胡其志 霍偉嚴 馬強 陶高梁

摘要：

黃土在中國分布較廣，具有強度低、高濕陷性等不良工程特性，利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)聯(lián)合纖維加筋對黃土進行處理，可有效改善其力學(xué)性能和水穩(wěn)性。為了解MICP聯(lián)合纖維加筋黃土的固化效果，在黃土中摻入質(zhì)量比分別為0.2%，0.3%，0.4%，0.5%的玄武巖纖維，輔以不同比例的菌液與膠結(jié)液（體積比為2∶8，3∶7，4∶6，5∶5），采用拌合法對黃土進行加固處理，并對處理后試樣開展碳酸鈣生成量測試、無側(cè)限抗壓強度試驗、崩解試驗和SEM微觀測試。結(jié)果表明：① MICP拌合固化黃土可以有效改善其力學(xué)性能，固化試樣內(nèi)部碳酸鈣生成量與峰值強度呈正比，最大生成量為黃土質(zhì)量的1%，當(dāng)菌液與膠結(jié)液的體積比為4∶6時，固化效果最佳。② 菌液與膠結(jié)液體積比固定為4∶6時，固化試樣的無側(cè)限抗壓強度隨纖維摻量的增加先增大后減小，最佳纖維摻量為0.4%。③ MICP固化后的黃土其完全崩解時間延長較多，當(dāng)菌液與膠結(jié)液體積比為4∶6時，試樣的耐崩解能力最強。④ 菌液與膠結(jié)液體積比固定為4∶6時，隨著纖維摻量的增加，試樣耐崩解能力逐漸增強，當(dāng)摻量為0.5%時，試樣的最終崩解率最低。⑤ 試樣內(nèi)部碳酸鈣晶體呈片狀附著于土顆粒與纖維表面，可有效增加土顆粒與纖維之間的粘結(jié)和摩擦，對固化后土體的強度和水穩(wěn)性具有良好的促進作用。研究成果對MICP技術(shù)固化黃土的工程實際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

關(guān) 鍵 詞：

黃土改良； MICP； 玄武巖纖維； 崩解； 無側(cè)限抗壓強度

中圖法分類號： TU444

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.032

0 引 言

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（microbial induced calcite precipitalion，MICP）技術(shù)是一種前沿的土壤改良技術(shù)，其基本原理主要為利用微生物產(chǎn)生的脲酶催化膠結(jié)液中尿素水解產(chǎn)生CO32-，CO32-再與膠結(jié)液中Ca2+反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀?；谠摷夹g(shù)發(fā)展起來的微生物灌漿法、浸泡法和噴灑法在各類粗粒土材料處理中已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用。如梁仕華等通過選取不同顆粒級配的砂土進行微生物固化處理，發(fā)現(xiàn)顆粒級配對微生物固化砂土強度有較為明顯的影響［1］；Liu等發(fā)現(xiàn)，采用浸泡法的MICP固化試樣，不同區(qū)域的沉淀碳酸鈣分布較為均勻［2］；何曉英等發(fā)現(xiàn)，微生物礦化碳酸鈣可以提高泥石流沉積物的承載力，最大承載力提升可達20%［3］；李昊等通過貫入試驗與沖刷試驗發(fā)現(xiàn)MICP-FR協(xié)同固化技術(shù)能顯著提高鈣質(zhì)砂的結(jié)構(gòu)強度與抗侵蝕能力［4］；王緒民等以膠結(jié)砂試驗為主，研究了MICP技術(shù)產(chǎn)生沉淀物的影響因素，表明營養(yǎng)液濃度在1.5 mol/L以下時可以有效增加沉淀物含量［5］。

此外，為了改善MICP固化的土體抵抗變形能力差、韌性低的特點，謝約翰等提出纖維加筋與MICP技術(shù)相結(jié)合的方法，并對不同纖維摻量下砂土試樣的抗拉壓強度進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維加筋能夠有效提高砂土試樣的韌性和破壞后的殘余強度［6］。林勝強等通過試驗得知，加入一定量的碳纖維對MICP固化鈣質(zhì)砂的動強度與抵抗變形的能力均有增強作用［7］。鄭俊杰團隊探究了纖維加筋對于微生物固化土體的影響，對不同纖維摻量試樣的抗壓、抗剪強度進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維加筋可以有效改善土體的強度及軟化特性［8-9］

