隨著城市化進(jìn)程的加速，土地資源短缺問題日益突出，越來越多的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要在土質(zhì)不良的土地上進(jìn)行。傳統(tǒng)的物理或化學(xué)加固方法雖然能夠滿足工程建設(shè)需求，但往往伴隨著施工成本高、施工周期長以及對(duì)環(huán)境影響大等問題。近年來，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的土體改良方法，受到了廣泛關(guān)注。然而，MICP技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨著加固效率低、加固周期長等挑戰(zhàn)。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究者們開始探索通過添加外加劑來提高M(jìn)ICP的加固效果。其中，硅酸鈉作為一種廉價(jià)、綠色、高效的外加劑，展現(xiàn)出了顯著的潛力。本文通過對(duì)硅酸鈉增強(qiáng)微生物注漿加固效果的試驗(yàn)研究，探討了硅酸鈉在提高M(jìn)ICP加固效率方面的應(yīng)用前景。

  一、硅酸鈉對(duì)MICP加固效果的宏觀影響

  《2025-2030年中國硅酸鈉行業(yè)運(yùn)營態(tài)勢(shì)與投資前景調(diào)查研究報(bào)告》在水溶液試驗(yàn)中，硅酸鈉的添加量對(duì)細(xì)菌活性和碳酸鈣生成量有著顯著影響。當(dāng)硅酸鈉添加量為菌液質(zhì)量的0.1%~0.4%時(shí)，細(xì)菌活性隨著硅酸鈉濃度的增加而顯著提升，碳酸鈣生成量也隨之增加。具體而言，當(dāng)硅酸鈉添加量達(dá)到0.4%時(shí)，細(xì)菌活性達(dá)到峰值，約為9.02 mmol/(L·min)，較未添加硅酸鈉時(shí)提高了約14%。碳酸鈣生成量在硅酸鈉添加量為0.4%時(shí)達(dá)到最大值，約為9.02 g。然而，當(dāng)硅酸鈉添加量超過0.4%時(shí)，細(xì)菌活性開始下降，碳酸鈣生成量也隨之減少。這表明硅酸鈉在一定范圍內(nèi)能夠顯著提高M(jìn)ICP反應(yīng)的效率，但過量添加則會(huì)產(chǎn)生抑制作用。

  硅酸鈉行業(yè)現(xiàn)狀分析提到在砂柱試驗(yàn)中，硅酸鈉的添加同樣顯著提高了MICP的加固效率。當(dāng)硅酸鈉添加量為0.3%時(shí)，砂柱僅加固2次即可成型，10次處理后砂柱無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為5.9 MPa，較對(duì)照組提升了7倍。這表明硅酸鈉的添加不僅縮短了加固周期，還顯著提高了砂柱的強(qiáng)度。此外，硅酸鈉的添加還影響了砂柱內(nèi)部生成物的分布均勻性。當(dāng)硅酸鈉添加量為0.3%時(shí)，砂柱內(nèi)部生成物分布最為均勻，強(qiáng)度最高。然而，當(dāng)硅酸鈉添加量超過0.3%時(shí)，砂柱內(nèi)部生成物分布開始變得不均勻，強(qiáng)度也隨之下降。這進(jìn)一步證實(shí)了硅酸鈉在提高M(jìn)ICP加固效果方面的雙重作用：適量添加能夠提高加固效率和強(qiáng)度，但過量添加則會(huì)導(dǎo)致加固效果不均勻，降低整體強(qiáng)度。

  二、硅酸鈉對(duì)MICP加固效果的微觀影響

  通過對(duì)水溶液試驗(yàn)和砂柱試驗(yàn)生成物的XRD和SEM分析，進(jìn)一步揭示了硅酸鈉對(duì)MICP加固效果的微觀影響機(jī)制。XRD分析結(jié)果顯示，添加硅酸鈉后，除了碳酸鈣的特征峰外，還出現(xiàn)了水化硅酸鈣(C-S-H)的衍射峰。這表明硅酸鈉在MICP反應(yīng)中與鈣離子發(fā)生反應(yīng)，生成了C-S-H。C-S-H的生成不僅增加了生成物的總量，還可能通過填充砂土孔隙和膠結(jié)砂顆粒，提高了砂柱的強(qiáng)度。此外，XRD結(jié)果還顯示，添加硅酸鈉后碳酸鈣的特征峰強(qiáng)度有所降低，這可能是由于C-S-H的生成影響了碳酸鈣的結(jié)晶度，導(dǎo)致其峰強(qiáng)度降低。

