浅析MICP技术在岩土工程的应用前景

作者:时间:2018-07-13 09:35:57  来源:  阅读次数:64次 ]

摘 要:本文基于巴氏芽孢杆菌的生物矿化技术,介绍了其反应的基本原理和工程应用的可行性,并从工程实际中的各类问题出 发,分析了生物矿化技术和现有的工程方法相结合的应用前景。此外,对生物矿化作用在工程领域应用的问题进行了分析。

关键词:岩土工程;生物矿化;巴氏芽孢杆菌

    MICP 技术,即微生物诱导碳酸钙沉积技术,是一种常见 的生物诱导矿化反应过程,其能够利用微生物新陈代谢过程中 的自发反应进行诱导矿物质沉淀胶结颗粒,具有广阔的工程应 用前景。现有的生物矿化技术多基于一种高产脲酶的巴氏芽孢 杆菌,国内外诸多学者已经对其进行了大量的研究工作。巴氏 芽孢杆菌反应机理明确,生成碳酸钙效率较高,反应条件容易 控制,反应过程所用原料价格相对较为低廉,同时该菌在低氧、 高温、高压、高污染等的条件下仍具有较高的碳酸钙生成能力, 可用于古建筑文物的砖石裂缝修复、建筑地基加固、边坡防护 及油田、坝基渗透性控制等诸多领域。

1 MICP 技术的基本原理

    根据 Willem 等人的研究,巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙在颗 粒间沉积的过程如下图所示 : 图 1 巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉积过程 处在富营养液环境的细菌吸附在砂砾的表面,由于细胞内 外的营养液浓度梯度差,使得细胞外的尿素等营养物质由细 胞膜迁移入细胞内部,通过在碱性条件下细菌的新陈代谢过 程,巴氏芽孢杆菌中的脲酶将营养物质中的碳源转化为二氧化 碳,而将氮源转化为氨。氨和二氧化碳在胞外液体环境中发生 水解,由于氨发生水解后使环境 PH 值上升,胞外溶液中 OH- 离子浓度增加,中和了因为二氧化碳水解而产生的 H+ 离子, 并使 HCO- 3 的水解平衡不断向着产生 CO3 2- 的方向进行,溶液 中 CO3 2- 浓度增大。与此同时,由于细胞外常携带羟基、氨基、 酰胺基、羧酸等带负电荷的离子基团,会吸附溶液环境中的 Ca2+ 离子,而 Ca2+ 与 CO3 2- 离子相结合,在砂砾表面发生矿化 沉积,形成碳酸钙。随着碳酸钙不断沉积,原有的颗粒间孔隙 被填充,砂砾由松散颗粒变为整体,其力学性能增强。

2 MICP 技术的工程应用

    根据现有的岩土工程问题和对微生物诱导碳酸钙沉淀胶结 技术的分析,MICP 技术可用以解决地基砂土地震液化、边坡 加固、防风固沙、岩土材料修复等问题。

2.1 砂土地震液化

    砂土地震液化是指饱和砂土在地震动荷载或其他外动力作 用下,砂土受强烈振动后致使土体丧失强度,土粒处于悬浮状 态,造成地基失效的现象。 利用巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉积技术将可液化地基中的 砂土颗粒固定,并以胶结形成的碳酸钙填充砂土之间空隙。在 较强的地震动荷载作用下,由于饱和砂土颗粒被固定,加之空 隙空间被填充,所以不会出现颗粒移动变密的现象,应力也由 砂砾和碳酸钙沉积物共同承担,降低出现液化的可能性。

2.2 边坡加固

    边坡在地震、降雨、人工开挖等因素诱导下可能发展演化 为滑坡、崩塌等工程地质灾害,对所在区域的人民生命财产安 全威胁极大。众多工程实例证明,降水是影响边坡稳定性的决 定性因素之一。水入渗坡体后的水压力及软化作用等会严重影 响边坡的稳定性。 根据前人实验现象可知,巴氏芽孢杆菌诱导而成的碳酸钙 在无附着点的条件下也会生成碳酸钙,在液体环境下,碳酸钙 受重力作用发生沉积,会在反应容器底部生成一层碳酸钙隔水 薄层,当沉积反应不断发生,隔水层厚度也会随之增加。此外, 巴氏芽孢杆菌可将松散砂土胶结成整体,极大的降低所胶结砂 土的渗透性。故此,可以利用 MICP 的反应过程,在边坡表面 生成一层防渗层,阻止降雨入渗对斜坡体内地下水位的影响。