為了達到較好的加固效果，MICP技術(shù)用于固化粗粒土?xí)r，一般多次灌注、噴灑微生物和膠結(jié)液，或直接將試樣浸泡在膠結(jié)液中，由于沒有準確的菌液與膠結(jié)液使用標準，在實際工程中可能難以控制固化效果。此外，黃土顆粒較細、強度低，單獨使用MICP技術(shù)固化黃土較為困難。

為此，本文采用拌合法，將菌液、膠結(jié)液、纖維與土體直接拌合，在一定條件下養(yǎng)護并進行固化處理，隨后對固化處理后的試樣開展一系列試驗。通過無側(cè)限抗壓強度試驗、崩解試驗，對加固前后試樣的力學(xué)性能與水穩(wěn)定性進行測試，對比分析拌合固化過程中，菌液與膠結(jié)液體積比、纖維摻量對黃土固化效果的影響，并對固化后試樣內(nèi)部碳酸鈣的生成量進行測試，利用SEM對碳酸鈣的形態(tài)與附著方式進行觀察，以探討MICP拌合固化纖維加筋黃土的影響因素和內(nèi)在機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

（1） 黃土與纖維。

試驗所用黃土取自江蘇淮安郊區(qū)，原狀土呈黃褐色，其物理性質(zhì)如表1所列，由于原狀土中存在許多直徑較大的砂石顆粒及根系雜質(zhì)，需過篩處理。試驗所用纖維為玄武巖纖維短切紗，其長度為18 mm，密度2.699 g/cm3，初始形態(tài)為長條狀，經(jīng)充分攪拌可分散為絲狀，纖維絲直徑17.4 μm。

（2） 菌液與膠結(jié)液。

試驗所用微生物菌株為巴氏芽孢桿菌（Sporosarcinapasteurii，ATCC11859），購自上海保藏生物技術(shù)中心，其為好氧菌且脲酶活性高，對環(huán)境友好，目前在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。試驗所用培養(yǎng)基為液體培養(yǎng)基，在120℃高溫滅菌鍋中滅菌30 min后，將菌株與培養(yǎng)基組成的菌液置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中，以200 r/min的轉(zhuǎn)速在30℃恒溫條件下有氧培養(yǎng)40 h。隨后利用分光光度計測得菌液的OD600值為0.709（OD600即菌液在600 nm波長處的吸光值，用以表征細菌生長情況）。

膠結(jié)液的成分由CaCl2和尿素構(gòu)成，為MICP過程提供足夠的鈣源及微生物代謝所需要的養(yǎng)分。由于單個試樣膠結(jié)液用量較少，為保證固化效果，采用濃度為1.5 mol/L的膠結(jié)液，其中，尿素與氯化鈣濃度比為2∶1。

1.2 試樣制備與試驗方案

試驗采用拌合法，為保證不同試驗參數(shù)時試樣的可比性，控制試樣干密度為1.58 g/cm3，含水率為20%。制樣前，先將黃土風(fēng)干碾碎，并過1 mm篩，取過篩后的黃土與菌液、纖維充分攪拌混合，直至玄武巖纖維短切紗分散為絲狀，靜置半小時后，加入膠結(jié)液均勻拌合。制樣采用直徑39.1 mm、高80 mm的鐵質(zhì)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。制備好的試樣脫模后在30℃、95%濕度條件下養(yǎng)護7 d，隨后進行無側(cè)限抗壓強度試驗和崩解試驗。

表2給出了不同試樣的具體試驗參數(shù)，其中S0為空白對照組，不添加菌液只添加膠結(jié)液（也即未經(jīng)MICP處理）。A組設(shè)置4種不同體積比的菌液與膠結(jié)液（2∶8，3∶7，4∶6，5∶5），不摻纖維；B組設(shè)置了不同摻量的玄武巖纖維（0.2%，0.3%，0.4%，0.5%），菌液與膠結(jié)液體積比（B∶C）固定為4∶6。

