纖維摻量對珊瑚砂微生物固化體力學性能的影響

宋 平，方祥位，李洋洋

(后勤工程學院 土木工程系， 重慶 401311)

【化學工程與材料科學】

纖維摻量對珊瑚砂微生物固化體力學性能的影響

宋 平，方祥位，李洋洋

(后勤工程學院 土木工程系， 重慶 401311)

在珊瑚砂中摻加纖維可改善珊瑚砂微生物固化體強度等力學性能，對固化體進行了無側(cè)限抗壓強度試驗和抗拉強度試驗，分析了纖維摻量對固化體力學性能的影響。結(jié)果表明，不同纖維摻量的試樣均可以通過微生物固化反應形成整體；摻加纖維可以有效防止固化體發(fā)生脆性破壞，明顯提高固化體延性。與不摻加纖維的固化體相比，纖維摻量為0.2%的固化體抗拉強度最高，無側(cè)限抗壓強度也明顯提高；摻量為0.3%的固化體抗拉強度降低，抗壓強度大幅提高；摻量為0.1%和0.4%的固化體力學性能大幅度降低。得出了最佳纖維摻量，為微生物固化技術(shù)在島礁工程中的應用奠定基礎。

珊瑚砂；聚酯纖維；微生物固化；力學特性

微生物固化技術(shù)通過向特定微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)和金屬離子溶液等，利用微生物自身生命活動產(chǎn)生的脲酶分解尿素生成碳酸根離子和氨根離子，其中碳酸根離子與金屬離子結(jié)合生成碳酸鹽，碳酸鹽作用于砂土之間，使砂土形成一個整體[1-3]。該技術(shù)可以應用于鈣質(zhì)材料修復和軟弱地基土加固處理等方面。因其施工簡單，材料設備要求低，固化效果較好，反應過程可控等優(yōu)勢受到國內(nèi)外的關(guān)注，在土木工程和材料工程等領域具有良好的應用前景[4-7]。

Soga等[8]對微生物灌漿試驗的參數(shù)和條件進行研究和優(yōu)化，有效提高了微生物固化技術(shù)生成碳酸鈣的效率。錢春香[4,9]和程曉輝[10-11]在微生物水泥、裂縫修復、微生物灌漿和微生物固化砂基的動力特性等方面進行了深入研究，促進了國內(nèi)微生物固化技術(shù)的進一步發(fā)展。方祥位等[3,5-6,12-14]將微生物固化技術(shù)應用于珊瑚砂的處理，為珊瑚砂地基處理提供了一種新的方法。

方祥位等[3,5-6,13-14]通過珊瑚砂微生物固化體單軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)，固化體開始破壞時會出現(xiàn)裂縫，隨著受力的進一步增加裂縫連接貫通，最終導致其破碎，破壞時的應變較小，固化體變形不明顯，是典型的脆性破壞。為提高固化體韌性，改善固化體力學性能，采用混凝土防開裂的方法，在珊瑚砂中摻加聚酯纖維，研究纖維摻量對珊瑚砂固化體力學性能的影響，得到最佳纖維摻量，為微生物固化技術(shù)的實際應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1.1.1 珊瑚砂

1.1.2 聚酯纖維

試驗用纖維為聚酯纖維，材質(zhì)為100%改性聚酯，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。聚酯纖維可以用于高強度混凝土的增強防裂，可有效地提高抗拉、抗壓強度，是理想的防裂材料。利用聚酯纖維這一特性，將其應用于珊瑚砂微生物固化中，以提高珊瑚砂固化體的延性和強度，提高固化體的力學性能。

表1 顆粒粒徑

表2 主要技術(shù)參數(shù)

1.1.3 微生物

試驗采用巴斯德芽孢桿菌(Bacillus pasteurii)。首先取出冷凍菌種進行擴大培養(yǎng)，對培養(yǎng)的菌液取樣測試活性，細菌活性單位為mmol/(L·min)。本次試驗所用菌液的活性為1.8 mmol/(L·min)。

1.2 固化試驗裝置

圖1為固化試驗裝置。圖1中模具為內(nèi)徑50 mm的對開可拆卸有機玻璃管，上部、中部和下部分別用鋼箍加固。模具底部塞有帶孔橡膠塞，孔內(nèi)接帶有止水夾的硅膠硬管，硅膠管底端連接蠕動泵，用以控制溶液流速。

