一种恒温微生物固化砂土试验装置

本发明涉及固化砂土，具体为一种恒温微生物固化砂土试验装置。

背景技术：

1、近年来，随着温室效应带来的全球气候变暖加剧，世界各国纷纷倡导低碳环保，因此生态环保类材料和相关工程技术备受推崇。微生物岩土工程也由此受到相关工作者的重视，并逐步张展相关研究和应用工作。其中微生物诱导碳酸钙沉积(micp)即为当前研究热点之一。micp的反应效率既受到反应物内部组成(细菌、脲酶、碳源、钙源)的影响，又受到外部环境因素(注浆方式、ph、温度、土体饱和度与颗粒粒径等)的制约，因此探索一条高效micp路径仍是未来发展的必然方向，室内微生物加固试验是必不可少的。现有的大部分试验多在室内环境下进行，不能忽略温度变化对于试验结果产生的影响，因此在可控恒温条件下对于室内micp实验是必要的。

2、且现有的一般砂土固化反应装置微生物矿化砂土均匀性较差，且采用破坏反应器外壳取出砂柱，易对砂柱造成二次伤害且反应器无法再次使用；且现阶段大部分微生物加固砂土实验都是在开放环境下进行试验研究，而未考虑微生物注浆过程中温度变化对于试验结果的影响。最后，菌液注入口由于碳酸钙沉淀易堵塞，不利于后续注浆实验且加压注入，不利于反应停留，容易造成菌液及固井液的浪费，不能很好的满足实验目的及要求。

3、因此，通过恒温微生物固化砂土试验装置加固砂土样品，研究micp固化砂土的固化原理、对于砂土物理力学性质的改善、影响因素等，为室内微生物固化砂土试验研究提供一定的理论及实验参考，为微生物加固技术室内研究供新实验装置。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服当前的技术缺陷，本发明提供了一种高效的恒温微生物固化砂土试验装置。

2、本发明采取的技术方案如下：本方案提供的恒温微生物固化砂土试验装置，包括装置箱，所述装置箱内部安装有盛液装置、蠕动泵、反应发生装置、支撑架和废液存放桶，所述装置箱外部设有温度控制系统，所述温度控制系统由探针式温度传感器、温度控制装置、加热装置和散热装置组成。

3、所述装置箱由pvc板粘接而成，转角由“l”字型玻璃夹固定，所述装置箱正面可拆卸打开。

4、所述反应发生装置内部分为三层，所述反应发生装置底部设有挡板，所述挡板外圈为直径10mm的圆孔，所述圆孔设有12组，所述反应发生装置内部设有卡扣，所述挡板通过卡扣固定，所述反应发生装置内中部设有砂柱，所述砂柱与反应发生装置之间放置有短纤针刺土工布，所述反应发生装置内部上端设有滤径为1mm的滤板，所述滤板上部设有3cm厚度的沸石层，所述反应发生装置顶部为2cm厚度的纱布层。

5、进一步地，所述装置箱尺寸为1.0m×1.5m×1.0m。

6、其中，所述反应发生装置为直径为110mm的亚克力圆柱结构构成。

7、所述可控恒温装置包括由亚克力板箱体、加热装置、散热装置、温度控制装置、探针式温度传感器组成，在实际使用时，先在温度控制装置上输入所需试验温度，通过探针式温度传感器进行检测装置箱温度反馈至控制装置，控制装置控制加热装置或散热装置运行，使箱内达到所需温度，并通过探针式温度传感器组成进行检测。

8、在实际试验时，采用的菌种为巴氏芽孢杆菌，选用菌液的脲酶活性为0.2～0.6m，胶结液为1:1的氯化钙、尿素混合液，浓度为2mol/l。实际实验步骤如下：

9、1、由于后续尾矿胶结需要大量的巴氏芽孢杆菌菌液，需要对其进行扩培，步骤为配制培养基-接种-扩培-细菌保存。

10、2、将膨润土加入到菌液和胶结液中，对悬浮液进行机械搅拌，得到膨润土浓度为80g/l膨润土-微生物悬浮液及膨润土-胶结液混合溶液。

11、3、连接制作实验装置，设定温度为25℃，将铁尾矿砂加入至砂柱模具中，菌液和胶结液放入试管中，共制作12组砂柱。

12、4、将膨润土-菌液混合液及胶结液通过蠕动泵灌注到四组砂柱模具中，每隔一天灌注一次，加固四轮。

13、5、将菌液及胶结液通过蠕动泵灌注到四组砂柱模具中，每隔一天灌注一次，加固四轮。

14、6、将膨润土-胶结液混合溶液通过蠕动泵灌注到四组砂柱模具中，每隔一天灌注一次，加固四轮。

15、7、三种条件下各取一组砂柱进行三等分，测其各部分碳酸钙含量c，具体方法如下：对等分后的砂柱烘干至质量无变化测量得质量m1，再用稀盐酸进行酸洗2-3遍，再进行烘干处理，测其质量为m2。