1.3 測試方法

（1） 無側(cè)限抗壓強度試驗。

試驗采用YSH-2型無側(cè)限抗壓儀，以 1.18 mm/min的加載速率對試樣施加軸向壓力，每隔40 mm記錄一次測力計讀數(shù)，直至試樣破壞，記錄無側(cè)限抗壓強度。

（2） 碳酸鈣含量測定試驗。

由于試驗所用土體為黃土，天然黃土中含有少量原生碎屑CaCO3和次生淀積CaCO3［10］；且由于采用的是拌合法，菌液與膠結(jié)液總量有限，碳酸鈣沉淀生成量較少，故利用酸洗法測量碳酸鈣含量在此次試驗中不適用。為分析拌合法固化黃土試樣內(nèi)部碳酸鈣生成量，采用稱重法。記固化前試樣所用黃土質(zhì)量為W0，無側(cè)限抗壓強度試驗完成后，將試樣放入烘箱（105 ℃，24 h）中烘干，稱取重量，此時試樣的重量記為Ws。兩次稱重的差值即為固化過程中碳酸鈣的生成量，計算公式如下：

（3） 崩解試驗。

為評價固化處理后黃土試樣的水穩(wěn)定性，對試樣開展崩解試驗。由于常規(guī)土壤崩解儀在試樣剛進入水中時浮筒不易矯正，精度較難控制，數(shù)據(jù)讀取不靈敏［11］，故采用自制崩解儀，裝置示意如圖1所示。試驗裝置主要由高精度電子天平（精度為0.01 g）、崩解槽、崩解盒、支架、計時器等部分組成。其中，崩解盒底部金屬網(wǎng)網(wǎng)孔的大小為6 mm×6 mm，崩解盒與支架之間連接的細線可自由取下與掛上。

試驗前在崩解槽內(nèi)裝入適量水，并將天平讀數(shù)歸零，調(diào)整好崩解盒的高度后，將試樣置于崩解盒內(nèi)，緩慢放入水中，待天平讀數(shù)不變后，每隔15s記錄一次天平讀數(shù)。由于試樣受重力、拉力、浮力三力平衡，故天平讀數(shù)無法直接反應(yīng)試樣崩解率，試樣崩解率可通過（2）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(shù)；M0為試樣完全浸入水中，未開始崩解時天平的讀數(shù)；M（TX）為T時刻時天平讀數(shù)。

（4） SEM微觀測試。

取無側(cè)限抗壓強度試驗破壞后試樣內(nèi)部土塊進行烘干處理，待烘干完成后，對土塊進行表層噴金，噴金設(shè)備為SBC-12型離子濺射儀，隨后采用JSM-7800F場發(fā)射掃描電鏡對土塊斷面進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強度

不同體積比菌液與膠結(jié)液試樣固化處理后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖如圖2所示?？梢钥闯觯刺幚淼狞S土試樣無側(cè)限抗壓強度約為32 kPa。當(dāng)菌液與膠結(jié)液體積比≤4∶6時，試樣的無側(cè)限抗壓強度隨菌液含量的提升而提升；菌液與膠結(jié)液體積比為4∶6時，無側(cè)限抗壓峰值強度最高，約為48 kPa，較未處理試樣提升50%；隨著菌液含量的進一步提升，試樣的峰值抗壓強度反而減小，說明此時膠結(jié)液體積不足以使細菌達到最大活性［12］，但其峰值強度仍高于未處理試樣。需要注意的是，在加固效果逐漸增強的同時，試樣的破壞形態(tài)逐漸偏向于脆性破壞［13-14］，達到峰值強度后，較未處理的試樣，處理后的試樣應(yīng)力下降速度顯著加快。經(jīng)微生物固化處理后的黃土試樣，其軸向抗壓能力在一定程度上得以提升，且菌液與膠結(jié)液體積比為4∶6時效果最為明顯。

