1、第54卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 1-417 9(2 0 2 3)0 8-0 2 2 7-0 6引用本文：胡其志，霍伟严，马强，等.MICP联合纤维加筋黄土的力学性能及水稳性研究J.人民长江，2 0 2 3,54（8）：2 2 7 一232,248.人民长江YangtzeRiverVol.54,No.8Aug.，2 0 2 3MICP 联合纤维加筋黄土的力学性能及水稳性研究胡其志,霍伟严,马强,陶高染（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉430 0 6 8）摘要：黄土在中国分布较广，具有强度低、高湿陷性等不良工程特性，利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术联合纤维加筋对
2、黄土进行处理，可有效改善其力学性能和水稳性。为了解MICP联合纤维加筋黄土的固化效果，在黄土中掺入质量比分别为0.2%，0.3%，0.4%，0.5%的玄武岩纤维，辅以不同比例的菌液与胶结液（体积比为2:8,3:7,4:6,5:5），采用拌合法对黄土进行加固处理，并对处理后试样开展碳酸钙生成量测试、无侧限抗压强度试验、崩解试验和SEM微观测试。结果表明：MICP拌合固化黄土可以有效改善其力学性能，固化试样内部碳酸钙生成量与峰值强度呈正比，最大生成量为黄土质量的1%，当菌液与胶结液的体积比为4：6 时，固化效果最佳。菌液与胶结液体积比固定为4:6 时，固化试样的无侧限抗压强度随纤维掺量的增加先增大
3、后减小，最佳纤维掺量为0.4%。MICP固化后的黄土其完全崩解时间延长较多，当菌液与胶结液体积比为4:6 时，试样的耐崩解能力最强。菌液与胶结液体积比固定为4:6 时，随着纤维掺量的增加，试样耐崩解能力逐渐增强，当掺量为0.5%时，试样的最终崩解率最低。试样内部碳酸钙晶体呈片状附着于土颗粒与纤维表面，可有效增加土颗粒与纤维之间的粘结和摩擦，对固化后土体的强度和水稳性具有良好的促进作用。研究成果对MICP技术固化黄土的工程实际应用具有指导意义。关键词：黄土改良；MICP；玄武岩纤维；崩解；无侧限抗压强度中图法分类号：TU4440引言微生物诱导碳酸钙沉淀（microbialinduced calc
4、iteprecipitalion，M ICP)技术是一种前沿的土壤改良技术，其基本原理主要为利用微生物产生的脲酶催化胶结液中尿素水解产生Co-,Co,-再与胶结液中Ca+反应生成碳酸钙沉淀。基于该技术发展起来的微生物灌浆法、浸泡法和喷洒法在各类粗粒土材料处理中已经有了较为广泛的应用。如梁仕华等通过选取不同颗粒级配的砂土进行微生物固化处理，发现颗粒级配对微生物固化砂土强度有较为明显的影响1;Liu等发现，采用浸泡法的MICP固化试样，不同区域的沉淀碳酸钙分布较为均匀2 ；何晓英等发现，微生物矿化碳酸收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 1作者简介：胡其志，男，教授，博士，研究方向为岩土工程。E-
5、mail:文献标志码：AD0I:10.16232/ki.1001-4179.2023.08.032钙可以提高泥石流沉积物的承载力，最大承载力提升可达2 0%3；李昊等通过贯入试验与冲刷试验发现MICP-FR协同固化技术能显著提高钙质砂的结构强度与抗侵蚀能力4；王绪民等以胶结砂试验为主,研究了MICP技术产生沉淀物的影响因素，表明营养液浓度在1.5mol/L以下时可以有效增加沉淀物含量5。此外,为了改善MICP固化的土体抵抗变形能力差、韧性低的特点,谢约翰等提出纤维加筋与MICP技术相结合的方法,并对不同纤维掺量下砂土试样的抗拉压强度进行了研究，结果发现纤维加筋能够有效提高砂土试样的韧性和破坏后
