科创中国

本发明提供了一种运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，包括以下步骤：(1)向砂土中加入至少1倍孔隙体积水，搅拌均匀后，装入模具中，使砂土中的孔隙处于饱和状态，多余的水从模具底部的出水口流出；(2)将具有矿化作用的微生物菌液活化，并灌注至少1倍孔隙体积该菌液至步骤(1)所述的砂土中，所述菌液置换砂土孔隙中的水，使砂土保持孔隙饱和，静置培养使菌液中的细菌固定在砂粒上；(3)向步骤(2)所述的砂土中灌注至少1倍孔隙体积的胶结液进行胶结固化，得到微生物胶结砂土；所述胶结液中含有蛋白胶凝材料、尿素和氯化钙，胶结固化的过程中，所述细菌水解尿素产生的碳酸根与氯化钙电离产生的钙离子形成碳酸钙沉淀，蛋白胶凝材料通过化学键使碳酸盐和砂土颗粒之间形成有效连接，从而达到胶结砂土的目的，并且，所述蛋白胶凝材料均匀分布于砂土颗粒之间为碳酸钙沉淀提供更多成核位点，有利于碳酸钙的沉淀，同时，蛋白胶凝材料的粘性和链状的结构特性改善了砂土颗粒与碳酸钙之间的界面力学作用，提高了微生物胶结砂土的韧性。

本发明涉及一种运用蛋白胶凝材料提高微生物胶结砂土机械性能的方法，属于岩土(地质)工程与微生物交叉技术领域。本发明的胶结液中含有蛋白胶凝材料、尿素和氯化钙，胶结固化的过程中，细菌水解尿素产生的碳酸根与氯化钙电离产生的钙离子形成碳酸钙沉淀，蛋白胶凝材料通过化学键使碳酸盐和砂土颗粒之间形成有效连接，从而达到胶结砂土的目的，并且，所述蛋白胶凝材料均匀分布于砂土颗粒之间，为碳酸钙沉淀提供更多成核位点，有利于碳酸钙的沉淀，同时，蛋白胶凝材料的粘性和链状的结构特性改善砂土颗粒与碳酸钙之间的界面力学作用，提高微生物胶结砂土的韧性。

随着城市化进程加快，世界范围内对水泥、石灰等传统胶凝材料的需求量空前增加，而传统胶凝材料存在能耗高、污染大等缺点，急需开发高效、环保、经济的新型胶凝材料予以改善或部分替代。

微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)是一种在地质矿化沉积过程中最常见的微生物矿化沉积过程，可通过微生物代谢诱导碳酸盐沉淀过程胶结砂土并改善其性质，同时降低土体pH值和固定二氧化碳。与传统胶凝材料相比，微生物浆材具有能耗低、污染少、粘度低、砂土相容性好、反应速率和晶体尺寸及固结强度可调控等优势。目前，MICP在土坝/地基加固、固沙、补缝及抑制扬尘等工程领域均显示出广阔的应用前景。然而，使用现有方法通过MICP很难同步提高胶结砂土的强度与韧性，这严重制约了MICP在工程中的应用与发展。

公开号为CN109594552A的现有技术公开了一种微生物固化-纤维加筋联合改性砂土的方法，通过添加0.1-3.2％离散型纤维材料，适度改善了微生物胶结砂土的无侧限抗压强度、残余强度和韧性。然而，体系中添加的离散型纤维存在分布不均匀的缺点，使得微生物胶结体的强度和韧性难以同步大幅提高。而且离散型纤维材料的结构、生物活性、功能不能人为有目的调控，这也制约着它们的应用范围。利用连续型材料尤其是结构、生物活性和功能可定向调控的材料有望同步大幅提高微生物胶结砂土的强度和韧性，但目前尚未见有效的技术方法。

