砂岩。
[0028] 每升胶结营养液由30g Urea、73. 5g CaClz·&0、10.0 g NH4CIJ. 12g NaHC〇3和 3. OgNutrient化oth，粘结剂组成，用肥L调节PH值为6-7。
[0029] 模具是全接触柔性模具如图2所示，具体参数及特点见表1。模具其纤维间隙存在 的大量孔隙，具有很好的防渗、反滤、排水、隔离、加固、防护、密封等多种功能。而且其自身 的纤维结构具有一定强度，有稳定的网格结构，能够独立制作成固化±壤的模具，完全可W 做到溶液的自由渗透W及试样的定型。
[0030] 优选地，模具的材质为短纤维和针刺非织造材料的柔性模具，比如进口聚丙 締----短纤维和针刺非织造材料的C-160NW(non woven)±工布。
[0031] 进一步，采用气累向胶结营养液中注入氧气，W使混合砂中的细菌与胶结营养液 充分反应，直至反应时间结束。
[0032] 表1模具的主要参数及特点
[0033]
[0034] 如图1所示为基于MICP技术的生物砂岩的制备装置，包括反应器1;支架5,支架 5设置于反应器1底部，支架包括有机玻璃板，有机玻璃板具有若干均匀小孔；模具3,模具 3能够放置在所述支架上，内部为混合砂、菌液、生长培养基的混合物4 ;和气累7,置于反应 器1的底部，用于向胶结营养液注入氧气。胶结营养液6放入反应器1中，并完全没入模具 3,W便使胶结营养液6进入模具3内部并和模具内的混合物4发生反应。
[0035] 进一步地，还包括磁力揽拌器2,放置于反应器1的下方，用于使胶结营养液6的化 学成分分布均衡。反应器可W为耐酸碱反应器。
[0036] 装置的具体使用步骤如下：
[0037] 第一步：将反应器1放在磁力揽拌器2上；
[0038] 第二步：准备全接触柔性模具3,将混合砂、菌液、生长培养基的混合物4添加到模 具3中；
[0039] 第Ξ步：将带有全接触柔性模具3的混合砂依次放在支架5上；
[0040] 第四步：将营养液倒入反应器1中，使支架5完全浸在溶液6中；
[0041] 第五步：反应器外部放置两个气累通入反应器1中支架5底部，为混合物4中的细 菌提供氧气，使混合物4中的细菌与溶液6充分反应，直至反应结束，取出，即得所需生物砂 山 〇
[0042] 实施例1:细粒生物砂岩制作
[0043] 模具为圆柱形，模具的直径d= 50mm、高度h= 50mm，每个模具中放置粒径 0. 5-lmm标准砂47. 3g，粒径为0. 25mm-0. 1mm天然沙漠砂（粉细砂）llOg，混合砂的中值粒 径咕。为0. 22。菌液和生长培养基混合液40ml，制备10个试样分别放置在有机玻璃支架 上，浸入2化胶结营养液中，打开空气累和磁力揽拌器，7天的MICP固化作用后，脱模，取出 成型的粗粒生物砂岩。
[0044] 实施例2 :粗粒生物砂岩制作
[0045] 模具的直径为d= 50mm、高度为h= 50mm，每个模具中放置粒径为0. 的标 准砂139. 7g、粒径为0. 25mm-0. 1mm天然沙漠砂（粉细砂）15. 5g，混合砂的中值粒径〇5。为 0. 87。细菌和生长培养基的混合液40ml，制备10个试样分别放置在支架上，浸入2化胶结 溶液中，打开空气累和磁力揽拌器，实验7天后取出，脱去模具，取出成型的粗粒生物砂岩。
[0046] 对实施例1和实施例2进行无侧限抗压强度试验，通过试验可W看出，使用全接触 柔性模具使得成型后的试样的强度和均匀性效果良好。经过MICP作用，砂粒周围产生了 大量化C〇3,将松散的砂粒胶结成一个整体，形成了粗粒生物砂岩。但由于全接触柔性模具 的纤维结构孔隙较多，CaC〇3并没有堵塞纤维毛孔，形成了一个大的连接区域，为化C03晶体 提供了大量的附着面积，分散了MICP生成的化C〇3在砂样颗粒间的分布，不会在固化初期 就堵塞砂粒间孔隙，有利于胶结营养液在砂忍内部进行MICP作用，提高了营养液通过砂孔 渗进砂忍的孔隙空间，也提高了在MICP过程中砂忍的化C〇3沉淀的均匀性，见图3(a)和图 3化）。
[0047] 通过沈Μ扫描电镜观察可W看出砂粒周围有大量的化C〇3晶体生成，颗粒之间被 CaC〇3胶结，加强了±颗粒间连接的致密性，增加了颗粒间的摩擦，CaC〇3晶体呈不规则状， 生成的晶体形式主要为方解石夹杂球醒石，同时观察到有晶体生成在砂粒表面和砂粒间隙 中，并伴有晶体重叠现象，见图4 ;在无侧限抗压强度试验下，粗粒生物砂岩的无侧限抗压 强度达到2. 7MPa，细粒生物砂岩的无侧限抗压强度也达到了 1. 35MPa。