圖3為不同摻量玄武巖纖維在菌液與膠結(jié)液體積比固定為4∶6時試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。由圖可見，纖維的加入顯著提高了試樣的軸向抗壓能力。在加載初期，試樣的應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增長而快速增長；達到峰值后，應(yīng)力逐漸減小，且不同纖維摻量的試樣破壞特征較為相似。當(dāng)纖維摻量為0.2%，0.3%時，試樣無側(cè)限峰值抗壓強度分別為70.1，80.4 kPa，較無纖維試樣提升43.9%，65.2%；當(dāng)纖維摻量繼續(xù)提升至0.4%時，試樣的無側(cè)限抗壓強度達到最大值，約為100 kPa，其強度較無纖維試樣、未處理試樣分別提升105%，212%。特別地，摻量0.5%的纖維對強度的貢獻不明顯，試樣的無側(cè)限抗壓峰值強度僅比摻量0.3%時提高5.5%，較摻量0.4%時降低了15.2 kPa，降幅達15%，究其原因為：過高比例的纖維在拌合過程中容易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象［15］，在土體內(nèi)部分布不均勻，導(dǎo)致部分區(qū)域固化效果降低。

2.2 碳酸鈣生成量

不同菌液與膠結(jié)液體積比條件下，經(jīng)MICP處理的黃土試樣碳酸鈣生成量如圖4所示，可以看出，碳酸鈣生成量隨著菌液含量的增加先升高后降低，菌液與膠結(jié)液體積比為4∶6時，試樣碳酸鈣的生成量最高，約為黃土質(zhì)量的1%；對比無側(cè)限抗壓峰值強度可以發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣的生成量與強度趨勢基本一致［16］，即試樣的無側(cè)限抗壓強度與碳酸鈣生成量呈正比。

圖5為不同摻量玄武巖纖維在菌液與膠結(jié)液體積比為4∶6時，黃土試樣內(nèi)部碳酸鈣的生成量。由圖5可知：隨著纖維摻量的增加，碳酸鈣的生成量也在不斷增加，這主要是由于在拌合過程中，玄武巖纖維短切紗會分散為較細的纖維絲，密布的纖維絲為細菌提供了良好的附著點［17-18］，增加了微生物的附著量，使其在反應(yīng)過程中能夠生成更多的碳酸鈣沉淀。但是需要注意，纖維摻量為0.5%的試樣碳酸鈣生成量最高，但其無側(cè)限抗壓峰值強度卻低于纖維摻量0.4%時的試樣，可能的原因是纖維的不均勻分布導(dǎo)致試樣內(nèi)部碳酸鈣分布不均勻，局部固化差異性過大，最終導(dǎo)致固化效果不理想。

2.3 崩解特性

將經(jīng)MICP處理后的加筋黃土試樣完全浸入水中后，試樣首先進入浸濕階段，由于試樣表面存在孔隙，浸水后會產(chǎn)生大量氣泡，其表面的細小黃土顆粒逐漸脫離試樣；隨著浸水時間的增加，試樣進入散落階段，外周土體逐步脫落，試樣內(nèi)部纖維逐漸顯露，此階段試樣崩解較為穩(wěn)定且崩解速率較慢；當(dāng)浸水時間進一步增加，試樣開始快速崩解，進入崩落階段，土顆粒與纖維快速分離，外層部分土體與纖維開始整體脫落，水迅速變渾濁，崩解現(xiàn)象十分劇烈；隨著土體的逐步崩落，試樣剩余土體與纖維成錐狀分布于崩解盒內(nèi)，試樣基本不再崩解，進入穩(wěn)定階段（見圖6）。需要注意的是，經(jīng)MICP處理未加筋的黃土試樣，其浸濕階段、散落階段崩解現(xiàn)象與加筋試樣基本一致，但其崩落階段更為迅速，會在較短的時間內(nèi)完全崩解，不會有剩余土體置于崩解盒內(nèi)。

