玉米須加筋微生物固化淤泥的抗剪強度試驗研究

李 賽， 雷學文， 劉 磊， 劉瑞琪

(1.武漢科技大學城市建設學院， 武漢 430065； 2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室， 武漢 430071； 3.污染泥土科學與工程湖北省重點實驗室， 武漢 430071)

中國是一個河流湖泊眾多的國家，許多河道分布在沿海以及內(nèi)陸地區(qū)，近年來，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，水體長期受到污染，河道淤積嚴重[1]。淤泥一般具有含水率高、粒徑細、壓縮性高、有機質含量高和力學性質差等特點，在實際工程應用中效果不明顯[2]。目前，基于可持續(xù)發(fā)展與綠色環(huán)保理念，資源化利用是處理淤泥的有效方式之一[3]。其主要通過固化處理的方法來處理淤泥，通過向淤泥中添加不同種類的固化材料來提高淤泥土的強度[4-6]。

微生物誘導碳酸鈣沉積(microbially induced carbonate precipitation，MICP)技術通過碳酸鈣沉淀填充土體孔隙，因其有效提高固化體強度并降低滲透性而得到越來越多的關注[7-9]。目前該技術多應用于砂土，通過碳酸鈣膠結于砂土之間，形成具有一定強度的固化體[10-13]。Soon等[14]研究表明，MICP技術可提高粉土或黏性土的力學性質。Liu等[15]研究了反應溫度、培養(yǎng)基pH和接種比等因素對MICP處理黃土的力學性能的影響。彭劼等[16]和陳嘉輝等[17]探究了不同濃度的膠結液對MICP加固黏性土的影響。MICP技術是一種可持續(xù)發(fā)展技術，在工程應用中具有潛在的實用價值，可應用到各個領域。

單一的固化處理方式可能達不到預期的效果，在實際處理中需要將多種方式結合起來共同作用，纖維加筋微生物成為一種新型的土質改良技術[18-20]。Fang等[21]向MICP處理過的珊瑚砂里添加纖維，發(fā)現(xiàn)不僅能降低珊瑚砂的滲透性，還能提高干密度、珊瑚砂的延性、破壞應變和抗拉強度等。Lei等[22]研究了3種纖維類型對生物膠結鈣質砂性能的影響，發(fā)現(xiàn)了碳纖維對碳酸鈣膠結鈣質砂的延性、橋聯(lián)作用較好。Choi等[23]和Li等[24]利用纖維加筋技術改善MICP固化土體的脆性破壞性質，并探究了纖維含量的影響。上述研究成果從不同方面展示了纖維加筋微生物固化土體是一種優(yōu)良的固化技術，但目前大部分研究都建立在砂土基礎上，黏性土的研究較少，尤其是在剪切強度方面，關于纖維加筋微生物固化后土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響尚缺乏統(tǒng)一認識。

為此，以綠色環(huán)保的玉米須纖維和碳纖維作為加筋材料，對纖維加筋微生物固化淤泥開展直剪試驗，與MICP固化土體做對比，重點分析纖維摻量、纖維種類等主要因素對纖維加筋土剪切強度的影響。通過掃描電鏡分析，從纖維微觀形態(tài)和破壞后固化體的微觀結構來探討纖維增強微生物固化機理，得到了一些新的認識。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用玉米纖維和碳纖維，纖維長度取9 mm。所選玉米須纖維產(chǎn)自黑龍江，先將濕玉米須清洗干凈，然后將成束纖維剪成所需長度，最后放入40 ℃的烘箱24 h。圖1、圖2分別展示了玉米須纖維和碳纖維，兩種纖維主要物理參數(shù)如表1、表2所示。由于烘干的玉米須纖維在剪切后易斷裂，長度難以控制，因此選取短切為9 mm的500根纖維樣品測量纖維長度，纖維長度分布如圖3所示。試驗選取武漢東湖疏浚淤泥，其主要物理性質指標如表3所示。通過型號為LA-960激光粒度分析儀測得粒徑，繪制如圖4所示曲線。

