纖維加筋MICP固化鈣質(zhì)砂的抗拉強(qiáng)度特性研究

王殿龍，唐朝生，泮曉華，劉 博，李 昊，呂 超，程瑤佳

南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

南海是中國(guó)極其重要的戰(zhàn)略運(yùn)輸生命線，是中國(guó)“21世紀(jì)海上絲綢之路”的必經(jīng)之地，有必要加強(qiáng)南海島礁建設(shè)。南海島礁多為珊瑚礁地貌，表面覆蓋較厚的鈣質(zhì)砂層。鈣質(zhì)砂是海洋沉積物的一種，是富含碳酸鈣或其他難溶碳酸鹽類物質(zhì)的特殊介質(zhì)，主要成分為碳酸鈣，具有顆粒形狀不規(guī)則、壓縮性大、顆粒易破碎等弱工程特性（張家銘，2004）。隨著島礁建設(shè)的深入，因鈣質(zhì)砂弱工程特性引起的工程問(wèn)題逐漸凸顯，如鈣質(zhì)砂地基差異性沉降等，對(duì)島礁工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生了極大的影響（王建平等，2019）。而常規(guī)的地基加固手段如水泥加固存在高耗能、高污染等不足，亟需尋求一種高效、清潔的鈣質(zhì)砂固化方法來(lái)滿足島礁建設(shè)順利開(kāi)展的需求。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（MICP）是近些年新興的一種高效清潔的土體加固方法（錢春香等，2015），其原理是利用一種高產(chǎn)脲酶的巴氏芽孢八疊球菌（Sporosarcina Pasteurii）通過(guò)自身的代謝作用產(chǎn)生脲酶，催化尿素水解產(chǎn)生碳酸根（見(jiàn)式1~2），碳酸根再與環(huán)境中的鈣離子結(jié)合，在土體孔隙中生成具有膠結(jié)作用的碳酸鈣（見(jiàn)式3），從而實(shí)現(xiàn)加固降滲的目的。

由于MICP過(guò)程涉及一系列生物化學(xué)反應(yīng)，其加固效果受許多因素影響，前人已開(kāi)展大量基于陸源砂土的相關(guān)研究（冉進(jìn)瑜等，2018；Pan et al., 2019；尹黎陽(yáng)等，2019; 明道貴等，2019；Liu et al., 2019; Tang et al., 2020），此外還就陸源砂土MICP處理效果和效率的提升進(jìn)行了較為廣泛的研究（李博文，2020；李碩，2020；馬國(guó)梁等，2020；張寬等，2020），但以鈣質(zhì)砂為對(duì)象的研究相對(duì)較少。劉漢龍等（2018）研究表明MICP處理能夠改善鈣質(zhì)砂的動(dòng)力特性；Liu（2019）等對(duì)MICP加固鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度以及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)試樣的強(qiáng)度和剛度隨方解石含量增加而增加，而且試樣的峰值粘聚力與膠結(jié)液處理次數(shù)符合指數(shù)關(guān)系；朱紀(jì)康（2019）等研究了鈣源對(duì)MICP鈣質(zhì)砂加固體強(qiáng)度的，研究發(fā)現(xiàn)氯化鈣作為鈣源時(shí)其抗壓強(qiáng)度約為乙酸鈣的2倍。劉漢龍等（2019）基于MICP技術(shù)在南海某島礁開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明MICP加固的鈣質(zhì)砂地基表面強(qiáng)度得到了明顯提升，整體效果較好。鄭俊杰等（2020）研究發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂土骨架差異性和碳酸鈣的分布的均勻性是影響鈣質(zhì)砂強(qiáng)度的主要因素。MICP加固鈣質(zhì)砂的相關(guān)研究雖然不多，但學(xué)者們給出了一個(gè)共同的結(jié)論，即MICP能夠提高鈣質(zhì)砂的抗壓強(qiáng)度，而在是否能提高鈣質(zhì)砂抗拉強(qiáng)度方面尚未見(jiàn)報(bào)道。MICP固化鈣質(zhì)砂的抗拉強(qiáng)度是控制島礁構(gòu)建筑物地基、機(jī)場(chǎng)路基因不均勻沉降或者遭受沖擊荷載時(shí)發(fā)生張拉破壞的一個(gè)重要參數(shù)（鄭治等，1996；孟慶山等，2019；姜彤等，2020）。由此可見(jiàn)，研究MICP固化鈣質(zhì)砂抗拉強(qiáng)度及變形特性是非常有必要的。

