微生物水泥的研制及其膠結(jié)機(jī)理.pdf

1、硅酸鹽水泥是目前最為常用的膠凝材料，但由于其存在著能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)而面臨著嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此，科研工作者一方面紛紛從水泥生產(chǎn)設(shè)備、工藝技術(shù)、熟料成分比例優(yōu)化和輔助性膠凝材料復(fù)合、延長(zhǎng)服役壽命等方面進(jìn)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，以期實(shí)現(xiàn)水泥制備過(guò)程的直接節(jié)能減排和水泥高效應(yīng)用產(chǎn)生的間接節(jié)能減排。另一方面又從研究開(kāi)發(fā)新型膠凝材料角度，力圖尋找到具有能耗小、污染少或無(wú)污染且具有優(yōu)良耐久性的新型膠凝材料，應(yīng)用于部分可替代的場(chǎng)合。
　　本文僅僅

2、圍繞微生物水泥的研制及其膠結(jié)機(jī)理這一中心問(wèn)題，研究了微生物水泥在松散砂顆粒間的礦化作用，明確了微生物在松散砂顆粒間的狀態(tài)和礦化機(jī)制;探明了微生物礦化形成的方解石在有機(jī)基質(zhì)作用下，與松散砂顆粒間的相互作用，揭示了微生物水泥膠結(jié)松散砂顆粒的本質(zhì)原因;確定了微生物水泥膠結(jié)松散砂顆粒的最佳工藝和基本配方，并根據(jù)其膠結(jié)效果進(jìn)行了配方優(yōu)化;通過(guò)微生物水泥隨膠結(jié)次數(shù)變化而導(dǎo)致的膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度、方解石含量、孔隙率、微觀結(jié)構(gòu)及三維立體重構(gòu)、距離注射口不同

3、位置處的二維橫截面結(jié)構(gòu)、孔尺度分布和演變規(guī)律的研寵，揭示了微生物水泥膠結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)和性能演變規(guī)律;根據(jù)上述研制好的微生物水泥制備了尺度為0.5 m高的砂柱和0.125 m3的立方體砂塊，并根據(jù)其放大應(yīng)用試驗(yàn)，建立了考慮微生物濃度分布的微生物水泥膠結(jié)松散砂顆粒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)上述兩種不同尺度下形成的方解石含量和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析;最后還對(duì)微生物水泥應(yīng)用于防風(fēng)治沙和揚(yáng)塵治理方面進(jìn)行了初步探索。本論文取得的主要研究結(jié)論和創(chuàng)新成果包括以

4、下五方面:
　　(1)揭示了松散砂顆粒間的微生物礦化和膠結(jié)機(jī)理
　　通過(guò)分析微生物在松散砂顆粒表面存在狀態(tài)，以及松散砂顆粒在微生物礦化形成方解石晶體作用下膠結(jié)成為整體的過(guò)程，明確了微生物吸附在松散砂顆粒表面，以底物為營(yíng)養(yǎng)源，在胞內(nèi)酶作用下將底物分解成CO32-和NH4+并排出胞外，排出胞外的CO32-直接與螯合在細(xì)胞表面的Ca2+相結(jié)合，以松散砂顆粒表面上的微生物細(xì)胞為成核位點(diǎn)，在松散砂顆粒表面和顆粒之間逐漸礦化沉積出受微生

5、物分泌的有機(jī)基質(zhì)調(diào)控作用影響的方解石晶體;通過(guò)比較分析微生物水泥產(chǎn)物碳酸鈣和化學(xué)法形成的碳酸鈣的晶體類(lèi)型、形貌、活化能和分解溫度，確定了微生物分泌的有機(jī)基質(zhì)對(duì)微生物礦化形成的方解石晶體成核和生長(zhǎng)的調(diào)控影響;紅外光譜、光電子能譜以及核磁共振等先進(jìn)測(cè)試技術(shù)對(duì)微生物礦化形成的方解石中的C-O鍵、石英砂中的Si-O鍵以及Si原子的電子結(jié)合能分析結(jié)果表明，微生物礦化形成的方解石在微生物分泌的有機(jī)基質(zhì)作用下，與松散砂顆粒之間發(fā)生了分子間氫鍵的相互作

