【摘 要】
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钙质砂材料具有高压缩性、高孔隙比、颗粒易破碎等特性,导致其力学性能较差,在岛礁工程建设中往往会产生不良影响。为此,本文提出一种基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）的钙质砂加固新方法,以期提高钙质砂的力学性质。研究内容主要包括:通过对巴氏芽孢八叠球菌的活化培养及MICP过程优化,掌握细菌诱导碳酸钙沉淀的适宜条件;设计制作一套可控温MICP固化钙质砂试样养护装置,并对MICP固化钙质砂过程中展开监
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（41772280）; 江苏省自然科学基金项目（BK20170394）
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钙质砂材料具有高压缩性、高孔隙比、颗粒易破碎等特性,导致其力学性能较差,在岛礁工程建设中往往会产生不良影响。为此,本文提出一种基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）的钙质砂加固新方法,以期提高钙质砂的力学性质。研究内容主要包括:通过对巴氏芽孢八叠球菌的活化培养及MICP过程优化,掌握细菌诱导碳酸钙沉淀的适宜条件;设计制作一套可控温MICP固化钙质砂试样养护装置,并对MICP固化钙质砂过程中展开监测,获取环境溶液中细菌生长情况、脲酶活性、pH及碳酸钙生成量随时间的变化趋势,从而确定MICP固化钙质砂的养护步骤;研究胶结液浓度对钙质砂力学强度的影响,并根据碳酸钙晶体形貌尺寸和分布特征提出解释。为了改善MICP固化钙质砂的脆性破坏问题,本文进一步探索了聚丙烯纤维加筋联合MICP固化的钙质砂改性方法,通过开展无侧限抗压试验和直接拉伸试验研究了纤维掺量对于钙质砂力学性能提升规律和破坏模式的影响,并结合微观扫描电镜观测、能谱分析对MICP固化-纤维加筋耦合作用机理进行了深入探讨。在试验研究的基础上,本文还研究了不同纤维掺量下MICP固化钙质砂拉伸破坏模型,利用损伤理论、Weibull分布函数以及线性方程推导了拉伸破坏应力应变本构方程,在理论上取得了突破。论文是在导师唐朝生教授的国家自然科学基金项目（41772280）以及江苏省自然科学基金项目（BK20170394）的资助下完成的。本文取得主要研究成果如下:（1）巴氏芽孢八叠球菌MICP过程最佳环境温度在30℃-34℃;pH值在9.5-10.5范围内有较高的碳酸钙产率,在pH为6.5的酸性条件产率偏低;CaC12会抑制细菌脲酶活性,且CaC12浓度超过0.5mol/L后会抑制碳酸钙产率。（2）聚丙烯纤维表面有利于细菌定殖,适量的纤维能够促进碳酸钙的生成,但过多的纤维与已生成的碳酸钙会填堵颗粒间孔隙,阻碍胶结液的继续入渗和细菌在孔隙内的再次增殖,达到碳酸钙上升“瓶颈期”,使试样力学性能提升受限。（3）无侧限抗压圆柱样在两轮养护条件下碳酸钙含量相对较低（21.18%-27.26%）。纤维含量在0.00%-0.40%的范围内,随着纤维掺量的增加,试样的碳酸钙含量、无侧限抗压强度、残余强度、韧性、延性均有提升,但压缩模量随纤维掺量增多呈下降趋势。碳酸钙的胶结增强了纤维的抗拔性,而纤维能够抑制裂隙扩展。（4）直接拉伸试样两轮次养护条件下碳酸钙含量较高（25.36%-32.83%）。纤维对于提高碳酸钙含量、抗拉强度、拉伸模量、韧性存在最优掺量,约为0.15%左右。纤维掺入量与试样残余强度呈近线性正相关关系。低纤维掺量（0.05%-0.15%）试样破坏呈现两阶段破坏规律,残余强度随应变呈线性减小。高纤维掺量（0.20%-0.40%）破坏呈现三阶段破坏规律,残余强度随应变先有“线性微增期”,后有“线性减小期”。（5）基于“Kachanov损伤度理论”、“Lemaitr应变等效理论”、“Weibull概率分布公式”及本文提出的“拉伸破坏模型”得到的本构方程能够较准确的刻画试件的拉伸破坏,其对0.40%以下掺量试件有较高的拟合优度。
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