摘要
在微生物诱导CaCO3沉淀技术的基础上,利用Matlab软件建立一维流动注浆模型,在离子层面对模拟注浆的砂柱进行分析和计算,并着重对砂柱后期强度的关键影响因素C
中国是世界上沙漠化危害最严重的国家之一,如何有效利用沙漠资源是当今中国面临的一个迫切问题.传统微生物技术与土木工程的结合,主要是利用生物降解处理垃圾废料
微生物诱导CaCO3结晶(MICP)是利用特定微生物的酶来加速反应,促使C
当前MICP在固化砂土方面,多采用直接试验法进行研究,通过试验结果反演固结机理.此方法试验周期较长,成本较高,且现有的数值模拟手段不具有定向追踪特定离子的功能,故而在定量分析微生物注浆砂柱中CaCO3含量分布方面的功能性和准确性不高.本文采取定向和定量的数值模拟追踪法,对注浆钙盐进行钙沉淀定量分析,结合其沉积位置,确定砂柱的注浆状态,能够弥补微生物注浆模拟在功能性和准确性方面的不足.
沙漠砂取自内蒙古某沙漠,参照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》,测得其基本物理指标如
菌液配置:首先,在1 L纯净水中加入20 g酵母粉、10 g硫酸铵、1 mL浓度为0.01 mol/L的NiCl3溶液,搅拌5 min后用2.5 mol/L的NaOH溶液(大约需要20 mL)调节溶液pH值至8.5~9.0之间,得到培养基;然后,将培养基倒入锥形瓶,密封高压高温(120 ℃)消毒,冷却后加入菌种液(5 mL菌种+5 mL甘油),在震荡培养箱(30 ℃,180 r/min)中培养16 h后冷藏保存;最后,将培养好的菌液用注射器均分装到锥形瓶中用于注浆(每瓶装50 mL).
每个砂柱配备体积为2 L的营养盐灌浆液(包含1.50 mol/L的尿素和营养盐),灌注50 mL菌液.制作砂柱的模具采用内径30×100 mm的圆柱形塑料管.灌注方式为每个注浆菌液烧杯引出1根灌注管,经蠕动泵与砂柱相连并进行灌注.先灌注菌液,完毕后关闭蠕动泵,静置2 h,再采用同样方法注入含营养盐的灌浆液.塑料管底部用容器承接从塑料管中流出的废液.所用微生物菌株是巴氏芽孢八叠球菌,陈歆
试验采用分光光度计来测量吸收光度OD600值.吸收光度越大,所含有的微生物量越多.测得菌液的OD600值为2.620.
试验采用2种钙源营养液分别注浆砂柱,待砂柱固结后拆模取出,进行无侧限抗压强度(UCS)测试,以确定可以产生高强度砂柱的微生物钙源.
CaCO3含量测定采用酸洗法,取单轴抗压强度测试后破坏的样品,用纯净水冲洗清理表面的可溶盐,烘干后加入盐酸溶液充分反应溶解直至无气泡产生,最后烘干.测量反应前后的质量差,即可得出CaCO3含量.
单轴抗压强度是砂柱性能的重要指标.采用1.1中介绍的注浆方法,对砂柱依次进行3、4、5次灌注,前次灌注完成后颠倒砂柱的首末端,将灌注管接到砂柱的另一端,继续灌注,即为1次完整的注浆过程.试验表明,这种方法可以有效避免注浆口位置由于CaCO3的固结沉淀而导致的堵塞.
不同CaCl2注浆次数砂柱的单轴抗压强度如

图1 不同CaCl2注浆次数砂柱的单轴抗压强度
Fig.1 Uniaxial compressive strength of sand column after different times CaCl2 grouting
取砂柱抗压测试破坏后的样品,观察其CaCO3胶凝物质的分布,结果如

图2 碳酸钙胶凝物质的分布
Fig.2 Distribution of calcium carbonate cementitious substances
取少量上述0.75 mol/L CaCl2注浆砂柱的形貌分析样品打碎、研磨,达到衍射试验用粉末的标准(约44 μm),取1~2 g进行X射线衍射(XRD)测试,结果如

图3 0.75 mol/L CaCl2注浆砂柱的XRD图谱
Fig.3 XRD pattern of sand column after 0.75 mol/L CaCl2 grouting
5次CaCl2注浆砂柱的性能如
注浆试验已经证明,CaCO3含量与砂柱强度有着直接的联系,且呈正相关关系.CaCl2钙源较C4H6CaO4钙源具有明显优势.为使得砂柱中沉淀的CaCO3含量最大,可以通过间接追踪注浆时砂柱中的C
建模分析是基于大量试验数据,对微生物诱导CaCO3沉淀过程的注浆阶段进行模拟.Fauriel
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式中: n为砂柱空隙率,%;Ci为溶液中离子的浓度,mol/L;t为离子流动时间,s; 为离子扩散系数,
根据生物酶催化尿素水解、CaCO3沉淀等多种化学反应和结晶理论、酶活性条件理论,对反应速率进行计
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利用变分原理,对砂柱空隙率的减小及单位时间内流出液体的体积进行处理,在Matlab中利用欧拉方法和牛顿迭代求解,浓度采用线性插值法计

图4 模型建立流程
Fig.4 Model building process
反应生成的CaCO3沉淀后填充在砂柱空隙,使砂柱固结,因此C
数值模拟即模拟溶液向砂柱深处单向渗透过程.砂柱灌注长度设为1 m,均分为200段单位截面圆柱体,标1~201号节点,每2个节点之间的距离即为0.5 cm,如

图5 模拟砂柱注浆模型示意图
Fig.5 Schematic diagram of simulated sand column grouting model
初始环境参数及变量均相同,如

图6 不同位置处C
Fig.6 Chang curves of C
第(1)阶段:营养盐在重力作用下渗入砂柱.
第(2)阶段:C
第(3)阶段:C
第(4)阶段:C
注浆口位置的C
当钙盐浓度扩大至1.00 mol/L时,钙盐的灌注效果进一步提高,然而随着钙盐浓度的增加,3个阶段的C
由上述注浆C
根据各组位置-浓度曲线对灌浆5 h后各模拟砂柱模型的C
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式中:为1号位置(注浆口)的C
注浆模型的数值模拟结果表明,当钙盐浓度从1.00 mol/L增加到1.50 mol/L时,注浆效果增加不明显,且C
选取各钙盐浓度数值矩阵在灌浆5 000、10 000、15 000 s时C
(1)钙盐浓度为0.75 mol/L时微生物灌浆砂柱的后期强度最高,可达26.09 MPa.
(2)钙盐浓度为0.75 mol/L时微生物灌浆砂柱在强度方面有优势,钙盐浓度为1.00 mol/L时微生物灌浆砂柱在快速凝结方面更有优势,实际工程应用中应结合二者优势,根据需要选择CaCl2浓度进行灌浆.
(3)钙盐浓度为1.00 mol/L时相较于钙盐浓度为0.75 mol/L时浆液渗透更快,但后期C
(4)数值模拟CaCO3含量结果与试验值具有一定程度的对应关系,且该注浆模型对钙盐浓度为0.75 mol/L时CaCO3含量的数值模拟拟合效果最佳,表明了本模型的有效性和精确性.
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