣，試驗(yàn)固化次數(shù)為8次，加固完成后拆模烘干后，利用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，設(shè)置加載速率為1 mm/min

3. 試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1. 砂樣加固效果由

圖5可以看出，隨著MICP反應(yīng)的進(jìn)行，松散的砂粒逐漸被加固成具有一定強(qiáng)度的砂柱

A組試樣頂端和低端較不平整，凹凸不平，砂柱完整性較差，砂柱表面能看見(jiàn)由碳酸鈣形成的硬化薄層，但其表面的砂礫掉落現(xiàn)象較為嚴(yán)重

從

圖6科院看出，B組試樣頂端和低端較為平整，砂柱完整性較好，砂柱表面可看見(jiàn)由碳酸鈣形成的硬化薄層，砂柱表面較少砂礫掉落現(xiàn)象



Figure 5. Group A sample

圖5. A組試樣



Figure 6. Group B sample

圖6. B組試樣3.2. 砂樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)將烘干后的試樣切割成80 mm長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)試樣，然后采用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，由

圖7可知，A組試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為310 kPa，B組試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為436 kPa

由于B組試樣采用雙相加固方式進(jìn)行MICP加固試驗(yàn)，在灌入菌液后靜置一段時(shí)間使得更多的微生物附著在砂樣顆粒表面，也使得灌入的反應(yīng)液能充分反應(yīng)，生成大量碳酸鈣填充砂樣孔隙

A組試樣采用單相加固方式進(jìn)行MICP加固試樣，從

圖4左邊試樣可以看出，將菌液和反應(yīng)液混合后灌入砂柱中，大約五分鐘后混合液變成乳白色，這是由于菌液產(chǎn)生的脲酶快速分解了尿素，并在短時(shí)間內(nèi)迅速與氯化鈣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生白色的碳酸鈣沉淀

由于單相加固方式導(dǎo)致MICP加固反應(yīng)過(guò)快，在混合液還未完全滲透砂樣時(shí)產(chǎn)生的碳酸鈣便填充了顆?？紫叮虼松皹拥撞课茨芡耆M(jìn)行MICP加固反應(yīng)，造成砂樣加固不均勻，也導(dǎo)致A組砂樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低



Figure 7. Unconfined compressive strength

圖7. 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度4. 結(jié)論

1) 雙相加固方式能使MICP加固反應(yīng)更加充分，菌液和反應(yīng)液能充分滲透砂樣內(nèi)部，使之生成的碳酸鈣更加均勻的填充于砂樣孔隙中，從而提高砂樣整體強(qiáng)度

2) 單相加固方式使得MICP加固反應(yīng)過(guò)于激烈，導(dǎo)致其還沒(méi)完成滲透砂樣時(shí)生成碳酸鈣，此時(shí)碳酸鈣堵塞砂樣上部孔隙，造成混合液滲透變慢，從而影響了砂樣整體加固的均勻性

因此，雙相加固方式更適用于MICP加固反應(yīng)中

基金項(xiàng)目重慶科技學(xué)院科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(微生物礦化材料干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的耐久性研究)，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：YKJCX1920610

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標(biāo)簽：MICP,加固工藝,碳酸鈣,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,MICP,

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