本發(fā)明涉及膨脹土改良試驗，具體涉及一種基于微生物-礦物相互作用改良膨脹土的試驗方法。

背景技術：

1、膨脹土因含有蒙脫石等強親水性礦物，而具有顯著的吸水膨脹，失水收縮特性。因為膨脹土的膨脹收縮的特性，容易對建筑物造成危害。因此土建工程的技術人員需要研究膨脹土改良的方式，通過抑制其膨脹特性，規(guī)避對建筑工程的危害。

2、蒙脫石礦物的晶體結構呈2:1層狀結構，中間為鋁氧八面體，上下為硅氧四面體，并且在層間含水和一些交換陽離子。這種2:1層狀結構賦予了蒙脫石強烈的陽離子交換和大量水分子吸附能力，其含量越高，膨脹土的脹縮效應越明顯，蒙脫石的含量對膨脹土的脹縮性具有決定性的控制作用。

3、傳統(tǒng)的膨脹土改良技術主要有物理改良法和化學改良法。物理改良法，主要是在膨脹土中纖維、砂石等材料，通過改變膨脹土的顆粒級配，提高土粒間的摩擦力來達到降低膨脹土膨脹率的目的?；瘜W改良法通過在膨脹土中摻入石灰、水泥、水玻璃等材料，通過一定化學反應改善膨脹土的工程特性。雖然物理改良法和化學改良法能夠取得一定的改良效果，但也存在著工程量大、施工周期長、環(huán)境污染等問題。近年來興起的微生物技術因環(huán)境友好，改良效果佳，成為改良特殊土的一種新方法，目前微生物技術改良膨脹土的研究主要集中在微生物誘導碳酸鈣沉淀技術(micp)。其基本原理是利用微生物的代謝活動產(chǎn)生大量高活性脲酶，以環(huán)境中或外添加的尿素為氮源，從而將尿素分解成銨根離子和碳酸根離子，隨后碳酸根離子與鈣離子相結合形成碳酸鈣沉淀，附著在土顆粒表面，改善土體的脹縮性、強度和剛度等特性。雖然該技術可以較好地改善膨脹土的脹縮性，但同時也存在一些局限性，如尿素分解生成氨氣具有一定的污染性以及鈣離子沉積可控性差、長期穩(wěn)定性問題等。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種微生物-礦物相互作用改良膨脹土的實驗方法，定性定量的利用微生物自身的生理特性促進蒙脫石礦物風化變成非膨脹性礦物，從而減少膨脹土中的蒙脫石含量的膨脹土改良實驗方法，為膨脹土的微生物改良提供組分配比參考。

2、本發(fā)明提供一種基于微生物-礦物相互作用改良膨脹土的實驗方法，包括以下步驟：

3、s1.選取微生物菌株，配置培養(yǎng)基，并按照預設條件培養(yǎng)，得到微生物菌液；

4、s2.獲取膨脹土并進行預處理，得到膨脹土樣本；

5、s3.將步驟s2得到的膨脹土樣本與培養(yǎng)基混合，再分為若干個實驗組放入容器中，將其中預設個數(shù)的實驗組作接入步驟s1得到的微生物菌液，其余作為對照組接入蒸餾水，所有實驗組按照時間梯度進行恒溫振蕩培養(yǎng)，培養(yǎng)完成的實驗組進行離心操作；離心得到的上清液進行微量元素測定，得到上清液微量元素數(shù)據(jù)；離心得到的固體烘干得到待測土樣；對待測土樣進行微觀結構實驗與礦物物相和組分含量分析實驗，得到待測土樣檢測數(shù)據(jù)；基于土工試驗方法標準，對得到的待測土樣進行自由膨脹率實驗，得到待測土樣膨脹率數(shù)據(jù)；

6、s4.按照步驟s3的時間梯度設置平行實驗組，將微生物菌液與培養(yǎng)基按照預設比例與膨脹土樣本均勻混合，恒溫培養(yǎng)對應時間后，制備成環(huán)刀試樣，基于土工試驗方法標準，進行預設載荷下側限有荷膨脹率和收縮率實驗，得到環(huán)刀試樣實驗數(shù)據(jù)；

