一种利用磷酸盐矿化菌固结松散砂颗粒的方法

摘要

本发明公开了一种利用磷酸盐矿化菌固结松散砂颗粒的方法，步骤为：将枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis接种到牛肉膏、蛋白胨培养基中，得到菌液；然后将磷酸苯二钠加入制备好的菌液中；配制浓度为0.5～1.5mol/L的无水氯化钙溶液；按富勒最紧密堆积方法配制两级配为0.15mm以下和0.15～0.30mm的砂70～90g，然后装入带有缓冲垫和过滤砂的试模中；将菌液和化学溶液按体积比为1：1的比例通过蠕动泵分别注入第三步配制好的砂中，控制菌液流速为4～6mL/min，化学溶液流速为10～15mL/min，连续注入8～15天；带模放置60℃烘箱中养护48h，取出脱模即得。其抗压强度高达1.0MPa。

说明书

技术领域

本发明涉及一种加固地基的方法，具体地说涉及到一种利用磷酸盐矿化菌固结松散 砂颗粒的方法。

背景技术

目前，用于加固地基的化学加固材料是硅酸盐水泥、石灰、石膏、水玻璃以及环氧 树脂等人造化学材料。这些材料除环氧树脂外，其余材料都存在着污染环境、破坏生态 的影响。

随着科技的进步，现在越来越多的人在关注微生物加固领域，是一种在生物体内形 成无机矿物的过程，在此过程中有生物体代谢、细胞、有机基质的参与。有两种形式， 一种是生物体代谢产物直接与细胞内、外阳离子形成矿物质，如某些藻类的细胞间文石。 另一种是代谢产物在细胞干预下，在胞外基质的指导下形成生物矿物，如羟基磷灰石。 微生物参与形成的无机矿物质与普通天然及合成材料相比，具有特殊的高级结构和组装 方式，有很多近乎完美的性质，如极高的强度，非常好的断裂韧性和耐磨性等。但是目 前的微生物固化的研究还多数集中在巴氏芽孢杆菌固化中。菌种单一。

发明内容

技术问题：本发明针对上述存在的问题，提供了一种利用磷酸盐矿化菌固结松散砂 颗粒的方法。利用微生物诱导形成的磷酸盐矿物可以把松散颗粒胶结成为带有一定力学 性能的整体。

技术方案：一种利用磷酸盐矿化菌固结松散砂颗粒的方法，步骤为：

第一步，制备菌液：将枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis接种到牛肉膏、蛋白胨培养基 中，得到菌液；然后将磷酸苯二钠加入制备好的菌液中，即可获得含有磷酸苯二钠的菌 液，菌液中枯草芽孢杆菌的数量为2×10⁹～2×10¹¹，磷酸苯二钠的浓度为每100ml菌液中 含3～6g的磷酸苯二钠；

第二步，配制化学溶液：配制浓度为0.5～1.5mol/L的无水氯化钙溶液；

第三步，称取砂：按富勒最紧密堆积方法配制两级配为0.15mm以下和0.15～0.30mm 的砂70～90g，然后装入带有缓冲垫和过滤砂的试模中；

第四步，将第一步制备的菌液和第二步配制的化学溶液按体积比为1：1的比例通过 蠕动泵分别注入第三步配制好的砂中，控制菌液流速为4～6mL/min，化学溶液流速为 10～15mL/min，连续注入8～15天；

第五步，脱模：将连续注入8～15天的试样带模放置60℃烘箱中养护48h，取出脱模 即得。

所述的富勒最紧密堆积方法使用的富勒级配公式P=(d/D)ⁿ中的n值取为1/2，P为小 于粒径d的百分数，d为筛孔尺寸，D为颗粒最大粒径。

第一步中每升培养基含有蛋白胨4～6g、牛肉膏2～4g，pH为6～8。

菌液是由下往上注入试模，注满后在20～30℃下静置1～3h，待菌液完全渗出后，再 将化学溶液由下往上注入试模中，注满后在20～30℃下静置6～8h，待化学溶液完全渗出 后，再重新注入嗜碱菌液，循环交替，直至24h后无溶液渗出。