[0048] 与传统方法相比，本发明的有益效果：
[0049] 1、运用MICP技术实验室制备一种类岩石的人工绿色新材料-生物砂岩。
[0050] 2、充分利用全接触柔性模具使胶结营养液自由渗透±体与细菌反应，既实现了生 物岩±反应过程的可控性，同时将制备方法大大简化，更加方便向工程实践中推广应用。
[0051] 3、本发明不再使用水累分次注入尿素和矿物巧盐等溶液，不需控制溶液流速，而 是在相对累送而言静态的条件下进行的。尿素水解MICP过程较为缓慢和均匀，可W直接将 试样浸入其中，使通过模具孔隙自由渗透到试样，确保MICP过程在孔隙中的充分反应，实 验过程中不需要补充新的和排出原有混合液，提高了菌液的利用率。
[0052] 4、将己氏芽抱杆菌和全接触柔性模具联合使用，有助于保持原有±壤的生态环 境，工艺简单，成本低廉，降低了实际工程应用中的施工难度和成本，提高了该技术的实用 性，有益于促进MICP技术固化沙漠±的实际应用及其推广。
[0053] 5、固化后的混合砂质地均匀，砂±颗粒间的粘聚力增强，整体强度提高，而且本发 明的装置使用简单，适合大规模地推广MICP技术应用于工程实践。
【主权项】
1. 一种基于MICP技术的生物砂岩制备方法，包括： 步骤A:制备混合砂、细菌生长培养基、胶结营养液； 步骤B:将混合砂、菌液和细菌生长培养基按比例混合，并放入模具中；和 步骤C:将所述模具放在支架上浸入胶结营养液中反应，所述胶结营养液中含有尿素、 矿物钙盐和粘结剂，充分反应后，脱去模具，得到生物砂岩。2. 根据权利要求1所述的方法，所述制备混合砂的步骤包括： 混合不同级配的标准砂和天然砂，用NaOH溶液浸泡、清洗，再用HCL浸泡，且定期搅拌， 随后用去离子水冲洗并烘干，进而得到所述混合砂。3. 根据权利要求2所述的方法，所述HCL溶液和NaOH溶液的浓度为0.lmol/L，所述定 期搅拌为每8~12小时搅拌一次。4. 根据权利要求1所述的方法，所述模具内层的孔隙直径小于所述菌液中细菌的直 径，能够阻止细菌和生长培养基渗透到所述模具外部，所述胶结营养液能够通过模具外层 进入所述模具内部。5. 根据权利要求4所述的方法，所述模具为全接触柔性模具。6. 根据权利要求1所述的方法，还包括步骤D:通过气栗向胶结营养液中输送氧气。7. -种基于MICP技术的生物砂岩制备装置，包括 反应器； 支架，所述支架包括带有多个孔的有机玻璃板，设置在所述反应器的下部； 模具，所述模具能够放置在所述支架的有机玻璃板上，内部填充混合砂、菌液、细菌生 长培养基的混合物，和 气栗，所述气栗设置在所述反应器的外部并通入所述反应器的底部，以将氧气注入所 述反应器中的胶结营养液；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。8. 根据权利要求7所述的装置，所述模具为全接触柔性模具，所述模具内层的孔隙直 径小于所述菌液中细菌的直径，能够阻止细菌和生长培养基渗透到所述模具外部，所述胶 结营养液能够通过模具外层进入所述模具内部。9. 根据权利要求7所述的装置，还包括设置在所述反应器下方的磁力搅拌器。
【专利摘要】本发明公开了一种基于MICP技术的生物砂岩的制备方法和装置，包括：步骤A：制备混合砂、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，并放入模具中；和步骤C：将所述模具放在支架上浸入胶结营养液中反应，所述胶结营养液中含有尿素、矿物钙盐和粘结剂，充分反应后，脱去模具，得到生物砂岩。本发明制备的生物砂岩均匀度好、强度高，环境友好，而且装置使用简单，降低了在实际工程应用中的施工难度和成本，提高了该技术的实用性，有益于促进MICP技术生物砂岩的实际应用及其推广。
【IPC分类】E02D3/12, C09K103/00, C09K17/00
【公开号】CN105297705
【申请号】CN201510662617
【发明人】李驰, 李琳, 高瑜, 刘世慧, 斯日古楞
【申请人】内蒙古工业大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月14日