16、8、根据上、中、下三部碳酸钙含量进行分析，调整砂柱装置、注浆顺序、菌液配制等手段，以求最优注浆方式。

17、对三种条件下的一组砂柱试件进行三轴加载实验，测得其围压、偏应力、孔压、有效黏聚力、有效内摩擦角等数据。

18、对加固前试件、加固后试件及破坏后试件进行电镜扫描，对电镜扫描图中各条件下碳酸钙晶体结晶情况对比分析。

19、采用上述结构本发明取得的有益效果如下：本发明提供的一种恒温微生物固化砂土试验装置，其优点在于：

20、1、构建由探针式温度传感器、温度控制装置、pvc板、加热装置、散热装置的可控恒温环境，排除温度对试验结果的影响；

21、2、采用多通道蠕动泵注入反应装置，准确控制菌液及固井液注入速度与顺序；

22、3、反应装置下部增加卡扣装置，减少模具拆除过程中对砂柱的影响且使其能够循环使用；

23、4、在反应装置中增加了短纤针刺土工布增加菌液和固井液在反应装置的停留时间，提高了尿素与氯化钙的利用率及固化均匀性；

24、5、在菌液注入口设置纱布层对其流入菌液进行导流，使其在入口处不易生成碳酸钙沉淀堵塞注入口；

25、6、创新地在反应器上部加入沸石层，首先能够增加菌液在设备中停留时间，提高后续矿化反应的均匀性，其次可以吸附反应所产生的副产物氨气；

26、7、通过改变细菌、脲酶、碳源、钙源等内部组成或菌液ph、温度、砂土的饱和度粒径等外部环境因素，以探究一条高效micp路径。

27、本发明中，通过温度控制系统可设定实验所需温度，通过多通道蠕动泵向反应装置匀速注入菌液及固井液，以创新地设计砂土固化反应装置，消除反应产生的副产物，提高砂柱矿化均匀度，满足后续检测实验所需的固化砂柱，为微生物加固技术室内研究供新实验装置。

28、综上：本装置可控恒温环境下微生物加固砂土实验，通过温度控制系统可设定实验所需温度，通过多通道蠕动泵向反应装置匀速注入菌液及固井液，以创新地设计砂土固化反应装置，消除反应产生的副产物，可以的到高均匀度，满足后续实验所需的固化砂柱，为为微生物加固技术室内研究供新实验装置。

技术特征：

1.一种恒温微生物固化砂土试验装置，包括装置箱，所述装置箱内部安装有盛液装置、蠕动泵、反应发生装置、支撑架和废液存放桶，所述装置箱外部设有温度控制系统，所述温度控制系统由探针式温度传感器、温度控制装置、加热装置和散热装置组成。

2.根据权利要求1所述的一种恒温微生物固化砂土试验装置，其特征在于：所述装置箱由pvc板粘接而成，转角由“l”字型玻璃夹固定，所述装置箱正面可拆卸打开。

3.根据权利要求2所述的一种恒温微生物固化砂土试验装置，其特征在于：所述反应发生装置内部分为三层，所述反应发生装置底部设有挡板，所述挡板外圈为直径10mm的圆孔，所述圆孔设有12组，所述所述反应发生装置内部设有卡扣，所述挡板通过卡扣固定，所述反应发生装置内中部设有砂柱，所述砂柱与反应发生装置之间放置有短纤针刺土工布，所述反应发生装置内部上端设有滤径为1mm的滤板，所述滤板上部设有3cm厚度的沸石层，所述反应发生装置顶部为2cm厚度的纱布层。

4.根据权利要求3所述的一种恒温微生物固化砂土试验装置，其特征在于：所述装置箱尺寸为1.0m×1.5m×1.0m。

5.根据权利要求4所述的一种恒温微生物固化砂土试验装置，其特征在于：所述反应发生装置为直径为110mm的亚克力圆柱结构构成。

6.一种根据权利要求1～5任一项所述的恒温微生物固化砂土试验方法，具体包括下列步骤：

技术总结本发明公开了一种恒温微生物固化砂土试验装置，包括装置箱，所述装置箱内部安装有盛液装置、蠕动泵、反应发生装置、支撑架和废液存放桶，所述装置箱外部设有温度控制系统，所述温度控制系统由探针式温度传感器、温度控制装置、加热装置和散热装置组成。本发明涉及固化砂土技术领域，具体提供了一种恒温微生物固化砂土试验装置，该装置可控恒温环境下微生物加固砂土实验，通过温度控制系统可设定实验所需温度，通过多通道蠕动泵向反应装置匀速注入菌液及固井液，以创新地设计砂土固化反应装置，消除反应产生的副产物，可以的到高均匀度，满足后续实验所需的固化砂柱，为微生物加固技术室内研究供新实验装置。技术研发人员：谢承煜,沈金波,杨宝琳,熊莞鹏,陈娇重,傅村,张文涛,张孝强,石东平,王晋淼,王龙,贺晓龙受保护的技术使用者：湘潭大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13