6、用，并在該作用下，微生物水泥將松散砂粒膠結(jié)成為整體。
　　(2)確定了微生物水泥膠結(jié)松散砂顆粒的工藝和配方
　　通過(guò)研究無(wú)壓成型、壓力成型、不連續(xù)無(wú)壓成型和泵送注射成型四種工藝對(duì)膠結(jié)性能（抗壓強(qiáng)度、方解石含量和孔隙率）的影響，確定了采用泵送注射方法膠結(jié)松散砂顆粒的工藝:采用蠕動(dòng)泵首先以5 mL/min速率向松散砂顆粒中注入微生物溶液，停滯2～3 h以盡可能多地讓微生物吸附停滯在松散砂顆粒中，然后再以10 mL/min的速率注

7、入混合溶液，停滯6h以便微生物與混合溶液充分作用。并在此工藝條件下，確定了微生物水泥的配方。
　　(3)探明了微生物水泥膠結(jié)松散砂顆粒微觀結(jié)構(gòu)和性能演變規(guī)律
　　采用X射線(xiàn)斷層掃描儀和掃描電鏡分別對(duì)不同膠結(jié)次數(shù)下的微生物水泥膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度、方解石含量、孔隙率、三維立體重構(gòu)、距離注射口不同位置處的二維橫截面結(jié)構(gòu)、孔尺度分布及演變規(guī)律進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明微生物水泥膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度和方解石含量隨膠結(jié)次數(shù)的增多而增大，但增長(zhǎng)幅度卻

8、隨膠結(jié)次數(shù)的增多而降低;微生物水泥膠結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)隨膠結(jié)次數(shù)的增多而逐漸密實(shí)，孔隙率降低，但降低幅度隨膠結(jié)次數(shù)的增多而減小。同時(shí)還揭示了微生物水泥膠結(jié)體整體結(jié)構(gòu)存在著不均勻性的規(guī)律，即距離注射口較近區(qū)域的膠結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，反之則相反。明確了微生物水泥膠結(jié)體內(nèi)部存在著大量尺寸為0.01 mm3～0.10 mm3的孔和少量尺寸為0.5mm3～45.0 mm3的孔，上述兩個(gè)尺度的孔數(shù)量隨著膠結(jié)次數(shù)的增多均表現(xiàn)為減少規(guī)律，而尺度為0.11

9、mm3～0.50 mm3的孔則隨著膠結(jié)次數(shù)的增多呈現(xiàn)出先增多后減少的規(guī)律。
　　(4)制備了不同尺度的微生物水泥膠結(jié)體并預(yù)測(cè)了其性能
　　通過(guò)制備不同尺度的微生物水泥膠結(jié)體及測(cè)試分析距離注射口不同部位的抗壓強(qiáng)度、方解石含量、抗凍性和抗沖刷性等性能，揭示了微生物水泥膠結(jié)體性能隨著遠(yuǎn)離注射口而逐漸降低的規(guī)律;探明了距離注射口0～0.2 m范圍內(nèi)的膠結(jié)體具有較好抗凍性，而超過(guò)此范圍，則膠結(jié)體抗凍性較差;距離注射口不同部位的膠結(jié)體均

10、具有較好抗沖刷性。根據(jù)上述不同尺度的微生物水泥膠結(jié)體性能研究，建立了考慮微生物濃度分布的微生物水泥膠結(jié)砂粒性能預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，并采用Crank-Nicolson差分方法對(duì)不同尺度的膠結(jié)體性能隨膠結(jié)次數(shù)變化的規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值求解，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，所建立的微生物水泥膠結(jié)砂粒模型可以很好地對(duì)不同尺寸、不同條件下的膠結(jié)體性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。
　　(5)初步探討了微生物水泥在防風(fēng)治沙和建筑揚(yáng)塵防治中的應(yīng)用