华中科技大学（Huazhong University of Science and Technology），简称华中大、华科大 ，位于湖北省武汉市，是中华人民共和国教育部直属的综合性研究型全国重点大学、位列国家“双一流” “985工程”“211工程”、入选“强基计划”“111计划”、卓越工程师教育培养计划、卓越医生教育培养计划、国家大学生创新性实验计划、国家级大学生创新创业训练计划、国家建设高水平大学公派研究生项目、国家级新工科研究与实践项目、基础学科拔尖学生培养计划2.0，是学位授权自主审核单位、全国深化创新创业教育改革示范高校、一流网络安全学院建设示范项目高校、中国政府奖学金来华留学生接收院校、教育部来华留学示范基地，为中欧工程教育平台成员和医学“双一流”建设联盟 、国际应用科技开发协作网 、全球能源互联网大学联盟成员。

本发明的有益效果为：

(1)针对现有技术中通过外源添加剂难以同时大幅提高微生物胶结松散砂土的强度和韧性，且不具备人为定向调控外源添加剂结构、生物活性和功能的技术缺陷或改进需求，本发明利用蛋白胶凝材料，包括且不限于氨基酸高聚物如聚谷氨酸(PGA)、小分子蛋白如牛血清蛋白(BSA)、天然蛋白水解产物如羊毛水解角蛋白和商业品角蛋白(日本TCI)以及基因工程融合蛋白如实验室构建表达的人工融合粘胶蛋白，采用与胶结液同步灌注的方法使蛋白胶凝材料在砂土中均匀分布。蛋白胶凝材料一方面能够占据砂土颗粒之间的孔隙，其粘性和链状等结构特性可使得碳酸钙和砂土颗粒之间建立有效连接，从而提高微生物胶结砂土的韧性；另一方面可在砂土颗粒孔隙之间为碳酸钙沉淀提供更多的成核位点，提高微生物胶结砂土的强度，最终能有效提高微生物胶结松散砂土的机械性能。作为一种高效、环保、经济的新兴工艺方法，可以改善和部分替代水泥、石灰等传统胶凝材料，在土坝/地基加固、固沙、补缝和抑制扬尘等方面具有潜在的工程实用价值和广泛的应用前景。

(2)传统微生物胶结砂土是通过微生物代谢诱导碳酸盐沉淀，并且由微生物分泌的胞外有机质通过化学键使碳酸盐和砂土形成连接，从而达到胶结砂土的目的。但其胶结体韧性差，碳酸钙沉淀效率低。蛋白胶凝材料的加入不仅能够提高微生物胶结砂土的韧性，还能提高碳酸钙沉淀效率，机理在于：1)蛋白胶凝材料的粘性加强了砂颗粒和碳酸钙界面之间通过化学键形成的这种有效连接，可以改善砂颗粒与碳酸钙之间的界面力学作用，提高增韧效果；2)蛋白胶凝材料具有的链状等结构特性可以提高微生物胶结砂土的韧性；3)蛋白胶凝材料的加入为碳酸钙在细菌之外的沉淀提供了成核位点，改善了由于碳酸钙在细菌表面沉淀导致的细菌活性下降，维持了细菌活性从而促进碳酸钙沉淀；4)蛋白胶凝材料是水溶性或者可以在水中均匀分散成为悬浊液的材料，相比于离散型纤维材料，可以更加均匀的分布于砂土颗粒之间，为碳酸钙沉淀提供更多成核位点，有利于碳酸钙的沉淀。

(3)本发明中的蛋白胶凝材料具有以下有益效果，化学性能方面，无生物毒性，没有环境污染，且具有较好的生物稳定性和生物相容性；物理性能方面，具有溶解性或者极好的分散性；力学性能方面，具有较好的粘性，可人为定向调控其结构、生物活性和功能；经济可行性方面，无需预先与砂土拌合，直接与胶结液混合后灌注即可。

本专利成果采用技术转让，技术入股，技术合作等成果转化方式，希望进一步实现该专利的有益效果，有兴趣皆可面议。