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基于MICP的多种固化淤泥方式的试验探讨

日期:2024年04月27日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:101
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202404221552071452 论文字数:52422 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文基于巴氏芽孢杆菌的MICP技术,开展了MICP固化淤泥、MICP联合磷石膏固化淤泥以及MICP联合水泥固化淤泥三类MICP固化淤泥的试验,对固化后试样的物理力学性能指标与微观材料性能结果进行讨论,并分析其固化机理。

第一章绪论

1.1研究背景与研究意义

福建省多丘陵、山地,平原多为冲积、海积平原且面积相对其他沿海省份较小,此类平原的地层中多含深厚的淤泥层。随着福建省的社会与经济的发展,加之有限的用地,高层建筑以及地铁的建设工程不断展开以及海洋强省战略工程的推进,无论是高层建筑与地铁车站的深基坑工程、江河淤泥的处置、还是海上风电的建设,都将涉及到淤泥的固化工作。

淤泥有含水率高、有机物含量高、渗透系数小、颗粒粒径小等特点,且具有以下特殊的工程性质:(1)高压缩性:淤泥的压缩系数大,属于高压缩性土。(2)流变性:淤泥次固结沉降较大。(3)触变性:当淤泥土受动荷载后,易发生液化,导致其结构破坏,强度降低。(4)强度低:淤泥的直剪强度一般小于30 kPa,承载力一般小于100 kPa。因此在含有深厚淤泥层的工程中,需要对淤泥层固化才能进行工程的后续建设。

在实际工程的应用中,主要有两种固化淤泥的方法:第一种即通过晾晒、机械脱水以及加热淤泥等物理手段来降低含水率的方法来固化淤泥,但是晾晒法的效果易受天气影响,而其他两种方法成本较高,因此并未大面积推广使用;第二种即通过在淤泥中添加人工固化剂来固化淤泥的化学方法。常见的固化剂有水泥、环氧树脂、丙烯酰胺、酚醛树脂、硅酸盐和聚氨酯等[1]。然而,大多数化学固化剂添加到土壤中会对周边的环境产生毒害,进而影响人类与其他生物的健康安全。日本就曾发生过使用丙烯酰胺灌浆而造成多人死亡的重大事故,为此日本政府禁止了除水玻璃外的化学灌浆材料,而其他政府也纷纷出台了此类政策[1]。水泥作为最普通的固化材料之一,国内外已有大量使用水泥固化淤泥的研究与应用[2-4],但水泥生产过程中会排放大量的温室气体,每生产1吨水泥熟料,因燃煤和石灰石分解会排放出1吨的CO2[5],因此它的生产制作被认为是引起全球变暖进而导致海平面上升的主要原因之一[6-7]。

1.2国内外研究现状

1.2.1水泥固化淤泥研究现状

早在1900年初,美国就开始大量使用水泥来固化大坝的地基中的软土层,并制定了一系列的标准,经过一百多年的研究与发展,水泥早已成为使用最普遍的固化材料。在淤泥、淤泥等富水软土中掺入水泥搅拌混合后形成的固化土体称为水泥土,水泥作为固化剂在富水软土中发生水解和水化反应,水化产物填充于软土的孔隙形成水泥骨架,约束土粒实现固化效果,提高软土的抗压以及抗剪强度。水泥土的固化机理主要有[19-20]:

(1)水解和水化反应

水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、游离氧化钙等与水发生了不同速度的反应,在放出不同的热量后生成了不同强度的水化产物,当不断生成的水化产物使溶液达到饱和后,就会使后续生产的水化物以分散的胶体形态析出。

(2)离子交换和团粒化作用

水泥经过水解和水化作用之后,生成氢氧化钙,从而使溶液中析出大量的钙离子。软土与水结合时表现出胶体特征,其表面带有钠离子Na+或钾离子K+与钙离子进行当量交换吸附,使较小的土颗粒形成较大的土团粒,从而提高土体的强度。

(3)硬凝反应

随着水泥的水化反应的持续进行,析出的钙离子数量超过离子交换的需要量后,在碱性环境下与黏土矿物中的二氧化硅及三氧化铝进行反应,生成不溶于水的稳定结晶化合物,进而增大水泥土的强度。

第二章试验材料与方法

2.1微生物

材料根据本文第一章1.2.2节的叙述可知,对比其他用于MICP的微生物,巴氏芽孢杆菌有碳酸钙产生速率快、环境适应性强等特点,并且已有大量的实验与工程的印证了其实用性。故本文试验所用微生物选用巴氏芽孢杆菌,下文若未做特别声明,提到的微生物或细菌均指巴氏芽孢杆菌。所用巴氏芽孢杆菌菌株采购自美国菌种保藏中心,编号ATCC 11859。

2.1.1微生物的保存

为避免在多次传代培养后,巴氏芽孢杆菌产生脲酶的能力以及脲酶活性的下降,需要将高产脲酶以及脲酶活性高的细菌进行制种保存。在无菌环境中,将灭菌后的甘油与菌液以3:1或者4:1的比例混合均匀后装入2ml离心管中,放入零下20℃的环境中保存,保存期限可达3至6个月。