由于無纖維組試樣與纖維組試樣在水中的崩解階段與劇烈程度不同，其反映黃土試樣的水穩(wěn)性亦有所不同。為分析MICP處理對黃土水穩(wěn)性的影響，通過試樣在水中崩落的具體時間變化，結(jié)合試樣的崩解曲線，按照菌液與膠結(jié)液體積比、不同纖維摻量分別進行討論。

2.3.1 菌液與膠結(jié)液體積比的影響

不同體積比菌液與膠結(jié)液拌合固化黃土試樣的崩解關(guān)系曲線如圖7所示。所有試樣均在7 min內(nèi)崩解完畢，最終崩解量均為100%。較未處理試樣，經(jīng)MICP處理后的黃土試樣，其完全崩解時間均有所延長。未處理試樣崩解最快，在4.5 min內(nèi)崩解完畢；菌液與膠結(jié)液體積比為2∶8時，試樣的最終崩解時間與未處理試樣最為接近，可能的原因是試樣內(nèi)部生成的碳酸鈣沉淀不足以填充土顆粒之間的縫隙，遇水后黏聚力不足，完全浸濕45 s后即開始快速崩落，在4.75 min時崩解量達100%；隨著菌液與膠結(jié)液體積比的增大，試樣的最終崩解時間先增大后減小，菌液與膠結(jié)液體積比為3∶7，5∶5時，試樣完全崩解的時間差僅為15 s；當(dāng)菌液與膠結(jié)液體積比為4∶6時，試樣的最終崩解時間為6.5 min，對比未處理試樣，完全崩解時間延長了約45%。需要注意的是，隨著試樣內(nèi)部碳酸鈣的生成量逐漸增多，試樣在快速崩解階段的變化逐漸開始不規(guī)律，主要原因是試樣內(nèi)部碳酸鈣沉淀分布不均勻［19］，這些碳酸鈣沉淀將土顆粒聚集成大小不一的土塊，導(dǎo)致試樣在快速崩解過程中無法均勻脫離試樣。

2.3.2 纖維摻量的影響

圖8是菌液與膠結(jié)液體積比固定為4∶6時，不同纖維摻量黃土試樣的崩解曲線。隨著浸水時間的增加，無纖維試樣在1.5 min以后開始快速崩解，在1.5～6 min內(nèi)崩解率達91.3%，在浸水7 min后完全崩解；與無纖維試樣不同，所有摻入玄武巖纖維的黃土試樣崩解率均未能達到100%。隨著纖維摻量從0增加到0.5%，最終崩解量呈不斷降低趨勢，摻量為0.2%，0.3%，0.4%的試樣最終崩解率較無纖維試樣分別降低了14.7%，26%，34.3%。特別地，纖維摻量從0.4%增加到0.5%時，最終崩解率的降幅最為明顯，結(jié)合崩解過程可以發(fā)現(xiàn)，主要原因是由于試樣底部土顆粒崩解后，纖維的長度大于崩解盒底部金屬網(wǎng)網(wǎng)孔的大小，部分纖維會填充金屬網(wǎng)的縫隙，使土顆粒不容易從崩解盒中脫落，進而導(dǎo)致更多土體殘留在崩解盒內(nèi)。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖9（a）為無纖維試樣的電鏡掃描成像圖?？梢钥闯?，試樣內(nèi)部生成的碳酸鈣晶體呈片狀，較為均勻地分布在土顆粒表面［20］，但由于拌合法所使用的菌液與膠結(jié)液含量有限，碳酸鈣晶體未能將土顆粒有效的連接起來，無法形成較為有效的黏結(jié)作用。同樣地，如圖9（b）所示，摻有纖維試樣中，附著于纖維表面的碳酸鈣晶體也是呈片狀的，雖未能完全包裹住纖維絲，但在一定程度上增大了纖維與土顆粒之間的接觸面積，在發(fā)生破壞時能夠有效約束土顆粒的位移與變形，同時，纖維上附著的碳酸鈣晶體能夠為纖維提供一定的錨固力，充分發(fā)揮纖維的加筋效果［21］。