6、的残余强度。林胜强等通过试验得知，加入一定量的碳纤维对MICP固化钙质砂的动强度与抵抗变形的能力均有增强作用7 。228郑俊杰团队探究了纤维加筋对于微生物固化土体的影响，对不同纤维掺量试样的抗压、抗剪强度进行了研究,结果发现纤维加筋可以有效改善土体的强度及软化特性8-9为了达到较好的加固效果，MICP技术用于固化粗粒土时，一般多次灌注、喷洒微生物和胶结液，或直接将试样浸泡在胶结液中，由于没有准确的菌液与胶结液使用标准，在实际工程中可能难以控制固化效果。此外,黄土颗粒较细、强度低,单独使用MICP技术固化黄土较为困难。为此,本文采用拌合法，将菌液、胶结液、纤维与土体直接拌合，在一定条件下养护并进
7、行固化处理，随后对固化处理后的试样开展一系列试验。通过无侧限抗压强度试验、崩解试验,对加固前后试样的力学性能与水稳定性进行测试，对比分析拌合固化过程中,菌液与胶结液体积比、纤维掺量对黄土固化效果的影响,并对固化后试样内部碳酸钙的生成量进行测试，利用SEM对碳酸钙的形态与附着方式进行观察，以探讨MICP拌合固化纤维加筋黄土的影响因素和内在机理。1试验材料与方法1.1试验材料（1）黄土与纤维。试验所用黄土取自江苏淮安郊区,原状土呈黄褐色,其物理性质如表1所列，由于原状土中存在许多直径较大的砂石颗粒及根系杂质，需过筛处理。试验所用纤维为玄武岩纤维短切纱，其长度为18 mm,密度2.6 99g/cm,
8、初始形态为长条状,经充分搅拌可分散为丝状,纤维丝直径17.4m。表1黄土的基本物理指标Tab.1 Basic physical indicators of loess最大干密度/塑限/%液限/%塑性指数(g:cm3)16.729.7（2）菌液与胶结液。试验所用微生物菌株为巴氏芽孢杆菌（Sporosarcinapasteuri，A T CC118 59），购自上海保藏生物技术中心,其为好氧菌且脲酶活性高，对环境友好，目前在岩土工程领域应用广泛。试验所用培养基为液体培养基，在12 0 高温灭菌锅中灭菌30min后,将菌株与培养基组成的菌液置于恒温振荡培养箱中，以2 0 0 r/min的转速在30
9、恒温条件下有氧培养40 h。随后利用分光光度计测得菌液的0 D600值为0.7 0 9（0 D600即菌液在6 0 0 nm波长处的吸光值，用以表征细菌生长情况）。胶结液的成分由CaCl，和尿素构成，为MICP过程提供足够的钙源及微生物代谢所需要的养分。由于单人民长江个试样胶结液用量较少，为保证固化效果，采用浓度为1.5mol/L的胶结液,其中,尿素与氯化钙浓度比为2:1。1.2试样制备与试验方案试验采用拌合法，为保证不同试验参数时试样的可比性，控制试样干密度为1.58 g/cm，含水率为20%。制样前,先将黄土风干碾碎，并过1mm筛,取过筛后的黄土与菌液、纤维充分搅拌混合，直至玄武岩纤维短切
10、纱分散为丝状，静置半小时后，加人胶结液均匀拌合。制样采用直径39.1mm、高8 0 mm的铁质模具，称取每层所需拌合均匀后的黄土，分3层进行人工击实。制备好的试样脱模后在30、9 5%湿度条件下养护7 d，随后进行无侧限抗压强度试验和崩解试验。表2 给出了不同试样的具体试验参数,其中SO为空白对照组，不添加菌液只添加胶结液（也即未经MICP处理）。A组设置4种不同体积比的菌液与胶结液（2:8,3:7,4:6,5:5），不掺纤维；B组设置了不同掺量的玄武岩纤维（0.2%，0.3%，0.4%，0.5%），菌液与胶结液体积比（B:C)固定为4:6。表2 试验分组及参数设置Tab.2Test grou
11、ping and parameters setting菌液与胶结液试样编号纤维掺量/%SO一A10A20A30A40B10.2B20.3B30.4B40.51.3测试方法最优含水率/（1）无侧限抗压强度试验。试验采用YSH-2型%131.742023年是否MICP处理体积比(B:C)一2:83:74:65:54:64:64:64:620无侧限抗压仪，以1.18 mm/min的加载速率对试样施加轴向压力，每隔40 mm记录一次测力计读数，直至试样破坏，记录无侧限抗压强度。（2）碳酸钙含量测定试验。由于试验所用土体为黄土,天然黄土中含有少量原生碎屑CaCO，和次生淀积Caco,101；且由于采用的
