微生物固化纖維加筋黃土影響因素試驗研究

［摘 要］ 微生物誘導碳酸鈣沉淀技術是近年來土體加固的熱門研究領域， 但其單獨用于加固細粒土時效果往往不佳。 對黃土開展纖維加筋與微生物固化相結合， 探究不同微生物固化養護時間與養護溫度下加筋黃土的強度與水穩定性規律。 通過三軸剪切試驗、 崩解試驗、 BET 測試分析了養護時間 （7 d、 14 d、 28 d） 與養護溫度 （5 ℃、 15 ℃、 35 ℃） 對微生物固化纖維加筋黃土固化效果的影響。 研究結果表明： 1）隨著微生物固化養護時間的增加， 試樣的抗剪強度與水穩定性均有所提高， 但養護后期試樣抗剪強度增幅不明顯， 水穩定性有小幅度降低； 2）較高的養護溫度對于微生物固化具有積極作用， 試樣的抗剪強度與水穩定性隨溫度的升高而增大； 3）微生物固化作用主要表現為在代謝過程中生成碳酸鈣沉淀， 與加筋纖維共同作用使得土體孔隙減少， 增大試樣的比表面積。

［關鍵詞］ 黃土； 微生物； 玄武巖纖維； 三軸試驗； 崩解試驗

［中圖分類號］ TU444 ［文獻標識碼］ A

受氣候及成因等多重因素影響，黃土常表現出濕陷性，強度低，通常不能滿足工程建設的需要。目前在黃土改良方面多采用水泥、礦渣、石灰等固化劑，國內外相關研究也已取得了較為豐碩的成果[1-2]。以上加固方式雖然效果明顯但普遍存在能耗高、施工周期長的問題，而且部分固化劑屬于強堿性物質，有一定生物毒性，對環境污染較大，不符合目前國家環境保護和可持續發展的要求。因此探索一種環保、高效的黃土改良方法對于黃土地區生態治理具有重要意義。

近年來，越來越多的學者開始關注微生物固化技術（簡稱MICP）。微生物固化技術的原理主要為利用微生物代謝過程中產生的脲酶，催化膠結液中的尿素，使其水解產生CO2-3，CO2-3再與膠結液中Ca2+反應生成碳酸鈣沉淀[3]。現階段對于MICP技術加固方法的研究主要集中在灌漿法和浸泡法，但由于黃土顆粒較細，適用于粗粒土的微生物灌漿等方式對于細粒土的加固效果可能并不明顯。已有的相關研究表明，通過拌合的方式可以將MICP技術有效應用于細粒土的固化改良[4]，但固化效果通常有限。為此，部分學者將MICP技術與纖維加筋技術相結合[5]，一方面利用纖維的加筋效果提高土體的物理力學性能，另一方面利用纖維提高細菌的附著率，二者優勢互補，提高了MICP技術的工程實用價值。

拌合法作為一種較為便捷的MICP固化操作方法， 其固化效果易受內在材料因素與外界環境因素的影響， 但目前大部分研究都是針對菌液與膠結液體積比、 鈣源種類、 膠結液濃度、 纖維摻量等內在因素[6-8]， 對于外部環境因素影響的研究較為少見。 由于拌合過程中需考慮土體的含水率， 一般菌液與膠結液的用量都低于灌漿等方式， 因此， 固化過程中細菌的活性和膠結液的利用率就顯得尤為重要， 直接關乎整體固化效果。 有學者指出， 隨著養護時間的增加， 固化試樣強度增幅將逐漸降低[9-10]， 但在水穩性方面的研究較為缺乏。 同時， 溫度的變化同樣對巴氏芽孢桿菌活性有著一定影響， 已有的相關研究大多基于20℃-40℃范圍內[11-12]， 溫度范圍較小， 關于養護溫度對固化效果的規律總結尚不充分。

