微生物对贵阳红黏土物理力学性质与微观结构影响研究

论文摘要

微生物在地球环境中无处不在,土壤作为生态系统的一部分,其中赋存的微生物总类多、数量大。这些微生物的活动会直接影响岩石风化、矿化、土体形成和结构,以及土壤颗粒表面性质,它们在新陈代谢过程中也会产生某些粘液和凝胶,胶结土体颗粒、填充孔隙改变土体变形和强度特性,从而影响土体的工程力学性质。同时矿物学的最新研究表明,一些特殊的微生物菌株（如巴氏芽孢杆菌）,在合适的环境下,可以让体系中的钙离子沉淀生成与天然石材成分类似的碳酸钙,这种沉淀可以作为一种粘结剂,在试验室中成功的把松散的砂粒胶结成坚硬的圆柱体或块状体。这一反应过程成为微生物岩土工程学最重要的研究方向,即MICP技术。本文以土壤中的原生细菌菌群和巴氏芽孢杆菌为研究对象,探讨它们对贵阳红黏土物理力学性质和微观结构的影响。首先通过扩大培养获得两种菌液,利用紫外分光光度计测定两种细菌的生长曲线,选取位于稳定期的菌液添加入重塑红黏土试样当中（其中掺入巴氏芽孢杆菌的试样中加入一定量的CaCl2溶液作为粘接剂）,然后以这些试样为基础开展一系列的物理力学试验,并观察其微观结构的变化。主要研究内容和成果为:（1）土壤原生细菌菌群在培养22h后进入对数增殖期,在培养38h后进入稳定期;巴氏芽孢杆菌在培养14h后进入对数增殖期,在培养38h后进入稳定期;（2）掺入菌液的红黏土试样在恒温养护后,饱和湿密度增加,饱和含水率和孔隙率下降,试样的黏粒含量下降,粉粒含量上升,表明随着菌液的掺入,红黏土试样中的孔隙被填充,土体间的小颗粒相互胶结成大颗粒团聚体;（3）不同含水率状态的红黏土在掺入两种菌液恒温养护后,试样的抗剪强度均随着含水率的降低而增加;在相同含水率下,三组试样的抗剪强度总是巴氏芽孢杆菌组>细菌组>蒸馏水对照组,而巴氏芽孢杆菌组试样对含水率的变化最为敏感,随着土样含水率的减小,试样的抗剪强度指标和峰值破坏强度上升得最为明显;（4）两种菌液对红黏土的加固效果与时间存在一定的关系。掺入土壤原生细菌菌群的红黏土试样的力学性质前期随着时间的增长而得到加强,在6d时达到一个峰值,之后有所回落;掺入巴氏芽孢杆菌和粘接剂的红黏土试样力学性质随着时间的增长而增强,在10d后稳定不变;随着两种菌液的掺入,土体的抗剪强度指标、三轴试样破坏峰值和压缩模量均有所提高;巴氏芽孢杆菌对红黏土的加固效果要优于土壤原生细菌菌群;（5）扫描电子显微镜（SEM）和颗粒粒度试验表明,土壤原生细菌生成的胞外多糖和巴氏芽孢杆菌生成的碳酸钙填充在土体孔隙中,加固土壤颗粒间的连接。粉粒含量均有所增加,相应的黏粒含量下降,效果最明显的试样黏粒含量下降了24%,粉粒含量增加了19%,这种变化使得土体获得了一个更加稳定的结构,试样物理力学性质也发生相应的变化;（6）利用IPP（Image-pro plus）软件对掺入巴氏芽孢杆菌试样的SEM图片进行处理分析,微观孔隙和微观颗粒参数随着计算阈值在0到255之间不断增加,均会发生变化:在前期,孔隙数量、颗粒数量和微观黏粒含量均随计算阈值的增大而增加,达到最大值之后,随着小孔隙和小颗粒间的之间的合并,数量回落,同时通过在不同阈值下分析计算得出的土体微观三维孔隙率和颗粒表面积符合土体微观结构的实际情况;（7）从试样的微观孔隙和微观颗粒参数的变化来看,在巴氏芽孢杆菌作用下,红黏土的微观孔隙数量、三维孔隙率和微观黏粒含量发生降低,微观颗粒数量和颗粒表面积增大,土体的微观结构朝着更加稳定的状态发展。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 选题依据及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 红黏土特殊性质的研究

1.2.2 土体微观特性研究

1.2.3 微生物岩土技术研究

1.3 目前研究中存在的问题

1.4 研究内容与技术路线

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 技术路线

1.4.3 创新点

第二章微生物培养与活性研究

2.1 微生物的来源、培养和保存

2.1.1 主要试验设备及材料

2.1.2 微生物来源及培养

2.1.3 微生物的保存

2.2 微生物数量检测

2.2.1 微生物数量检测方法

2.2.2 微生物生长曲线

第三章微生物对红黏土物理力学性质的影响

3.1 试样制备

3.1.1 土样的采集

3.1.2 试样含水率的控制

3.1.3 试样制备

3.2 物理特性

3.2.1 密度

3.2.2 含水率

3.2.3 比重

3.2.4 孔隙率

3.2.5 颗粒粒度分布

3.3 力学特性

3.3.1 压缩模量

3.3.2 抗剪强度

3.4 作用机理分析

3.5 本章小结

第四章微观结构特征

4.1 电镜扫描试验

4.1.1 试验设备简介

4.1.2 试样制备

4.1.3 SEM图像及化学元素分析

4.2 微观孔隙的定量分析

4.2.1 微观孔隙率的定量计算方法

4.2.2 不同阈值下微观孔隙的变化趋势

4.2.3 微生物作用下红黏土微观孔隙分析

4.3 微观颗粒的定量分析

4.3.1 微观颗粒表面积的定量计算方法

4.3.2 不同阈值下微观颗粒的变化趋势

4.3.3 微生物作用下红黏土微观颗粒分析

4.4 本章小结

第五章结论

5.1 主要结论

5.1.1 微生物作用下红黏土物理力学特性

5.1.2 微生物作用下红黏土微观结构

5.2 展望

致谢

参考文献

附录：在校公开发表的论文及参加过的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 施鹏超

导师: 陈筠

关键词: 微生物,原生细菌,巴氏芽孢杆菌,红黏土,物理力学性质,微观结构

来源: 贵州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,农业科技

专业: 生物学,建筑科学与工程,农业基础科学,农业基础科学,农艺学,农艺学

单位: 贵州大学

分类号: S152;S154.3;TU446

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