然而，強(qiáng)度與韌性的互斥性一直是巖土工程材料面臨的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。MICP固化鈣質(zhì)砂也存在同樣的問(wèn)題，雖然強(qiáng)度能達(dá)到很高的水平，但在很大程度上表現(xiàn)為一種典型的脆性材料，即破壞后強(qiáng)度瞬間喪失（謝約翰等，2019），對(duì)島礁工程的安全性產(chǎn)生了極大的影響。前人針對(duì)這一問(wèn)題，提出了纖維加筋和MICP聯(lián)合加固的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鈣質(zhì)砂抗壓強(qiáng)度特性的提高。尹黎陽(yáng)（2019）發(fā)現(xiàn)添加纖維能夠促進(jìn)碳酸鈣的沉積，提高纖維MICP固化鈣質(zhì)砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、韌性等。Lin等（2019）研究發(fā)現(xiàn)纖維能夠降低MICP固化鈣質(zhì)砂的脆性、滲透性。Lei等（2020）研究表明碳纖維加筋MICP固化鈣質(zhì)砂的抗壓強(qiáng)度可高達(dá)6.69 MPa。Fang等（2020）研究表明纖維鈣質(zhì)砂的最佳纖維含量為0.20%。然而，目前針對(duì)纖維MICP固化鈣質(zhì)砂的研究重點(diǎn)局限于纖維加筋對(duì)MICP鈣質(zhì)砂抗壓強(qiáng)度、滲透性等因素的影響，對(duì)纖維MICP固化體抗拉強(qiáng)度方面還缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，對(duì)纖維加筋增強(qiáng)MICP加固鈣質(zhì)砂的機(jī)理還缺乏深入探討。

為此，本文采用纖維加筋的方法來(lái)改善MICP固化鈣質(zhì)砂抗拉強(qiáng)度特性。制備了一系列“8”字形試樣，并在菌液和膠結(jié)液中進(jìn)行浸泡完成MICP處理，然后開(kāi)展直接拉伸試驗(yàn)，測(cè)試抗拉強(qiáng)度及拉伸破壞模式，并分析了纖維摻量和長(zhǎng)度對(duì)試樣結(jié)果的影響，探討了纖維加筋-MICP固化改性鈣質(zhì)砂的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用鈣質(zhì)砂取自于南海某島礁，顆粒密度為2.75 g/cm3，碳酸鈣含量超過(guò)90%，顆分參數(shù)如表1所示，屬于顆粒級(jí)配不良。試驗(yàn)前將鈣質(zhì)砂在烘箱內(nèi)烘干至恒重，以排除殘留液體環(huán)境內(nèi)可能存活的微生物的影響。常規(guī)試樣烘干溫度為105℃，鈣質(zhì)砂及碳酸鈣在此溫度下烘干會(huì)發(fā)生崩解，產(chǎn)生細(xì)小顆粒，為避免這一作用對(duì)鈣質(zhì)砂和微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣產(chǎn)生影響，本文選用的烘干溫度為60℃。

表1 鈣質(zhì)砂的顆分參數(shù)Table1 Particle parameters of calcareous sand

巴氏芽孢八疊球菌（Sporosarcina pasteurii）被選作為誘導(dǎo)成礦菌株，該菌是一種產(chǎn)脲酶微生物，購(gòu)自美國(guó)菌種保藏中心，編號(hào)ATCC 11859。使用滅菌液體培養(yǎng)基制備菌液，培養(yǎng)基成分：20 g/L酵母提取物，10 g/L (NH4)2SO4，15.73 g/L Tris base，接種量為1%，在30℃、200 r/min的生化培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)24 h后備用。使用酶標(biāo)儀測(cè)試的菌液OD600為1.10，使用電導(dǎo)率儀測(cè)試菌液脲酶活性為2.80 mM·urea hydrolysed/min。

膠結(jié)液為0.5 mol/L的尿素和氯化鈣混合液，尿素和氯化鈣摩爾濃度比為1: 1。為保證浸泡固化過(guò)程中的微生物能夠維持一定的活性，在膠結(jié)液中添加3 g/L的營(yíng)養(yǎng)肉湯。

本試驗(yàn)選用的加筋材料為分散性較好的聚丙烯纖維，具體的物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表2 聚丙烯纖維的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Fundamental properties of polypropylene fiber

