基于MICP 在活性炭纖維作用下對(duì)砂土加固的試驗(yàn)研究

郁凱捷，璩繼立

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

1 引言

我國(guó)砂土分布極為廣泛，其主要分布于我國(guó)西北地區(qū)的山前平原以及各地河流兩岸[1]。因此，砂土加固的試驗(yàn)研究對(duì)提高砂質(zhì)土壤的地基承載力以及加強(qiáng)邊坡支護(hù)穩(wěn)定性等方面具有重大的意義。

目前，砂土的注漿作為常見(jiàn)的施工工藝并已應(yīng)用于實(shí)際工程中[2]。其中，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Microbial Induced Calcite Precipitation，簡(jiǎn)稱：MICP）作為一種新型的加固方法，國(guó)內(nèi)外研究人員也對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。Whiffin[3]最早提出了MICP 這一個(gè)概念，這對(duì)改良土體特性和防沙固堤的工程問(wèn)題提供了新的研究角度。ANDRES QUIROS[4]通過(guò)和飽和土體不同的注漿方法，探究了碳酸鈣的沉積和與砂顆粒結(jié)合的位置及效果。為了提高微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的工藝效益，Choi[5]在注漿時(shí)加入PVA 纖維材料，增強(qiáng)了MICP 對(duì)于土壤的力學(xué)性能，為MICP 后續(xù)的研究提供了巨大的幫助。本論文在加入PVA 材料的研究方法中找到了新的思路，在微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀注漿時(shí)，加入活性碳纖維粉末（ACFF），活性炭纖維粉末是具有吸附能力的試劑中最好的吸附劑之一，而在生物注漿的工程中，細(xì)菌活性以及細(xì)菌在土體顆粒的附著程度是MICP 試驗(yàn)中最重要的指標(biāo)。ACFF 能利用其吸附能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，極大提高生物注漿的效率，這對(duì)MICP 的研究方向而言賦予了極大的研究?jī)r(jià)值。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的土體樣本是陜西省某公園內(nèi)采集的砂土，距離地面1～2m，土樣采樣后帶回實(shí)驗(yàn)室烘干，篩選，土體的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土的基本性質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)采用的活性炭纖維粉末購(gòu)買自碳烯技術(shù)（深圳）有限公司，碳纖維粉末的基本物理屬性見(jiàn)表2。

表2 碳纖維粉的基本物理屬性

試驗(yàn)采用的菌種為巴氏芽孢桿菌，編號(hào)為ATCC 11859，巴氏芽孢桿菌凍干粉首次活化時(shí)，將菌粉甩至底部，取0.2-0.3ml 溶解液加入至菌種管中，與菌粉混合均勻后，用吸頭吸出溶解液，全部接種至2 支斜面上培養(yǎng)，在需氧環(huán)境下培養(yǎng)至1～2 天，最終測(cè)得菌液OD600=2.0±0.2，培養(yǎng)成功后的菌液保存至瓶中，以備后續(xù)使用。

試驗(yàn)采用的尿素（分子式：H2NCONH2）和無(wú)水氯化鈣（分子式：CaCl2）試劑均由蘇州信清科技有限公司提供。

2.2 試件制備

用電子天平稱取的碳纖維粉末與土樣，將土體和碳纖維粉末均勻倒入塑料套筒中，再將20ml 的巴氏芽孢桿菌菌液以及尿素和氯化鈣混合試劑分別加入土體中，將制備好的土樣振搗均勻。本次試驗(yàn)研究中，將活性碳纖維的摻量、鈣離子和尿素的配合比作為試驗(yàn)的控制參數(shù)，見(jiàn)表3。根據(jù)之前的研究[6][7]，將制備完成的試件養(yǎng)護(hù)15 天，然后將試件烘干，最終完成脫模。

表3 試驗(yàn)組合方案

2.3 試驗(yàn)方法

（1）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為了檢測(cè)試樣加固的效果，對(duì)制備完成的土樣烘干脫模后再進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試樣采用應(yīng)變控制式，測(cè)力計(jì)升降速率為2.1～2.6 mm/min，試樣尺寸為高H=8cm，直徑D=4cm，試驗(yàn)中每組進(jìn)行3 組平行。