圖1 玉米須纖維Fig.1 Cornsilk fiber

圖2 碳纖維Fig.2 Carbon fiber

表1 玉米須纖維物理力學性質

表2 碳纖維物理力學性質

1.2 試驗用菌液

選用巴氏芽孢桿菌，在恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)進行斜面培養(yǎng)，制作液體培養(yǎng)基，將活化后的菌落加入其中，然后在30 ℃恒溫振蕩箱中培養(yǎng)36 h，轉速為130 r/min，最后控制冰箱溫度為4 ℃來保存培養(yǎng)好的菌液。培養(yǎng)基中需添加胰蛋白胨、蛋白胨、尿素、氯化鈉，用量分別為15、5、20、5 g/L，控制pH為7.3，采用1 mol/L NaOH溶液進行調(diào)節(jié)。菌液濃度可用OD600表示，試驗菌液控制OD600=0.9。

圖3 纖維長度分布Fig.3 Distribution of fiber length

表3 武漢東湖疏浚淤泥物理參數(shù)

圖4 淤泥質土顆分曲線Fig.4 Distribution curves of muddy soil

1.3 試驗膠結液

(1)

(2)

1.4 試樣制備與試驗方法

將土樣自然風干、碾碎過2 mm的篩備用，試驗選取的纖維摻量分別為0、0.2%、0.4%、0.6%及0.8%(纖維摻量為纖維與淤泥質量的百分比)。為提高菌液和膠結液在淤泥中空間分布的均勻性，利于碳酸鈣的生成，試驗采用拌合法制備試樣，在拌合過程中，稱取所需纖維與土樣進行充分拌合，再摻入定量的蒸餾水或菌液與膠結液混合溶液，拌合10 min，待土體均勻拌合后，將土樣密封放置保鮮袋里在保濕缸養(yǎng)護24 h，然后取出土體分5層擊實，每層稱取20g土填筑于環(huán)刀，控制試樣干密度為1.5 g/cm3，養(yǎng)護溫度(20±2) ℃，保濕缸濕度為90%，養(yǎng)護7 d。試樣的直徑61.8 mm，高度為20 mm，試驗所用含水量設計為30%，為控制變量，將試驗采用試樣中30%含水率置換為1∶1等體積的菌液和膠結液。試驗采用表4所示19組試樣，分為3類：素土組、單摻纖維組、MICP-纖維組。所有試樣設置3組平行試樣，取其平均值。

試驗儀器為應變控制式FDJ-20型單聯(lián)式直剪儀，由于淤泥顆粒細小，且滲透系數(shù)小于10-6cm/s，采用快剪試驗，試驗方法參照《土工試驗標準》(GB/T 50123—1999)。試驗試樣施加50、100、200和400 kPa的垂直壓力，設置0.8 mm/min的剪切速率，每隔0.1 min記錄一次，剪切位移達8 mm時停止試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)。

表4 土樣的試驗參數(shù)

2 試驗結果分析與討論

2.1 MICP技術對固化體抗剪強度的影響

圖5顯示了在不同纖維摻量下，MICP-纖維組與單摻纖維組各個法向壓力下的抗剪強度大小，取相應于4 mm剪切位移量的剪應力作為土樣的最大抗剪強度。從圖5(a)、圖5(b)可以看出，當纖維摻量為0時，素土的最大抗剪強度為75 kPa，MICP固化淤泥較素土的抗剪強度最大增幅為102.7%，這表明MIICP技術能提高淤泥的抗剪強度。隨著纖維含量的增加，剪切強度先增加后減少，在4種摻量下，MICP-玉米須纖維組的抗剪強度較單摻玉米須纖維組分別提高了1.67、1.75、1.43、1.45倍。同理，從圖5(c)、圖5(d)可以看出，在相同條件下，MICP-碳纖維組的抗剪強度較單摻碳纖維組提高了1.80、1.80、1.90、1.58倍，MICP-纖維組比單摻纖維組的抗剪強度大。這是由于微生物誘導產(chǎn)生的碳酸鈣填充在體積較大的土顆粒孔隙之間，將離散的土顆粒及纖維膠結成一個整體，通過纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用來加強MICP固化，約束了土顆粒的位移與變形[23]；MICP過程中沉積的碳酸鈣附著在纖維表面，增加了表面的粗糙度，提高了纖維與砂土間的咬合力，并且碳酸鈣與土顆粒的混合膠結體能為纖維提供錨固作用[25]，增大了纖維的黏結失效極限力，從而使得MICP技術對纖維加筋土體具有增強效果。