為此，采用拌合法，將菌液、膠結液、纖維與土體直接拌合，對纖維加筋黃土開展三軸剪切試驗、崩解試驗，分析不同養護時間與養護溫度對于纖維加筋黃土強度及水穩性的影響。結合BET測試，從微觀的角度來探討養護時間與養護溫度對固化效果的影響規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用微生物菌株為巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii，ATCC11859），購自上海保藏生物技術中心。其以凍干粉形態保存于真空凍干管內，需使用溶解液激活后進行擴大培養，凍干粉與溶解液如圖1所示。擴大培養采用液體培養基，每升培養基內含有胰蛋白胨10 g、酵母浸粉5 g、氯化鈉10 g，配置好的培養基需置于120 ℃高溫滅菌鍋中滅菌30 min，待冷卻后加入20 g尿素，隨后將菌株接種至培養基內恒溫震蕩培養。設置培養箱轉速為200 r·min-1，溫度為30 ℃恒溫，培養40 h后，利用分光光度計測得菌液的OD600值為0.709（OD600值用以表征細菌數量，每單位OD600值約7.09×107個細菌）。

膠結液由CaCl2、尿素配制而成，其中CaCl2為MICP過程提供足夠的鈣源，尿素為微生物代謝提供所需要的能量。由于單個試樣膠結液用量較少，為保證固化效果[13]，采用濃度為1.5 mol/L的膠結液，其中，尿素與氯化鈣濃度比為2∶1。

試驗所用黃土取自淮安郊區，原狀土呈黃褐色，其物理指標如表1所示。試驗所用纖維為玄武巖纖維粗紗，外表呈古銅色，其長度為18 mm，密度2.699 g/cm3，纖維絲直徑17.4 μm，初始形狀為長條狀，充分拌合即可分散為絲狀，圖2分別展示了玄武巖纖維與拌合后黃土。

1.2 試樣制備與試驗方案

將黃土風干碾碎后過1 mm篩備用，為保證不同試驗參數試樣的可比性，控制土樣干密度為1.58 g/cm3，含水率為20%，參考以往研究經驗[14]，玄武巖纖維摻量取0.4%，菌液與膠結液體積比取4/6。制樣前，取過篩后的黃土與菌液、纖維充分攪拌混合，直至玄武巖纖維粗紗分散為絲狀，靜置半小時后，加入膠結液再次攪拌均勻。制樣采用鐵質模具，稱取每層所需拌合均勻后的黃土，分3層進行人工擊實。其中三軸剪切試驗試樣尺寸為39.1 mm×80 mm，崩解試驗試樣尺寸太高易造成試樣在崩解過程中傾倒，故取39.1 mm×50 mm作為崩解試驗試樣尺寸。制備好的試樣脫模后在不同溫度條件下分別養護7、14、28 d，隨后進行三軸剪切試驗和崩解試驗。

表2給出了不同試樣的具體試驗參數，為盡可能模擬實際工程環境，養護時間分別設置7、14、28 d，養護溫度結合我國黃土分布較為廣泛的山西、陜西地區四季平均最高氣溫，分別設置5、15、35 ℃，其中35 ℃為室內常溫下養護，5、15 ℃為恒溫箱養護，所有試樣在養護過程中，均不考慮環境濕度的影響。

1.3 測試方法

1）三軸剪切試驗

采用TSZ-2型全自動三軸儀進行固結不排水剪切試驗，對固化完成后的試樣進行真空抽氣飽和處理，隨后進行固結，待固結完成后開始剪切。考慮到采用拌合法的MICP固化難以處理深部土體，故試驗圍壓分別取50、100、150 kPa，剪切速率為0.05 mm/min。

2）崩解試驗

為評價不同養護時間與養護溫度對固化試樣水穩定性的影響，對試樣開展崩解試驗。崩解試驗采用自制崩解儀，裝置示意圖與實物圖如圖3所示。試驗裝置主要由電子天平（精度為0.01 g）、崩解盒、金屬網、計時器等部分組成。其中，崩解盒由透明亞克力材料制成，便于觀察試樣的崩解過程，金屬網網孔大小為1 cm×1 cm，由四條細線連接金屬網四個邊角，細線通過上方支架固定，可以自由調整高度。

試驗前在崩解盒內裝入適量水，靜置一段時間后將天平讀數歸零，調整好細線長度后，將試樣置于金屬網上，緩慢浸入水中，待天平讀數不變后開始計時，每隔30 s記錄一次天平讀數。由于試樣受重力、拉力、浮力三力平衡，故試樣崩解率可通過下式計算得到：

