一种基于EICP技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材及使用方法

一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材及使用方法
技术领域
1.本发明属于边坡生态防护技术领域，具体涉及一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材及使用方法。


背景技术：

2.随着基础建设工程在全国范围内广泛推进，沿途的生态环境得到了严重的破快，造成了大面积无植被覆盖裸露边坡的形成，为了保证边坡的稳定性，防止坡面岩石土体的风华剥落或破坏以及危岩崩塌，需要利用工程护坡和/或生态护坡等手段。然而生态护坡工程往往位于高山丘陵区，由于风化程度低，周边种植土多为砂粒含量高的砂性种植土。砂性种植土颗粒粒径大、比表面积小，孔隙大导致配制的砂性生态护坡基材固体颗粒间嵌锁咬合效应弱、黏聚力低、抗侵蚀性差，极易发生水土流失，无法满足生态护坡工程粗放管理与自我维持的长效性要求。
3.目前针对上述问题主要采用微生物诱导碳酸钙沉积(microbially induced calcite precipitation，micp)和脲酶诱导碳酸钙沉积(enzyme induced calcite precipitation，eicp)两种方法，micp技术利用某些特定微生物对有机物(如尿素)进行水解，水解产物与钙离子结合生成具有黏结作用的碳酸盐，从而将松散无固结或弱固结颗粒黏结在一起，形成具有一定强度的整体；而eicp直接利用脲酶水解尿素生成碳酸钙固化土壤。这两项技术均得到大量的研究和广泛的应用。如李焕弟等基于上述两项技术开展了土壤固化实验，发现巴氏芽孢杆菌和脲酶诱导产生的碳酸钙虽然晶体形态不同，但均具有良好的土壤固化效果，其中巴氏芽孢杆菌的处理效果比脲酶处理好(李焕弟等,基于micp和eicp技术的土壤固化实验研究)；中国专利cn 115032365 a公开了一种基于改进eicp技术的土体加固研究方法及应用，其基于eicp技术，加入矿化液，并掺加碳纤维有效增强了土体的渗透系数，粘聚力，密度，导热系数，无侧限抗压强度；中国专利cn 114752390a公开了一种海岸固沙试剂及方法，基于eicp技术省去了大量细菌的培养工作，并使沙滩表层固化成具有一定强度的硬壳层，提高沙滩的抗剪强度，增加了沙滩整体稳定性，形成的硬壳层具有缓渗作用，有利于沙滩治理后期草籽生长。
4.但是目前采用eicp技术进行防护时主要采用成品氯化钙、乙酸钙等物质作为钙源，但是这种钙源使得防护成本较高，无法得到大规模的推广应用。高钙粉煤灰是由火力发电厂排出的一种游离态cao成分较高的工业固体废弃物，通常作为混凝土外加剂使用，但游离态的cao过多，水化过程会产生膨胀，导致混凝土安定性不佳、凝结速度慢等问题，使得高钙粉煤灰难以被大规模工业化利用而被大量堆积，不仅造成了资源浪费，同时由于高钙粉煤灰本身碱性的问题，给环保处理造成较大的困难。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态
护坡基材及使用方法，利用高钙粉煤灰中的游离cao与脲酶水解尿素的产物反应生成碳酸钙固化土壤，提高了边坡土壤的稳定性，同时又使高钙粉煤灰得到了资源化利用，降低了环保压力。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.本发明提供一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材，由种植土100-120份，高钙粉煤灰40-60份，有机物料4-6份，生境基材改良剂3-4份，尿素-脲酶混合液8-32份组成。
8.优选的，所述尿素-脲酶混合液由尿素溶液和脲酶溶液按体积比为1:1进行混合。
9.进一步优选的，所述尿素溶液的浓度为0.05mol/l，脲酶溶液浓度20-60g/l。
10.进一步优选的，所述脲酶溶液的制备方法为将市售的大豆在40℃下烘烤6h取出，粉碎后过60目筛，按照20-60g/l的浓度配制溶液，静置1h后过滤保留上清液即为脲酶溶液。
11.优选的，所述种植土为砂性种植土。
12.优选的，所述高钙粉煤灰来自一般火电厂，其游离氧化钙含量为30-35％，粒径为10-200目，需水量比为80-100％，三氧化硫的含量为15-20％。
13.优选的，所述有机物料为松树锯末、白杨树锯末、稻壳、玉米秸秆、胡麻秸秆中的一种或多种，经破碎之后风干晾晒至含水率低于10％，过10目筛备用
