一种利用微生物复合纤维加筋改良膨胀土的方法与流程

1.本发明属于水利工程或岩土工程或基础的建筑材料的处置领域，涉及一种改良膨胀土的方法，特别涉及一种利用微生物复合纤维加筋改良膨胀土的方法。


背景技术：

2.膨胀土是一类典型的非饱和土，它的颗粒组成中粘粒含量超过30％，主要由强亲水性的蒙脱石、伊利石和高岭石等矿物组成，具有吸水膨胀软化，失水收缩开裂等典型特征，由于膨胀土的“三性”(裂隙性、胀缩性和超固结性)对其强度有强烈的衰减影响，使得膨胀土的工程性能极差，许多水利工程、公路、矿山和地下工程等都普遍遇到了膨胀土所产生的各种工程地质问题，尤其对水渠的破坏作用更加突出，有“逢堑必崩、无堤不塌”之说。而研究膨胀土的改性及加固处理至今仍是岩土工程领域的难题。目前对膨胀土所采用的改良方法主要有物理化学改良法、换土法等。物理改良法，即在膨胀土中按一定的比例掺入无机料(如风积土、粉煤灰、矿渣、砂砾石和水泥等或其混合物)来改善膨胀土的胀缩特性，施工较复杂，而且受天气环境等外界条件影响较大。化学改良法，即用有机化学灌浆剂抑制膨胀土的胀缩变形，改善膨胀土的工程性质，处理效果较好，但对环保要求较高的水源工程等有应用局限性，且造价高。换土法对膨胀土层较薄的地区较为可靠，对膨胀土层较厚的地基则成本较高。
3.在特定的环境以及营养条件下，岩土中存在的某些微生物通过新陈代谢或降解作用能快速析出多种矿物结晶，如碳酸盐、磷酸盐、氧化物、硫化物、硅华以及胞外聚合物等，利用微生物促进矿物沉积的特性，人为地向土体中注入合适的微生物菌液可在粒间孔隙和土体裂隙中引起自然胶结和封堵，达到改善土体性质的目的。目前已经有利用微生物固化砂土的相关研究，但是难以控制微生物结晶体的均匀性和产量，存在固化后的水稳性差、强度低等缺陷，导致固化后效果并不是特别理想。
4.在该部分中公开的以上信息仅用于理解发明构思的背景，因此，可能包含不构成现有技术的信息。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明的目的是针对传统的膨胀土处理方法不能满足工程需要的问题，本发明旨在提供一种创新的改良膨胀土的方法，实现了一种效果可靠、施工高效、成本低廉和生态环保的利用微生物复合纤维加筋改良膨胀土的方法。
6.根据本发明的第一方面，提供一种改良膨胀土的方法，其特征在于，利用微生物复合纤维加筋来对膨胀土进行改良，包括步骤：
7.将微生物菌种按最佳培养条件在发酵罐中进行培养，以形成微生物菌液；
8.将微生物菌液与1.5倍菌液体积的混合钙液混合，在低速搅拌机中混合搅拌，以形成微生物浆液；
9.添加加筋材料，与膨胀土混合均匀，形成纤维加筋的膨胀土；
10.按照20％含水率，将微生物浆液与纤维加筋的膨胀土按1：5的重量比分批在低速搅拌机混合搅拌均匀，在常温下进行养护，得到改良后的膨胀土。
11.在一优选实施例中，所述为微生物菌种为巴氏芽孢杆菌，编号atcc 11859。
12.在一优选实施例中，所述最佳培养条件为：10％的接种比例、30℃培养温度及ph＝8.0的培养液环境，培养液成分为：每升培养液含有酵母提取物20g、(nh4)2so
4 10g、0.13m的tris缓冲液。
13.在一优选实施例中，所述混合钙液的成分为尿素、硝酸钙及氯化钙溶液，并且其摩尔质量比例为2：1：1。
14.在一优选实施例中，所述步骤3中形成的微生物浆液：(1)流变形式为牛顿流体，在20℃时表观粘度小于5mpa
·
s；(2)密度略大于1.0g/cm3；(3)7d固化土体无侧限抗压强度大于1mpa；(4)28d固化土体无侧限抗压强度大于3mpa，固化土体渗透系数小于5.0
×
10
‑5cm/s。
15.在一优选实施例中，所述加筋材料为聚丙烯纤维材料，长度为10mm，掺量为1％。
16.本发明具有以下有益效果：
17.(1)本发明涉及的微生物菌剂和纤维加筋材料均为环保、无污染的材料，利用微生物复合纤维加筋改良膨胀土的方法可以对我国的膨胀土治理提供更环保、有效的治理方法。
18.(2)利用微生物复合纤维加筋改良膨胀土的方法，使处理后的膨胀土具有高水稳性和低胀缩性，具有较高的强度、韧性和抗裂性能。
