1.本发明涉及微生物矿化技术领域，特别涉及一种微生物加固纳米材料混合钙质砂制作方法。


背景技术：

2.为了使得钙质砂的地基承载力满足在岛礁建设的实际工程的需求，需要对钙质砂的地基进行加固处理。传统地基加固方法是利用机械能或人造材料对土体进行物理或化学加固，物理加固方法包括强夯地基、换土垫层、设水泥搅拌桩等措施，施工工期长、成本耗费高，且需要场地支持大型机械设备的展开，在很多情况下的应用受到限制。而化学加固方法即向目标岩土体灌注化学浆液，但因灌浆材料大多有强碱性和生物毒性，固化后的岩土体无法生长植被，对环境危害过大。
3.近年来，纳米材料作为外掺剂添加到需加固的材料中，改善原材料的强度，纳米材料掺入到需加固的材料中，能够作为松散的土颗粒或砂颗粒的核心使其形成致密的网状结构，从而达到改善原材料力学性能的目的，因此，纳米材料在改善原材料力学性能的应用工程中有一定的发展前景。
4.微生物矿化碳酸钙结晶(microbial induced calcium carbonate precipitation,micp)通过将特定的微生物注射到需要加固的砂土中，将其与微生物所需要的营养物质及周围的有机物结合，生成具有较好胶凝作用的生物水泥，相比化学灌浆材料，具有较好的耐久性且在保证加固强度的基础上使加固后的土体与原砂土相比有相似的孔隙率。由于微生物菌液的粘滞性低，故在灌浆过程中需要的压力较小，这使微生物大规模、远距离的加固砂土成为了可能，同时避免了使用传统灌浆加固方法时造成对土体的扰动影响，由微生物成矿原理已知，碳酸钙生成速率及生成强度可控，不同于水泥加固，微生物加固不需要养护；且这一技术可以直接运用于需要加固的基础设施处，这大大缩短了加固时间。
5.微生物矿化作用在自然界中广泛存在，某些微生物能够利用自身的生理活动或新陈代谢在体外诱导生成多种矿物，这些结晶产物对岩土体物理力学性质会产生一定的影响，近年来被地质工程学界广泛关注，由于方解石性质较为稳定，具有较好的强度和耐久性，可以很好的固化砂土，因而微生物诱导生成碳酸钙沉积(micp)一直是微生物岩土技术研究的热点，micp方法利用一些特定的产脲酶细菌，例如巴氏芽孢八叠球菌，在碱性环境中水解尿素产生co
32-，通过为之提供富含钙离子(ca
2+
)的营养盐，快速析出具有优异胶结作用的碳酸钙结晶，沉淀填满相邻砂土颗粒之间的孔隙，从而将松散的砂粒团聚成块状固体，该技术成本低、见效快、无污染，最早应用于多孔介质材料的堵漏，随后被推广应用到修复石质材料和水泥基材料的表面裂缝缺陷中，而关于土体加固的研究起步较晚。
6.因此，发明一种微生物加固纳米材料混合钙质砂制作方法来解决上述问题很有必要。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种微生物加固纳米材料混合钙质砂制作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种微生物加固纳米材料混合钙质砂制作方法，包括以下具体步骤：
9.一种微生物加固纳米材料混合钙质砂制作方法，包括以下具体步骤：
10.一、准备钙质砂，将钙质砂过2mm筛，然后置于流水下漂洗，待其原有盐分及可溶性物质洗去后，置于烘箱内烘干待用；
11.二、准备纳米材料，纳米材料可选择纳米粘土或纳米mgo；
12.三、材料混合，将钙质砂与纳米材料按照质量百分比进行混合，得到纳米材料混合钙质砂，纳米材料掺入比计算公式为：
[0013][0014]an
代表钙质砂中掺入纳米材料的百分比，mn代表混合样中掺入纳米材料的质量，m
cs
代表混合样中钙质砂的质量；
[0015]
四、制取混合砂浆，将混合后的所述纳米材料混合钙质砂加超纯水搅拌均匀制取混合砂浆；
[0016]
五、微生物加固，采用micp改良液对混合砂浆进行微生物加固，微生物加固方法包括注射法、浸泡法和浇灌法，micp改良液由巴氏芽孢八叠球菌菌液和胶结溶液组成；
