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硅酸盐水泥是目前最为常用的胶凝材料，但由于其存在着能耗高、环境污染严重等缺点而面临着严重挑战。因此，科研工作者一方面纷纷从水泥生产设备、工艺技术、熟料成分比例优化和辅助性胶凝材料复合、延长服役寿命等方面进行系统的基础研究，以期实现水泥制备过程的直接节能减排和水泥高效应用产生的间接节能减排。另一方面又从研究开发新型胶凝材料角度，力图寻找到具有能耗小、污染少或无污染且具有优良耐久性的新型胶凝材料，应用于部分可替代的场合。 本文仅仅围绕微生物水泥的研制及其胶结机理这一中心问题，研究了微生物水泥在松散砂颗粒间的矿化作用，明确了微生物在松散砂颗粒间的状态和矿化机制;探明了微生物矿化形成的方解石在有机基质作用下，与松散砂颗粒间的相互作用，揭示了微生物水泥胶结松散砂颗粒的本质原因;确定了微生物水泥胶结松散砂颗粒的最佳工艺和基本配方，并根据其胶结效果进行了配方优化;通过微生物水泥随胶结次数变化而导致的胶结体抗压强度、方解石含量、孔隙率、微观结构及三维立体重构、距离注射口不同位置处的二维横截面结构、孔尺度分布和演变规律的研宠，揭示了微生物水泥胶结体微观结构和性能演变规律;根据上述研制好的微生物水泥制备了尺度为0.5 m高的砂柱和0.125 m3的立方体砂块，并根据其放大应用试验，建立了考虑微生物浓度分布的微生物水泥胶结松散砂颗粒过程的数学模型，并对上述两种不同尺度下形成的方解石含量和抗压强度进行了预测分析;最后还对微生物水泥应用于防风治沙和扬尘治理方面进行了初步探索。本论文取得的主要研究结论和创新成果包括以下五方面: (1)揭示了松散砂颗粒间的微生物矿化和胶结机理 通过分析微生物在松散砂颗粒表面存在状态，以及松散砂颗粒在微生物矿化形成方解石晶体作用下胶结成为整体的过程，明确了微生物吸附在松散砂颗粒表面，以底物为营养源，在胞内酶作用下将底物分解成CO32-和NH4+并排出胞外，排出胞外的CO32-直接与螯合在细胞表面的Ca2+相结合，以松散砂颗粒表面上的微生物细胞为成核位点，在松散砂颗粒表面和颗粒之间逐渐矿化沉积出受微生物分泌的有机基质调控作用影响的方解石晶体;通过比较分析微生物水泥产物碳酸钙和化学法形成的碳酸钙的晶体类型、形貌、活化能和分解温度，确定了微生物分泌的有机基质对微生物矿化形成的方解石晶体成核和生长的调控影响;红外光谱、光电子能谱以及核磁共振等先进测试技术对微生物矿化形成的方解石中的C-O键、石英砂中的Si-O键以及Si原子的电子结合能分析结果表明，微生物矿化形成的方解石在微生物分泌的有机基质作用下，与松散砂颗粒之间发生了分子间氢键的相互作用，并在该作用下，微生物水泥将松散砂粒胶结成为整体。 (2)确定了微生物水泥胶结松散砂颗粒的工艺和配方 通过研究无压成型、压力成型、不连续无压成型和泵送注射成型四种工艺对胶结性能（抗压强度、方解石含量和孔隙率）的影响，确定了采用泵送注射方法胶结松散砂颗粒的工艺:采用蠕动泵首先以5 mL/min速率向松散砂颗粒中注入微生物溶液，停滞2～3 h以尽可能多地让微生物吸附停滞在松散砂颗粒中，然后再以10 mL/min的速率注入混合溶液，停滞6h以便微生物与混合溶液充分作用。并在此工艺条件下，确定了微生物水泥的配方。 (3)探明了微生物水泥胶结松散砂颗粒微观结构和性能演变规律 采用X射线断层扫描仪和扫描电镜分别对不同胶结次数下的微生物水泥胶结体抗压强度、方解石含量、孔隙率、三维立体重构、距离注射口不同位置处的二维横截面结构、孔尺度分布及演变规律进行了研究分析，结果表明微生物水泥胶结体抗压强度和方解石含量随胶结次数的增多而增大，但增长幅度却随胶结次数的增多而降低;微生物水泥胶结体微观结构随胶结次数的增多而逐渐密实，孔隙率降低，但降低幅度随胶结次数的增多而减小。同时还揭示了微生物水泥胶结体整体结构存在着不均匀性的规律，即距离注射口较近区域的胶结体微观结构较为密实，反之则相反。明确了微生物水泥胶结体内部存在着大量尺寸为0.01 mm3～0.10 mm3的孔和少量尺寸为0.5mm3～45.0 mm3的孔，上述两个尺度的孔数量随着胶结次数的增多均表现为减少规律，而尺度为0.11 mm3～0.50 mm3的孔则随着胶结次数的增多呈现出先增多后减少的规律。 (4)制备了不同尺度的微生物水泥胶结体并预测了其性能 通过制备不同尺度的微生物水泥胶结体及测试分析距离注射口不同部位的抗压强度、方解石含量、抗冻性和抗冲刷性等性能，揭示了微生物水泥胶结体性能随着远离注射口而逐渐降低的规律;探明了距离注射口0～0.2 m范围内的胶结体具有较好抗冻性，而超过此范围，则胶结体抗冻性较差;距离注射口不同部位的胶结体均具有较好抗冲刷性。根据上述不同尺度的微生物水泥胶结体性能研究，建立了考虑微生物浓度分布的微生物水泥胶结砂粒性能预测的数学模型，并采用Crank-Nicolson差分方法对不同尺度的胶结体性能随胶结次数变化的规律进行了数值求解，并将数值计算结果与试验结果进行比较分析。结果表明，所建立的微生物水泥胶结砂粒模型可以很好地对不同尺寸、不同条件下的胶结体性能进行预测。 (5)初步探讨了微生物水泥在防风治沙和建筑扬尘防治中的应用 通过对喷洒微生物水泥后的沙粒抗风蚀性、抗冻性、抗老化性以及生态相容性等性能分析，结果表明:微生物水泥可作为固沙剂用于防风治沙领域中。通过对喷洒微生物水泥后的建筑扬尘颗粒进行抗蒸发性、抗风蚀性和抗水冲刷性等研究，证实了微生物水泥作为抑尘剂用于建筑扬尘的防治可行性。