一种基于micp技术的生物砂岩的制备方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明设及微生物诱导CaC〇3沉淀（MicrobialInducedCarbonate Precipitation,简称MICP)技术，尤其设及一种基于MICP技术的生物砂岩的制备方法及装 置。
【背景技术】
[0002] 随着世界范围内的人口增长和社会发展，对建设用地的需求不断增大。传统的± 壤改良方法，往往通过添加化学灌浆材料和化学固化剂进行灌浆来加固±壤，对环境造成 不良影响。自然界中存在某些特定的微生物，如己氏芽抱杆菌、黄色粘球菌W及某些反硝 化类微生物，利用周围的尿素等有机物W及巧离子源，在微生物自身新陈代谢或酶化作用 的过程中诱导生成碳酸巧，运一过程称之为微生物诱导碳酸巧矿化（MicrobialImluced CarbonatePrecipitation)即MICP。±是微生物的良好载体，将岩±、岩石中分离出的碳 酸盐矿化菌进行扩大培养，生成新型改性的微生物诱导碳酸巧矿化材料。微生物诱导碳酸 巧矿化技术作为一种可持续上壤改良的方法，开辟了上壤固化的新态势。
[0003] 运种微生物诱导的碳酸巧矿化材料，其生成速度和不同阶段的反应强度可控，其 固化机理简单，快速高效，容易控制，绿色环保且环境耐受性好。
[0004] 国内外已开展一部分MICP固化标准砂的研究工作，但主要仍集中在室内试验探 索阶段。其难点之一就是如何制作均匀性良好的样品。室内制备方法主要采用一次性塑料 注射器、有机玻璃柱制备砂样，岩±基质主要采用标准砂或者单一的纯净砂±，菌液和营养 液的注入方式主要通过蠕动累的挤压作用注入砂样中。
[0005]国内东南大学钱春香专利《一种利用憐酸盐矿化菌固结松散砂颗粒》（专利号， ZL201310205389. 9)公开了通过蠕动累并控制流速将制备好的菌液和化学溶液分别循环注 入用塑料试膜所盛的砂样中，利用微生物诱导形成的憐酸盐矿物把松散颗粒胶结成整体； W及方祥位专利《利用微生物固化松散珊瑚砂的方法》狂L20140050192. 7)公开了利用微生 物固化松散珊瑚砂，通过将菌液和矿物巧盐与尿素的混合液同时由上部注入松散珊瑚砂柱 中，注入过程中控制流速的均匀性，循环注入，将易破碎、压缩性较大的珊瑚砂固化成整体。
[0006] W上方法虽已取得了一些成效，但也存在一些缺陷：当采用累送方式时，多数试样 制备成圆柱形，可W在一定压力下使营养液更好的渗透到样品的孔隙中，但是下端排出口 会带走一部分细菌和脈酶，同时降低尿素和矿物巧盐的利用率，而且分次循环注入溶液的 方式在实际工程中会增加施工难度和施工成本。
【发明内容】
[0007] 为了克服现有的缺陷，本发明提出一种基于MICP技术生物砂岩的室内制备方法 和装置，不使用蠕动累分次注入菌液和胶结营养液，通过全接触柔性模具使营养液自由渗 透到试样，代替传统的使用蠕动累分次注入菌液、尿素和矿物巧盐等溶液的制样方法。且不 同于W往的做法是，并不局限于使用标准砂或者单一纯净的砂，而是采用标准砂和一定比 例的天然砂混合（运里W天然沙漠砂为例），进而，基于MICP技术生成砂粒间的胶结物（属 碳酸盐质胶结），通过生物化学与物理沉淀作用形成一种类岩石的人工绿色材料，即"生物 砂岩"。通过标准砂和天然砂混合比例的不同，亦即混合砂的不同粒度组成，形成粗粒生物 砂岩、中粒生物砂岩和细粒生物砂岩。
[000引根据本发明的一个方面，提出了一种基于MICP技术的生物砂岩的制备方法，包 括：步骤A:制备混合砂料、细菌生长培养基、胶结营养液；步骤B:将混合砂、菌液和生长培 养基按比例混合放入模具中；和步骤C:将所述模具放在支架上浸入胶结营养液中反应，胶 结营养液含有尿素、矿物巧盐和粘结剂，为细菌的生长繁殖提供营养，反应结束后，脱去模 具，得到所需的生物砂岩。
[0009] 根据本发明的另一个方面，提出一种基于MICP技术的生物砂岩的制备装置，包 括：反应器；支架，所述支架包括分布若干均匀小孔的有机玻璃板，置于反应器中；模具，模 具放置在支架上，内部填充混合砂、菌液、生长培养基的混合物，模具为全接触柔性模具，能 够为混合砂、菌液、生长培养基的混合物提供外围成样模具，且该模具内外侧具有不同的渗 透能力，使得内部菌液、生长培养基不能渗透出来，而模具外面的胶结营养液可W方便渗透 到试样中；和胶结营养液，所述胶结营养液放入反应器中，通过模具外侧自由渗入试样，为 细菌的生长繁殖提供营养物质。