1.2 樣品制備及MICP處理

為了獲得土體的抗拉強(qiáng)度，過(guò)去有不少學(xué)者采用巴西劈裂等測(cè)試手段，但巴西劈裂試樣不能全部受拉，試驗(yàn)結(jié)果偏大，且存在一定尺寸效應(yīng)（李瑞超等，2019）。本文采用自制“8”字形制樣模具（Tang et al., 2016； Li et al., 2019）進(jìn)行試樣制備和開(kāi)展直接拉伸試驗(yàn)。模具由有機(jī)玻璃制成，其內(nèi)腔高度20 mm，長(zhǎng)度為80 mm，寬度在兩端為40 mm，中央處頸縮至20 mm，呈“8”字形（圖1），以預(yù)先確定拉伸失效的位置和方向。為便于開(kāi)展直接拉伸試驗(yàn)，制樣模具在頸縮最窄處斷開(kāi)，斷口處涂抹凡士林；在模具底部墊一層濾紙，以避免鈣質(zhì)砂的漏失，并增加底部的滲透性，試樣側(cè)壁用膠帶固定。

圖1 “8”字形制樣模具Fig. 1 Schematic drawing and photo of 8-shaped preparation mold

為探究纖維摻量和長(zhǎng)度對(duì)MICP固化鈣質(zhì)砂抗拉強(qiáng)度的影響，設(shè)置纖維摻量和纖維長(zhǎng)度兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)照組。纖維摻量對(duì)照組選用長(zhǎng)度為12 mm的纖維，摻量分別為0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.60%和0.90%（纖維占砂土體積的百分?jǐn)?shù)）；纖維長(zhǎng)度對(duì)照組摻量為0.10%，長(zhǎng)度分別為3 mm、6 mm、9 mm、12 mm、15 mm和19 mm。此外設(shè)置不添加纖維試樣作為空白對(duì)照，共計(jì)12組試樣，每組3個(gè)平行試樣，共計(jì)36個(gè)試樣，以測(cè)試平均值為有效值。

試樣制備過(guò)程：首先稱取鈣質(zhì)砂75 g和設(shè)定體積分?jǐn)?shù)的纖維，然后將纖維捻散摻入到鈣質(zhì)砂中，混合均勻后裝填于制樣模具內(nèi)，砂樣干密度控制為1.34 g/cm3。

MICP處理過(guò)程：首先將試樣浸沒(méi)于菌液內(nèi)1 h，保證有充足的微生物吸附、固定于鈣質(zhì)砂表面，隨后將試樣取出浸沒(méi)于養(yǎng)護(hù)箱的膠結(jié)液內(nèi)7 d，因?yàn)镸ICP處理過(guò)程在7 d后趨于停滯（Zhao et al., 2016）。此外為保證有充足的膠結(jié)液為MICP過(guò)程提供反應(yīng)物質(zhì)，膠結(jié)液液面沒(méi)過(guò)試樣上表面2 cm。溫度是影響微生物生長(zhǎng)繁殖的重要因素，巴氏芽孢八疊球菌最適宜生長(zhǎng)溫度為30~37℃（錢春香等，2015），為保證MICP處理過(guò)程中微生物能維持高活性，養(yǎng)護(hù)箱全程置于30℃水浴環(huán)境內(nèi)。7 d后，取出試樣置于自然通風(fēng)處風(fēng)干，至此完成一輪膠結(jié)。重復(fù)上述步驟，本試驗(yàn)共進(jìn)行三輪膠結(jié)。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 碳酸鈣生成量測(cè)試

學(xué)界普遍采用酸洗法或滴定法測(cè)試MICP加固硅質(zhì)砂的碳酸鈣生成量，然而由于鈣質(zhì)砂自身碳酸鈣含量超過(guò)95%，上述方法均無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的碳酸鈣生成量（Fang et al., 2020）。因而本文采用稱重法進(jìn)行碳酸鈣生成量測(cè)試，具體過(guò)程如下：首先將MICP處理后的試樣用去離子水漂洗，以去除殘留于試樣內(nèi)的可溶鹽和有機(jī)物，隨后將試樣置于60℃烘箱內(nèi)烘干至恒重。使用天平測(cè)試MICP處理前后試樣的質(zhì)量，分別記錄為m1和m2，按照式（4）計(jì)算碳酸鈣生成量。

