脲酶抑制剂作用下微生物加固某金属尾砂试验研究.pdf
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1、第 37 卷第 3 期2023 年 6 月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.37 No.3Jun.2023收稿日期:2023-02-16基金项目:国家自然科学基金项目(52274167;52274127);湖南省技术攻关“揭榜挂帅”项目(2021SK1050);湖南省教育厅科研资助项目(22B0410;20B496),湖南省高新技术产业科技创新引领计划项目(2020SK2024);衡阳市科技创新计划项目(202150063769);湖南省自然科学基金资助项目(2022JJ40
2、374)作者简介:刘 迪(1997),女,硕士研究生,主要从事矿山岩土工程等方面的研究。E-mail:2948882409 。通信作者:伍玲玲(1987),女,高级实验师,博士,主要从事矿山岩土工程等方面的研究。E-mail:wllshmily DOI:10.19431/ki.1673-0062.2023.03.002脲酶抑制剂作用下微生物加固某金属尾砂试验研究刘 迪1,2,胡 林1,2,伍玲玲1,2,张志军1,2,田亚坤1,2,喻 清1,2,贺桂成1,2,贾林峰1,2(1.南华大学 资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳 421001;2.湖南省矿山岩土工程灾害预测与控制工程技术研究中心,湖南
3、衡阳 421001)摘 要:微生物诱导碳酸钙沉淀过程是基于微生物产生脲酶而发生的。因此脲酶是影响该过程的重要因素。为了改善微生物加固尾砂的效果,考虑脲酶抑制剂能有效抑制脲酶活性、延缓尿素水解的作用,本文通过在微生物加固尾砂试验过程中引入了不同掺量的脲酶抑制剂,并对加固后的尾砂柱体进行宏观力学试验与微细观检测,系统分析了脲酶抑制剂对微生物加固尾砂的效果。结果表明:适量的脲酶抑制剂可较大程度地延长巴氏芽孢杆菌迟滞期,可改善碳酸钙沉淀分布的均匀性,可提升微生物固化后尾砂试样的力学性能。其中,脲酶抑制剂的掺量为 0.1%时,砂柱试样具有明显的剪切破坏模式,其剪切峰增长 13.26%,有效黏聚力增长 1
4、1.82%,有效内摩擦角增长 6.85%,碳酸钙生成率同比增长了 34.17%,孔隙率降低了 46.90%。关键词:微生物加固;脲酶;抑制剂;尾砂中图分类号:TD926.4文献标志码:A文章编号:1673-0062(2023)03-0011-08Experimental Study of Microorganism Solidifying Tailing SandsUnder the Action of Urease InhibitorLIU Di1,2,HU Lin1,2,WU Lingling1,2,ZHANG Zhijun1,2,TIAN Yakun1,2,YU Qing1,2,HE G
5、uicheng1,2,JIA Linfeng1,2(1.School of Resources Environment and Safety Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;2.Hunan Province Engineering Research Center for Disaster Prediction andControl on Mining Geotechnical Engineering,Hengyang,Hunan 421001,China)11第37 卷第3 期南华大学学报(自然
6、科学版)2023 年 6 月Abstract:Based on the production of urease by microorganisms,the microbially inducedcalcium carbonate precipitation process occurred.Therefore,an important factor affectingthis process is urease.In order to improve the reinforcement effect of MICP technology ontailing sands,considering
7、 that urease activity can be effectively inhibited and urea hydroly-sis retarded by urease inhibitor,in this paper,different mass fractions of urease inhibitorswas introduced during microbial reinforcement of tailing sands tests,and the reinforcedtailing sand column was also subjected to the mechani