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2.2淤泥土

本文所用淤泥取自福建某沿海地区淤泥层,厚度为0 m~20m,上覆盖填土为1m-4 m,颜色多呈灰色,局部见少量砂粒与贝壳碎屑,有机质含量在1.9%~6.2%之间。在直接快剪实验中,内摩擦角标准值为4.8°,粘聚力标准值为6.2kPa;无侧限抗压强度标准值为6.5kPa,液限平均值为40.20%,塑限平均值为20.97%。根据规范[78]的密度计法对本文所用淤泥土进行颗粒分析,结果如图2-10所示,淤泥粒径均小于1mm,d50=0.007mm。如图2-11所示,淤泥土的微观结构呈现为絮状。如图2-12所示,淤泥土成分以石英、白云母、伊利石与斜绿长石等矿物成分为主。

将已加工过的淤泥土样烘干后使用,含水率设置为45%,含水率为水的质量与干淤泥土粉质量的比值。若加入的液体为菌液与胶结液,则将试样中45%含水率所需的水代替为等质量的菌液和胶结液,且菌液与胶结液的比例为1:1。本文提到的水泥掺量与石膏掺量为水泥或石膏的质量与湿土质量的比值。首先将称重好的淤泥土粉末、外掺物(若有使用)放入搅拌碗中,使用如图2-15所示的砂浆搅拌机进行均匀;接着加入胶结液,搅拌至无大颗粒;最后加入菌液搅拌2-3min。

第三章 MICP技术固化淤泥的物理力学性能及微观结构研究......... 22

3.1 试验方案 ........................ 22

3.2 物理力学性能试验结果与分析 ......................... 22 

第四章 MICP技术联合磷石膏固化淤泥的物理力学性能及微观结构研究 ............................ 35

4.1 试验方案 ........................................ 35

4.2 物理力学性能试验结果与分析 ............................ 36 

第五章 MICP技术联合水泥固化淤泥的物理力学性能及微观结构研究 ................................ 50

5.1 试验方案 ............................... 50

5.2 水泥土试验结果与分析............................. 52

第五章MICP技术联合水泥固化淤泥的物理力学性能及微观结构研究

5.1试验方案

有大量文献[85-88]表明水泥土的水泥掺量(水泥质量与湿土质量之比)控制在7%-20%以内最为经济且实用,为研究不同水泥掺量的影响,本章试验水泥掺量设置4组,分别为9%、12%、15%、18%。龄期设置4组,分别为7d、14d、28d、90d。由第三章试验结果得出的最优巴氏芽孢杆菌浓度为OD600=4.0左右,又考虑到淤泥土及水泥粒径较小,使用搅拌机进行拌合时产生的机械摩擦可能会使细菌死亡,为保证微生物的活性以及存活数量,本章试验微生物菌液浓度控制在OD600=4.0,菌液的脲酶活性控制在2.40ms/(cm·min)左右。

在谭谦[73]的MICP增强水泥砂浆的试验中发现胶结液浓度从0.3M(mol/L,下文皆使用M表示)降至0.06M后,水泥砂浆试块强度增幅升高了42.92%,这可能是由于水泥本身就含有较多的钙离子,当钙离子浓度过高时,会导致细菌的活性下降,文章[73]还提出饱和的Ca(OH)2溶液中钙离子浓度为0.022M,理论上可以为微生物提供一个低浓度、持续有效、适宜微生物进行反应的环境。同时,文献[89]提出若加入水泥基材料中的无机盐溶液浓度较高,会导致水化产物稳定性差。结合本段的发现,为保证微生物能正常发挥MICP作用,同时为了节省成本及时间,本章试验先探索只加入尿素和水泥时,细菌的MICP作用对水泥土的增强效果,从而得出一个最优的尿素浓度;之后再控制最优的尿素浓度,探索加入不同钙离子时,MICP对水泥土的增强效果,得到各个水泥掺量下,最优的胶结液配比;最终再探究各个水泥掺量在最优胶结液配比下,MICP水泥土与龄期的关系。

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第六章结论与展望

6.1结论

本文基于巴氏芽孢杆菌的MICP技术,开展了MICP固化淤泥、MICP联合磷石膏固化淤泥以及MICP联合水泥固化淤泥三类MICP固化淤泥的试验,对固化后试样的物理力学性能指标与微观材料性能结果进行讨论,并分析其固化机理,得到了以下主要结论:

(1)使用MICP固化淤泥,在OD600大于2、胶结液浓度大于等于2M时,由于菌液浓度过高,细菌受到的胁迫会增强,进而导致固化效果下降,而细菌至少在7d后基本丧失产生MICP作用的能力。MICP固化淤泥的液塑限随着胶结液浓度升高而降低,这是由于MICP的产物与反应物导致MICP固化淤泥的持水能力减弱。MICP产生的六面体方解石将四周的片状淤泥土颗粒胶结为团聚体,但所胶结的淤泥土颗粒数量及体积较小,胶结效率十分低下。

(2)MICP联合磷石膏固化淤泥中掺入的磷石膏不仅能提供一定的钙离子,同时还参与了固化淤泥,同时适量的磷石膏也能提升土体的液塑限。MICP联合磷石膏固化淤泥中条状硫酸钙晶体交错在内部,起到了骨架的作用。而MICP产生的大量棒状文石的两端链接着两侧的片状淤泥土颗粒,形成“淤泥-文石-淤泥”单元且不断堆积成团聚体,其中留有大量的孔隙,呈现出“片状-开放-链接”式的结构,团聚体同时又附着或直接生长在硫酸