基于MICP 在活性炭纤维作用下对砂土加固的试验研究

郁凯捷，璩继立

（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093）

1 引言

我国砂土分布极为广泛，其主要分布于我国西北地区的山前平原以及各地河流两岸[1]。因此，砂土加固的试验研究对提高砂质土壤的地基承载力以及加强边坡支护稳定性等方面具有重大的意义。

目前，砂土的注浆作为常见的施工工艺并已应用于实际工程中[2]。其中，微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial Induced Calcite Precipitation，简称：MICP）作为一种新型的加固方法，国内外研究人员也对其进行了大量的研究。Whiffin[3]最早提出了MICP 这一个概念，这对改良土体特性和防沙固堤的工程问题提供了新的研究角度。ANDRES QUIROS[4]通过和饱和土体不同的注浆方法，探究了碳酸钙的沉积和与砂颗粒结合的位置及效果。为了提高微生物诱导碳酸钙沉淀的工艺效益，Choi[5]在注浆时加入PVA 纤维材料，增强了MICP 对于土壤的力学性能，为MICP 后续的研究提供了巨大的帮助。本论文在加入PVA 材料的研究方法中找到了新的思路，在微生物诱导碳酸钙沉淀注浆时，加入活性碳纤维粉末（ACFF），活性炭纤维粉末是具有吸附能力的试剂中最好的吸附剂之一，而在生物注浆的工程中，细菌活性以及细菌在土体颗粒的附着程度是MICP 试验中最重要的指标。ACFF 能利用其吸附能力强的优势，极大提高生物注浆的效率，这对MICP 的研究方向而言赋予了极大的研究价值。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验所用的土体样本是陕西省某公园内采集的砂土，距离地面1～2m，土样采样后带回实验室烘干，筛选，土体的基本物理性质见表1。

表1 土的基本性质指标

试验采用的活性炭纤维粉末购买自碳烯技术（深圳）有限公司，碳纤维粉末的基本物理属性见表2。

表2 碳纤维粉的基本物理属性

试验采用的菌种为巴氏芽孢杆菌，编号为ATCC 11859，巴氏芽孢杆菌冻干粉首次活化时，将菌粉甩至底部，取0.2-0.3ml 溶解液加入至菌种管中，与菌粉混合均匀后，用吸头吸出溶解液，全部接种至2 支斜面上培养，在需氧环境下培养至1～2 天，最终测得菌液OD600=2.0±0.2，培养成功后的菌液保存至瓶中，以备后续使用。

试验采用的尿素（分子式：H2NCONH2）和无水氯化钙（分子式：CaCl2）试剂均由苏州信清科技有限公司提供。

2.2 试件制备

用电子天平称取的碳纤维粉末与土样，将土体和碳纤维粉末均匀倒入塑料套筒中，再将20ml 的巴氏芽孢杆菌菌液以及尿素和氯化钙混合试剂分别加入土体中，将制备好的土样振捣均匀。本次试验研究中，将活性碳纤维的掺量、钙离子和尿素的配合比作为试验的控制参数，见表3。根据之前的研究[6][7]，将制备完成的试件养护15 天，然后将试件烘干，最终完成脱模。

表3 试验组合方案

2.3 试验方法

（1）无侧限抗压强度试验

为了检测试样加固的效果，对制备完成的土样烘干脱模后再进行无侧限抗压强度测试。试样采用应变控制式，测力计升降速率为2.1～2.6 mm/min，试样尺寸为高H=8cm，直径D=4cm，试验中每组进行3 组平行。

（2）碳酸钙含量测定

用电子天平称得烘干完成后的土样质量为M1，在土体中加入稀盐酸，观察土体表面生成气泡，重复多次，直至土体不再产生气泡为止。再次烘干后，测得土体质量记为M2，记M0=M1-M2，根据摩尔质量比，进而求得土体内碳酸钙的含量。

3 结果与讨论

根据平行试验得出无侧限抗压强度的数据，表4 为不同ACFF 含量、不同尿素和钙离子配合比所测得的试验结果

表4 试验结果

3.1 尿素与钙离子配合比对无侧限抗压强度的影响

图1 为分别在ACFF 掺量为0%、0.5%、1%、1.5%、2%时不同尿素与钙离子配合比的图，计算出同一配合比下，不同ACFF 掺量的平均值。总体而言，随着钙离子比重的增加，土体的无侧限抗压强度也逐渐增加。当尿素与钙离子配合比达到1：2 时，无侧限抗压强度相比于配合比为1：1 时，增加了2.68%，配合比达到1：3 之后，无侧限抗压强度达到峰值，与1：1 的配合比相比，增加了6.31%，但随着钙离子的增加，基本维持不变，由此可以看出，尿素与钙离子充分反应的最佳配合比为1：3。

图1 不同尿素：钙离子的对比图

3.2 ACFF 掺量对无侧限抗压强度的影响

图2 给出了不同ACFF 掺量下土体的抗压强度的信息，在尿素与钙离子最佳配合比的条件下，素土的强度最低，为2.98MPa，随着ACFF 掺量的增加，土体的无侧限抗压强度不断增加。根据表4 可以看出，在尿素与钙离子1：3 的情况下，强度相对最大，因此最具有研究价值。在ACFF 掺量为0.5%、1%、1.5%、2%的情况下，无侧限抗压强度分别为4.42MPa、5.27MPa、5.71MPa、6.23MPa、相对于同条件下的素土而言，抗压强度增加了48.32%、76.85%、91.61%、109.06%。由此可以看出，ACFF 有较强的吸附能力，促使细菌能更好地附着在土体中完成反应，从而加强土体的抗压强度。

3.3 养护龄期对碳酸钙含量的影响

微生物发生反应的周期和微生物在发生反应时的活性，在很大程度上取决了养护龄期的期限。图3 为在尿素和钙离子最佳配合比的条件下，不同养护龄期对碳酸钙含量的影响。在反应的第1 天、7 天、14 天、21天时间内，生成的碳酸钙含量分别为1.26%、7.32%、15.24%、15.23%。微生物发生化学反应在14 天内，碳酸钙含量一直在增加，在14 天之后，碳酸钙反应几乎趋于稳定。

图3 不同养护龄期的对比图

4 结论

（1）尿素的含量不变时，随着钙离子的增多，砂土的强度逐渐增强，当尿素与钙离子的配合比为1：3 时，为试验的最佳配合比。与此同时，砂土的抗压强度达到峰值。

（2）ACFF 的增加对砂土强度的加固起到了正相关的作用，ACFF 含量越高，砂土的总体强度就越大。在砂土中加入2%的ACFF，相比于素土而言，总体强度增加了109.06%。

（3）对于微生物诱导方解石来加固砂土的试验中，最合理的养护龄期为14 天。在养护龄期到达14 天之后，产出的碳酸钙几乎趋于稳定。