（2）碳酸鈣含量測(cè)定

用電子天平稱得烘干完成后的土樣質(zhì)量為M1，在土體中加入稀鹽酸，觀察土體表面生成氣泡，重復(fù)多次，直至土體不再產(chǎn)生氣泡為止。再次烘干后，測(cè)得土體質(zhì)量記為M2，記M0=M1-M2，根據(jù)摩爾質(zhì)量比，進(jìn)而求得土體內(nèi)碳酸鈣的含量。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)平行試驗(yàn)得出無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，表4 為不同ACFF 含量、不同尿素和鈣離子配合比所測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果

表4 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 尿素與鈣離子配合比對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖1 為分別在ACFF 摻量為0%、0.5%、1%、1.5%、2%時(shí)不同尿素與鈣離子配合比的圖，計(jì)算出同一配合比下，不同ACFF 摻量的平均值。總體而言，隨著鈣離子比重的增加，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也逐漸增加。當(dāng)尿素與鈣離子配合比達(dá)到1：2 時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比于配合比為1：1 時(shí)，增加了2.68%，配合比達(dá)到1：3 之后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，與1：1 的配合比相比，增加了6.31%，但隨著鈣離子的增加，基本維持不變，由此可以看出，尿素與鈣離子充分反應(yīng)的最佳配合比為1：3。

圖1 不同尿素：鈣離子的對(duì)比圖

3.2 ACFF 摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 給出了不同ACFF 摻量下土體的抗壓強(qiáng)度的信息，在尿素與鈣離子最佳配合比的條件下，素土的強(qiáng)度最低，為2.98MPa，隨著ACFF 摻量的增加，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增加。根據(jù)表4 可以看出，在尿素與鈣離子1：3 的情況下，強(qiáng)度相對(duì)最大，因此最具有研究?jī)r(jià)值。在ACFF 摻量為0.5%、1%、1.5%、2%的情況下，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為4.42MPa、5.27MPa、5.71MPa、6.23MPa、相對(duì)于同條件下的素土而言，抗壓強(qiáng)度增加了48.32%、76.85%、91.61%、109.06%。由此可以看出，ACFF 有較強(qiáng)的吸附能力，促使細(xì)菌能更好地附著在土體中完成反應(yīng)，從而加強(qiáng)土體的抗壓強(qiáng)度。

3.3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)碳酸鈣含量的影響

微生物發(fā)生反應(yīng)的周期和微生物在發(fā)生反應(yīng)時(shí)的活性，在很大程度上取決了養(yǎng)護(hù)齡期的期限。圖3 為在尿素和鈣離子最佳配合比的條件下，不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)碳酸鈣含量的影響。在反應(yīng)的第1 天、7 天、14 天、21天時(shí)間內(nèi)，生成的碳酸鈣含量分別為1.26%、7.32%、15.24%、15.23%。微生物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在14 天內(nèi)，碳酸鈣含量一直在增加，在14 天之后，碳酸鈣反應(yīng)幾乎趨于穩(wěn)定。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期的對(duì)比圖

4 結(jié)論

（1）尿素的含量不變時(shí)，隨著鈣離子的增多，砂土的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，當(dāng)尿素與鈣離子的配合比為1：3 時(shí)，為試驗(yàn)的最佳配合比。與此同時(shí)，砂土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。

（2）ACFF 的增加對(duì)砂土強(qiáng)度的加固起到了正相關(guān)的作用，ACFF 含量越高，砂土的總體強(qiáng)度就越大。在砂土中加入2%的ACFF，相比于素土而言，總體強(qiáng)度增加了109.06%。

（3）對(duì)于微生物誘導(dǎo)方解石來(lái)加固砂土的試驗(yàn)中，最合理的養(yǎng)護(hù)齡期為14 天。在養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)14 天之后，產(chǎn)出的碳酸鈣幾乎趨于穩(wěn)定。