微生物矿化沉积对不同再生细骨料的改性机制

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建筑废弃物产生的再生细骨料作为骨料对减少天然砂的开采,解决填埋堆积和环境污染问题具有重要意义。再生细骨料的成分复杂、吸水率高、强度低是影响再生细骨料作为骨料利用的关键问题,亟待解决。微生物处理再生细骨料是提高再生细骨料性能的有效方法。再生细骨料的矿物组成、化学成分等方面存在较大的差异,导致其性能差别明显。微生物处理再生细骨料的矿化效率深受其影响。因此,微生物在不同再生细骨料环境下的矿化机制的研究尤为重要。本文基于不同种类的再生细骨料的pH值、离子浓度以及结构特征的不同,分别分析了微生物在不同pH值的溶液、陶粒和再生骨料环境中的沉积规律,探讨了不同的pH值对尿素水解速率和生物碳酸钙沉积效率的影响,以了解微生物在再生细骨料中诱导碳酸钙沉积的动力学过程。然后,根据不同粒径的再生细骨料的结构特征的不同,从质量变化、物理性能、化学成分和微观形貌等方面研究微生物在不同粒径的再生骨料中的沉积效果,探究再生细骨料的粒径对生物碳酸钙形成的影响。最后,研究了微生物矿化沉积对不同再生细骨料性能的影响及其主要沉积位置,探讨了不同再生细骨料中生物碳酸钙的形成机理。得出结论如下:(1)在不同pH值的溶液中,巴氏芽孢杆菌水解尿素的速率方程和碳酸钙沉积量可以用指数函数表示,可看作一级动力学反应。随着pH值的增大,尿素水解的速率常数和碳酸钙沉积速率常数先增大后减小。pH值的增大导致球霰石型的碳酸钙逐渐消失,pH=12-13时,形成方解石型的碳酸钙。再生骨料环境中尿素浓度变化规律与模拟的陶粒环境变化相似,均表现出了线性相关关系,符合一次函数。在RBA环境中巴氏芽孢杆菌水解尿素的速率大于RCA环境中巴氏芽孢杆菌水解尿素的速率,提高了34.61%。与RCA环境相比,RBA环境中的巴氏芽孢杆菌水解尿素量增加了14.42%。在不同再生骨料中的微生物矿化沉积生成碳酸钙的过程与不同pH值的陶粒中微生物矿化沉积生成碳酸钙的过程一致。巴氏芽孢杆菌诱导Ca2+沉积的浓度变化分别从0.2 mol/L减少至0.024mol/L和从0.2 mol/L减少至0.016 mol/L。(2)随着再生骨料粒径的增大,RCA和RBA颗粒的形状越加不规则。与RCA相比,粒径较大的RBA表面光滑度较低,含有较多的凹陷。由于微生物诱导碳酸钙沉积技术具有一定的粘结作用,微生物处理后的再生细粉粒度均有所增大。微生物处理可以有效改善再生细骨料的物理性能,但对不同粒径有不同的改性效果。微生物对0.6-1.18 mm粒径范围的M-RCA和M-RBA的改性效果最好。(3)四种细骨料的吸水率和压碎值均表现为RBA>RMA>RCA>NA。对再生细骨料进行微生物改性可以降低再生细骨料的吸水率和压碎值,增加其表观密度。其中,微生物诱导碳酸钙沉积技术对RBA的改性效果最好,这可能与细菌和脲酶的活性有关。这三种再生骨料的改性效果表现为RBA>RCA>RMA。(4)pH值影响生物碳酸钙的晶型。菱形方解石碳酸钙主要形成于RCA中。球霰石主要形成于RBA中,小菱形方解石晶体形成于RMA中。与骨料内部相比,骨料表面为碳酸钙的形成提供了更好的沉积环境。与内部孔隙中生物碳酸钙的形成相比,微生物诱导的碳酸钙更容易在表面形成。微生物诱导的碳酸钙主要填充和修复再生细骨料中大于0.2μm的大孔隙和裂缝。
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