式中：P（Tx）為崩解率；Ms為試樣完全崩解后天平的讀數；M0為試樣剛浸入水中時天平的讀數；M（Tx）為T時刻時，天平讀數。

3）BET測試

在微生物固化過程中，碳酸鈣沉淀生成量對于試樣固化效果有著明顯影響[15]，但對其填充效果的研究較為少見，利用Micromeritics ASAP 2460比表面積與孔徑分析儀，對不同養護條件下黃土試樣的比表面積與孔徑進行分析，采用氮氣吸附法，為減少壓實度對于結果的影響，不同試樣取樣部位均相同。

2 結果與討論

2.1 三軸剪切試驗結果

不同養護條件與圍壓下試樣的應力[CD*2/3]應變曲線如圖4-6所示。隨著圍壓的增加，在35 ℃下養護7 d的黃土試樣應力[CD*2/3]應變曲線由弱軟化型向弱硬化型發展，而所有溫度下的養護14、28 d試樣應力應變曲線均表現為弱硬化型，沒有明顯的峰值強度，這是由于養護時間為7 d時，試樣內部生成的碳酸鈣含量較少，無法在土顆粒之間形成有效連接。當養護時間達到14 d后，所有黃土試樣的應力[CD*2/3]應變曲線持續呈上升趨勢，故取應變15%時的強度作為峰值強度。在養護溫度為35 ℃，圍壓50 kPa時，養護28 d黃土試樣峰值強度最高，為202.8 kPa，較養護14 d與7 d分別提高10.69%、35.8%，在圍壓為100、150 kPa時，較養護7 d試樣，養護14、28 d試樣峰值強度同樣有較大幅度提升，養護14 d后，繼續養護至28 d峰值強度提升較小，考慮到養護時間與養護環境對于試樣最終含水率的影響，養護14 d后強度的增長可能并不是由于細菌的固化作用，而是由于試樣最終含水量降低，峰值強度有所提高。

不同養護溫度下養護28 d試樣的應力[CD*2/3]應變趨勢基本一致，隨著溫度的升高，土體強度也逐漸提高，圍壓為50 kPa時，養護溫度為35℃的黃土試樣峰值強度較15 ℃、5 ℃分別提高5.9%、13.4%，需要注意的是，當養護溫度為5 ℃時，養護28 d試樣的強度低于在35 ℃下養護14 d試樣，結合已有的研究成果可以發現[16]，溫度對于微生物誘導碳酸鈣的生成量有明顯影響，在一定溫度范圍內，溫度越高，生成的碳酸鈣量越多，雖然在低溫條件下黃土試樣的強度較高溫條件下有所降低，但仍高于35 ℃下養護7 d試樣，表明溫度對于固化效果有一定影響，但是在5～35℃范圍內微生物固化仍可以有效加固土體。無論在何種方案下進行養護，在應變達到6%后應力[CD*2/3]應變曲線均有小幅度波動現象，這是由于試樣壓縮后，內部纖維出現斷裂、團聚，但波動幅度均較小。

由圖7可知，養護時間和養護溫度對于加筋黃土的黏聚力有較大影響，但對內摩擦角的影響較小。隨著養護時間的增加，黏聚力不斷提高，較養護7 d試樣，養護14 d試樣的黏聚力提升了35.7%，繼續養護至28 d，黏聚力增幅明顯降低，增幅低于10%。養護溫度對于加筋黃土黏聚力的影響較小，隨著養護溫度的降低，土體黏聚力有小幅度下降。雖然固化過程中生成的碳酸鈣沉淀對土體內摩擦角有一定影響，但由于纖維的摻入，弱化了碳酸鈣與土顆粒之間的連接作用，因此所有試樣的內摩擦角變化幅度均不大。

2.2 崩解試驗結果

不同養護條件下，微生物固化纖維加筋黃土的崩解率曲線如圖8所示，其整個崩解過程大致可以分為0a、ab、bc三個階段。

在0a階段，試樣入水后產生大量氣泡，前2 min崩解率較小，隨著外層土體的脫離，崩解率開始快速提高，其中35 ℃下養護7 d試樣在此階段崩解率可達35%，養護14 d與養護28 d試樣在此階段崩解率基本一致，略低于5 ℃、15 ℃下養護28 d試樣。

當試樣外層土體快速崩落后，即進入ab階段，崩解率增速放緩，此階段崩解過程十分不規律，主要是由于纖維的作用，將土顆粒連接成大小不一的土塊，在崩解過程中，會呈現塊狀崩解[17]。

