微生物水泥的研制及其膠結機理.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)境污染嚴重等缺點而面臨著嚴重挑戰(zhàn)。因此，科研工作者一方面紛紛從水泥生產設備、工藝技術、熟料成分比例優(yōu)化和輔助性膠凝材料復合、延長服役壽命等方面進行系統(tǒng)的基礎研究，以期實現水泥制備過程的直接節(jié)能減排和水泥高效應用產生的間接節(jié)能減排。另一方面又從研究開發(fā)新型膠凝材料角度，力圖尋找到具有能耗小、污染少或無污染且具有優(yōu)良耐久性的新型膠凝材料，應用于部分可替代的場合。
　　本文僅僅

2、圍繞微生物水泥的研制及其膠結機理這一中心問題，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)和礦化機制;探明了微生物礦化形成的方解石在有機基質作用下，與松散砂顆粒間的相互作用，揭示了微生物水泥膠結松散砂顆粒的本質原因;確定了微生物水泥膠結松散砂顆粒的最佳工藝和基本配方，并根據其膠結效果進行了配方優(yōu)化;通過微生物水泥隨膠結次數變化而導致的膠結體抗壓強度、方解石含量、孔隙率、微觀結構及三維立體重構、距離注射口不同

3、位置處的二維橫截面結構、孔尺度分布和演變規(guī)律的研寵，揭示了微生物水泥膠結體微觀結構和性能演變規(guī)律;根據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，并根據其放大應用試驗，建立了考慮微生物濃度分布的微生物水泥膠結松散砂顆粒過程的數學模型，并對上述兩種不同尺度下形成的方解石含量和抗壓強度進行了預測分析;最后還對微生物水泥應用于防風治沙和揚塵治理方面進行了初步探索。本論文取得的主要研究結論和創(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機理
　　通過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成為整體的過程，明確了微生物吸附在松散砂顆粒表面，以底物為營養(yǎng)源，在胞內酶作用下將底物分解成CO32-和NH4+并排出胞外，排出胞外的CO32-直接與螯合在細胞表面的Ca2+相結合，以松散砂顆粒表面上的微生物細胞為成核位點，在松散砂顆粒表面和顆粒之間逐漸礦化沉積出受微生

5、物分泌的有機基質調控作用影響的方解石晶體;通過比較分析微生物水泥產物碳酸鈣和化學法形成的碳酸鈣的晶體類型、形貌、活化能和分解溫度，確定了微生物分泌的有機基質對微生物礦化形成的方解石晶體成核和生長的調控影響;紅外光譜、光電子能譜以及核磁共振等先進測試技術對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原子的電子結合能分析結果表明，微生物礦化形成的方解石在微生物分泌的有機基質作用下，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成為整體。
　　(2)確定了微生物水泥膠結松散砂顆粒的工藝和配方
　　通過研究無壓成型、壓力成型、不連續(xù)無壓成型和泵送注射成型四種工藝對膠結性能（抗壓強度、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松散砂顆粒的工藝:采用蠕動泵首先以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松散砂顆粒微觀結構和性能演變規(guī)律
　　采用X射線斷層掃描儀和掃描電鏡分別對不同膠結次數下的微生物水泥膠結體抗壓強度、方解石含量、孔隙率、三維立體重構、距離注射口不同位置處的二維橫截面結構、孔尺度分布及演變規(guī)律進行了研究分析，結果表明微生物水泥膠結體抗壓強度和方解石含量隨膠結次數的增多而增大，但增長幅度卻

8、隨膠結次數的增多而降低;微生物水泥膠結體微觀結構隨膠結次數的增多而逐漸密實，孔隙率降低，但降低幅度隨膠結次數的增多而減小。同時還揭示了微生物水泥膠結體整體結構存在著不均勻性的規(guī)律，即距離注射口較近區(qū)域的膠結體微觀結構較為密實，反之則相反。明確了微生物水泥膠結體內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，上述兩個尺度的孔數量隨著膠結次數的增多均表現為減少規(guī)律，而尺度為0.11

9、mm3～0.50 mm3的孔則隨著膠結次數的增多呈現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體并預測了其性能
　　通過制備不同尺度的微生物水泥膠結體及測試分析距離注射口不同部位的抗壓強度、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體性能隨著遠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范圍內的膠結體具有較好抗凍性，而超過此范圍，則膠結體抗凍性較差;距離注射口不同部位的膠結體均

10、具有較好抗沖刷性。根據上述不同尺度的微生物水泥膠結體性能研究，建立了考慮微生物濃度分布的微生物水泥膠結砂粒性能預測的數學模型，并采用Crank-Nicolson差分方法對不同尺度的膠結體性能隨膠結次數變化的規(guī)律進行了數值求解，并將數值計算結果與試驗結果進行比較分析。結果表明，所建立的微生物水泥膠結砂粒模型可以很好地對不同尺寸、不同條件下的膠結體性能進行預測。
　　(5)初步探討了微生物水泥在防風治沙和建筑揚塵防治中的應用