12、是拌合法，菌液与胶结液总量有限，碳酸钙沉淀生成量较少，故利用酸洗法测量碳酸钙含量在此次试验中不适用。为分析拌合法固化黄土试样内部碳酸钙生成量，采用称重法。记固化前试样所用黄土质量为W。，无侧限抗压强度试验完成后，将试样放人烘箱（10 5,2 4h）中烘干，称取重量，此时试样的重量记为W，。两次称重的差值即为固化过程中碳酸钙的生成量，计算公式如下：是是是是是是是是第8 期（3）崩解试验。为评价固化处理后黄土试样的水稳定性，对试样开展崩解试验。由于常规土壤崩解仪在试样刚进入水中时浮筒不易矫正，精度较难控制，数据读取不灵敏,故采用自制崩解仪，装置示意如图1所示。试验装置主要由高精度电子天平（精度为0
13、.0 1g）、崩解槽、崩解盒、支架、计时器等部分组成。其中，崩解盒底部金属网网孔的大小为6mm6 mm,崩解盒与支架之间连接的细线可自由取下与挂上。试验前在崩解槽内装人适量水，并将天平读数归零，调整好崩解盒的高度后，将试样置于崩解盒内，缓慢放人水中，待天平读数不变后，每隔15s记录一次天平读数。由于试样受重力、拉力、浮力三力平衡，故天平读数无法直接反应试样崩解率，试样崩解率可通过(2)式计算得到：P(Tx)=式中：P(Tx）为崩解率;M,为试样完全崩解后天平的读数；M。为试样完全浸人水中，未开始崩解时天平的读数;M(Tx)为T时刻时天平读数。图1自制崩解仪示意Fig.1 Schematic d
14、iagram of the homemade disintegrator（4）SEM 微观测试。取无侧限抗压强度试验破坏后试样内部土块进行烘干处理，待烘干完成后,对土块进行表层喷金，喷金设备为SBC12 型离子溅射仪，随后采用JSM-7800F场发射扫描电镜对土块断面进行测试。2结果与讨论2.1#抗压强度不同体积比菌液与胶结液试样固化处理后的应力胡其志，等：MICP联合纤维加筋黄土的力学性能及水稳性研究W.-W。W=100%W。M(Tx)-M。M,支架细线一崩解槽崩解盒高精度电子天平229一应变曲线图如图2 所示。可以看出，未处理的黄土(1)试样无侧限抗压强度约为32 kPa。当菌液与胶结液体
15、积比4:6 时，试样的无侧限抗压强度随菌液含量的提升而提升；菌液与胶结液体积比为4:6 时,无侧限抗压峰值强度最高，约为48 kPa,较未处理试样提升50%；随着菌液含量的进一步提升，试样的峰值抗压强度反而减小，说明此时胶结液体积不足以使细菌达到最大活性12 ,但其峰值强度仍高于未处理试样。需要注意的是，在加固效果逐渐增强的同时，试样的破坏形态逐渐偏向于脆性破坏13-14,达到峰值强度后，较未处理的试样,处理后的试样应力下降速度显著加快。经微生物固化处理后的黄土试样，其轴向抗压能力在一定程度上得以提升，且菌液与胶结液体积比为4:6 时效果最为明显。5550F454035(2)302515105
16、上0图2不同体积比菌液与胶结液对抗压强度的影响Fig.2Effect of different volumes ratios(bocteria solutionto cementing solution)on compressive strength图3为不同掺量玄武岩纤维在菌液与胶结液体积比固定为4：6 时试样的应力应变曲线图。由图可见,纤维的加入显著提高了试样的轴向抗压能力。在加载初期，试样的应力随轴向应变的增长而快速增长；达到峰值后，应力逐渐减小，且不同纤维掺量的试样破坏特征较为相似。当纤维掺量为0.2%，0.3%时，试样无侧限峰值抗压强度分别为7 0.1,8 0.4kPa，较无纤维试样提升43.9%，6 5.2%；当纤维掺量继续提升至0.4%时，试样的无侧限抗压强度达到最大值，约为100kPa,其强度较无纤维试样、未处理试样分别提升105%,212%。特别地，掺量0.5%的纤维对强度的贡献不明显，试样的无侧限抗压峰值强度仅比掺量0.3%时提高5.5%，较掺量0.4%时降低了15.2 kPa，降幅达15%,究其原因为：过高比例的纤维在拌合过程中容易出现团聚现象15，在土体内部分布