當ab階段結束后，試樣崩解率逐漸趨于穩定，由于7 d-35 ℃試樣在ab段結束時崩解率已達75%，所以在崩解10 min后即趨于穩定，28 d-5 ℃、28 d-15 ℃試樣在11 min后開始進入此階段，而14 d-35 ℃、28 d-35 ℃試樣分別在14.5 min、12.5 min后，崩解趨于穩定。

最終，所有試樣在20 min內崩解率均未能達到100%，在35 ℃條件下，養護14 d試樣最終崩解率最低，為62.96%，養護7 d與28 d試樣最終崩解率均高于14 d試樣，分別為81.96%、66.37%，而所有養護28 d試樣水穩定性與強度趨勢基本一致，隨著養護溫度的增高，試樣最終崩解逐漸降低。

2.3 BET測試分析

圖9為T1試樣氮氣吸脫附曲線，鑒于所有試樣按照IUPAC分類其等溫線均屬于Ⅲ型等溫線[18]，故取T1試樣等溫線為例。隨著相對壓力的增加，黃土試樣吸附量增長得十分緩慢，當P/P0大于0.8后，吸附量開始大幅度增長，在臨近飽和壓力時吸附體積上升最為明顯，結合脫附曲線，可以說明試樣內部多為長條狀孔隙，且孔結構十分不規整。

不同試樣比表面積與介孔平均孔徑如表3所示，隨著養護時間與養護溫度的增加，固化過程中生成的碳酸鈣沉淀對于試樣內部的孔隙填充率逐漸增大，表現為試樣比表面積有明顯增加，孔徑則有所減小。在相同養護溫度條件下，養護時間從7 d增加至14 d時，試樣比表面積增加50.6%，平均孔徑降低20%，繼續養護至28 d后，較養護14 d試樣比表面積增幅僅為3.2%，平均孔徑無明顯差異。而所有養護28 d試樣，隨著養護溫度的提高，試樣比表面積分別增加12.3%、13.8%，平均孔徑分別降低7.8%、9.1%。

3 結論

通過對加筋黃土進行MICP固化處理，結合三軸剪切試驗、崩解試驗和BET測試，研究了不同養護時間與養護溫度對固化黃土試樣強度與水穩性的影響，主要結論如下：

1）經MICP拌合固化處理的纖維加筋黃土在養護7 d后，其固化效果未能達到最佳；在不控制環境濕度的前提下，養護14 d土體抗剪強度即趨于穩定，繼續養護至28 d強度提升不大；隨著養護溫度的提高，試樣抗剪強度有不同程度的提高，在一定溫度范圍內，固化效果與溫度成正比，雖然在低溫條件下固化效果會較高溫條件下有所降低，但仍然可以有效提高土體的強度。

2）在相同養護溫度條件下，相較于養護7 d和28 d試樣，養護14 d試樣的水穩定性最強，最終崩解率最低，較養護7 d試樣崩解率降低了約20%，略低于養護28 d試樣；養護溫度對于黃土水穩定性的影響與抗剪強度趨勢基本一致，隨著養護溫度的提高，試樣最終崩解率逐漸降低。

3）MICP固化纖維加筋黃土的主要作用體現為微生物誘導生成碳酸鈣沉淀，填充土顆粒與纖維之間的縫隙；在相同養護溫度條件下，養護至14 d后，黃土試樣的比表面積與孔徑基本上不再改變；在相同養護時間條件下，黃土試樣的比表面積隨著養護溫度的增高而增大，平均孔徑隨著養護溫度的增高而減小。

［ 參 考 文 獻 ］

［1］ 艾志軍.磷石膏[CD*2/3]水泥改良黃土動力特性試驗[J].巖土工程技術，2021，35（05）：341-346.

[2] CHENG Z. Strength tests and numerical simulations of loess modified by desulfurization ash and fly ash[J]. Materials， 2022， 15（02） ： 512-512.

[3] 何稼，楚劍，劉漢龍，等.微生物巖土技術的研究進展[J].巖土工程學報，2016，38（04）：643-653.

[4] 王子文，魏然，蔡紅，等.營養液濃度和微生物活性對MICP固化淤泥質土強度的影響[J].中國水利水電科學研究院學報，2020，18（06）：486-493.