14.优选的，所述生境基材改良剂为绿化添加剂，绿化添加剂由湖北润智生态科技有限公司提供，属于三峡大学专利成果转让产品，申请号为cn01138343.7。
15.本发明还提供一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材的使用方法，具体包括以下步骤：
16.(1)配制有机物料，并与砂性种植土按比例混合；
17.(2)将步骤(1)中得到的混合料与高钙粉煤灰、生境基材改良剂按比例混合，充分搅拌混匀得到物料1；
18.(3)将步骤(2)中的物料1按所需含水量称取定量水，充分搅拌以保证各处含水率相同，得到物料2；
19.(4)将步骤(3)得到的物料2利用喷播机均匀喷播与边坡上；
20.(5)制备脲酶溶液，并按比例与尿素溶液混合，制备得到尿素-脲酶混合液；
21.(6)在物料2喷播8-15天后，将步骤(5)制备得到的尿素-脲酶混合液借助浇灌系统浇灌于边坡上，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
22.步骤(3)所述的定量水的用量为物料1的30-40％；步骤(4)所述的物料2的喷播量200-280kg/m2。
23.本发明的有益效果在于：
24.1、本发明利用eicp技术，提了固体颗粒间嵌锁咬合效应，生成稳定的胶结物包裹于土颗粒上，包裹后的小颗粒填充于大颗粒孔隙中，使基材黏结成整体，提高了基材强度和保水性能；同时结合来源于豆类中脲酶作为原料，降低了砂性生态护坡基材的成本和获取难度，而脲酶水解尿素生成的铵根离子一方面被植物所吸收，另一方面铵根离子也改善基材的碱性环境，降低了因砂性生态护坡基材中加入高钙粉煤灰而造成的偏碱性环境，使其相对适宜植物的生长。
25.2、本发明以高钙粉煤灰作为砂性生态护坡基材，充分利用其中的游离态cao，不需
要要考虑安定性的影响，并充分利用其凝结速度慢的优点来使砂性生态护坡基材中的植物得到充分的生长，为高钙粉煤灰找到了一种新的生态用途，实现了资源化利用，降低了环保压力；同时其中的cao遇水后生成氢氧化钙，能够起到黏结土颗粒并缩小孔隙的作用，在早期未使用eicp技术时增强基材的强度。
26.3、本发明利用高钙粉煤灰作为钙源，避开了常见液体钙源cacl2、ca(ch3coo)2等，降低了cacl2产生的cl-有可能对岩土加固结构中的钢筋材料产生锈蚀的风险，同时降低了成本。且大量使用高钙粉煤灰作为钙源还降低了对环境的危害，符合环保的要求。
27.4、本发明将含有高钙粉煤灰的物料与尿素-脲酶溶液分开施用，一方面给与高钙粉煤灰充分的时间进行水化过程，使其充分析出钙离子，同时也保证了尿素-脲酶溶液的活性，使其保持活性并充分与析出钙离子结合，提高结晶效果，加强防护效果。
28.5、本发明采用松树锯末、白杨树锯末、稻壳、玉米秸秆、胡麻秸秆等物质破碎风干后作为有机物料，增加了土壤的肥力，且有机物料在施用后很快就水化了，不会成为纤维从而降低了物料喷播的难度。
29.6、本发明中的尿素-脲酶溶液采用浇灌系统施用，降低了实施成本和难度，便于管理。
附图说明
30.图1为本发明中采用eicp技术固化沙土颗粒及固体废弃物防护边坡的原理示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步解释说明，值得注意的是，下述实施例仅为本发明的优选实施例，而并非对本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的内容为准。本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下对本发明的技术方案做出的修改、替换均落入到本发明的保护范围之内。
32.溶液的配制：
33.脲酶溶液的制备：取市售的大豆在40℃下烘烤6h后取出，粉碎后过60目筛得到豆粉，分别取不同质量的豆粉溶于水中，搅拌均匀后静置1h，过滤得到上清液，制备得到浓度分别为20g/l、40g/l和60g/l的脲酶溶液；
34.尿素溶液的制备：取市售的尿素溶于水中，制备得到浓度分别为0.05mol/l、0.1mol/l和0.15mol/l的尿素溶液；
35.生境基材改良剂：由湖北润智生态科技有限公司提供，属于三峡大学专利成果转让产品，申请号为cn01138343.7。
36.下述实施例中，高钙粉煤灰来源于大唐集团云南开远火电厂，其游离氧化钙含量为30-35％，粒径为10-200目，需水量比为80-100％，三氧化硫的含量为15-20％；松树锯末、白杨树锯末稻壳、玉米秸秆、胡麻秸秆均为一般市售产品。