1.3 固化試驗

為研究纖維摻量對珊瑚砂微生物固化體力學性能的影響，選用長度為9 mm的纖維，按照質(zhì)量摻量(即纖維質(zhì)量占纖維和珊瑚砂總質(zhì)量的百分比)設置5組共計10個試樣，如表3所示。每個試樣重350 g，將纖維與珊瑚砂混合均勻后倒入模具中，開始固化試驗。

咣當一聲，我心里豁然開朗。原來如此啊。原來我是在替這個劉鐵頭頂缸啊。李老黑啊李老黑，你狗日的是真黑啊。

圖1 固化試驗裝置

固化試驗采用菌液與混合溶液(濃度為2 mol/L氯化鈣溶液和尿素溶液按1∶1混合)分開通入的方式。在每個試樣中注入100 mL菌液，當?shù)撞抗枘z管有液體開始滴落時關(guān)閉止水夾，靜置半小時，使菌液與珊瑚砂顆粒充分接觸；半小時后打開止水夾，使菌液緩慢流出；菌液流盡后注入混合溶液，待硅膠管中有混合溶液滴出時關(guān)閉止水夾，靜置2 h，這樣混合溶液可以與菌液充分反應；2 h后打開止水夾，使混合溶液緩慢流出；當溶液流盡后，將流出的混合溶液再次注入模具中，重復注入3～5次后測量滲透性，并更換新的菌液與混合溶液。固化試驗結(jié)束后，拆除模具。

表3 纖維摻量

1.4 力學試驗

試驗采用重慶交通大學巖土力學實驗室的巖石力學試驗系統(tǒng)。為滿足試驗需要，首先將固化體進行完全烘干處理，然后利用切割機和單面磨平機將固化體處理為力學試驗要求的標準尺寸。其中相同摻量的兩個固化體分別進行無側(cè)限抗壓強度試驗和抗拉強度試驗。

進行無側(cè)限抗壓強度試驗的固化體尺寸為：直徑×高度=50 mm×100 mm，試驗采用的加載速率為0.005 mm/s。進行抗拉強度試驗的固化體尺寸為：直徑×高度=50 mm×50 mm，試驗采用的加載速率為0.002 mm/s。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 試驗原理

巴斯德芽孢桿菌注入珊瑚砂中后，由于正負電荷的作用，細菌容易吸附在砂顆粒表面，當通入混合溶液時，尿素分子進入細菌中被細菌代謝活動產(chǎn)生的脲酶分解成碳酸根離子和氨根離子，碳酸根離子與鈣離子結(jié)合成碳酸鈣沉淀并運送到細菌表面，反應過程如下：

(1)

(2)

生成的碳酸鈣具有膠結(jié)功能，可以附著于砂顆粒表面或填充于孔隙中，隨著菌液與混合溶液的不斷反應，生成的膠結(jié)物質(zhì)逐漸將砂顆粒包裹并相連。當試驗結(jié)束時，珊瑚砂已經(jīng)固化成為形狀規(guī)則、表面光滑的整體。部分固化完成的砂柱如圖2所示。

圖2 固化完成的砂柱

2.2 力學特性

2.2.1 固化體破壞形態(tài)

圖3為抗壓和抗拉試驗中固化體的破壞形態(tài)，(a)圖和(b)圖中左側(cè)4個為摻加纖維的固化體，右側(cè)為未摻加纖維的固化體。從圖3(a)抗壓試驗后的固化體可以看出，摻加纖維的固化體在受壓破壞時，由于固化的不均勻性導致下端固化效果較差，首先發(fā)生破碎，但是沒有出現(xiàn)明顯的貫穿裂縫，整體性保持較好，基本形狀未發(fā)生改變；未摻加纖維的固化體受壓時出現(xiàn)貫穿裂縫，兩端破碎情況不明顯，由于貫穿裂縫的影響，使得破壞后的固化體整個破碎。從圖3(b)抗拉試驗可以看出，摻加纖維的固化體在受拉破壞后表面僅出現(xiàn)一條很細的裂紋，沒有明顯破碎；未摻加纖維的固化體在受拉破壞時會在中間出現(xiàn)一條貫穿裂縫，固化體劈裂為兩半。