圖5 抗剪強度與法向壓力關系曲線Fig.5 Relationship curve between shear strength and normal pressure

2.2 纖維摻量對固化體抗剪強度的影響

將試驗得到的固化體進行直剪試驗，得到相同豎向荷載(400 kPa)作用下的剪切位移Δl與剪應力τ的對應關系曲線，如圖6所示。在剪切過程中，淤泥試樣在τ-Δl曲線上未出現(xiàn)明顯的峰值或者應變軟化特征，隨著剪切位移的增加，試樣的強度緩慢增大，出現(xiàn)應變硬化趨勢與一般素土呈現(xiàn)較明顯的差異，且隨著纖維含量增加應變硬化趨勢越顯著。這是由于纖維摻量越高，大量的纖維在土樣中形成三維纖維網(wǎng)，一根纖維受力將帶動整個纖維網(wǎng)共同受力，荷載分布更加廣泛，提高了淤泥的延性。

纖維摻量持續(xù)增加，纖維加筋微生物的土體剪切強度趨勢為先增大后減小，抗剪強度達到最大時其摻量均為0.6%；從圖6可見，纖維摻量從0.2%增加到0.8%，MICP-玉米須纖維組較素土分別提高了118.7%，164.0%，233.3%，156.0%，MICP-碳纖維組較素土分別提高了125.3%，161.4%，213.3%，148.0%，說明與碳纖維相比，相同條件下?lián)郊佑衩醉毨w維對于MICP固化體的抗剪強度提高效果更佳。原因在于當摻量為0.2%時，土體中的纖維網(wǎng)難以形成，加筋作用提高不明顯，但是由于纖維摻量的增加，纖維之間的相互作用隨之增大，對比表1、表2可知，在相同摻量下玉米須纖維的分散性優(yōu)于碳纖維，同時玉米須纖維質脆弱，攪拌過程中斷裂會分散成不同長度的纖維，形成更多的三維立體網(wǎng)格分布結構，而碳纖維直徑較細，因靜電纏繞成絮狀物質，出現(xiàn)團聚現(xiàn)象而影響纖維傳力體系的構建，因此摻加玉米須纖維得到的固化體抗剪強度更高。

圖6 剪切位移與剪應力(400 kPa)的對應關系曲線Fig.6 Corresponding curve of shear displacement and shear stress (400 kPa)

2.3 纖維摻量對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響

由圖7可見，纖維摻量對淤泥的黏聚力與內(nèi)摩擦角有較大影響，隨著纖維摻量的增加內(nèi)摩擦角和黏聚力先上升后下降，均在纖維含量為0.6%時達到最大，而且加筋微生物固化淤泥的內(nèi)摩擦角和黏聚力普遍高于不加筋土。MICP-玉米須纖維固化淤泥的黏聚力顯著高于MICP-碳纖維組，兩種纖維加筋微生物固化土體的內(nèi)摩擦角無明顯差異。