37.所述进行防护的边坡选为坡度约为45
°
有极少植被覆盖的山区，由于修建道路对其进行开挖，使其边坡严重裸露并会出现滑坡现象，影响美观且下滑土易覆盖道路，山区为砂性土，结合本方法进行边坡修复。
38.实施例1
39.(1)将稻壳、松树锯末、玉米秸秆混合破碎后风干至含水量低于10％，过10目筛后得到有机物料，备用；
40.(2)取砂性种植土100kg与步骤(1)得到的有机物料6kg充分混匀，得到混合料；
41.(3)将混合料与50kg高钙粉煤灰、4kg生境基材改良剂混合，得到物料1；
42.(4)向物料1中加入45kg定量水，充分搅拌以保证各处含水率相同，得到物料2；
43.(5)将物料2利用喷播机均与喷播与边坡上，保证边坡上物料2的含量在200-280kg/m2之间；
44.(6)取浓度为20g/l的脲酶溶液与浓度为0.05mol/l的尿素溶液按照体积比为1:1进行混合，得到尿素-脲酶溶液；
45.(7)物料2喷播10天后，取8l尿素-脲酶溶液利用灌溉系统进行均匀浇灌，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
46.实施例2
47.方法、步骤同实施例1，仅将步骤(6)中的脲酶溶液浓度改为40g/l，尿素溶液浓度改为0.1mol/l，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
48.实施例3
49.方法、步骤同实施例1，仅将步骤(6)中的脲酶溶液浓度改为60g/l，尿素溶液浓度改为0.15mol/l，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
50.实施例4
51.方法、步骤同实施例1，将步骤(6)中的尿素溶液浓度改为0.1mol/l；步骤(7)中尿素-脲酶溶液的用量改为16l。
52.实施例5
53.方法、步骤同实施例1，将步骤(6)中的脲酶溶液浓度改为60g/l；步骤(7)中尿素-脲酶溶液的用量改为24l，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
54.实施例6
55.(1)将稻壳、松树锯末、玉米秸秆混合破碎后风干至含水量低于10％，过10目筛后得到有机物料，备用；
56.(2)取砂性种植土100kg与步骤(1)得到的有机物料6kg充分混匀，得到混合料；
57.(3)将混合料与40kg高钙粉煤灰、4kg生境基材改良剂混合，得到物料1；
58.(4)向物料1中加入45kg定量水，充分搅拌以保证各处含水率相同，得到物料2；
59.(5)将物料2利用喷播机均与喷播与边坡上，保证边坡上物料2的含量在200-280kg/m2之间；
60.(6)取浓度为60g/l的脲酶溶液与浓度为0.05mol/l的尿素溶液按照体积比为1:1进行混合，得到尿素-脲酶溶液；
61.(7)物料2喷播10天后，取16l尿素-脲酶溶液利用灌溉系统进行均匀浇灌，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
62.实施例7
63.方法、步骤同实施例6，仅将步骤(3)中高钙粉煤灰的用量改为60kg，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
64.实施例8
65.方法、步骤同实施例6，仅将步骤高钙粉煤灰的用量改为50kg，生境基材改良剂的用量改为3kg，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
66.对比例1
67.(1)将稻壳、松树锯末、玉米秸秆混合破碎后风干至含水量低于10％，过10目筛后得到有机物料，备用；
68.(2)取砂性种植土100kg、4kg生境基材改良剂与步骤(1)得到的有机物料6kg充分混匀，得到物料；
69.(3)向物料中加入30kg定量水，充分搅拌以保证各处含水率相同，然后利用喷播机均与喷播与边坡上，保证边坡上物料的含量在200-280kg/m2之间，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
70.对比例2
71.(1)将稻壳、松树锯末、玉米秸秆混合破碎后风干至含水量低于10％，过10目筛后得到有机物料，备用；
72.(2)取砂性种植土100kg、4kg生境基材改良剂、50kg高钙粉煤灰与步骤(1)得到的有机物料6kg充分混匀，得到物料；