[5] 李賽，雷學文，劉磊，等.玉米須加筋微生物固化淤泥的抗剪強度試驗研究[J].科學技術與工程，2021，21（32）：13837-13844.

[6] 付佳佳，姜朋明，縱崗，等.微生物拌和固化海相粉土的抗壓強度試驗研究[J].人民長江，2021，52（01）：167-172.

[7] 程果，汪時機，李賢，等.微生物固化纖維加筋砂質黏性紫色土試驗研究[J].地下空間與工程學報，2021，17（06）：1829-1838.

[8] 梁仕華，牛九格，房采杏，等.營養液鈣源對微生物固化砂土效果影響的試驗研究[J].防災減災工程學報，2018，38（05）：781-786.

[9] 岳建偉，張寶璽，趙麗敏，等.改良MICP技術加固土體強度與養護天數的關系研究[J].河南大學學報（自然科學版），2020，50（06）：707-716.

[10] 肖維民，傅業姍，朱占元，等.微生物誘導碳酸鈣沉積膠結巖石節理的抗剪強度特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2021，40（S1）：2750-2759.

[11] 劉忠，肖水明，劉飛飛，等. 微生物誘導碳酸鈣沉積固化建筑渣土抗風蝕揚塵影響因素的試驗研究[J]. 工業建筑，2022，52（11）：71-78.

[12] DENG J， DENG H， ZHANG Y， et al. Experimental study on microbial-induced calcium carbonate precipitation repairing fractured rock under different temperatures[J]. Sustainability， 2022， 14（18）：11770.

[13] 岳建偉，黃軒嘉，邢旋旋，等.基于MICP改良黃河泥沙顆粒級配的試驗研究[J].工程科學與技術，2021，53（03）：89-98.

[14] 李沛達，駱亞生，陳箐芮，等.玄武巖纖維加筋黃土承載比試驗研究[J].水文地質工程地質，2021，48（01）：131-137.

[15] 程瑤佳，唐朝生，劉博，等.基于石灰石粉鈣源的微生物固化砂土試驗研究[J].高校地質學報，2021，27（06）：746-753.

[16] 彭劼，何想，劉志明，等.低溫條件下微生物誘導碳酸鈣沉積加固土體的試驗研究[J].巖土工程學報，2016，38（10）：1769-1774.

[17] 安寧，晏長根，王亞沖，等.聚丙烯纖維加筋黃土抗侵蝕性能試驗研究[J].巖土力學，2021，42（02）：501-510.

[18] 何余生，李忠，奚紅霞，等.氣固吸附等溫線的研究進展[J].離子交換與吸附，2014，20（04）：376-384.

Experimental Study on Influencing Factors of MicrobialSolidified Fiber Reinforced Loess

HU Qizhi1，2， HUO Weiyan1，2， MA Qiang1，2， TAO Gaoliang1，2

（1 School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ. of Tech.，Wuhan 430068，China;2 Hubei Provincial Bridge Safety Monitoring Tech. andEquipment Tech. Engin. Center， Wuhan 430068，China）

Abstract： Microbial induced calcium carbonate precipitation technology is a popular research field in recent years， but it is often not effective when used alone to reinforce fine grained soil. The fiber reinforcement and microbial curing were combined to explore the strength and water stability of the reinforced loess under different microbial curing time and curing temperature. The effects of curing time （7 d， 14 d， 28 d） and curing temperature （5 ℃， 15 ℃， 35 ℃） on curing effect of microbial solidified fiber-reinforced loess were analyzed by triaxial shear test， disintegration test and BET test. The results showed that： 1） With the increase of microbial curing time， the shear strength and water stability of the samples were improved， but the increase of shear strength was not obvious in the late curing period， and the water stability decreased slightly; 2） Higher curing temperature has a positive effect on microbial curing， and the shear strength and water stability of the sample increase with the increase of temperature; 3） The solidification of microorganisms is mainly manifested as the formation of calcium carbonate precipitates in the metabolic process， and the interaction with the reinforced fiber reduces the porosity of the soil and increases the specific surface area of the sample.

Keywords： loess; microorganism; basalt fiber; triaxial test; disintegration test

［責任編校： 裴 琴］