微生物诱导碳酸钙沉淀技术——城市建设中化砂为砼的神技!


来源:中国粉体网   昧光

[导读]  目前对微生物诱导碳酸钙沉淀机理主要有两个:微生物控制沉淀与微生物诱导沉淀。

中国粉体网讯  自然界中存在着大量微生物,其对地基、矿物、地质及地下工程等往往会起到潜移默化的影响,传统工程中人们往往更多地关注宏观构造物,对微生物的认识不足且缺乏案例,从而忽略了微生物对工程的影响,也浪费了其巨大的潜在价值。

 

一、微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)

 

MICP的实质是利用自然界中某类细菌,其新陈代谢可产生分解尿素的脲酶,尿素分解后产生的碳酸根离子与自然界游离的金属阳离子结合生成胶凝晶体的过程。MICP技术的应用对生产能耗、生产成本要求低,同时能减少温室气体排放MICP技术可提高土的地质特性,因此可利用其作为一种替代地质加固技术。

 

二、MICP技术原理

 

目前对微生物诱导碳酸钙沉淀机理主要有两个:微生物控制沉淀与微生物诱导沉淀。Bazylinski等认为微生物控制沉淀主要发生在有机质基体或微生物的囊泡中,有利于微生物对其成核位点与沉淀速率的高度控制,从而影响矿物质沉淀的成分、尺寸等,与环境因素无关。而微生物诱导沉淀则认为微生物在自然环境中,利用环境中的某些成分或阳离子,进行生命代谢活动而产生的相对不溶的有机和无机化合物。


MICP机制与影响因素示意图

 

Muynck 和荣辉等探究了细菌微生物诱导碳酸钙沉淀过程的机理,主要包括3个过程:

 

(1)溶液中的钙离子等阳离子被吸附在细菌细胞表面。细菌细胞壁表面带有大量负电荷官能团,能够有效地吸附Ca2+ 、Mg2+等阳离子。

 

(2)碳酸钙晶体在细胞表面沉积。底物在酶的作用下不断水解生成CO32-,并释放到微生物局部环境中,与被吸附在细胞表面的Ca2+等阳离子发生反应生成沉淀。

 

(3)随着晶核长大,微生物表面及周围逐渐被包裹,微生物营养物质的传输受到限制,导致微生物死亡。

 

三、MICP技术应用与研究

 

1固化土体

 

目前,大部分地基加固技术是利用机械能或人造灌浆材料对土壤进行物理化学处理,其中,化学灌浆技术是使用传统的胶凝材料进行加固,该方法可能导致地下水污染,土体性质改变,对环境危害也比较大。然而,利用MICP技术能显著提高土体的强度,降低渗透性,具有高效、环保、经济的特点。

 

Canakcia[M]利用芽孢杆菌诱导处理当地富含有机物的土壤,该有机土壤的抗压强度相比对照组增加20%,提高了有机土的抗剪强度,降低了土壤的压缩性。

 

2改善土体力学性质

 

由于MICP技术能在潮湿的环境中析出具有胶结性的物质,因而可改变土体内部的孔隙结构及颗粒间的相互作用方式,进而改变土体的一些力学性质。

 

Zamani等研究发现固化后的砂柱刚度显著提高是因为MICP技术将细颗粒胶结成团粒,而团粒又将粗颗粒的孔隙填充,这种现象优化了颗粒间的荷载传递路径,因此减小了整体应变,增大了刚度。

 

3抗液化

 

松散的饱和砂士在遭受地震波或振动时,会使内部的孔隙水压力上升、有效应力减小,使地基发生破坏,对上覆结构和人员造成损伤。MICP技术可以改变可液化砂土的内部形式,提高颗粒间的胶结性,降低内部孔隙水压力,起到抗液化的效果。

 

Xiao等研究了MICP对钙质砂的抗液化性能,通过循环三轴试验发现,MICP处理过后的钙质砂与清洁的钙质砂相比,内部孔隙水压力更加稳定,并且压缩变形显著降低,可明显改善钙质砂的液化潜力。