19.(3)在膨胀土分布的边坡护岸，通过微生物菌剂的合理应用，可降低边坡的胀缩和滑坡危害，构筑具有一定孔隙率和渗透性的边坡护岸，形成基于膨胀土治理的生态护坡技术，可为生态边坡护岸提供新的治理思路。
20.(4)利用微生物复合纤维加筋改良膨胀土的方法，与传统膨胀土治理方法相比，其施工成本低，施工工艺简单可行，可广泛应用于路基、地基、堤岸、边坡等岩土和水利工程领域。
附图说明
21.在下文中将参照附图更完全地描述本发明的一些示例实施例；然而，本发明可以以不同的形式体现，不应当被认为限于本文所提出的实施例。相反，附图与说明书一起例示本发明的一些示例实施例，并用于解释本发明的原理和方面。
22.在图中，为了例示清楚，尺寸可能被夸大。贯穿全文，相同的附图标记指代相同的元件。
23.图1是根据本发明优选实施例的一种利用微生物复合纤维加筋改良膨胀土的方法的流程图。
24.图2为根据本发明的利用微生物复合纤维加筋进行改良后的膨胀土在不同养护天数下的自由膨胀率试验曲线图。
25.图3为根据本发明的利用微生物复合纤维加筋进行改良后的膨胀土在50kpa荷载下的膨胀率试验曲线图。
26.图4为微生物复合纤维加筋固化膨胀土的sem微观分析图。
具体实施方式
27.在下面的详细描述中，本发明的某些示例性实施例简单地通过例示的方式被示出和描述。
28.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
29.图1是根据本发明优选实施例的一种利用微生物复合纤维加筋改良膨胀土的方法的流程图。
30.如图1所述，根据本发明的固化膨胀土的方法包括：
31.s1：将需要改良的膨胀土挖出，进行晾晒振捣，并过筛；
32.s2：将微生物菌种(如巴氏芽孢杆菌，编号atcc 11859)按最佳培养条件在发酵罐中培养24h后形成微生物菌液，最佳培养条件：10％的接种比例、30℃培养温度及ph＝8.0的培养液环境，培养液成分为：每l培养液含有酵母提取物20g、(nh4)2so410g、0.13m的tris缓冲液；
33.s3：将微生物菌液与1.5倍菌液体积的混合钙液(尿素、硝酸钙及氯化钙溶液的比例为1：2：1)混合，在低速搅拌机混合搅拌2～3min，形成微生物浆液；
34.s4：按照掺量1％、长度10mm添加聚丙烯纤维材料，与膨胀土混合均匀，形成纤维加筋的膨胀土；
35.s5：按照20％含水率，将微生物混合液与纤维加筋的膨胀土按1：5的重量比分批在低速搅拌机混合搅拌均匀，在常温下养护12～24小时，得到改良后的膨胀土；
36.s6：将改良的膨胀土卸到施工现场后，在施工面通过机械摊铺均匀并整平，摊铺厚度为20～30cm，构成一层填土层；
37.s7：检测膨胀土的含水率达到最优含水率后，对填土层进行碾压整平；
38.s8：检测每层填土层的压实度达到所需压实度后，进行下一层填土层的摊铺。
39.s9：重复s7～8，直到完成膨胀土的换填工作。
40.本发明的原理是：微生物方法是通过微生物代谢中间产物碳酸钙来实现土体改良和加固，其原理为微生物分解出一种尿素酶，尿素酶可以水解尿素产生碳酸根离子，同时微生物细菌细胞膜界面处带负电荷的有机质不断吸附带正电荷的钙离子，碳酸根离子同钙离子沉积出碳酸钙。聚丙烯纤维具有很好的力学强度、耐酸碱盐、防水性好、一定的延伸率，并且与土有很好的相容性。将聚丙烯纤维均匀地撒入膨胀土中，纤维彼此之间相互搭接形成空间网络骨架结构，为微生物诱导碳酸钙的沉积提供充分的成核条件，从而提高微生物诱导碳酸钙的沉积效率和产量。并且由于微生物在膨胀土中大量繁殖,其代谢产物充填在纤维和土体的晶格构造中，这样能达到减小膨胀土的胀缩性,提高土体抗剪强度的目的。同时，微生物细胞的活性粘附还可减少土壤的水力传导性，降低土体的渗透性，对膨胀土改良起到有效的“保湿防渗”作用。通过微生物复合纤维加筋的方法改良膨胀土是充分利用微生物和聚丙烯纤维的特点，相互作用产生一系列生物化学反应过程，最终实现改善膨胀土的胀缩性，提高膨胀土的强度的目的。以菌液浓度、菌液活性、菌液单体活性作为评价指标，推荐合适的菌液浓度、营养液与钙源配比、纤维长度和掺量，以达到改良膨胀土胀缩性，提高膨胀土强度的目的。以营养液ph值8.0、培养温度30℃、接种比例为10％作为微生物的最佳培养环境，以钙液体积(钙液摩尔浓度为0.4mol/l)为菌液体积(菌液od600值介于1.5