2.3 防风固沙

   沙漠化是当前人类社会面对的最严重的全球性生态环境问 题之一。风是沙粒运动的根本动力因素,而风沙运动即近地表 风对沙子搬运的现象。因此,要实现阻止风沙的运移过程,防 止风的对沙的作用尤为关键。 封闭或者固定活动沙面是目前较为成熟的固沙方法之一, 其设置隔断层切断风与松散沙面在沙表面上的接触,能够抑制 沙粒起动,阻止了沙粒运移,预防风沙灾害的发生。 巴氏芽孢杆菌能通过沉淀碳酸钙将松散砂土固定形成块 体,故此,可利用巴氏芽孢杆菌,在松散沙丘迎风面胶结成一 层较坚硬的砂壳防风层,便可以封闭沙丘内部的沙砾,阻止沙 粒起动。此外,巴氏芽孢杆菌在沉积加固的过程中,多采用尿 素作为其营养源,在采用巴氏芽孢杆菌固沙时,可以采用植物 等进行复合加固,充分利用营养物质,

2.4 混凝土裂隙修复和自修复混凝土

   泥混凝土作为现今使用最为广泛的土木工程材料,由于制 备过程和使用过程中环境因素和承担载荷的原因,极易出现疏 松、微裂隙等内部或表面缺陷。 表面覆盖法是一种常用混凝土裂缝修复方法,该方法能够 在混凝土表面细微裂隙涂覆一层介质层,虽然难以深入到裂隙 内部,不能追踪延伸裂缝的变化,但是覆盖层能够外界液体环 境,杜绝了液体中离子对混凝土的腐蚀。 巴氏芽孢杆菌在充足的营养物质和合适的环境条件作用下 可以生成具有粘结性的碳酸钙沉积,可以用来填充混凝土中的 微裂隙。此外,通过菌液和营养物质的覆盖,可以在混凝土表 层形成一层隔水碳酸钙薄层,阻止各种风化因素的作用对混凝 土的破坏。 自修复混凝土,是模仿自然界生物机体收到损伤后的再生 和恢复机理,使用恢复用胶黏剂和混凝土材料相结合的方法, 对混凝土材料损伤具有自修复和再生功能的一种新型复合混凝 土材料。 巴氏芽孢杆菌作为一种嗜碱菌,能够较好的适应水泥浆的 碱性环境,而且耐高低温,耐低氧,繁殖速度极快。如将巴氏芽孢杆菌和一定的营养物质加入到混凝土搅拌过程中,当混凝 土发生固结时,巴氏芽孢杆菌将会以芽孢形态在混凝土内部长 期存在。一旦当混凝土出现裂隙,外界空气和水进入到混凝土 空隙之中,激活巴氏芽孢杆菌。细菌在液体环境下通过自身的 新陈代谢将营养物质分解,并生产碳酸钙沉淀,将空隙进行堵 塞,达到自修复的效果。当空隙堵塞后,巴氏芽孢杆菌由于缺 少相应的液体环境和营养物质,又会以芽孢状态储存于混凝土 内部,等待重新激活的机会。

3 MICP 工程应用的展望及问题

    基于巴氏芽孢杆菌的生物矿化作用在具有无污染,应用范 围广,适应性好等特点,在工程领域具有极为广阔的应用前景。 目前,MICP 技术的工程应用主要集中在实验室小尺寸的 砂柱胶结和部分自修复混凝土领域,虽然其胶结能力已经得到 了验证,但离工程实际应用还有以下几个限制 : (1)巴氏芽孢杆菌在培养过程中所用的蛋白胨等营养物质 成本较高,不利于大规模工程使用,应寻找更加廉价的细菌培 养物质。 (2)巴氏芽孢杆菌作为一种嗜碱菌,其应用条件受到环境 的限制,应该在应用中不断选取具有高矿化效率的菌种进行优 化。

参考文献 :

[1] 何基保,温树林.生物矿化作用[J].自然杂志,1997(5):272-276

[2] Willem De Muynck,Nele De Belie,Willy Verstraete.Micorbial carbonate precipitation in construction materials:A review[J].Ecological Engineering,2010,36:118-136.

[3] 蒋正武,王莉杰.钢筋混凝土的环境侵蚀与表面防护技术[J].腐蚀 科学与防护技术,2004(05):309-312.

[4] 刘鹏,贾平,周宗辉,程新.自修复混凝土研究进展[J].济南大学 报,2006,20(4):287-291.

快速论文发表网(www.ksfbw.com)本中心和国内数百家期刊杂志社有良好的合作关系,可以帮客户代发论文投稿.

投稿邮箱:ksfbw@126.com
客服Q  Q: 论文发表在线咨询82702382
联系电话:15295038833

广告推荐

文章评论

共有 0 位网友发表了评论

阅读排行

推荐文章

最新文章