[0017]
六、养护收尾，对微生物加固后的混合砂浆进行养护处理，以形成微生物加固纳米材料混合钙质砂。
[0018]
优选的，所述步骤一中，钙质砂取自岛礁地区，为松散未胶结的砂颗粒，在环境温度为30
±
5℃，相对湿度为60
±
10％条件下，钙质砂的技术指标为：
[0019]
。
[0020]
优选的，所述步骤二中，在环境温度为30
±
5℃，相对湿度为60
±
10％条件下，纳米材料为纳米黏土蒙脱石衍生物时的技术指标为：
[0021]
。
[0022]
优选的，所述步骤二中，在环境温度为30
±
5℃，相对湿度为60
±
10％条件下，纳米材料为纳米氧化镁时的技术指标为
[0023][0024]
纳米材料为纳米氧化镁时的技术指标为
[0025]
。
[0026]
优选的，所述步骤三中，纳米粘土的掺量an在4％-8％,纳米mgo的掺量an在0.5％-2％。
[0027]
优选的，所述步骤五中，micp改良液由巴氏芽孢八叠球菌菌液和胶结溶液组成：
[0028]
菌液由浓度od
600
＝1.5的巴氏芽孢八叠球菌s.pasteurii及其生命活动所必需的营养盐溶液共同构成，每1l的营养盐溶液中含有6.0g的大豆蛋白胨、16.0g的胰蛋白胨、5.0g的氯化钠以及20g的尿素，营养盐溶液的ph值为7.25，活化好的菌液置于4℃的温度下保存；
[0029]
胶结溶液由浓度为0.60mol/l～1.50mol/l的氯化钙溶液，浓度为0.60mol/l～1.50mol/l的尿素溶液混合而成。
[0030]
优选的，所述步骤五中，在对混合砂浆进行微生物加固时，菌液od
600
值为1.5，培养温度为20-40℃，固体培养基ph值为7.0-9.5，胶液浓度为1mol/l。
[0031]
本发明的技术效果和优点：
[0032]
1、本发明通过采用micp改良液对钙质砂进行微生物加固，增强钙质砂的物理力学性质，并提升其工程性能，结合纳米材料能改善原材料力学性能的优点，利用微生物诱导生成碳酸钙可以得到一种胶结钙质砂岩，固化后的钙质砂样单轴抗压强度可达兆帕级，且力学性能能够保持长期稳定，海水、雨水环境不会对固化后的“微生物加固纳米材料混合钙质砂”带来危害，且微生物固化作用不产生毒副产物，微生物固化工程所需的成本较使用水泥、沥青等材料更低；
[0033]
2、本发明通过利用尿素细菌巴氏芽孢八叠球菌分泌脲酶促进尿素分解，使其与环境中的钙离子结合生成方解石用以胶结松散的纳米材料混合钙质砂颗粒，通过微生物培养的方法，可以大幅度提升钙质砂的工程性质，该方法作为一种绿色环保的新兴工艺方法，在一定程度上可以替代水泥类化学胶结物，既满足工程需求，又能极大程度地减少二氧化碳排放量，减少了温室效应带来的不良影响。
附图说明
[0034]
图1为本发明施工工艺流程图。
[0035]
图2为本发明钙质砂形状示意图。
[0036]
图3为本发明钙质砂的颗粒形状示意图。
[0037]
图4为本发明不同粒径的钙质砂颗粒示意图。
[0038]
图5为本发明钙质砂颗粒级配曲线。
[0039]
图6为本发明钙质砂sem微观图。
[0040]
图7为本发明钙质砂元素分析图。
[0041]
图8为本发明纳米粘土形状示意图。
[0042]
图9为本发明纳米粘土放大2000倍sem图。
[0043]
图10为本发明纳米粘土的eds分析图。
[0044]
图11为本发明纳米mgo形状示意图。
[0045]
图12为本发明纳米mgo放大2000倍sem图。
[0046]
图13为本发明纳米mgo的eds分析图。
[0047]
图14为本发明注射法示意图。
[0048]
图15为本发明浸泡法示意图。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
[0050]
本发明提供了如图1-15所示的一种微生物加固纳米材料混合钙质砂制作方法，如图1所示，包括以下具体步骤：