‑
2)的1.5倍，在30℃温度条件下养护作为最优微生物浆液的配比。按照掺量1％、长度10mm添加聚
丙烯纤维材料。
41.为达到足够的均匀性和改良效果，要求微生物产生的碳酸钙数量足够多且分布均匀。将纤维粉末和膨胀土均匀搅拌，加入微生物浆液，在自身微生物新陈代谢作用下产生碳酸钙，充填膨胀土间的空隙，并和纤维粉末胶结在一起，形成具有一定强度的土体，从而达到膨胀土改良的目的，一般改良后其固化土体28d抗压强度可到3mpa以上，渗透系数小于5.0
×
10
‑5cm/s以下。
42.本发明包括微生物浆液和纤维加筋材料配比和其相应的施工方法：
43.微生物浆液材料的典型特征包括以下几个方面：
①
浆液的流变形式为牛顿流体，在20℃时表观粘度小于5mpa.s；
②
密度略大于1.0g/cm3；
③
7d固化土体无侧限抗压强度大于1mpa；
④
28d固化土体无侧限抗压强度大于3mpa，固化土体渗透系数小于5.0
×
10
‑5cm/s。
44.微生物浆液和纤维加筋材料的配比和制作过程如下：(1)将微生物菌种(如巴氏芽孢杆菌，编号atcc 11859)按最佳培养条件在培养液中培养24h后形成微生物菌液，最佳培养条件：10％的接种比例、30℃培养温度及ph＝8.0的培养液环境，培养液成分为：每l培养液含有酵母提取物20g、(nh4)2so
4 10g、0.13m的tris缓冲液；(2)再加入1.5倍菌液体积的混合钙液(尿素、硝酸钙及氯化钙溶液的比例为1：2：1，在适宜的温度条件下养护；(3)将微生物混合液在低速搅拌机混合搅拌2～3min，形成微生物浆液。(4)按照掺量1％、长度10mm添加聚丙烯纤维材料，与膨胀土混合均匀，形成纤维加筋的膨胀土。(5)按照20％含水率，将微生物浆液与纤维加筋的膨胀土试样按1：5的重量比在低速搅拌机混合搅拌均匀，在常温下养护12～24小时，即得到改良后的膨胀土。
45.本发明中将聚丙烯纤维材料与膨胀土混合均匀，加入微生物混合液进行机械搅拌，养护12～24小时后，即可摊铺。经改良的膨胀土的各项物理力学性质指标得到明显改善，经测定：中等膨胀土经改良后，其自由膨胀率为26.0～30.0％；无侧限抗压强度大于3mpa。可用作道路、基础、生态护坡等填筑材料，具有巨大的经济效益和环境效益。
46.图2为根据本发明的利用微生物复合纤维加筋进行改良后的膨胀土在不同养护天数下的自由膨胀率试验曲线图。如图2所示，改良前的膨胀土，其自由膨胀率为50％，改良后的膨胀土，随着养护天数的增加，自由膨胀率逐渐降低，7天后趋于稳定，自由膨胀率为30％，低于40％工程可以直接使用。
47.图3为根据本发明的利用微生物复合纤维加筋进行改良后的膨胀土在50kpa荷载下的膨胀率试验曲线图。如图3所示，改良前的膨胀土，在50kpa荷载的膨胀率为0.167，改良后的膨胀土，随着养护天数的增加，膨胀率逐渐降低，7天后趋于稳定，膨胀率为0.033，相比改良前膨胀土的膨胀率0.167降低了80％。
48.图4为微生物复合纤维加筋固化膨胀土的sem微观分析图。从图4可以看到土体表面形成大量鳞片状的晶体，实现了颗粒之间的胶结，填充了聚集体之间的孔隙，增加了颗粒之间的黏聚力。
49.根据本发明的改良膨胀土的方法利用微生物复合纤维加筋来对膨胀土进行改良，达到工程需要的改良指标。
50.可以对我国的膨胀土治理提供更环保、有效的治理方法，在膨胀土分布的边坡护岸，开展微生物改良膨胀土处理，通过微生物复合纤维加筋的合理应用，降低边坡的胀缩和滑坡危害，构筑具有一定孔隙率和渗透性的边坡护岸，形成基于膨胀土治理的生态护坡技
术，可为生态边坡护岸提供新的治理思路。
51.最后应说明的是，如本领域技术人员将认识到的那样，附图和描述为示例性而非限制性的，所描述的实施例可以以各种不同的方式修改，所有这些都不脱离本发明的精神或范围。