3 結(jié) 論

通過微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)聯(lián)合纖維加筋對黃土進行拌合固化處理，利用碳酸鈣生成量測試、無側(cè)限抗壓強度試驗、崩解試驗、SEM微觀測試，研究了不同體積比菌液與膠結(jié)液以及纖維摻量對于黃土固化效果的影響，主要結(jié)論如下：

（1） 采用拌合法的MICP技術(shù)可以簡單、有效地提高黃土試樣的結(jié)構(gòu)強度，黃土試樣的峰值抗壓強度與碳酸鈣生成量呈正相關(guān)。當(dāng)菌液與膠結(jié)液體積比為4∶6時，固化黃土試樣的無側(cè)限抗壓強度可達未加固試樣的1.5倍，具有較好的工程應(yīng)用前景。

（2） 纖維摻量對于MICP固化黃土試樣的無側(cè)限抗壓強度有著重要影響，菌液與膠結(jié)液體積比固定為4∶6條件下，固化后的黃土試樣無側(cè)限抗壓強度先增大后減小，玄武巖纖維的最優(yōu)摻量為0.4%。

（3） MICP技術(shù)可以顯著延長黃土試樣的完全崩解時間，改善其水穩(wěn)定性，體積比為4∶6的菌液與膠結(jié)液固化試樣，最終崩解時間較未處理試樣延長了約45%。

（4） 隨著纖維摻量的提高，菌液與膠結(jié)液體積比固定為4∶6的試樣耐崩解能力逐漸增強，且所有摻有纖維的MICP固化試樣均未能完全崩解，表明在實際工程應(yīng)用中，較少的纖維摻量即可實現(xiàn)固化土體水穩(wěn)定性的提高。

（5） MICP與纖維加筋的聯(lián)合作用主要體現(xiàn)在增大了菌液的附著點，促進了碳酸鈣的生成，試樣內(nèi)部形成的碳酸鈣呈片狀附著于土體和纖維上，有效提高了土顆粒、纖維表面的粗糙度，增強了纖維在土體內(nèi)的錨固力，強化了加筋效果，對固化后土體的強度和水穩(wěn)性起到良好的促進作用。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

Loess is widely distributed in China，but it has poor engineering properties such as low strength and high collapsibility.The use of Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation （MICP） technology combined with fiber reinforcement to process loess can effectively improve its mechanical properties and water stability.In order to understand the curing effect of MICP combined fiber reinforced loess，the basalt fibers with mass ratios of 02%，03%，04% and 05% were added to the loess，supplemented by different proportions of bacterial solution and cementing solution（ the volume ratios were 2∶8，3∶7，4∶6 and 5∶5）.The loess was reinforced by mixing method，and the calcium carbonate production test，unconfined compressive strength test，disintegration test and SEM microscopic test were carried out on the treated samples.The results show that： ① MICP mixed loess can effectively improve its mechanical properties.The amount of calcium carbonate generated in the solidified sample is directly proportional to the peak strength，and the maximum amount is 1% of the loess mass.When the volume ratio of the bacterial liquid to the cementing liquid is 4/6，the curing effect is the best.② When the volume ratio of bacterial liquid to cementing liquid is fixed at 4∶6，the unconfined compressive strength of the solidified sample increases first and then decreases with the increasing of the fiber content，and the optimal fiber content is 04 %.③ The complete disintegration time of the loess solidified by MICP is prolonged.When the volume ratio of the bacterial liquid to the cementing liquid is 4∶6，the sample has the strongest disintegration resistance.④ When the volume ratio of bacterial liquid to cementing liquid is fixed at 4∶6，the disintegration resistance of the sample gradually increases with the increasing of the fiber content.When the content is 05%，the final disintegration rate of the sample is the lowest.⑤ The calcium carbonate crystals in the sample are attached to the surface of soil particles and fibers in a sheet shape，which can effectively increase the bonding and friction between soil particles and fibers，and has a good promoting effect on the strength and water stability of the solidified soil.The research results can provide a guidance for the practical application of MICP technology in the future engineering of solidified loess.

Key words：

loess improvement；microbially induced calcium carbonate precipitation；basalt fiber；disintegration；unconfined compressive strength