7、s5.根據(jù)步驟s3得到的上清液微量元素數(shù)據(jù)和待測土樣檢測數(shù)據(jù)，定性分析微生物與礦物的相互作用對膨脹土的改良；

8、s6.根據(jù)步驟s3的待測土樣膨脹率數(shù)據(jù)和步驟s4得到的環(huán)刀試樣實驗數(shù)據(jù)，定量分析微生物與礦物的相互作用對膨脹土的改良。

9、步驟s1具體為：配置無氮培養(yǎng)基，將選取的微生物菌株種子液接種于無氮培養(yǎng)基中，于28℃～30℃，轉速為145r/min～150r/min搖床中培養(yǎng)36h-42h，得到微生物菌液；

10、所述微生物菌株為膠質芽孢桿菌csuft21698，分類命名為paenibacillusmucilaginosus，于2024年11月28日在中國典型培養(yǎng)物保藏中心保藏，保藏地址為武漢大學，保藏號為cctcc?no：m?20242650；

11、所述微生物菌液的活性濃度od600值為1.8-2.0，ph值為7.0-7.5；

12、所述無氮培養(yǎng)基成分包括蔗糖9～10g·l-1、caco3·2h2o?0.10～0.12g·l-1、k2hpo40.20～0.22g·l-1、caco35.0～5.1g·l-1、mgso4·7h2o?0.20～0.21g·l-1、nacl?0.20～0.21g·l-1；無氮培養(yǎng)基按照上述組分配置完成后，使用稀鹽酸調節(jié)ph值至7.0～7.5。

13、步驟s2所述預處理為：將膨脹土在105～110℃條件下烘干8～10h，碾碎后過0.075mm篩目，得到膨脹土樣本；

14、所述膨脹土中加入9％～10％鈣化蒙脫石顆粒；

15、膨脹土產(chǎn)生顯著脹縮性的根本原因是其富含大量的蒙脫石礦物，在原狀土的基礎上摻入一定量的蒙脫石與微生物進行相互作用，更具有針對性和代表性，能夠更好的反映微生物促進礦物相變作用對膨脹土脹縮性的影響。

16、所述膨脹土樣本滿足液限為50.0％～58.1％，塑限為30.0％～35.5％，自由膨脹率為90％～171％；

17、步驟s3具體包括以下步驟：

18、將步驟s2得到的膨脹土樣本按照1:(5～5.5)比例與培養(yǎng)基混合，再分為2s個實驗組放入容器中；

19、將其中s個實驗組作為陽性實驗組接入步驟s1得到的微生物菌液，微生物菌液接種量為6.0～6.2ml，裝液量為98～100ml；其余s個實驗組作為對照組接入蒸餾水，使各實驗組質量保持一致；

20、s個陽性實驗組按照t1天、t2天、...、ti天、...、tm天的時間梯度進行35℃恒溫，150r/min振蕩培養(yǎng)，對培養(yǎng)完成的陽性實驗組進行離心操作，得到上清液和殘留固體；

21、s個對照組與陽性實驗組相同，按照t1天、t2天、...、ti天、...、tm天的時間梯度進行35℃恒溫，150r/min振蕩培養(yǎng)，對培養(yǎng)完成的陽性實驗組進行離心操作，得到上清液和殘留固體；

22、將上述2s個實驗組中所得到的上清液進行微量元素實驗，測定上清液中si4+、al3+、mg2+和k+離子濃度，得到上清液微量元素數(shù)據(jù)；微量元素實驗中離子濃度測定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(icp-oes)測定；

23、將上述2s個實驗組中所得到的殘留固體烘干在105～110℃條件下烘干8～10h得到待測土樣，對待測土樣進行微觀結構實驗與礦物物相和組分含量分析實驗，獲取微生物作用后膨脹土中蒙脫石礦物晶格內所有原子的振動行為及其對基團或化學鍵的影響，得到待測土樣檢測數(shù)據(jù)；