8、cal test and the analysis of micro-structure.The effect of bio-cemented sand by urease inhibitors was comprehensively evalu-ated.The result shows that the appropriate amount of urease inhibitor can significantly pro-long the Bacillus retardation period,and improve the uniformity of calcium carbonate
9、 pre-cipitation distribution and the mechanical properties of tailing sand specimens by microbi-ally curing.Among them,the inhibitor of mass fraction at 0.1%,the sand column speci-mens had an obvious shear damage pattern,this shear peak increased by 13.26%,the ef-fective cohesion increased by 11.82%
10、,the effective internal friction angle was 6.85%,the calcium carbonate generation rate increased by 34.17%year-on-year,and the porositydecreased by 46.90%.key words:microbial reinforcement;urease;inhibitors;tailing sands0 引 言近年来由于地震、滑坡等自然灾害多发,尾矿坝溃坝事故频发,对人类生命、财产安全造成了重大损失1。因此,亟须一种高效、环境友好型的加固技术,对尾矿坝进行及
11、时、有效地加固,以提高尾矿库的安全稳定。微生物诱导碳酸钙沉淀(microbially induced carbonate precipitation,MICP)是自然界中普遍存在的一种矿化作用2,是一种新型的、环境友好的土体加固技术,将该技术用于尾矿库的安全治理具有重大的经济价值和社会意义3-6。MICP 技术原理是利用微生物产生脲酶,脲酶分解尿素产生 NH+4和 CO2-3,其中的 CO2-3与环境中的 Ca+相结合,最终产生碳酸钙沉淀7-8,以此达到加固土体的目的。但许多相关研究表明,MICP 反应过程中,微生物产生脲酶速率高,分解尿素的能力强,大量碳酸钙胶结物会快速生成并堆积在砂土表面,
12、会导致碳酸钙沉淀分布不均匀,导致传统 MICP 技术加固砂土效果并不明显9。由此,改善微生物加固砂土效果关键在于控制脲酶分解尿素的速率。研究发现,为了控制初始脲酶分解尿素的速率,改善传统 MICP 加固砂土效果,大多数研究者通过改进灌浆装置及工艺参数等外部条件进行处理,但鲜少从 MICP 内部反应原理上对脲酶进行抑制10。相关研究文献发现,脲酶抑制剂正丁基硫代磷酰三胺(n-butylthiphosphoric triamide,NBPT)是一种有效抑制脲酶的抑制剂,它能有效抑制脲酶,延缓尿素水解速率,且无毒、具有较好的环境友好特性,广泛应用于农业领域里11-13。同时,NBPT 为磷胺类脲酶抑
13、制剂,对脲酶的作用类型为竞争性抑制剂,并且它的抑制程度受抑制剂浓度的影响。张文学等14发现 NBPT 添加量占尿素质量 1%以上对土壤脲酶活性在分蘖期显著降低。串丽敏等15研究不同 NBPT 的掺量对油菜生长的影响,发现NBPT 用量在 0.5%氮肥利用率最高。基于此,为了改善 MICP 技术的加固效果,本文以某金属尾砂为加固对象,在 MICP 加固尾砂过程中引入不同掺量的 NBPT,其目的是通过NBPT 的作用降低脲酶分解尿素的能力,延缓碳酸钙生成速率,提高碳酸钙沉淀分布的均匀性。结合三轴试验及碳酸钙生成量,从宏观上研究不同掺量的 NBPT 对 MICP 加固尾砂效果的影响,得到适宜的 NB
14、PT 掺量;借助 CT 扫描及扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)检测对加固后的尾砂柱体从微观方面分析 NBPT 对微生物加固尾砂的效果,为进一步改善 MICP 技术和尾矿坝加固相关研究提供思路和参考。1 试验材料与装置1.1 微生物及试剂 1)细菌和培养基:本试验所用巴氏芽孢杆菌21第37 卷第3 期刘 迪等:脲酶抑制剂作用下微生物加固某金属尾砂试验研究2023 年 6 月(Bacillus pasteurii),购买自美国菌种保藏中心(American Type Culture Collection,ATCC),菌种编号为 ATCC 11859
