微生物固化石油污染砂土的力学特性研究

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微生物诱导碳酸钙沉积(microbially induced calcite precipitation,简写MICP)技术在岩土工程领域得到广泛的关注与应用。该技术不仅可以有效地提高岩土材料的强度、刚度以及抗侵蚀能力等,而且固化后的岩土体仍能保持良好的透水性,为植物的生长提供良好的环境。另一方面,随着我国经济的快速发展致使石油需求量不断增长,石油勘探、运输、装卸、加工、使用过程中石油泄漏时有发生,一旦石油渗入土体,不仅会污染土体,而且会影响土体的工程力学特性。针对目前国内外已有的石油污染土的固化方式较为单一,常以水泥固化固化为主,本文提出采用MICP技术固化石油污染砂土,为实际工程中固化石油污染砂土提供了一种新的思路。通过采用巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)和胶结液(尿素和氯化钙的混合溶液),利用MICP技术,可在砂土颗粒之间生成具有胶结作用的碳酸钙晶体从而固化砂土。通过对MICP固化与水泥固化的石油污染和无污染的砂土试样开展了系统的强度与渗透试验,结合扫描电镜(SEM)及X射线衍射(XRD)试验,从宏微观多角度揭示MICP对固化油污染砂土力学特性的影响规律和作用机理。主要研究工作及结论如下:(1)通过相关生化检测手段获得微生物基本参数(细菌光密度、细菌活性);采用低p H一相注技术和自行研制的固化装置,促进碳酸钙均匀分布,制备出强度较高的砂柱。通过常规的室内土工试验,获得其基本物理性质参数;通过不同胶凝(水泥和微生物)材料固化砂柱,制备不同掺量(9%、11%、13%、15%)的油污染砂柱试样和无污染砂柱试样的试样,制定了详细的无侧限抗压试验方案、三轴固结不排水剪切试验和渗透试验方案;采用微观试验XRD与SEM,获得其矿物的组成成分及微观形貌特征。(2)采用优化后的MICP固化方法分别固化石油污染砂土和无污染砂土,开展相应的力学特性对比试验研究,通过开展无侧限抗压试验和三轴固结不排水剪切试验获得其强度特性,通过开展渗透试验获得其渗透特性。结果表明:在相同的碳酸钙含量下,MICP固化油污染砂的强度弱于MICP固化无污染砂。当碳酸钙含量达到15%左右时,MICP固化油污染砂的无侧限抗压强度显著提高,达到1MPa。这说明细菌在油污染砂土中可以维持活性,其生成的碳酸钙也可以有效桥接砂颗粒,并且克服了油疏水性对细菌吸附砂颗粒表面的不利影响,即MICP能大大改善油污染砂土的力学性能。MICP固化油污染砂柱试样与MICP固化无污染砂柱试样渗透性相比,碳酸钙含量为9.05%的微生物油污染砂柱试样的渗透系数显著降低45%。通过XRD、SEM可以看出,MICP固化油污染砂和无污染砂生成晶体的类型主要为球霰石和方解石,表明油类污染物不影响碳酸钙形成的晶体类型。(3)采用优化后的微生物固化技术与传统的水泥固化技术分别固化石油污染砂土,开展相应的力学特性对比试验研究,通过开展无侧限抗压试验和三轴固结不排水剪切试验获得其强度特性,通过开展渗透试验获得其渗透特性。结果表明:水泥固化油污染砂柱试样与MICP固化油污染砂柱试样渗透性相比,含量为9%的水泥的渗透系数降低了90%以上,MICP固化可以保持砂柱试样固化后渗透性的能力,更好地保证连续注浆固化试验。MICP固化油污染砂柱试样的强度强于水泥固化油污染砂柱试样,说明油类有机质对水泥的固化效果的影响较大,归因于油在砂颗粒表面形成物理包附,延迟水泥的水化,阻碍CH的成核和生长。通过SEM、XRD可以看出,MICP固化油污染砂柱试样的砂颗粒表面比较光滑,生成的碳酸钙主要沉积在砂颗粒孔隙之间,较少的一部分沉积在砂颗粒表面,而水泥固化油污染砂柱试样,水泥水化的产物小部分胶结在砂颗粒之间,大部分胶结在砂颗粒表面并且产生一定程度的固体结块,导致水泥固化油污染砂的强度偏低,表明MICP技术更加适用于油污染地区的土体改良工程。
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