1.3.2 抗拉強(qiáng)度測(cè)試

采用單軸應(yīng)變控制拉伸裝置進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)。單軸應(yīng)變控制拉伸裝置（圖2）由拉伸模具、加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。拉伸模具內(nèi)腔形狀與制樣模具相似，其內(nèi)腔尺寸與制樣模具的外緣尺寸一致，試樣可以直接放入模具內(nèi)；加載系統(tǒng)采用水平加載模式，由固定平板、固定支座、滑動(dòng)支座、滑動(dòng)導(dǎo)軌和電動(dòng)機(jī)組成，此部分由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)施加拉力，精度為0.01 mm/min；控制系統(tǒng)由拉應(yīng)力傳感器、位移傳感器、信號(hào)采集器組成，其中拉應(yīng)力傳感器量程0~500 N，精度為0.01 N，位移傳感器量程0~50 mm，精度為0.01 mm。

圖2 應(yīng)變控制拉伸試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 2 Schematic drawing of displacement-controlled direct tensile test apparatus

將經(jīng)MICP固化后的鈣質(zhì)砂試樣放置于拉伸模具內(nèi)進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為1 mm/min；拉伸過(guò)程中滑動(dòng)支座帶動(dòng)拉伸模具和一半的試樣一起向電機(jī)方向移動(dòng)，并向試樣施加拉伸力（圖3）。記錄拉伸過(guò)程中的拉力和位移。測(cè)得拉力由作用在拉伸破壞面上的力和克服滑動(dòng)支座和固定支座之間的摩擦力組成；經(jīng)標(biāo)定系統(tǒng)摩擦力可以忽略不計(jì)。拉伸應(yīng)力σ計(jì)算是將拉伸力T除以試樣頸部橫截面積A，如式（5）所示。

圖3 應(yīng)變控制拉伸試驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig. 3 Photo of the displacement-controlled tensile test apparatus

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算抗拉強(qiáng)度并繪制拉應(yīng)力—位移曲線。定義試樣的抗拉強(qiáng)度為拉伸過(guò)程中試樣所能承受的最大拉應(yīng)力。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳酸鈣生成量

MICP過(guò)程形成的碳酸鈣具有充填和膠結(jié)作用，碳酸鈣生成量是影響MICP加固效果的關(guān)鍵因素。圖4給出了MICP處理后不同纖維摻量和不同纖維長(zhǎng)度試樣的碳酸鈣生成量。

2.1.1 纖維摻量對(duì)碳酸鈣生成量的影響

從圖4a中可以看出，在本文研究范圍內(nèi)，試樣的碳酸鈣生成量隨纖維摻量的增加先增后減。當(dāng)纖維摻量從0增加到0.30%時(shí)，碳酸鈣含量增幅為56.2%；而纖維摻量從0.30%增長(zhǎng)到0.60%時(shí)，其碳酸鈣含量為18.82%，僅增加了6.5%，此時(shí)碳酸鈣含量達(dá)到峰值；當(dāng)纖維摻量增長(zhǎng)到0.90%，碳酸鈣生成量下降了4.1%。由此可知，碳酸鈣生成量與纖維摻量并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，這與微生物、纖維和土體間的相互影響有關(guān)。

在低纖維摻量時(shí)，纖維占據(jù)的鈣質(zhì)砂孔隙空間體積較小，砂土體內(nèi)部有充裕的空間場(chǎng)所供微生物吸附、定植和參與MICP過(guò)程，而且纖維的摻入提供了額外的場(chǎng)所（Zhao et al., 2020）。試樣在膠結(jié)液內(nèi)浸泡養(yǎng)護(hù)時(shí)，額外吸附于纖維表面的巴氏芽孢八疊球菌增加了尿素水解量和碳酸根生成量，促進(jìn)了碳酸鈣晶體的生成和發(fā)育。當(dāng)纖維摻量到達(dá)一定程度時(shí)，纖維之間相互接觸纏繞形成空間網(wǎng)絡(luò)影響微生物在試樣內(nèi)的正常入滲和遷移（Li et al., 2016）。此外，纖維占據(jù)了大量的孔隙空間，有限的孔隙空間會(huì)抑制微生物的新陳代謝活動(dòng)，影響碳酸鈣的生成（謝約翰等，2019），且臨近試樣表面孔隙易發(fā)生快速減小，從而阻礙膠結(jié)液入滲到鈣質(zhì)砂內(nèi)部進(jìn)行MICP過(guò)程。因此，纖維摻量并不是越高越好。在本文研究范圍內(nèi)，最優(yōu)纖維摻量是0.60%。