24、微觀結構實驗采用傅里葉顯微紅外光譜儀(ftir)進行測試，設置光譜范圍為600～4000cm-1，分辨率為4cm-1；

25、礦物物相和組分含量分析實驗采用粉晶x射線衍射儀(xrd)進行，輻射源為cukα1(λ＝0.154nm)，步寬為0.02°；礦物物相和組分含量分析實驗采用廣角x射線衍射，掃描范圍5°～70°，掃描速度5～5.2°/min；礦物物相和組分含量分析實驗通過軟件進行物相定性分析，使用k值發(fā)計算樣品中黏土礦物的百分含量，再乘以樣品干重，最終得到各黏土礦物的絕對含量；

26、基于土工試驗方法標準，對得到的待測土樣進行自由膨脹率實驗，得到待測土樣膨脹率數(shù)據(jù)。

27、步驟s4具體為：將微生物菌液、培養(yǎng)基與膨脹土樣本按照1:1:(8～8.5)的比例，均勻混合，得到混合樣本；混合樣本的含水率為25.0～25.2％；

28、將混合樣本分為s組進行35℃恒溫培養(yǎng)，培養(yǎng)時間分別為t1天、t2天、...、ti天、...、tm天的時間梯度，得到環(huán)刀試樣；

29、基于土工試驗方法標準，對環(huán)刀試樣進行預設載荷下側限有荷膨脹率和收縮率實驗，得到環(huán)刀試樣實驗數(shù)據(jù)。

30、步驟s5具體為：根據(jù)步驟s3得到的上清液微量元素數(shù)據(jù)，對比不同時間梯度培養(yǎng)時間實驗組離心上清液中si4+、al3+、mg2+和k+離子濃度，通過四種陽離子溶出量的變化，間接證明微生物對蒙脫石晶體結構中金屬元素的影響；

31、所述角質芽孢桿菌在生長代謝過程分泌碳酸酐酶(ca)，該酶能固定co2產(chǎn)生碳酸氫根，碳酸氫根能增強細胞膜的流動從而促進釋放礦物陽離子，同時其產(chǎn)生的胞外多糖可通過絡合作用促進礦物離子的釋放。

32、根據(jù)步驟s3得到的待測土樣檢測數(shù)據(jù)，獲取不同時間梯度培養(yǎng)時間實驗組離心固體中微生物作用下膨脹土中蒙脫石礦物晶格內所有原子的振動行為及其對基團或化學鍵的影響，直接證明微生物將蒙脫石轉化為伊利石，實現(xiàn)了對膨脹土的改良。

33、所述角質芽孢桿菌能夠在室溫和1個大氣壓下，促進蒙脫石向伊利石的轉化，并能夠在一定程度上破壞礦物晶格結構。

34、步驟s6具體為：根據(jù)步驟s4得到的環(huán)刀試樣實驗數(shù)據(jù)，通過對不同培養(yǎng)時間的環(huán)刀試樣有荷膨脹率和收縮率數(shù)據(jù)變化，得到微生物作用時間與膨脹土膨脹率和收縮率的關系；

35、根據(jù)步驟s3的待測土樣膨脹率數(shù)據(jù)，通過微生物不同作用時間待測土樣膨脹率和蒙脫石礦物轉化率數(shù)據(jù)，定量分析微生物與礦物的相互作用對膨脹土的改良。

36、本發(fā)明的有益效果：

37、(1)本發(fā)明方法相對傳統(tǒng)膨脹土改良方法，采用微生物技術減少膨脹土中蒙脫石含量，效果明顯，無需添加大量化學藥劑，步驟簡單，成本低且環(huán)保，易于推廣應用；

38、(2)本發(fā)明方法相對于現(xiàn)有微生物誘導碳酸鈣沉積改良膨脹土技術，解決了鈣離子可控性差和碳酸鈣長時間易風化的問題，從根本上解決了膨脹土因富含蒙脫石而產(chǎn)生的顯著脹縮性。