有益效果：

（1）环境友好，因其不同于传统加固地基的化学材料，对环境影响小、不易产生二次污 染，充分保护了土质的生态功能；

（2）充分利用自然界微生物资源，不仅资源丰富，而且工艺简单，环境清洁，成本低廉；

（3）微生物或者底物溶液均能够非常方便地渗入到沙质土壤或松软土质中；

（4）利用该方法固结后的松散颗粒力学性能得到改善，并且保持了一定渗透性，从而改 善了土壤液化性能。

附图说明

图1为利用磷酸盐矿化菌固结而成的砂柱荷载与位移关系。

图2为利用磷酸盐矿化菌固结而成的砂柱扫描电镜图像。

图3为利用磷酸盐矿化菌固结而成的砂柱能谱分析图。

图4为利用磷酸盐矿化菌固结而成的砂柱X射线衍射分析图。

图5为添加细菌前后胶结效果图。

具体实施方式

本发明所用的枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis来源于China Center of Industrial Culture  Collection（CICC），代码为23587。

试模可以采用30ml、50ml、60ml、100ml注射器的一种，或者是的塑 料试模均可。

利用磷酸盐矿化菌固结松散砂颗粒的机理是：嗜碱性微生物在生长繁殖过程中产生 某一酶化特性，不断分解底物形成PO₄^3-或HPO₄^2-，并释放到微生物细胞表面，同时化学 溶液中存在的Ca²⁺，吸附到带有负电荷的微生物细胞表面，以微生物细胞表面作为成核 位点，从而形成具有胶结性质的磷酸盐矿物。由微生物诱导形成的磷酸盐矿物在松散颗 粒之间充当桥梁作用，从而把松散颗粒胶结成为整体。整个反应如式（1）～式（4）所示。

Ca²⁺+PO₄^3-+OH^-1→Ca₅(PO4)₃(OH)          (4)

一种利用磷酸盐矿化菌固结松散砂颗粒的方法，按照如下方法制备：

（1）制备微生物菌液：将枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis接种到牛肉膏、蛋白胨培养 基中，每升培养基含有蛋白胨4～6g、牛肉膏2～4g，并控制pH为6～8，于30～37℃下培 养16～24h，取出即得到菌液；然后称取3～6g磷酸苯二钠放于100mL上述制备好的菌液 中，即可获得含有磷酸苯二钠的菌液；

（2）配制化学溶液：配制浓度为0.5～1.5mol/L的无水氯化钙溶液；

（3）称取砂：按富勒最紧密堆积方法配制两级配为0.15mm以下和0.15～0.30mm的 砂70～90g，然后装入特定试模中；

（4）将第一步制备的含有磷酸苯二钠的菌液和第二步配制的化学溶液按体积比为1： 1的比例通过蠕动泵分别注入第三步配制好的砂中，控制菌液流速为4～6mL/min，化学溶 液流速为10～15mL/min，连续注入8～15天，即可成功胶结砂颗粒。

上述步骤（3）中所述的富勒级配公式中的n值取为1/2。

上述步骤（3）中所述的特定试模是指30ml、50ml、60ml、100ml注射器的一种，或 者是的塑料试模。

上述步骤（4）中所述菌液和化学溶液分别注入砂粒的方法是：首先用蠕动泵连接装 有砂颗粒的试模底部，然后以4～6mL/min的速率从下往上注入菌液，注满后在20～30℃下 静置1～3h，待菌液完全渗出后，再以10～15mL/min的速率由下往上注入化学溶液，注满 后在相同温度下静置6～8h，待化学溶液完全渗出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液， 交替循环，直至所注入溶液在24h后无渗出，即成功胶结砂颗粒。

实施例1

（1）称取5g蛋白胨、3g牛肉浸膏和1000ml蒸馏水配制培养基，调节pH为7.0， 灭菌烘干后，将枯草芽孢杆菌接种至配制好的培养基中，在30℃下进行振荡培养，振荡 频率为170r/min，培养24h；然后称取4g磷酸苯二钠放于上述制备好的100mL菌液中， 即可获得含有磷酸苯二钠的菌液；

（2）配置CaCl₂溶液浓度为0.5mol·L^-1；

（3）分别称取粒径为0.15mm以下的砂56.56g和0.15～0.3mm的砂23.44g，分3次 装入60ml的一次性注射器中，在每次装入过程中敲打注射器外部，以使装入的砂紧密堆 积，紧密空隙率为43.1%；

（4）用蠕动泵连接注射器底部，以5ml/min的速率注入含有磷酸苯二钠的菌液，注 满后静置2h，待菌液完全渗出后，再以10ml/min的速率注入化学溶液，注满后静置6h， 待混合溶液完全渗出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液，交替循环，15天后成功胶 结砂。