15、。1 L 的培养基配方为酪蛋白胨15 g、大豆蛋白胨 5 g、氯化钠 5 g、尿素 20 g、氯化镍 0.001 3 g、去离子水 1 000 mL,pH=7.3。使用恒温摇床培养箱在 30、150 r/min 环境下对细菌进行培养 24 h。2)胶结液:0.5 mol/L 的 Uera 和 0.5 mol/L的 CaCl2的溶液按照 1 1 的体积比混合得到的混合溶液,并采用尿素过滤法对其进行过滤除菌。3)脲酶抑制剂 NBPT:正丁基硫代磷酰三胺(n-butyl thiphosphoric triamide,NBPT),参考相关研究16,本试验中掺入的 NBPT 质量分别取固体 尿 素 质
16、量 的 0%、0.1%、0.25%、0.5%、0.75%、1%。1.2 尾砂本试验所用尾砂取自湖南某尾矿库,依据土工试验规程(YS/T 5225 2016),测得了尾砂原始密度为 2.040 g/cm3,相对密度为 2.87,天然含水率为 12.10%,干密度为 1.825 g/cm3,孔隙比为 0.476。试验采用筛分法绘制了尾砂颗粒粒径分布曲线,如图 1 所示,尾砂的不均匀系数CU1,该尾砂属于级配不良砂土。图 1 尾砂颗粒级配累计曲线Fig.1 Cumulative curve of particle gradation oftailing sand1.3 实验装置本次试验中采用的微生物
17、注浆加固尾砂的实验装置如图 2 所示。装置主要由两瓣透明亚克力管、橡皮塞、玻璃管、砂砾层等部分组成。参考相关研究17-18,试验中透明亚克力管内径设置为39.1 mm,高度为 120 mm,与三轴试验样品保持一致,并在内壁涂抹凡士林,以便制备好的试样顺利脱模。管外壁使用防水胶带粘贴预留拆合缝,并用卡箍将其约束,防止试样变形。橡胶塞置于亚克力管上下端,且橡胶塞上下贯穿玻璃管,用于注浆,排液。上端设置注浆口与蠕动泵的相连接,下端设置出水口排除尾液。同时,尾砂体上下两端依次设置 5 mm 的砂砾层和纱布层,防止浆液注入过程中尾砂颗粒出现渗漏。图 2 尾砂注浆加固试验装置图Fig.2 Diagram
18、of the test device for tailing sandgrouting reinforcement2 试验方法2.1 尾砂注浆加固试验本试验制备 18 个尾砂柱体,每个称取 150 g砂样,分 3 层填入上述实验装置中,使用击实锤均匀压实,并喷洒适量去离子水,每层击实至要求高度后,对层间进行凿毛,然后再加入下一层的砂样,可以防止制备砂样断层,直至砂柱体制作完成。试样制备完毕后,使用蠕动泵缓慢向实验装置均匀注入去离子水,排除砂柱体中气体,达到饱和。控制蠕动泵注浆流速为 0.5 mL/min,持续向试样内部注入去离子水,直至下端排出澄清液体。期间同时监测从灌注开始至底部出现液体排出
19、时,所消耗的去离子水体积,作为每轮注浆量。此外,使用蠕动泵对试样进行注浆,每次注浆分 3 次进行。注浆顺序为:先注菌液,1 h 后注入氯化钙溶液,再间隔 1 h 注入尿素-抑制剂溶液,此为一次注浆循环,循环注浆至无法完成注入为止。注31第37 卷第3 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 6 月浆采用菌液与胶结液的体积比为 1 3。2.2 检测方法2.2.1 三轴压缩试验本试验采用三轴设备是南京公司生产的土三轴仪,型号为 TKA-TTS-1S。试验前用橡皮膜将注浆后的试样进行包裹后,置于三轴压力室内进行加载操作,并借助应力-应变采集系统采集对数据进行采集。加载完全结束后,拍照记录试样的破坏
20、形式。试验过程中施加的围压为 100、150 和200 kPa。取轴向应变达到 15%作为试样的破坏标准。试验过程中试样加载图如图 3 所示。图 3 试样加载图Fig.3 Loading diagram of the specimen2.2.2 碳酸钙生成量的测定本试验对微生物注浆加固后生成碳酸钙生成量的测定方法是通过稀盐酸法19进行测定。具体方案是取破坏后的砂样,加入稀盐酸进行酸洗,直到气泡消失;再用超纯水充分清洗,去掉残余砂样内的有机物及盐分,之后置于 120 烘干箱中进行烘干并称重。碳酸钙生成量采用加固前后砂样内碳酸钙生成的质量变化。碳酸钙生成率的计算公式如下:C=M2-M1M1100%
21、式中:M1为加固砂样前烘干的质量,g;M2为加固砂样后烘干的质量,g。3 实验结果与分析3.1 应力-应变分析根据对不同脲酶抑制剂 NBPT 掺量下的尾砂进行三轴压缩试验,绘制不同掺量的抑制剂下,试样的应力-应变关系曲线如图 4 所示,并统计了围压 100、150 和 200 kPa 下不同 NBPT 掺量的峰值强度与残余强度如表 1 所示。图 4 不同抑制剂 NBPT 掺量下砂样应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of sand samples with different inhibitor NBPT content41第37 卷第3 期刘 迪等:脲酶抑制剂
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