[0051]
一、准备钙质砂，将钙质砂过2mm筛，然后置于流水下漂洗10min，待其原有盐分及可溶性物质洗去后，置于烘箱内105℃烘干待用，钙质砂取自岛礁地区，为松散未胶结的砂颗粒，现场取出的钙质砂如图2所示，与常规的陆源硅质砂相比，钙质砂的颜色偏白，钙质砂中含有珊瑚碎屑，因此白色砂颗粒中会出现一些红色颗粒，本发明选用的钙质砂物理基本力学指标如下表所示(在环境温度为30
±
5℃，相对湿度为60
±
10％条件下)，
[0052][0053]
钙质砂的基本力学性质受到诸多因素的影响，例如：海水冲击荷载、温度以及地震荷载等因素，因此，钙质砂在工程性质方面有别于普通陆源砂，钙质砂多棱角、多孔隙且形状不规则，根据钙质砂的外观形状，其大致可分为树枝状骨架砂颗粒、块状砂颗粒、片状砂颗粒和贝壳及海螺等生物碎屑，如图3所示；
[0054]
为分析钙质砂粒径的分布情况，可采用颗粒级配分析来测定钙质砂颗粒中各种粒径的砂颗粒的质量占钙质砂总体质量的比值，测试方法为：
[0055]
1)将取回的松散未胶结的钙质砂烘干，去除珊瑚枝、水草和小贝壳等杂物，以减少对筛分实验的误差；
[0056]
2)城区质量为300g的钙质砂，采用2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、以及0.074mm的标准筛网进行过筛；
[0057]
3)重复筛分实验3次，以避免单次筛分实验造成数据偏差；
[0058]
根据实验获取不同粒径的钙质砂，不同粒径的钙质砂如图4所示，绘制出的颗粒级配曲线如图5所示；
[0059]
为了进一步了解钙质砂的内部结构，可以对钙质砂进行微观实验，钙质砂的sem微观图如图6所示，图6(a)为放大100倍，图6(b)为放大500倍，从图6(a)中可以看出，钙质砂的表面有很多的孔隙且有微裂缝，钙质砂的颗粒表面棱角丰富，棱角度高且形状不规则，从图6(b)可以看出，钙质砂的表面表现蜂窝状，而且孔隙内一般会有填充物，颗粒间排列不规则，没有明显的定向排列特征，并且颗粒骨架间存在较多孔隙；
[0060]
钙质砂的eds元素图如图7所示，从图中可以看出，钙质砂中主要包含ca、c、o、mg、na和s等元素，si和al元素的含量极少，而陆源砂则是富含si和al等元素，在海洋环境中，ca
2+
容易被mg
2+
置换，而海水中富含卤族元素，故mg元素则体现了其特有的沉积环境，陆源砂中有矿物成分，其si、al和k元素与的含量远远要高于钙质砂，因此，从钙质砂的元素组成方面，可以区分钙质砂和陆源砂。
[0061]
二、准备纳米材料，纳米材料可选择纳米粘土或纳米mgo；
[0062]
纳米粘土是蒙脱石的纳米级别衍生物，外观表现为浅粉色粉末状，如图8所示，其放大2000倍的sem图如图9所示，eds元素分析图如图10所示，其微观结构较为致密且含有较多细小的颗粒，主要包含si、o、al、ca和c等元素，在环境温度为30
±
5℃，相对湿度为60
±
10％条件下，本发明纳米材料选用的纳米黏土蒙脱石衍生物的技术指标为：
[0063][0064]
在环境温度为30
±
5℃，相对湿度为60
±
10％条件下，纳米材料为纳米氧化镁时的技术指标为，其主要物理力学指标如下表所示：
[0065][0066]
其质量检测指标如下表所示：
[0067][0068]
由上表可知，纳米mgo粒径很小，在40nm-60nm之间，纯度高且具有高熔点和沸点，其颗粒很小且结构致密，元素主要包含mg和o。
[0069]
三、材料混合，将钙质砂与纳米材料按照质量百分比进行混合，得到纳米材料混合钙质砂，纳米材料掺入比计算公式为：
[0070][0071]an
代表钙质砂中掺入纳米材料的百分比，mn代表混合样中掺入纳米材料的质量，m
cs
代表混合样中钙质砂的质量，纳米粘土的掺量an在4％-8％,纳米mgo的掺量an在0.5％-2％。
[0072]