[0010] 气累，所述气累设置在所述反应器的外部并通入所述反应器的底部，W将氧气注 入所述反应器中的胶结营养液，从而使细菌与所述胶结培养基溶液反应；所述胶结营养液， 透过模具与模具内的混合物发生反应，为细菌的生长繁殖提供营养物质。
[0011] 通过本发明，混合砂矿化粘结效果好，强度高，细菌和碳酸巧在砂±样品中分布比 较均匀。与传统方法相比，本发明直接将菌液与岩±基质混合，且实验过程中不需要补充和 排出新的菌液、胶结营养液；本发明的装置操作简单，组装方便，全接触柔性模具具有良好 的自由渗透和内外不同的渗透能力，使胶结营养液通过模具自由渗透，尿素水解过程也更 充分，提高了菌液的利用率，改善了传统方法的缺陷，降低了生物固砂在实际工程中应用的 施工难度和成本，提高了该技术的实用性，有益于促进MICP矿化砂±技术的实际应用及其 推广。
[0012] 该方法适用沙漠±的结皮、有潜在液化可能的±壤加固、路基、堤巧边坡侵蚀防护 等。
【附图说明】
[0013] 图1为基于MICP技术生物砂岩的室内制备装置不意图；
[0014]图2为全接触柔性模具；
[0015] 图3为MICP固化后试样；
[0016]图4(a)、图4(b)为实施例所生成的生物砂岩扫描电镜图像。
[0017]如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和 器件，但运仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体 需要，本领域的普通技术人员可W将运些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或 者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于MICP技术生物砂岩的室内 制备方法和装置进行详细描述。
[0019] 在运里做W说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施 例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分 仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。
[0020] 本发明的机理如下：将菌液和生长培养基的混合溶液按比例与岩±基质混合均 匀，利用全接触柔性模具生成试验试样，将试样完全浸在胶结营养液，营养液通过自由渗透 进入试样，为细菌的生长提供必要的营养。MICP技术，即利用细菌在新陈代谢过程中会产 生脈酶，该酶可W将尿素分解，形成锭根离子和碳酸根离子，当溶液中含有一定浓度巧离子 时，巧离子会被细胞吸附，从而W细胞为晶核，在细菌周围形成具有胶凝作用的碳酸巧结 晶，细菌体死亡并嵌入结晶体中，将碳酸巧沉淀晶体增加了岩±颗粒间的联接，±颗粒在微 生物诱导矿化作用下集聚在胞体的周围，使相邻胞体间通过绑定粘结而联系成为整体，W 此来进行±体的生物固结。
[0021] 下面将详细说明根据本发明的基于MICP技术生物砂岩的室内制备方法：
[0022] 步骤A:准备混合砂料、生长培养基、胶结营养液。根据不同的级配按比例配置混 合砂后，先用1M的化0H溶液浸泡，清洗，再用0. 1M的肥L浸泡，冲洗期间每8-1化定期揽 拌，随后用去离子水冲洗，并烘干。
[0023] 每升生长培养基溶液由15. 748gS径甲基氨基甲烧、10.0邑(畑4)25〇4、20.0邑酵母 膏组成，调节PH值为8-9,经12rC条件下，高溫蒸汽灭菌后，放入无菌操作台冷却待用。
[0024] 此步骤中还包括细菌活化与培养：采用常规实验方法将己氏芽抱杆菌进行活 化，并将活化后的细菌放入离屯、机中经4000r/min的转速离屯、20min，移除上清液后补充 新的NH4-YE培养液后摇匀后使用，也可将其放入4°C冰箱冷藏待用，其中菌液浓度约为 l〇7cells/mL。
[00巧]优先地，细菌可W为己氏芽抱杆菌（ATCC11859?)，细菌直径为0.5-5 μm，运是一 种非致病性菌，在一定的恶劣条件下能保持较强的生物活性，在其自身的生长代谢过程中 可W持续产生高活性脈酶，该酶将尿素分解，产生锭根离子和碳酸根离子。
[0026] 步骤B:将混合砂、菌液和细菌生长培养基按比例混合，放入全接触柔性模具中。
[0027] 步骤C:将所述模具放在支架上浸入胶结营养液中反应，所述胶结营养液中含有 尿素、矿物巧盐和粘结剂，充分反应后，脱去模具，得到生物