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建筑垃圾再生砂酶促碳酸钙加固试验研究

2024-09-19 31 上传者：管理员

摘要：为了探索建筑垃圾再生砂资源利用效果提升方法，文章针对再生砂开展了大豆脲酶诱导碳酸钙沉淀法(SICP)加固试验研究。通过对胶结液浓度、灌浆次数和不同粒径对无侧限抗压强度影响进行分析，验证了不同条件下SICP法对再生砂的加固效果。结果表明SICP法可显著改善再生砂抗压工程性能，同时适度提高胶结液浓度和增加灌浆次数均有助于提高试样的强度；不同粒径组的加固试样强度差异显著，粒径1～0.5mm试样表现出最高抗压强度为1.8MPa。

关键词：
大豆脲酶诱导碳酸钙沉淀
天然砂材料
建筑垃圾再生砂
无侧限抗压强度
砂土加固
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天然砂材料在地基、人工岛、机场跑道、堤坝、挡土墙和其他工程项目的建设中发挥着至关重要的作用。然而，大量开采天然砂不仅造成了严重的环境影响，如水土流失和生态破坏，还导致了资源枯竭和土地退化。由于环境保护等多方面原因，天然砂的开采资源愈发有限，难以满足大量的工程需求。而与此同时，随着城市化进程的推进，新旧建筑更替导致每年在中国产生超过23.5亿t的建筑垃圾，对建筑垃圾进行破碎形成建筑垃圾再生砂(简称再生砂),在一定程度上能够缓解对天然砂的依赖。然而，再生砂与天然砂相比，具有强度低、压碎指标大、耐磨性较差等特点[1]。因此，再生砂并不能直接满足工程建设的需求，需要经过加固处理[2],如能广泛应用于地基填筑，将可实现建筑垃圾的大量循环利用，产生经济效益的同时，还能有效解决建筑垃圾堆积、天然砂开采导致环境破坏等问题。

生物介导的土壤改良技术是一种新型土壤改良技术，具有低碳，低成本，对环境无毒无危害等优势，在加固建筑垃圾再生砂方面具有较大潜力[3]。该技术充分利用了脲酶的高效性和特异性[4],促进尿素的迅速水解。在引入钙离子的情况下，这一过程会导致碳酸钙的快速沉淀，形成具有出色胶结特性的碳酸钙晶体。因此，生物土壤改良技术能够有效地将砂土颗粒粘结在一起，显著提升土体整体力学性能同时，在技术上实现土壤改良的“0”排放。其生物化学反应可总结为[5]:CO(ΝΗ2)2+2Η2Ο→Urease2ΝΗ4++CΟ32-(1)Ca2++CO32-→CaCO3↓(2)

生物介导土壤固化技术主要分两类，微生物介导碳酸钙沉淀土壤固化技术(MICP)[6]与酶介导碳酸钙沉淀土壤固化技术(EICP)[7],并已在砂土固化[8]、污染土治理[9]等领域得到验证。MICP法通过微生物实现水解尿素，但其微生物的培养与引入微生物的风险管控对于土木工程从业人员来说具有挑战性；EICP法则是利用游离酶实现尿素水解，然而商用脲酶的高昂成本一直限制了该技术的推广。

近年来，为了寻找经济且适用的生物介导土壤固化技术，一些研究表明大豆中含有丰富的脲酶资源[3],通过简化提取过程，可以获得廉价低纯度脲酶，这一发现降低了生物固化技术的应用门槛。此外，大豆中脲酶含量丰富，使用大豆源脲酶的SICP法较传统的MICP与EICP法具有更低的预算成本，SICP法在实现环境友好的同时，显示出更高的效益。

本文利用SICP法对再生砂进行加固试验研究，探讨了不同因素影响下再生砂试样无侧限抗压强度的提升效果。试验采用简化提取的大豆脲酶溶液作为酶源，使用等浓度的尿素和氯化钙混合而成的胶结液。试验完成后分析了胶结液浓度、灌浆次数以及不同粒径组的加固试样对无侧限抗压强度的影响；同时测量了加固试样碳酸钙生成量；最后，从微观角度深入分析了碳酸钙结晶形貌和SICP法的胶结机理，为再生砂在地基工程中的生物胶结资源化利用提供了初步参考。

