一种微生物胶结泡沫颗粒的土工材料及生产方法与流程

本发明涉及材料领域，具体是一种微生物胶结泡沫颗粒的土工材料及生产方法。

背景技术：

泡沫材料是人类的伟大发明，其使用范围非常广泛，需求十分旺盛。但同时它也是一种难以降解的物质，常用的处理方法一般为填埋和焚烧。

填埋会占用大量的土地，而焚烧通常会产生大量有毒气体。它们都不利于当今倡导的绿色经济和可持续发展。泡沫材料材质较轻浮在海面，常有鱼类因误食而死，而且还会妨碍藻类植物光合净化水体。因而废弃泡沫材料的无害化处理具有很大的意义。

沿海地区人口密集需要兴建大规模的公用民用设施，而各类市政工程、公路工程、人工岛修筑都涉及到开挖回填，合理选择填筑材料成为设计中必须考虑的问题。

常用的填土大多来自河床砂石、开山土石等，这些材料来源有限而且一般位于内陆地区，运输很不经济。如果填筑材料重度较大，可能对新建工程带来次生问题如桥头跳车、填筑不实等。

具有一定强度又轻量且简单易得的回填材料可以大量节省工程造价，产生较好的经济效益。

钙质砂孔隙多，重度轻在沿海地区分布较广，但其本身松软强度较低不宜用作混凝土的骨料，未经胶结的钙质砂极易破碎，强度不高也不适于用作填料。

近年来研究发现微生物能够诱导生成碳酸钙胶结钙质砂，形成的加固体强度可达数兆帕，使得钙质砂用于建筑领域成为可能。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中废弃材料难以再利用、建筑材料成本高、施工难等问题；本发明实现了两种废弃或无用的材料进行资源化再利用，结合生物水泥提出一种可用于建筑材料、路基填料的微生物胶结泡沫颗粒土工材料及其生产方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种微生物胶结泡沫颗粒的土工材料，其特征在于，包括以下原料及其重量份数：

泡沫塑料颗粒或碎片 1～5份；

钙质砂 80～95份；

巴氏芽孢杆菌菌液 5～9份。

一种微生物胶结泡沫颗粒的土工材料的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将泡沫塑料、钙质砂和巴斯芽孢杆菌菌液，进行搅拌至混合均匀，得到混合物A；

所述泡沫塑料、钙质砂和巴斯芽孢杆菌菌液的重量比为(1～5)︰(80～95)︰(5～9)；

2)在混合物A中加入氯化钙和尿素的混合溶液；

所述氯化钙和尿素的摩尔比为1︰1～1︰2；

所述氯化钙在混合溶液中的浓度为55.94～110.98g/L；

进一步，所述泡沫塑料颗粒或碎片的粒径范围为0.5～3mm。

进一步，所述钙质砂的粒径范围为0.01～2mm。

进一步，所述巴氏芽孢杆菌菌液中巴氏芽孢杆菌的浓度为10⁷-10⁹CFU/mL。

进一步，所述泡沫塑料、钙质砂、氯化钙和尿素均为市售。

进一步，还包括一种制备特定形状的土工材料的生产方法，包括以下步骤：

1)将泡沫塑料、钙质砂和巴斯芽孢杆菌菌液，进行搅拌至混合均匀，得到混合物A；

所述泡沫塑料、钙质砂和巴斯芽孢杆菌菌液的重量比为(1～5)︰(80～95)︰(5～9)；

2)将混合物A倒入相应形状的模具；

3)在步骤2)的模具中加入氯化钙和尿素的混合溶液，4～8天后脱模；

所述氯化钙和尿素的摩尔比为1︰1～1︰2；

所述氯化钙在混合溶液中的浓度为55.94～110.98g/L。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：

1)广泛的使用性：本发明中的土工材料重度轻，干密度在0.3～0.8g/cm³。用作路基、机场跑道填料时自重小能够减小工后沉降，有利于长距离运输。用于人工岛填料，耐盐碱有效抵抗海水波浪的侵蚀作用。相同的质量下，该土工材料的体积较大，适合于矿体采空区的回填。泡沫具有良好的保温隔热效果，通过本发明制成的轻质砖还可砌筑墙体达到建筑节能的目的。

2)废物资源化利用：原材料中有两种为没有利用价值或废弃物，制成的土工材料相对便宜，同时达到了废物利用的目的。一般的轻质土固化剂和水泥，微生物胶结不会产生碳排放生成的碳酸钙对环境无污染。

