不同加固工藝對微生物誘導碳酸鈣沉積的影響研究 轉載于漢斯學術交流平臺，如有侵權，請聯(lián)系我們

不同加固工藝對微生物誘導碳酸鈣沉積的影響研究 內容總結：

目前生物工程領域中，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合環(huán)境中的鈣離子源生成碳酸鈣，這一反應過程也被稱為微生物誘導碳酸鈣沉積(Microbial Induced Carbonate Precipitation，即MICP) [1]。MICP加固技術生成的碳酸鈣與一般化學反應中的碳酸鈣不同，這種微生物誘導的碳酸鈣礦化材料是一種新型的材料，其具有良好的膠結能力，可以將松散的砂礫加固成堅硬的砂柱。該材料最早應用于多孔介質材料的堵漏 [2]，隨后應用于石質材料的表面裂縫修復 [3] [4] [5]。目前，國內外學者在微生物種類 [6]、微生物濃度 [7]、反應液濃度 [8] [9] 等方面開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象，利用MICP技術對中國標準砂進行加固，對比分析不同加固工藝對MICP加固效果的影響。

內容：

1. 引言

目前生物工程領域中，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合環(huán)境中的鈣離子源生成碳酸鈣，這一反應過程也被稱為微生物誘導碳酸鈣沉積(Microbial Induced Carbonate Precipitation，即MICP) [1]

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

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

目前，國內外學者在微生物種類 [6]、微生物濃度 [7]、反應液濃度 [8] [9] 等方面開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象，利用MICP技術對中國標準砂進行加固，對比分析不同加固工藝對MICP加固效果的影響

2. 試驗情況2.1. 微生物試驗試驗選用從中國普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)購買的巴氏生孢八疊球菌(Sporosarcina pasteurii)，CMGMCC編號為1.367

首先對該微生物進行活化，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，用鑷子取出內管，打開棉塞

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

將溶解后的細菌倒入含有培養(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)以平板劃線法將細菌接種至固體培養(yǎng)基在微生物恒溫培養(yǎng)箱內進行培養(yǎng)，待平板培養(yǎng)基內生長出白色菌落后，在30℃恒溫無菌環(huán)境下挑出單菌落于液體培養(yǎng)基內(

圖1)，將其放置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱內以30℃和200 r/min條件培養(yǎng)24 h，液體培養(yǎng)基會由清澈變得渾濁，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)基內大量繁殖

取部分活化后的菌液在4℃環(huán)境中用離心機中以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氫氧化鈉溶液調節(jié)培養(yǎng)基pH值為9.0

采用電導率儀測量菌液單位時間內電導率變化值，根據(jù)Whiffin [11] 得出的經(jīng)驗公式換算出菌液脲酶活性，本試驗所用菌液脲酶活性為1.1 mM urea?min?1

利用分光光度計測量吸光度，本試驗菌液吸光度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. 反應液的配置本試驗中反應液采用尿素和氯化鈣混合溶液，尿素在MICP反應中提供碳酸根離子源，氯化鈣在MICP反應中提供鈣離子源，參考文獻 [8] 設置尿素濃度為1 mol/L，氯化鈣濃度為1 mol/L，反應液中尿素和氯化鈣體積之比為1:1

2.3. MICP加固砂柱試驗試驗砂選取中國標準砂，主要成分為二氧化硅，以對半剖開的透明PVC管作為反應模具，在剖開兩側粘貼泡沫條，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，在導管上設置流速調節(jié)閥調節(jié)液體排出流速

試驗裝置如

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，堵塞導管，之后裝入250 g中國標準砂，砂樣高度為11 cm，然后在砂樣頂部放入厚棉花，減小溶液對砂樣的擾動

為了研究不同加固方式對微生物反應的影響，本次試驗采用單相加固和雙相加固方式進行比較

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

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

以上步驟為1次完整的MICP加固試驗，試樣加固重復8次

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

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

反復通入菌液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反應液，打開流速調節(jié)閥，使反應液在重力作用下緩慢排出，反復通入反應液2~3次，采用循環(huán)反應法使MICP在砂樣顆粒間充分反應

以上步驟為1次完整的MICP加固試驗，試樣加固重復8次

MICP反應完成后將砂樣靜置1 d后再從砂樣頂部通入清水進行過水處理，以除掉殘留在試樣內部的菌液和反應液



Figure 4. MICP reactor

圖4. MICP反應裝置為了控制溫度對微生物反應速率的影響，所有試驗過程均在30℃的環(huán)境內進行，本試驗加固砂樣有兩組，A組采用單相加固方式進行MICP加固試驗，B組采用雙相加固方式進行MICP加固試驗

每組三個試樣，試驗固化次數(shù)為8次，加固完成后拆模烘干后，利用電液伺服萬能試驗機進行單軸壓縮試驗，設置加載速率為1 mm/min

3. 試驗結果與分析3.1. 砂樣加固效果由

圖5可以看出，隨著MICP反應的進行，松散的砂粒逐漸被加固成具有一定強度的砂柱

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. 砂樣的無側限抗壓強度根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T50123-2019)將烘干后的試樣切割成80 mm長的標準試樣，然后采用電液伺服萬能試驗機進行單軸壓縮試驗，由

圖7可知，A組試樣無側限抗壓強度為310 kPa，B組試樣無側限抗壓強度為436 kPa

由于B組試樣采用雙相加固方式進行MICP加固試驗，在灌入菌液后靜置一段時間使得更多的微生物附著在砂樣顆粒表面，也使得灌入的反應液能充分反應，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行MICP加固試樣，從

圖4左邊試樣可以看出，將菌液和反應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，并在短時間內迅速與氯化鈣發(fā)生反應，產(chǎn)生白色的碳酸鈣沉淀

由于單相加固方式導致MICP加固反應過快，在混合液還未完全滲透砂樣時產(chǎn)生的碳酸鈣便填充了顆?？紫叮虼松皹拥撞课茨芡耆M行MICP加固反應，造成砂樣加固不均勻，也導致A組砂樣的無側限抗壓強度較低



Figure 7. Unconfined compressive strength

圖7. 無側限抗壓強度4. 結論

1) 雙相加固方式能使MICP加固反應更加充分，菌液和反應液能充分滲透砂樣內部，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度

2) 單相加固方式使得MICP加固反應過于激烈，導致其還沒完成滲透砂樣時生成碳酸鈣，此時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加固反應中

基金項目重慶科技學院科技創(chuàng)新計劃項目(微生物礦化材料干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的耐久性研究)，項目批準號：YKJCX1920610

參考文獻

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標簽：MICP,加固工藝,碳酸鈣,結構強度,MICP,

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