1、试验材料

1.1建筑垃圾再生砂

本文使用的建筑垃圾再生砂来自浙江丽水某废料堆放场，经观察，试验用砂包含破碎混凝土、碎砖和废弃玻璃等颗粒。测得砂颗粒比重为2.35,最大干密度1.41g/cm3,最小干密度1.03g/cm3,其级配曲线如图1所示。

图1建筑垃圾再生砂颗粒级配曲线

1.2酶液与胶结液

试验酶液提取自中国商丘购买的纯豆粉。用超纯水在烧杯中制备一定浓度的豆粉溶液，后将其置于磁力搅拌器上搅拌30min,将搅拌后的豆粉溶液倒入离心管中，使用离心机在3000r/min的速度下离心15min,分离上清液即为所需脲酶。每日制备所需酶液，多余的豆粉干燥、密封保存。所有酶液均提取自同一批豆粉。胶结液为等浓度的氯化钙，尿素混合液，使用分析纯试剂制备。

2、试验方法

2.1试样制备

本文试验采用直径为39.1mm、高度为80mm的圆柱形胶结砂样。为制备砂样，制作高度为90mm的亚克力模具。再生砂经过三层压实填充至模具中，每一层均被压至预定高度，使用毛刷在层顶轻刷，以避免胶结后出现分层现象。每个试样的相对密度被控制在0.6,并记录每个试样使用的砂量为m1。为防止灌浆过程中干扰砂颗粒，在砂柱的上下端分别放置棉布和透水石。为方便脱模，模具内壁均匀涂抹一层凡士林，并放置两层塑料油纸，使得模具的内径达到39.1mm。模具的顶部采用螺纹盖进行密封，中间安装软管接头。通过蠕动泵从试样的顶部进行灌浆，确保模具在灌浆时保持半密封状态，有利于利用蠕动泵产生的压力进行灌浆，避免随着灌浆次数的增加，浆液渗入时间过长，从而造成灌浆速度不均匀。下部由反应液自由流出，具体灌浆系统如图2所示。

图2灌浆系统

灌浆的操作环境维持在室温20℃下。①通过蠕动泵注入50ml酶液，酶液由浓度100g/L大豆粉溶液离心制得，大约为孔隙体积的1.1倍。②将系统静置2h。将盛放胶结液试管插入冰桶中，使胶结液始终维持在较低温度，并继续泵送胶结液。泵送完后再次静置24h。注射速度一致为2ml/min,以上为1个灌浆周期。完成灌浆后，对砂样进行72h养护。下一步注入足够量的超纯水用以冲洗未反应的物质。洗涤后，缓慢推出试样，取下两层脱模纸。③将试样放入50℃的烘箱中，进行连续烘干，直至达到恒重状态，记录此时试样重量为m2。本次研究采用(m2-m1)/m1来计算碳酸钙生成率。灌浆流程如图3所示。

图3灌浆流程

2.2无侧限抗压试验方法

在无侧限抗压强度试验中，采用CTM-E20型微机控制电子万能试验机进行检测，以1mm/min速率施加轴向荷载，直至试样破坏。取应力峰值作为无侧限抗压强度值。同时研究不同的胶结液浓度(c=0.5,1,1.5,2,2.5,3mol/L)、不同灌浆次数(n=4,6,8)、不同粒径范围(d=2～1mm, 1～0.5mm, 0.5～0.25mm)对再生砂的固化效果影响，每种工况均进行了3次平行试验，具体工况见表1。

表1建筑垃圾再生砂矿化试验方案

2.3微观测试

使用场发射扫描电镜仪对压碎碎块进行微观形貌分析。试样在扫描前用导电胶包裹后放置于托盘上，并接受离子溅射处理。通过在不同倍数下拍摄粒间碳酸钙沉淀模式，以揭示SICP法的胶结机理。为确保显微结构成像准确性，进行多次拍摄以应对不同情况。