3)良好的适应性：可以根据需要控制加入的尿素和氯化钙混合溶液的量调节胶结的程度达到不同的强度和刚度。经过胶结后的泡沫颗粒抗浮稳定性好。

附图说明

图1为实施例1中制得的微生物胶结泡沫颗粒轻质土形成的圆柱样示意图；

图2为实施例2中制得的微生物胶结泡沫颗粒轻质土形成的圆柱样示意图；

图3为微生物胶结泡沫颗粒轻质土用于路基材料示意图；

图4为微生物胶结泡沫颗粒轻质土用于人工岛填筑示意图；

图5为微生物胶结泡沫颗粒轻质土用于挡墙回填土示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

1-1巴氏芽孢杆菌菌液的制备：

1)将巴氏芽孢杆菌接种至培养基，在30℃，121r/min恒温振荡器中培养30～40小时。

每升培养基中含有酵母提取物20g，硫酸锰25mg，氯化镍5mg，氯化铵15g，用氢氧化钠将pH调至9-10。

2)取出培养液在4℃离心机中浓缩制成巴氏芽孢杆菌菌液。

制得的巴氏芽孢杆菌菌液中巴氏芽孢杆菌的浓度为10⁸CFU/mL

1-2一种微生物胶结泡沫颗粒的土工材料，其特征在于，包括以下原料及其重量份数：

泡沫塑料颗粒或碎片 4.3份；

钙质砂 87份；

巴氏芽孢杆菌菌液 8.7份。

所述泡沫塑料颗粒或碎片的粒径范围为2-3mm。

所述钙质砂的粒径范围为0.01-1mm。

1-3使用1-2中称量好的原料，进行以下步骤：

1)将泡沫塑料、钙质砂和巴斯芽孢杆菌菌液，进行搅拌至混合均匀，得到混合物A；

2)将混合物A倒入圆柱形承模筒；

3)在圆柱形承模筒中加入氯化钙和尿素的混合溶液；

所述氯化钙和尿素的摩尔比为1︰1；

以20mL/h的速率不断通入0.5M氯化钙和尿素混合溶液，每通完50mL静置3小时，6天后脱模，制备得到如图1所示的圆柱形微生物胶结泡沫颗粒的土工材料。

通过无侧限实验显示，本实施例中制备得到的材料的抗压强度为110.7kPa，密度为0.73g/cm³，可以用于路基的填料。

实施例2：

2-1巴氏芽孢杆菌菌液的制备：

1)将巴氏芽孢杆菌接种至培养基，在30℃，121r/min恒温振荡器中培养30～40小时。

每升培养基中含有酵母提取物20g，硫酸锰25mg，氯化镍5mg，氯化铵15g，用氢氧化钠将pH调至9-10。

2)取出培养液在4℃离心机中浓缩制成巴氏芽孢杆菌菌液。

制得的巴氏芽孢杆菌菌液中巴氏芽孢杆菌的浓度为10⁹CFU/mL

2-2一种微生物胶结泡沫颗粒的土工材料，其特征在于，包括以下原料及其重量份数：

泡沫塑料颗粒或碎片 1.3份；

钙质砂 92.8份；

巴氏芽孢杆菌菌液 6.9份。

所述泡沫塑料颗粒或碎片的粒径范围为0.5～1mm。

所述钙质砂的粒径范围为0.01～2mm。

2-3使用1-2中称量好的原料，进行以下步骤：

1)将泡沫塑料、钙质砂和巴斯芽孢杆菌菌液，进行搅拌至混合均匀，得到混合物A；

2)将混合物A倒入圆柱形承模筒；

3)在圆柱形承模筒中加入氯化钙和尿素的混合溶液；

所述氯化钙和尿素的摩尔比为1︰1；

以20mL/h的速率不断通入0.5M氯化钙和尿素混合溶液，每通完50mL静置3小时，6天后脱模，制备得到如图2所示的圆柱形微生物胶结泡沫颗粒的土工材料。

通过无侧限实验显示，本实施例中制备得到的材料的抗压强度为73.8kPa，密度为0.49g/cm³。

本发明制备得到的材料具有广泛的使用性：

1)如图3所示，用作路基、机场跑道填料时自重小能够减小工后沉降，有利于长距离运输。

2)如图4所示，用于人工岛填料，耐盐碱有效抵抗海水波浪的侵蚀作用。

3)如图5所示，用于挡墙回填土，相同的质量下，该土工材料的体积较大，适合于矿体采空区的回填。

泡沫具有良好的保温隔热效果，通过本发明制成的轻质砖还可砌筑墙体达到建筑节能的目的。