2.1.2 纖維長(zhǎng)度對(duì)碳酸鈣生成量的影響

從圖4b可以看出，相同摻量情況下（0.10%），纖維長(zhǎng)度對(duì)試樣碳酸鈣生成量有較為顯著的影響，且短纖維的影響大于長(zhǎng)纖維。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為3 mm和6 mm時(shí)，碳酸鈣生成量分別為17.58%和17.96%。隨著纖維長(zhǎng)度的增加（9~19 mm），碳酸鈣生成量呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)（15.73%~13.65%），該趨勢(shì)與Fang等（2020）研究結(jié)果基本一致。這是因?yàn)殡S纖維長(zhǎng)度的增加，纖維在砂土體內(nèi)部容易彎曲、纏繞、折疊或成簇，進(jìn)而堵塞物質(zhì)流動(dòng)通道，影響微生物定植、尿素水解、碳酸鈣形成。因此，相同纖維摻量時(shí)，存在最佳纖維長(zhǎng)度。在本文研究范圍內(nèi)，最佳纖維長(zhǎng)度為6 mm。

你一定要記得，最重要的并不是成績(jī)，而是始終葆有信心與希冀。無(wú)論前路有多逼仄，你都應(yīng)該對(duì)生活充滿熱情與期待。木心說(shuō)過(guò)，“文學(xué)是可愛(ài)的，生活是好玩的?！蔽蚁敫呖家嗍侨绱恕Ｋ?，不要過(guò)分憂慮結(jié)果如何，好好享受這個(gè)“可愛(ài)的”“好玩的”過(guò)程吧！畢竟，不是所有與你同齡的人都能擁有這樣一段經(jīng)歷。

圖4 纖維對(duì)碳酸鈣生成量的影響Fig. 4 Effect of fiber reinforcement on calcium carbonate content production

2.2 抗拉強(qiáng)度

MICP固化鈣質(zhì)砂的抗拉強(qiáng)度是評(píng)價(jià)MICP加固效果的一個(gè)重要指標(biāo)，也是研究固化體張拉破壞特性的關(guān)鍵參數(shù)。

2.2.1 拉應(yīng)力—位移曲線

圖5為不同纖維摻量情況下典型試樣的拉應(yīng)力—位移曲線。由圖5可知，無(wú)纖維摻入試樣和有纖維摻入試樣的拉應(yīng)力—位移曲線存在明顯的區(qū)別。區(qū)別主要有兩方面：第一，有纖維摻入試樣可概括為四個(gè)典型階段，而無(wú)纖維摻入試樣變形破壞過(guò)程只有兩個(gè)典型階段；第二，有纖維摻入試樣的峰值應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的位移顯著大于無(wú)纖維摻入試樣。

以摻量0.10%，長(zhǎng)度12 mm纖維加筋MICP固化鈣質(zhì)砂試樣為例，拉伸曲線大致可以分為四個(gè)典型階段，包括：（1）初始誤差階段；（2）彈性階段；（3）損傷破壞階段和（4）殘余階段（圖5）。

圖5 試樣典型拉應(yīng)力—位移曲線Fig. 5 Typical tensile stress-displacement curves of the samples

初始誤差階段：加載初期，拉伸模具與試樣的存在一定的接觸孔隙，隨著拉伸位移的增加，接觸孔隙逐步被消除，拉應(yīng)力的增長(zhǎng)呈現(xiàn)為指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，較為緩慢。

彈性階段：此階段拉應(yīng)力隨著拉伸位移的增加呈現(xiàn)為線性上升的趨勢(shì)，試樣頸縮處開(kāi)始承受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力與位移成正比關(guān)系，符合胡克定律。

損傷破壞階段：隨位移的繼續(xù)增加，拉應(yīng)力上升的速率降低，拉應(yīng)力出現(xiàn)了最大值，此時(shí)試樣頸縮處的拉應(yīng)力超過(guò)了該處鈣質(zhì)砂—碳酸鈣固化界面所能承受的最大拉應(yīng)力，頸縮處的整體性受到漸進(jìn)性的破壞，內(nèi)部出現(xiàn)了微裂紋，與此同時(shí)，跨越微裂紋的纖維承受拉應(yīng)力抑制裂紋的發(fā)展，減緩了試樣的脆性破壞。