3、试验结果分析

3.1胶结液浓度对抗压强度影响

如图4所示，呈现了灌浆次数n为6次时，在不同胶结液浓度c下胶结再生砂试样无侧限抗压强度变化趋势。随着胶结液浓度从0.5mol/L增加到2.5mol/L,试样的抗压强度持续增加，并在胶结液浓度为2.5mol/L时，试样拥有最高的抗压强度3377.43kPa。而随着胶结液浓度进一步增加，试样的抗压强度则表现出急剧下降现象。这表明过高的胶结液浓度不利于制备高强度试样，其主要原因可能是高浓度胶结液产生了高渗透压抑制了脲酶活性[10],从而导致减少生成起关键胶结作用的碳酸钙晶体。在本文的各组试样中，3mol/L的胶结液浓度形成高盐环境不利于脲酶水解尿素。

图4不同胶结液浓度试样抗压强度变化曲线

3.2加固程度对抗压强度影响

所使用的胶结液浓度为1mol/L情况下，加固程度与无侧限抗压强度关系如图5所示。随着灌浆次数的增加，无侧限抗压强度有较大幅度提升，当灌浆次数达8次时，其无侧限抗压强度最高为2621.84kPa。

不同加固程度试样在无侧限抗压强度试验中应力-应变关系如图6所示，并计算了峰值强度50%处的割线模量(E50)与无侧限抗压强度值(见表2)。总体而言，本次试验砂柱经1%左右应变变形就可达到峰值应力，与脆性材料不同的是，达到峰值应力后，应力并不是突然跌落，而是表现出一定的残余应力。另外，无侧限抗压强度试验中砂柱应力-应变关系可分为4个阶段：①压实阶段，此阶段在抗压强度测试初期，应力-应变曲线呈现正曲率，应力随应变缓慢上升，这可能由于颗粒沿边界的轻微滑动与内孔隙被压缩造成的，为岩石材料的典型行为；②弹性阶段，此时应力-应变曲线性上升。部分曲线在该阶段表现出一定的波动，如n=6试样，这是因为试样内部存在部分因碳酸钙沉淀不均匀，相对脆弱的结构，其先于试样整体破坏，而呈现出应力波动现象；③弹塑性阶段，应力-应变非线性变化直至峰值应力；④破坏阶段，达峰值应力后，试样出现明显裂纹及块体脱落，抗压强度大幅下降但保留一定的残余应力。E50反应了胶结试样抵抗弹塑性变形的能力，在本次对不同加固程度建筑垃圾再生砂试验中，观察到E50与抗压强度值之间具有良好的一致性。该一致性意味着试样的刚度越大，其抵抗轴向压力的能力就越强。

图5不同加固程度试样抗压强度变化曲线

图6不同加固程度试样应力应变关系

表2不同加固程度试样E50与抗压强度值

3.3颗粒粒径对抗压强度影响

加固不同粒径组试样的无侧限抗压强度值如图7所示，为了与原级配对比，采用浓度为1mol/L的胶结液，灌浆次数6次方式加固，试样相对密度均控制在0.6。结果表明，粒径范围为1～0.5mm、0.5～0.25mm试样的抗压强度值要高于原级配n=6次时的1184.26kPa;粒径在2～1mm的试样抗压强度值仅为345.56kPa,不同颗粒粒径固化试样的强度差异显著。基于Ismail等人在方解石胶结多孔材料方面研究结果[11]推测：一方面，该差异可能与不同粒径试样的粒间接触数有关，颗粒粒径越小的试样往往拥有更多的粒间接触，粒径与粒间接触数存在一定的比例关系Ncontact∝1/R3,R代表颗粒直径；另一方面，颗粒粒径与试样颗粒总表面积成反比关系，这表明粒径组2～1mm试样颗粒总表面积最低。Nafisi等人做出了碳酸钙在粒间接触沉淀百分比(相对表面沉淀)大致相同假设[12],即每个粒间接触沉淀的碳酸钙量可表示为粒间接触总碳酸钙沉淀量除以粒间接触总数。因此，对较大粒径试样而言，小粒径试样在每个粒间接触处沉淀的碳酸钙量较少，这是因为小粒径试样粒间接触总数远远多于大粒径试样，而颗粒尺寸较小的接触，仅需较少的碳酸钙沉淀量粘结颗粒。