由此可以說明，摻入纖維可以有效控制珊瑚砂固化體受力破壞時的變形，大幅度提高了固化體的延性，避免了固化體受力后的脆性破壞。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因為，摻加纖維后，由于交織機理的作用，使得纖維在砂土中處于隨機各向分布狀態(tài)[15]，正是因為這種排布方式導致纖維之間存在諸多交織點，眾多交織的纖維中任何一根纖維受力而出現(xiàn)滑動趨勢時，與之交織的纖維均會產(chǎn)生阻止作用，相當于所有纖維在砂土中相互交織形成了一個空間分布網(wǎng)，砂土顆粒在網(wǎng)中受到約束作用，從而在內(nèi)部形成一個空間受力區(qū)。這一受力區(qū)能控制砂土體因受力而導致的變形，從而增加了固化體的延性，所以摻加纖維的固化體破壞后不會出現(xiàn)貫穿裂縫。

圖3 固化體破壞形態(tài)

2.2.2 固化體抗壓強度

圖4為固化體無側(cè)限抗壓試驗應力-應變曲線。摻加纖維的固化體(1#、3#、5#和7#)的應力-應變曲線大致分為3個階段：第一階段為應力隨應變快速增長階段，固化體逐漸壓密，應力隨應變的增長快速增加；第二階段為破壞階段，固化體應力達到最大值后發(fā)生破壞；第三階段為殘余變形階段，應力隨應變的發(fā)展而降低，最后趨于穩(wěn)定。未摻加纖維的固化體(9#)的應力-應變曲線只有前2個階段，為典型的脆性破壞。7#(纖維摻量為0.4%)達到最大應力時的應變最小，延性最差，在破壞后應力驟降，固化體破碎情況最嚴重；3#(纖維摻量為0.2%)和5#(纖維摻量為0.3%)達到最大應力時的應變較大，延性較好，且應力下降速度較慢，曲線較為平緩；而1#(摻量為0.1%)和7#(摻量為0.4%)固化體曲線峰值不明顯，抗壓強度遠低于未摻加纖維的9#試樣。

圖4 固化體應力-應變曲線

取應力-應變曲線中應力最大點的縱坐標作為固化體抗壓強度，如表4所示。通過抗壓強度可以看出，摻加纖維后，固化體無側(cè)限抗壓強度變化沒有明顯規(guī)律，與不摻加纖維的固化體相比，纖維摻量為0.1%和0.4%的固化體抗壓強度降低，降低幅度分別為52%和89%，力學性能大幅度下降；纖維摻量為0.2%和0.3%的固化體抗壓強度均有提高，提高幅度為21%和38%。由此可以說明，加入適當摻量(0.2%和0.3%)纖維可以有效提高固化體強度，而當摻量過小(0.1%)或過大(0.4%)時，固化體強度降低。

表4 抗壓強度試驗結(jié)果

2.2.3 固化體抗拉強度

固化體的抗拉強度測試采用巴西圓盤劈裂法，其抗拉強度是在測得固化體破壞時的極限荷載后，利用下面公式計算得到[16]

σt=2P/(πDH)

(3)

式中：σt為抗拉強度；P為極限荷載；D為固化體直徑；H為固化體高度。

表5為抗拉強度試驗結(jié)果。從表5數(shù)據(jù)可以看出，隨著纖維摻量的增大，固化體抗拉強度變化沒有明顯規(guī)律。未摻加纖維的固化體抗拉強度為1.83 MPa，摻量為0.1%、0.3%、0.4%的固化體抗拉強度依次為1.27 MPa、0.84 MPa、1.48 MPa，分別下降了31%、54%、19%，只有摻量為0.2%的固化體抗拉強度有所增加，增幅為29%。