图1是微生物砂柱荷载与位移的关系。在扫描电子显微镜下观察利用磷酸盐矿化菌 固结而成的砂柱表面形貌及能谱分析，结果（见图2～3）说明砂柱中除了已知存在的Si、 O、Ca、Cl元素外，还新出现了P元素。

对利用磷酸盐矿化菌固结而成的砂柱进行X射线衍射分析，结果（见图4）说明所得 胶结物质为磷酸盐矿物。

实施例2

（1）称取5g蛋白胨、3g牛肉浸膏和1000ml蒸馏水配制培养基，调节pH为7.0， 灭菌烘干后，将枯草芽孢杆菌接种至配制好的培养基中，在30℃下进行振荡培养，振荡 频率为170r/min，培养16h；然后称取5g磷酸苯二钠放于上述制备好的100mL菌液中， 即可获得含有磷酸苯二钠的菌液；

（2）配置CaCl₂溶液浓度为1mol·L^-1；

（3）分别称取粒径为0.15mm以下的砂63.63g和0.15～0.3mm的砂26.37g，分3次 装入60ml的一次性注射器中，在每次装入过程中敲打注射器外部，以使装入的砂紧密堆 积，紧密空隙率为42.8%；

（4）用蠕动泵连接注射器底部，以4ml/min的速率注入含有磷酸苯二钠的菌液，注 满后静置1h，待菌液完全渗出后，再以10ml/min的速率注入化学溶液，注满后静置7h， 待混合溶液完全渗出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液，交替循环，10天后成功胶 结砂。

实施例3

（1）称取5g蛋白胨、3g牛肉浸膏和1000ml蒸馏水配制培养基，调节pH为8.0， 灭菌烘干后，将枯草芽孢杆菌接种至配制好的培养基中，在30℃下进行振荡培养，振荡 频率为170r/min，培养24h；然后称取6g磷酸苯二钠放于上述制备好的100mL菌液中， 即可获得含有磷酸苯二钠的菌液；

（2）配置CaCl₂溶液浓度为1.5mol·L^-1；

（3）分别称取粒径为0.15mm以下的砂49.49g和0.15～0.3mm的砂20.51g，分3次 装入60ml的一次性注射器中，在每次装入过程中敲打注射器外部，以使装入的砂紧密堆 积，紧密空隙率为42.6%；

（4）用蠕动泵连接注射器底部，以6mL/min的速率注入含有磷酸苯二钠的菌液，注 满后静置3h，待菌液完全渗出后，再以11mL/min的速率注入混合溶液，注满后静置8h， 待化学溶液完全渗出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液，交替循环，8天后成功胶结 砂。

实施例4

（1）称取5g蛋白胨、3g牛肉浸膏和1000ml蒸馏水配制培养基，调节pH为8.0， 灭菌烘干后，将枯草芽孢杆菌接种至配制好的培养基中，在30℃下进行振荡培养，振荡 频率为170r/min，培养24h；然后称取5g磷酸苯二钠放于上述制备好的100mL菌液中， 即可获得含有磷酸苯二钠的菌液；

（2）配置CaCl₂溶液浓度为1.0mol·L^-1；

（3）分别称取粒径为0.15mm以下的砂63.63g和0.15～0.3mm的砂26.37g，分3次 装入60ml的一次性注射器中，在每次装入过程中敲打注射器外部，以使装入的砂紧密堆 积，紧密空隙率为42.8%；

（4）用蠕动泵连接注射器底部，以5mL/min的速率注入含有磷酸苯二钠的菌液，注 满后静置2h，待菌液完全渗出后，再以10mL/min的速率注入混合溶液，注满后静置6h， 待化学溶液完全渗出后，再按上述注入菌液的方式注入菌液，交替循环，10天后成功胶 结砂。

（5）称取5g磷酸苯二钠放于100mL去离子水中搅拌均匀，即获得含有磷酸苯二钠 的化学溶液；

（6）用蠕动泵连接注射器底部，以5mL/min的速率注入含有磷酸苯二钠的化学溶液， 注满后静置2h，待菌液完全渗出后，再以10mL/min的速率注入（2）中配制好的CaCl₂溶液，注满后静置6h，待化学溶液完全渗出后，再按上述注入磷酸苯二钠化学溶液的方 式注入磷酸苯二钠化学溶液，交替循环10天后，拆模发现砂颗粒仍处于松散状态，见图 5所示。