图7不同粒径组试样抗压强度值

3.4碳酸钙含量

研究了试样碳酸钙含量与无侧限抗压强度关系，如图8所示，试样强度与碳酸钙含量之间大致呈线性增长关系。这表明，试样的无侧限抗压强度受碳酸钙含量的影响。

图8试样碳酸钙含量与无侧限抗压强度关系

3.5微观结构分析

将经SICP处理后建筑垃圾再生砂试样进行扫描电子显微镜(SEM)试验，观察矿化形貌及碳酸钙晶体形貌特征。展示了试样经过6次灌浆后的微观结构，如图9所示。在图9(a—b)中，大量球状碳酸钙晶体明显地“包覆”在砂颗粒表面，使得砂颗粒轮廓变得模糊且难以区分，部分区域表现出球状晶体团簇现象；图9(c—d)展示了2种碳酸钙晶体的沉淀模式，其中部分碳酸钙晶体沉积在砂颗粒表面。研究表明，这些表面沉淀的碳酸钙往往被认为是无效的，不具备有效的胶结作用[13]。在试样非饱和状态下进行灌浆的过程中，浆液最终停滞在粒间接触点表面的表面张力区域。这一区域形成了大量球状碳酸钙晶体，形成了紧密的胶结键。这种形式的胶结能够有效地连接颗粒[14],明显抑制颗粒之间的相对运动，防止颗粒松散排列。这进一步促使砂颗粒形成具有一定抗剪切荷载的整体结构，其胶结的有效性在宏观上影响了试样的强度，这一特征在试样的无侧限抗压强度试验中得到了体现。尽管观察到了粒间的一些孔隙存在，但这表明经过胶结矿化处理后，试样仍然具有一定的渗透性。

图9建筑垃圾再生砂矿化处理样品扫描电镜

4、结论

本文研究了大豆脲酶催化碳酸钙沉淀处理建筑垃圾再生砂的可行性，并通过一系列不同变量控制的对比试验，分析了胶结液浓度、灌浆次数和不同粒径对其加固效果的，主要结论如下。

(1)经SICP法加固后试样具有一定抗压强度，试样强度受胶结液浓度影响。浓度过高的胶结液不利于制备高强度试样，在本文的试样中，浓度100g/L提取的脲酶溶液与浓度2.5mol/L胶结液加固试样抗压强度最高，为3377.43kPa。

(2)增加灌浆次数能显著提升试样强度，但经8次灌浆后试样出现严重堵塞现象，影响了灌浆时间。

(3)在胶结液浓度与灌浆次数不变的情况下，改善试样颗粒粒径，能有效增加试样抗压强度。

(4)碳酸钙含量与试样强度存在着一定的线性关系，碳酸钙含量越高的试样拥有更高的抗压强度值。

参考文献:

[1]江媛云,余建杰,周小娟,等.建筑垃圾处理及再生骨料利用现状分析[J].水利规划与设计,2019(4):122- 125.

[3]吴林玉,缪林昌,孙潇昊,等.植物源脲酶诱导碳酸钙固化砂土试验研究[J].岩土工程学报,2020,42(4):714- 720.

[6]刘汉龙,肖鹏,肖杨,等.微生物岩土技术及其应用研究新进展[J].土木与环境工程学报(中英文),2019,41(1):1- 14.

[7]赖汉江,崔明娟.基于脲酶诱导碳酸钙沉积固化土体的研究进展[J].高校地质学报,2021,27(6):769- 774.