 

4混凝土裂缝修复

 

对于混凝土裂缝修复,有多种技术可供选择。Webster 等曾对历史建筑石材表面黑色硫酸盐壳用MICP过程进行清洁,对建筑石材的内部结构不产生影响。因此,利用MICP技术修复那些历史悠久、表面经岁月腐蚀的建筑物具有良好的应用前景。

 

Achal对70.6mm的立方体砂浆的不同深度裂缝进行修复,修复深度可达27.2mm。利用微生物修复技术能够将裂缝进行修复,修复的深度和宽度有限且修复效果与生成的碳酸钙含量是呈正相关的。

 

Jonkers等直接在水泥浆混合物中加入细菌孢子,细菌孢子能在水泥石中保持长达4个月的活性,细菌水泥石样本比对照产生更多的裂缝堵塞矿物质。在此基础上Wiktor等探究混凝土的愈合能力,其中,混凝土的自身水化作用可以修复0.21mm的裂缝,细菌自修复混凝土则能愈合宽达0.47 mm的裂缝。随着裂缝宽度的增加,修复效果越差,如果开裂时间超过60d几乎不能愈合。

 

5抗渗、封堵

 

MICP技术生成的碳酸钙能够将固化试样的孔隙进行填充,从而减小渗透性,达到了封堵的目的此外,固化过程中微生物会不断地产生胞外聚合物,也会对渗透性有所影响。在工程中,提高土石坝的抗渗能力,对污染区域的土体进行有效的封堵和隔离,提高石油的采收率等等,都可利用MICP的封堵性能而得以实现。

 

Achal等采用巴氏芽孢杆菌进行砂土固化试验研究发现40%的方解石沉积在砂土中,导致了砂柱的孔隙率和渗透性的降低。

 

Gao等基于MICP技术对砂质土进行改良,以控制在砂质土壤基础上灌溉渠道和水库的渗水问题,结果表明砂士经过生物处理后,表面形成10~20mm的硬壳,利用渗透仪进行渗透测试发现其渗透性远远高于未经处理的土壤。

 

6尾矿固化

 

当前尾矿产量大,堆存量多,综合利用率低;且尾矿库中堆存的尾矿大多呈流塑态或沼泽态,存在很大风险;利用微生物固化尾矿技术能很好地缓解这一难题。

 

中国科学院大学陈飞通过单因素实验确定了耐盐碱高效固化菌(中度耐盐菌)的最佳固化条件,并以冻融实验研究尾矿样品经过固化后的适应性,以扫描电镜(SEM)和X射线色散能谱(EDX)验证微生物固化尾矿的过程,最后通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术分析耐盐碱高效固化菌Halomonas sp. SBC20对尾矿中各种重金属的固定效果。

 

结语

 

MICP过程大规模运用到各个行业还有很长的路要走。在应用实践方面,生物胶结时间长达3~4周且对环境的要求很高,不利于MICP大规模运用。经济成本降低方面,生物水泥中微生物培养所需的营养物质和钙源能够从废弃物中获取,如乳制品行业的乳糖母液玉米浆、大豆种子粉末、尾矿石灰石粉末、鸡蛋壳等,但对废弃物的处理技术及获得理想目标产物需不断地完善。环境影响方面,经MICP处理后的废弃物中的氨氮含量高且尿素和钙盐残留较多,这也是一个需要解决的问题。

 

参考来源:

张海丽﹐等:微生物诱导碳酸钙沉积研究与应用,南昌大学

王恒星,等:微生物诱导固化技术研究进展,东南大学交通学院

王雪,等:混凝土内置微生物自修复材料的研究进展,重庆三峡学院

陈飞,等:利用微生物诱导碳酸钙沉淀固化尾矿,中国科学院大学

 

(中国粉体网编辑整理/昧光)

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