殘余階段：試樣頸縮處的微裂紋貫通形成破壞面，鈣質(zhì)砂—碳酸鈣塊體粘結(jié)作用全部喪失，拉應(yīng)力呈斷崖式下降，此階段僅由纖維跨越貫通面發(fā)揮橋接作用承擔(dān)拉應(yīng)力（圖6），隨著纖維被拔出或拉斷，拉應(yīng)力不斷減小直至全部消失。

圖6 纖維橋接作用Fig. 6 The “bridging” effect of fiber

對(duì)比加筋效果最佳試樣（纖維摻量0.60%）的拉應(yīng)力—位移曲線與無(wú)纖維添加試樣的曲線可以發(fā)現(xiàn)，不僅纖維加筋試樣的峰值強(qiáng)度得到了顯著提升，峰值位移也得到了顯著的增大，對(duì)應(yīng)的峰值位移從1.24 mm增長(zhǎng)到了3.2 mm，增長(zhǎng)了158.1%；試樣的殘余強(qiáng)度從0增長(zhǎng)到了41.61 kPa。當(dāng)纖維摻量為0.90%時(shí)，試樣的殘余強(qiáng)度增加到了105.43 kPa。由此可知，添加纖維能夠提高試樣峰值強(qiáng)度和破壞時(shí)的位移，增大試樣的殘余強(qiáng)度，顯著改善試樣的韌性，對(duì)保證島礁工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性具有重大的意義。

2.2.2 纖維摻量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

由圖7a可知，不同纖維摻量試樣的抗拉強(qiáng)度均高于無(wú)纖維試樣，且試樣抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)和碳酸鈣生成量成正相關(guān)，均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。纖維摻量為0.60%達(dá)到最大值，但二者的變化幅度并不一致，這與纖維加筋提升MICP固化鈣質(zhì)砂機(jī)制有關(guān)。

圖7 纖維對(duì)碳酸鈣生成量和抗拉強(qiáng)度的影響Fig. 7 Influences of fiber reinforcement on calcium carbonate content production and tensile strength

纖維MICP如前所述，鈣質(zhì)砂試樣內(nèi)摻入纖維，纖維表面能夠定植更多巴氏芽孢八疊球菌（圖8a），從而促進(jìn)碳酸鈣的生成量（圖8b）。微生物誘導(dǎo)生成的部分碳酸鈣沉積在纖維和鈣質(zhì)砂顆粒之間以及纖維表面（圖8c），增大了纖維與碳酸鈣間的相互作用，提高試樣的整體性和力學(xué)性能。

圖8 纖維加筋對(duì)MICP固化鈣質(zhì)砂影響示意圖Fig. 8 Schematic view of the effect of fiber reinforcement on MICP-treated calcareous sand

拉伸荷載作用下試樣頸縮處整體承受拉應(yīng)力，但聚丙烯纖維的彈性模量小于碳酸鈣，拉應(yīng)力作用下，纖維與碳酸鈣難以產(chǎn)生協(xié)同的變形，必然會(huì)出現(xiàn)相互錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì)（王德銀等，2013），然而微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣會(huì)對(duì)纖維的相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生限制作用，使得纖維能夠承受一定的拉應(yīng)力，并可將拉應(yīng)力分散傳遞到試樣內(nèi)部，起到分擔(dān)外部荷載的作用。纖維所能承擔(dān)的拉應(yīng)力取決于其與鈣質(zhì)砂間的界面作用力，受到細(xì)菌誘導(dǎo)沉積的碳酸鈣控制。沉積在纖維與鈣質(zhì)砂顆粒間的碳酸鈣（圖9a）能夠發(fā)揮膠結(jié)作用，將纖維、鈣質(zhì)砂固化在一起，并將纖維錨固于鈣質(zhì)砂內(nèi)，增加纖維拔出時(shí)的阻力。沉積在纖維表面的碳酸鈣（圖9b）能夠強(qiáng)化纖維的力學(xué)性能，增大纖維表面的粗糙度和纖維與基質(zhì)之間的接觸面積，提高纖維與基質(zhì)的摩擦力（Hao et al., 2018），二者相互作用共同增強(qiáng)纖維與碳酸鈣界面作用力。