圖7 淤泥的內(nèi)摩擦角和黏聚力Fig.7 Internal friction Angle and cohesion of silt

從圖7(a)可以看出，當纖維含量為0.6%時，MICP-玉米須纖維組黏聚力較MICP-碳纖維組增幅為76.1%，較單摻玉米須纖維組增幅為55.5%，較單摻碳纖維組增幅為83.6%，淤泥在玉米須纖維的固化下黏聚力提升較大。原因是添加的纖維在土體中形成纖維網(wǎng)分擔剪應力貢獻三維拉筋作用，增大黏聚力，同時，利用MICP技術生成具有膠結作用的碳酸鈣，進一步提高了淤泥質土的黏聚力。圖7(b)中顯示，纖維摻量從0增加到0.6%，MICP-玉米須纖維組的內(nèi)摩擦角由16.70°增加到23.40°，單摻玉米須纖維組內(nèi)摩擦角由6.05°增加到17.33°，說明摻加玉米須纖維能提高淤泥質土的內(nèi)摩擦角，且MICP技術有助于加筋土體的內(nèi)摩擦角的提高。雖然碳酸鈣、玉米須纖維和碳纖維表面粗糙，增大了與土顆粒間的摩阻力，但當摻量較多時，土體出現(xiàn)結構薄弱面，弱化了筋土界面作用和土骨架顆粒間作用，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角減小。因此，在實際工程應用中，選擇合適的纖維摻量會使纖維與MICP技術共同固化淤泥的效果發(fā)揮到最佳。

2.4 微觀結構

取少量試樣做冷凍真空升華干燥法處理，再進行電鏡掃描分析，觀察樣品的微觀結構。圖8(a)為MICP固化淤泥的微觀結構，可以看出碳酸鈣聚集在土顆?？紫堕g，將顆粒膠結在一起。圖8(b)、圖8(c)分別為玉米須纖維和碳纖維加筋微生物固化淤泥的微觀結構，可以看出，玉米須纖維中碳酸鈣晶體偏向于薄片狀，堆積形成碳酸鈣晶體團，而碳纖維中則偏向于球狀顆粒，附著在土顆粒和纖維上，纖維通過碳酸鈣發(fā)揮橋聯(lián)作用來加強MICP，并且纖維的摻量影響著橋聯(lián)作用的發(fā)揮，附著在纖維表面碳酸鈣晶體具有很強的黏結作用，有利于增強纖維在土樣中的抗拔能力，兩者相互作用從而提高纖維的加筋效果和試樣的強度。圖8(d)、圖8(e)中玉米須纖維表面凹陷、粗糙不平，有平行于纖維長度的條紋，且條紋中有溝槽、空隙，碳纖維呈黑色節(jié)狀構造，表面有倒鉤狀的細絲，兩種纖維表面粗糙的特性，使得土顆粒與纖維更加充分咬合，進一步提高了纖維加筋土的摩擦力；由于玉米須纖維分散性好，在土體里分布均勻，而碳纖維則有成團現(xiàn)象，減少了相鄰纖維間的接觸，造成三維網(wǎng)格結構形態(tài)較不穩(wěn)定。因此，與碳纖維相比，摻加玉米須纖維對固化體的抗剪強度提高效果更加顯著。

3 結論

通過室內(nèi)直剪試驗，對纖維加筋和MICP技術共同固化淤泥的抗剪特性進行了研究，并分析了纖維摻量、種類和MICP技術對淤泥固化體的抗剪強度的影響，基于微觀結構探討了纖維形態(tài)和加筋MICP固化機制，得出如下主要結論。

(1)纖維加筋技術與MICP技術相結合能夠顯著提高淤泥質土的抗剪強度，增強土體的延性，采用綠色環(huán)保的玉米須纖維，對提高淤泥的強度和可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。

(2)MICP-纖維組的內(nèi)摩擦角和黏聚力普遍高于素土，MICP-玉米須纖維組的黏聚力提升幅度最大，玉米須纖維和碳纖維對固化體內(nèi)摩擦角的影響無明顯區(qū)別。

(3)隨纖維摻量的增加，土樣抗剪強度為先增后減趨勢，最佳摻量為0.6%，MICP固化淤泥的抗剪強度高于素土，纖維加筋與MICP技術共同固化淤泥的抗剪強度優(yōu)于單獨作用，且玉米須纖維加筋淤泥的抗剪強度優(yōu)于碳纖維。

(4)電鏡掃描顯示出碳酸鈣附著在土顆粒和纖維表面，纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用提高MICP固化效果，且玉米須纖維較碳纖維表面更加粗糙、分散更均勻，使得玉米須纖維加筋效果更好。