【摘 要】
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微生物诱导碳酸钙沉积（Microbial Induced Carbonate Precipitation,简称MICP）技术兴起于2004年左右,逐渐发展成为岩土工程领域一大研究热点,在当前国内的“双碳”战略背景下,开展MICP技术的研究更具时代意义。然而,MICP技术受限于微生物的生命活动,对反应所处的环境条件及灌浆方法有诸多限制,其反应过程的不可控性进一步限制了灌浆液的浓度和流速,同时会影响M
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微生物诱导碳酸钙沉积（Microbial Induced Carbonate Precipitation,简称MICP）技术兴起于2004年左右,逐渐发展成为岩土工程领域一大研究热点,在当前国内的“双碳”战略背景下,开展MICP技术的研究更具时代意义。然而,MICP技术受限于微生物的生命活动,对反应所处的环境条件及灌浆方法有诸多限制,其反应过程的不可控性进一步限制了灌浆液的浓度和流速,同时会影响MICP固化的最终效果。综上所述,寻求更加高效便捷的方法对MICP过程进行改进优化目前仍是微生物固化研究领域的一项重要课题。本文首次提出将常用于农林业生产和临床医学应用研究领域的一种脲酶抑制剂引入岩土工程研究领域的MICP固化技术中,实现对MICP反应过程的调控,从而提出优化的MICP试验方案。首先,通过开展理论研究及微生物溶液试验研究,比选出了一种适用于MICP反应条件的脲酶抑制剂——正丁基硫代磷酰三胺（n-butyl thiophospho triamine,简称NBPT）。随后,将NBPT应用于MICP固化砂柱试验,以生成物的抗压、抗剪、渗透性、固化均匀性等力学性质作为检测指标,综合评价了其作用效果,并分析了NBPT在MICP反应中的作用机制。此外,本文亦针对MICP反应常见的影响因素开展了试验研究,提出了各影响因素在掺入NBPT时的最佳取值范围。本文的研究结论为相关的后续试验研究和实际应用提供了重要的基础数据及理论依据,主要研究内容和取得的成果如下。（1）对MICP反应的两个主要步骤——脲酶催化尿素水解和碳酸钙晶体沉积过程的反应机理进行了详细的阐述,基于反应的作用机理探寻由于反应迅速发生而导致生成物局部阻塞问题的解决方案。由此提出抑制尿素水解速率,缓释脲酶活性的设想,将脲酶抑制剂引入岩土工程研究领域,提升MICP对土体工程性质的改良效果。（2）对脲酶抑制剂的作用机理进行了深入的研究,结合MICP溶液试验,比选出适用于MICP的脲酶抑制剂NBPT,并初步确定了其用量范围为0.01%～1%浓度区间。（3）借助溶液试验探究了不同浓度的NBPT对MICP反应的作用效果,试验结果显示,NBPT参与反应可降低尿素水解速率,延长碳酸钙完成沉积的时间。通过对反应生成物的含量及胶结强度的测试,揭示了NBPT参与反应可影响MICP反应生成物胶结水平,且该影响效果与掺入NBPT的浓度相关。研究结果显示,反应生成物的胶结水平随着NBPT浓度的上升呈现先升后降的变化趋势,峰值出现在NBPT浓度为0.1%时。（4）通过将NBPT掺入MICP反应开展砂柱固化试验研究,设计对比试验探究了不同浓度范围的NBPT用量对MICP固化砂柱作用效果的影响。分别对固化后砂柱的无侧限抗压强度、三轴剪切强度、渗透性、均匀性和有效胶结物含量等指标进行了测试,测试结果表明,掺入NBPT的MICP反应固化砂柱的效果受NBPT浓度变化的影响较为明显,较适宜的NBPT掺量为0.1%左右。（5）采用扫描电子显微镜成像、能谱分析及X射线衍射等测试方法对NBPT参与的MICP反应生成物的微观形貌进行了分析测试,结果显示NBPT可实现对反应生成碳酸钙晶体形貌的调控,且该调控作用效果与NBPT自身浓度相关。此外,NBPT及其水解产物在反应过程中形成了有机沉淀,促使反应生成碳酸钙晶体和有机质的共聚体,提高了生成物的胶结水平。该反应生成物具备一定的杂质吸附能力。（6）分别以NBPT浓度、胶结液浓度、菌胶比、温度、p H值几种影响因素作为研究变量,对引入NBPT的MICP反应开展正交试验,分别研究了上述各类影响因素的作用效果。试验结果表明,NBPT的最佳用量为0.1%～0.2%,胶结液的参考浓度宜为1 mol/L,菌胶比以1:1为宜,反应温度宜为30°C,初始p H值宜为7～8。研究结论为脲酶抑制剂应用于MICP反应的后续研究和应用推广提供了有价值的参考。
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