应用于治沙固土的微生物水泥的制备及相关机理研究

在岩土稳定处理中常用水泥、石灰等无机结合料，因能耗、污染、资源问题，需要寻找其它类型的胶结材料作为补充，同时提高地基处理的可靠性。本课题旨在研究一种环境影响小，耐久性高，并能深度原位固结沙性土壤等散粒体系的微生物水泥，这类水泥母体可在待胶结体系中实现高增量，是真正意义的"活的"水泥。拟阐明该材料制备和应用中的生物化学机理，建立产物形成的热-动力学模型，探明细菌及驯化方法、繁殖和酶调控剂与胶凝性物质形成量的关系，提出微生物水泥用量、待胶结体系空隙率、产物的含量及其对颗粒的粘结强度等参数与胶结强度之间的定量或半定量关系。研究主要分为下列几个部分：微生物水泥母体的基本配方和制备方法；水泥母体在不同胶结体系中的增量规律、胶结规律、调控方法以及机理；繁殖、酶等调控剂的配方、功效和作用机理；基于不同岩土环境和胶结强度的微生物水泥的耐久性、应用方法与水泥母体用量设计方法。

为降低普通硅酸盐水泥能耗，减少环境污染，急需寻找其他类型的胶结材料作为补充。本项目通过优选获取到一株适用于治沙固土并具有矿化能力的微生物菌株，并通过细菌纯化、金属驯化和底物驯化三个方面提高微生物酶活性。根据酶动力学米氏方程，确定了底物浓度、温度、pH 值等对酶促反应动力学常数和最大反应速率的影响，确立了最有利的反应条件。同时从反应时间、混合溶液浓度、成型工艺、微生物水泥用量以及添加剂镁离子等角度研究了微生物水泥固结松散石英砂、尾矿砂以及土颗粒的效果，确定了固结不同松散颗粒的微生物水泥配方。在确定的微生物水泥配方和制备工艺基础上，利用先进的X 射线断层扫描技术（X-CT）对微生物水泥胶结松散砂颗粒的微观结构演化过程进行了监控，证实了随着微生物水泥注入次数的增多，松散砂颗粒内部形成的方解石含量逐渐增多，胶结而成的砂柱结构逐渐密实、强度逐渐提高；利用核磁共振、光电子能谱、红外光谱、热重、扫描电镜、透射电镜等先进测试技术，明确了微生物水泥矿化形成的方解石起胶结作用的胶结机理，提出了微生物矿化形成的碳酸盐矿物与松散颗粒之间形成了新的胶结键理论。最后将上述制备好的微生物水泥应用于地基加固、防风治沙等领域，并取得了较好应用效果。.在该项目资助下，在国内外核心期刊发表学术论文17篇，其中SCI 和EI 收录16篇，专利受理2 项，培养博士生2名，硕士生2名。