73.(3)向物料中加入45kg定量水，充分搅拌以保证各处含水率相同，然后利用喷播机均与喷播与边坡上，保证边坡上物料的含量在200-280kg/m2之间，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
74.对比例3
75.(1)将稻壳、松树锯末、玉米秸秆混合破碎后风干至含水量低于10％，过10目筛后得到有机物料，备用；
76.(2)取砂性种植土100kg、4kg生境基材改良剂与步骤(1)得到的有机物料6kg充分混匀，得到物料；
77.(3)向物料中加入30kg定量水，充分搅拌以保证各处含水率相同，然后利用喷播机均与喷播与边坡上，保证边坡上物料的含量在200-280kg/m2之间。
78.(4)取浓度为60g/l的脲酶溶液与浓度为0.05mol/l的尿素溶液按照体积比为1:1进行混合，得到尿素-脲酶溶液；并在喷播10天后利用浇灌系统均匀浇灌16l尿素-脲酶溶液，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
79.对比例4
80.(1)将稻壳、松树锯末、玉米秸秆混合破碎后风干至含水量低于10％，过10目筛后得到有机物料，备用；
81.(2)取砂性种植土100kg与步骤(1)得到的有机物料6kg充分混匀，得到混合料；
82.(3)将混合料与10kg高钙粉煤灰、1kg生境基材改良剂混合，得到物料1；
83.(4)向物料1中加入35kg定量水，充分搅拌以保证各处含水率相同，得到物料2；
84.(5)将物料2利用喷播机均与喷播与边坡上，保证边坡上物料2的含量在200-280kg/m2之间；
85.(6)取浓度为10g/l的脲酶溶液与浓度为0.02mol/l的尿素溶液按照体积比为1:1进行混合，得到尿素-脲酶溶液；
86.(7)物料2喷播10天后，取16l尿素-脲酶溶液利用灌溉系统进行均匀浇灌，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
87.对比例5
88.(1)将稻壳、松树锯末、玉米秸秆混合破碎后风干至含水量低于10％，过10目筛后得到有机物料，备用；
89.(2)取砂性种植土100kg与步骤(1)得到的有机物料6kg充分混匀，得到混合料；
90.(3)将混合料与100kg高钙粉煤灰、10kg生境基材改良剂混合，得到物料1；
91.(4)向物料1中加入60kg定量水，充分搅拌以保证各处含水率相同，得到物料2；
92.(5)将物料2利用喷播机均与喷播与边坡上，保证边坡上物料2的含量在200-280kg/m2之间；
93.(6)取浓度为100g/l的脲酶溶液与浓度为1.00mol/l的尿素溶液按照体积比为1:1进行混合，得到尿素-脲酶溶液；
94.(7)物料2喷播10天后，取16l尿素-脲酶溶液利用灌溉系统进行均匀浇灌，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。
95.结果检测：
96.完成砂性生态护坡基材的制备与防护使30天后，利用环刀取样，干密度、保水性、抗剪强度、孔隙率均采用普通的土工试验测试方法，抗剪强度在正应力为100kpa下测得；崩解系数采用冻水崩解法测量；养分固持采用柱淋溶试验，检测砂性生态护坡基材的性能以及防护效果，结果见表1：
97.表1不同组分制备砂性生态护坡基材的性能及防护效果
[0098][0099]
[0100]
表1数据结果表明：实施例1-8与对比例1相比，本发明制备的砂性生态护坡基材，ph在可接受的范围内，干密度提升了1.13-2.26％，崩解性提升了134.58-147.80％，黏聚力提升了49.6-102.2％，内摩擦角提升了2.6-17.6％，抗剪强度提升37.65-61.71％，孔隙率降低6.61-12.80％，保水性提升了61.4-72.7％，养分固持能力提升了125.2-186.0％，表明本发明采用eicp技术和高钙粉煤灰相结合的方法，在实现高钙粉煤灰资源化利用的同时还能够将边坡土壤固结到一起，增强黏聚力，避免水土流失，在粗放管辖下还能长效自我维持，能够实现边坡的有效防护。对比例2未使用eicp技术，仅加入了高钙粉煤灰，芮然其崩解系数、黏聚力、保水性、抗剪强度和养分固持率显著上升，但是ph值显著升高，不利于边坡上植物的生长，因此仅加入高钙粉煤灰是无法有效实现边坡的防护。对比例3未加入高钙粉煤灰，仅以尿素-脲酶溶解浇灌，但由于自然界中游离的钙源较少，也无法实现有效的边坡防护，因此表明eicp技术依赖于外源钙源的添加。对比例4大幅度减少高钙粉煤灰的掺量，对比例5大幅度增加高钙粉煤灰的掺量，发现高钙粉煤灰用量过少无法实现有效的防护效果，而用量过多会造成边坡土壤的ph值显著升高，不适宜植物的生长，也无法实现后期利用植物来防护边坡，从而无法达到想要的效果。