表5 抗拉強度試驗結(jié)果

由此可見，摻加纖維對固化體的抗拉強度影響很大。一方面由于彎曲機理的作用，使得纖維在砂土顆粒中呈彎曲狀態(tài)分布，由于其幾乎沒有或很少有以直線分布的情況，所以可以近似認為摻加纖維后的珊瑚砂是由無數(shù)砂顆粒圍繞纖維的彎區(qū)段形成的單元體組成[15]，因為纖維表現(xiàn)出的變形模量與珊瑚砂顆粒變形模量差別較大，所以當固化體因受力變形使纖維與砂土顆粒之間發(fā)生相對滑動時，纖維與砂土之間產(chǎn)生摩擦力，這些摩擦力增加了固化體的受載能力。另一方面摻加纖維會影響固化過程中溶液的下滲和砂土顆粒之間的粘結(jié)，阻礙溶液下滲會導致固化反應效率降低，固化體的均勻性變差，容易出現(xiàn)薄弱面，破壞砂土顆粒粘結(jié)會直接導致固化體受力能力降低。所以當纖維摻量較小(0.1%)時，纖維對砂土約束作用較弱且纖維與砂土顆粒之間的摩擦力較小，不足以彌補其分布在砂土中所破壞的膠結(jié)強度，所以固化體的抗拉強度降低；當纖維摻量較大(0.3%和0.4%)時，由于其聚集作用，使得大量纖維聚集于某一處或者某幾處，從而使得溶液下滲時的阻礙較大，固化不能充分進行，導致薄弱面出現(xiàn)，固化體的抗拉強度降低。只有協(xié)調(diào)兩者之間的作用，選用合理的纖維摻量才能使纖維的摻加對珊瑚砂固化體的抗拉性能起積極作用。根據(jù)試驗結(jié)果，當摻量為0.2%時，固化體抗拉強度明顯提高。

3 結(jié)論

1) 摻加纖維可以有效防止珊瑚砂微生物固化體發(fā)生脆性破壞，明顯提高固化體延性。

2) 摻加纖維的固化體在受力破壞時從兩端邊緣破碎開始，不會出現(xiàn)貫穿裂縫，破化后的固化體完整性較好；沒有摻加纖維的固化體在受力破壞時會首先出現(xiàn)貫穿裂縫，固化體最終破碎為兩半。

3) 摻加纖維的固化體的應力-應變曲線大致可分為三個階段，即應力隨應變快速增長階段、破壞階段和殘余變形階段，具有塑性變形特征；未摻加纖維的固化體呈現(xiàn)典型的脆性破壞特征。

4) 纖維摻量為0.2%的固化體抗拉強度最高，同時無側(cè)限抗壓強度也明顯提高；摻量為0.3%的固化體抗壓強度最高，但抗拉強度最低；摻量為0.1%和0.4%的固化體力學性能較差。

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InfluenceofFiberProportiononMechanicalPropertiesofBio-cementedCoralSandColumns

SONG Ping， FANG Xiangwei， LI Yangyang

(Department of Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

The addition of fiber to the coral sand can improve the mechanical properties of the bio-cemented coral sand columns. To systematically analyze the influence of fiber proportion on mechanical property of bio-cemented coral sand columns, unconfined compressed test and tensile test of bio-cemented coral sand columns with different fiber proportion were conducted, respectively. The results showed that, all the sand columns with different fiber proportion were cemented tightly in bio-cementing process; the proportion of fibers can effectively prevent the brittle fracture of the bio-cemented coral sand columns, and improve their ductility prominently. Compared with the bio-cemented coral sand columns without adding fiber, the bio-cemented coral sand columns with 0.2% fiber has the highest tensile strength, and also has obvious improvement in the aspect of unconfined compressed strength; when the fiber proportion is set at 0.3%, the tensile strength of the bio-cemented coral sand columns was decreased while the unconfined compressed strength was increased significantly; the mechanical properties of the bio-cemented coral sand columns with 0.1% and 0.4% fiber both decreased significantly. By contrast test, the optimum fiber proportion is obtained. The experiment result lays a foundation for the application of bio-cementation technology in the reef engineering.

coral sand; polyester fiber; bio-cementation; mechanical property

2017-06-06；

2017-06-30

國家自然科學基金項目(51479208)；總后勤部基建營房部資助項目(CY114C022)

宋平(1992—)，男，碩士研究生，主要從事巖土微生物技術(shù)研究。

方祥位(1975—)，男，教授，博士生導師。

10.11809/scbgxb2017.10.032

本文引用格式：宋平，方祥位，李洋洋.纖維摻量對珊瑚砂微生物固化體力學性能的影響[J].兵器裝備工程學報，2017(10):156-160.

formatSONG Ping，F(xiàn)ANG Xiangwei，LI Yangyang.Influence of Fiber Proportion on Mechanical Properties of Bio-cemented Coral Sand Columns[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):156-160.

TU411

A

2096-2304(2017)10-0156-05

(責任編輯楊繼森)