四、制取混合砂浆，将混合后的“纳米材料混合钙质砂”加超纯水搅拌均匀制取混合砂浆，进一步的，混合砂浆含水率优选为30％，以便混合物具有一定塑性以便于装填。
[0073]
五、微生物加固，采用micp改良液对混合砂浆进行微生物加固，微生物加固方法包括注射法、浸泡法和浇灌法，micp改良液由巴氏芽孢八叠球菌菌液和胶结溶液组成：
[0074]
micp改良液采用现有技术的micp改良液，菌液可以由浓度od
600
＝1.5的巴氏芽孢八叠球菌s.pasteurii及其生命活动所必需的营养盐溶液共同构成，每1l的营养盐溶液中含有6.0g的大豆蛋白胨、16.0g的胰蛋白胨、5.0g的氯化钠以及20g的尿素，营养盐溶液的ph值为7.25，活化好的菌液应置于4℃的温度下保存；
[0075]
胶结溶液可以由浓度为0.60mol/l～1.50mol/l的氯化钙溶液，浓度为0.60mol/l～1.50mol/l的尿素溶液混合而成，胶结溶液的具体浓度还必须根据现场地基中的土粒级配来合理确定；
[0076]
在对混合砂浆进行微生物加固时，菌液od
600
值约为1.5，培养温度20-40℃，固体培养基ph＝7.0-9.5，胶液浓度为1mol/l；
[0077]
可采用酶标仪对菌液进行微生物数目检测，可采用电导率仪对菌液进行脲酶活性检测，具体方法为：
[0078]
取5毫升培养24小时后的菌液，加入45毫升1.6mol的尿素溶液混合，在室温条件下，利用电导率检测时长5分钟内的电导率变化，推算出单位时间内脲酶水解的尿素量，并利用每分钟脲酶水解的尿素量表示脲酶活性；
[0079]
如图14所示，采用现有技术注射法进行微生物加固时，利用蠕动泵泵入micp改良液处理土体，以模拟实际工程中的灌浆，本发明制备的混合砂浆在微生物灌浆改良后无侧限抗压强度最高能提高到20mpa，碳酸钙含量可高达27％，随着灌浆量的增加，微生物加固混合砂浆的抗剪强度逐渐提高，粘聚力可提高至5.5kpa，摩擦角最高可达43
°
，抗剪强度的增加主要依赖于胶结作用形成的黏聚力，加固效果不均匀，在灌浆口处效果最好，随着深度的增加加固效果逐渐减弱；
[0080]
如图15所示，采用现有技术浸泡法进行微生物加固时，优选条件为：菌液od
600
值为
1.5，培养温度为20-40℃，固体培养基ph值为7.0-9.5，胶液浓度为1mol/l。室内试验研究发现本发明制备的混合砂浆在micp改良液中浸泡处理7天后无侧限强度可超过1mpa，细菌数量越多、细菌活性越强、钙源浓度越高、浸泡时间越长，加固效果越好，无侧限抗压强度与碳酸钙含量为直线关系，在相同改良方法和参数下，直接添加脲酶的加固效果要明显低于添加尿素细菌的加固效果，侧面证实了微生物改良土体中细菌的作用。
[0081]
六、养护收尾，对微生物加固后的混合砂浆进行一般养护处理，以形成微生物加固纳米材料混合钙质砂。
[0082]
综上所述，本发明通过采用micp改良液对钙质砂进行微生物加固，增强钙质砂的物理力学性质，并提升其工程性能，结合纳米材料能改善原材料力学性能的优点，利用微生物诱导生成碳酸钙可以得到一种胶结钙质砂岩，固化后的钙质砂样单轴抗压强度可达兆帕级，且力学性能能够保持长期稳定，海水、雨水环境不会对固化后的“微生物加固纳米材料混合钙质砂”带来危害，且微生物固化作用不产生毒副产物，微生物固化工程所需的成本较使用水泥、沥青等材料更低；
[0083]
通过利用尿素细菌巴氏芽孢八叠球菌分泌脲酶促进尿素分解，使其与环境中的钙离子结合生成方解石用以胶结松散的纳米材料混合钙质砂颗粒，通过微生物培养的方法，可以大幅度提升钙质砂的工程性质，该方法作为一种绿色环保的新兴工艺方法，在一定程度上可以替代水泥类化学胶结物，既满足工程需求，又能极大程度地减少二氧化碳排放量，减少了温室效应带来的不良影响。
[0084]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。