  SEM分析結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了XRD的分析結(jié)果。在未添加硅酸鈉的對(duì)照組中，生成物主要為球霰石和方解石形態(tài)的碳酸鈣。而在添加了0.3%硅酸鈉的試驗(yàn)組中，除了碳酸鈣外，還觀察到了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的生成，推測(cè)其為C-S-H。在砂柱試驗(yàn)中，添加硅酸鈉后，砂顆粒表面不僅被碳酸鈣包裹，還生成了無定形、多孔的層狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，這些物質(zhì)填充了砂顆粒之間的孔隙，形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了砂柱的強(qiáng)度。這表明硅酸鈉的添加不僅促進(jìn)了碳酸鈣的生成，還通過生成C-S-H，增強(qiáng)了砂柱的膠結(jié)程度，從而提高了砂柱的強(qiáng)度和加固效果。

  三、硅酸鈉增強(qiáng)MICP加固效果的機(jī)理分析

  硅酸鈉對(duì)MICP加固效果的增強(qiáng)作用主要源于以下幾個(gè)方面：

  促進(jìn)碳酸鈣生成：硅酸鈉的添加提高了溶液的pH值，增強(qiáng)了脲酶活性，進(jìn)而增加了碳酸鈣的生成量。同時(shí)，硅酸鈉溶液的堿性環(huán)境對(duì)尿素水解具有催化作用，進(jìn)一步促進(jìn)了碳酸鈣的生成。這些碳酸鈣填充了砂土孔隙，提高了砂柱的密實(shí)度和強(qiáng)度。

  C-S-H的膠結(jié)作用：硅酸鈉在溶液中發(fā)生水解反應(yīng)，生成的硅酸根離子與鈣離子反應(yīng)生成C-S-H。C-S-H具有膠結(jié)作用，能夠填充砂顆粒之間的孔隙，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將砂顆粒更加有效地連接起來，從而顯著提高砂柱的強(qiáng)度。

  C-S-H促進(jìn)碳酸鈣結(jié)晶：C-S-H的多孔結(jié)構(gòu)為碳酸鈣的生成提供了額外的成核位點(diǎn)，降低了碳酸鈣的結(jié)晶度，促進(jìn)了碳酸鈣的生成。同時(shí)，C-S-H的生成也可能通過界面成核作用促進(jìn)碳酸鈣的結(jié)晶，進(jìn)一步提高了砂柱的強(qiáng)度。

  四、硅酸鈉在實(shí)際工程中的應(yīng)用前景

  硅酸鈉作為一種廉價(jià)、綠色、高效的外加劑，在提高M(jìn)ICP加固效果方面展現(xiàn)出了顯著的潛力。在實(shí)際工程中，通過添加少量的硅酸鈉，可以顯著縮短砂土地基的加固周期，提高加固效率，降低施工成本。然而，硅酸鈉的加固效果受環(huán)境溫度、砂土顆粒級(jí)配等因素的影響較大，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的工程條件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。未來的研究應(yīng)集中在不同施工場(chǎng)地、不同環(huán)境條件下的硅酸鈉加固效果，以及如何進(jìn)一步提高硅酸鈉的加固效率和均勻性，以實(shí)現(xiàn)其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。

  總結(jié)

  本文通過對(duì)硅酸鈉增強(qiáng)微生物注漿加固效果的試驗(yàn)研究，探討了硅酸鈉在提高M(jìn)ICP加固效率方面的應(yīng)用前景。研究結(jié)果表明，適量添加硅酸鈉能夠顯著提高M(jìn)ICP的加固效率和砂柱的強(qiáng)度，但過量添加則會(huì)導(dǎo)致加固效果不均勻，降低整體強(qiáng)度。硅酸鈉的增強(qiáng)作用主要源于其對(duì)碳酸鈣生成的促進(jìn)作用、C-S-H的膠結(jié)作用以及C-S-H對(duì)碳酸鈣結(jié)晶的促進(jìn)作用。在實(shí)際工程中，硅酸鈉作為一種廉價(jià)、綠色、高效的外加劑，具有廣泛的應(yīng)用前景，但需要根據(jù)具體的工程條件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。未來的研究應(yīng)集中在不同施工場(chǎng)地、不同環(huán)境條件下的硅酸鈉加固效果，以及如何進(jìn)一步提高硅酸鈉的加固效率和均勻性，以實(shí)現(xiàn)其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。

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