技术特征：
1.一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材，其特征在于：由种植土100-120份，高钙粉煤灰40-60份，有机物料4-6份，生境基材改良剂3-4份，尿素-脲酶混合液8-32份组成。2.根据权利要求1所述的一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材，其特征在于：所述尿素-脲酶混合液由尿素溶液和脲酶溶液体积比为1:1进行混合。3.根据权利要求2所述的一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材，其特征在于：所述尿素溶液的浓度为0.05 mol/l，脲酶溶液浓度20-60 g/l。4.根据权利要求3所述的一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材，其特征在于：所述脲酶溶液的制备方法为将市售的大豆在40℃下烘烤6h取出，粉碎后过60目筛，按照20-60 g/l的浓度配制溶液，静置1 h后过滤保留上清液即为脲酶溶液。5.根据权利要求1所述的一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材，其特征在于：所述种植土为砂性种植土。6.根据权利要求1所述的一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材，其特征在于：所述高钙粉煤灰来自一般火电厂，其游离氧化钙含量为30-35%，粒径为10-200目，需水量比为80-100%，三氧化硫的含量为15-20%。7.根据权利要求1所述的一种基于eicp技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材，其特征在于：所述有机物料为松树锯末、白杨树锯末、稻壳、玉米秸秆、胡麻秸秆中的一种或多种，经破碎之后风干晾晒至含水率低于10%，过10目筛备用。8.一种含有权利要求1-7任一项所述砂性生态护坡基材的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）配制有机物料，并与砂性种植土按比例混合，得到混合料；（2）将步骤（1）中得到的混合料与高钙粉煤灰、生境基材改良剂按比例混合，充分搅拌混匀得到物料1；（3）将步骤（2）中的物料1按所需含水量称取定量水，充分搅拌以保证各处含水率相同，得到物料2；（4）将步骤（3）得到的物料2利用喷播机均匀喷播与边坡上；（5）制备脲酶溶液，并按比例与尿素溶液混合，制备得到尿素-脲酶混合液；（6）在物料2喷播8-15天后，将步骤（5）制备得到的尿素-脲酶混合液借助浇灌系统浇灌于边坡上，完成砂性生态护坡基材的制备与防护使用。9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：步骤（3）所述的定量水的用量为物料1的30-40%。10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：步骤（4）所述的物料2的喷播量为200-280kg/m2。

技术总结
本发明公开了一种基于EICP技术与高钙粉煤灰的砂性生态护坡基材及使用方法，以高钙粉煤灰作为EICP技术中的钙源，充分实现了高钙粉煤灰的资源化利用，克服了其安定性不佳的问题并利用其凝结速度慢的特点给与砂性生态护坡基材中植物充分的生长时间，采用钙源于尿素-脲酶溶液分开施用的原则，在降低施用难度的同时给与高钙粉煤灰充分的水化时间，充分析出钙离子与尿素-脲酶溶液结合，强化结晶和护坡效果。本发明利用脲酶水解尿素产生的铵根离子与生境基材改良剂结合使用，改善了砂性生态护坡基材的碱性环境，使其相对适宜植物的生长，加快生态护坡进程。快生态护坡进程。快生态护坡进程。


技术研发人员：刘大翔 宋强兵 郭超祺 杨悦舒 徐志海 许博阳 郑蔚 黄志友 许文年 夏振尧 刘黎明 夏栋 丁瑜 许阳 李铭怡 赵冰琴 胡旭东
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/8/14