圖9 纖維-MICP作用固化鈣質(zhì)砂的掃描電子顯微鏡圖像Fig. 9 SEM images of fiber-reinforced MICP-treated calcareous sand

低纖維摻量時(shí)（纖維摻量為0.05%~0.20%），碳酸鈣生成量顯著增加，纖維與碳酸鈣的界面作用力也隨之增高，但由于纖維空間分布間距較大，難以成行有效的纖維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此時(shí)試樣抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)主要來(lái)源于離散纖維一維加筋的作用。隨著纖維摻量的增高（摻量為0.20%~0.60%），碳酸鈣生成量的增幅放緩，但抗拉強(qiáng)度的增幅有了較大的提升。呈現(xiàn)此趨勢(shì)一方面是碳酸鈣增強(qiáng)纖維與鈣質(zhì)砂間的界面作用力，另一方面是纖維空間分布轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并同時(shí)發(fā)揮一維加筋作用和三維加筋作用，限制鈣質(zhì)砂顆粒之間的相對(duì)位移、抑制損傷微裂紋的形成和發(fā)展以及膠結(jié)體的變形，增加試樣的整體性和穩(wěn)定性（唐朝生等，2011）。隨纖維摻量的繼續(xù)增加（纖維摻量為0.60%~0.90%），試樣的碳酸鈣生成量下降，纖維與鈣質(zhì)砂之間的界面作用力減弱，此外部分纖維相互接觸纏繞，在局部形成弱結(jié)合面，降低固化體的整體性和抗拉強(qiáng)度（謝約翰等，2019）。因此，在工程實(shí)踐中應(yīng)選擇適合纖維摻量，最大程度發(fā)揮纖維加筋的作用。

2.2.3 纖維長(zhǎng)度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

由圖7b可知，相同纖維摻量（0.10%）時(shí)，隨纖維長(zhǎng)度增加，纖維MICP固化鈣質(zhì)砂的抗拉強(qiáng)度先增加再降低。6 mm長(zhǎng)度試樣的抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)到了281.62 kPa，漲幅為74.7%。當(dāng)纖維超過(guò)9 mm時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度下降較為明顯，試樣摻入纖維長(zhǎng)度為19 mm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度與素土試樣接近。此外，抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與碳酸鈣生成量的變化趨勢(shì)一致，但二者的變化幅度存在著較大差異，這也與纖維加筋提升MICP固化鈣質(zhì)砂機(jī)制有關(guān)。

纖維加筋效果除了受纖維—砂土界面作用力的，還受到纖維自身的抗拉強(qiáng)度的影響（唐朝生等，2011）。如前所述，經(jīng)MICP作用后，纖維與鈣質(zhì)砂間的界面作用力得到了極大地提升。相較于長(zhǎng)纖維，單絲短纖維與碳酸鈣的有效作用長(zhǎng)度較短，單絲纖維與鈣質(zhì)砂之間的相互作用較弱，在拉應(yīng)力作用下纖維極易在剪切面上發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)或拔出，失去加筋作用。隨著纖維長(zhǎng)度的增加，纖維與基質(zhì)之間的有效作用長(zhǎng)度增加，當(dāng)纖維與鈣質(zhì)砂的相互作用逐步增強(qiáng)，纖維所受到的拉應(yīng)力通過(guò)作用界面分散到試樣內(nèi)部，增大了單絲纖維所能承受的拉應(yīng)力。當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過(guò)一定值后，纖維—鈣質(zhì)砂相互作用界面所能承擔(dān)的拉應(yīng)力超過(guò)纖維抗拉強(qiáng)度，纖維被拉斷。

對(duì)比纖維摻量相同但長(zhǎng)度不同試樣的抗拉強(qiáng)度和碳酸鈣生成量可以發(fā)現(xiàn)，纖維長(zhǎng)度較短時(shí)（3 mm），碳酸鈣生成量較高，纖維與鈣質(zhì)砂間單位長(zhǎng)度的界面作用力較高，但限于纖維受力長(zhǎng)度較短，單絲纖維所能承擔(dān)的拉應(yīng)力有限，纖維主要的失效形式可能是被拔出。但破壞面附近短纖維的單絲數(shù)量要遠(yuǎn)超于長(zhǎng)纖維，所能承擔(dān)的總拉應(yīng)力要高于長(zhǎng)纖維試樣。隨纖維長(zhǎng)度增加（6 mm），單絲纖維受力長(zhǎng)度增加，破壞面附近的纖維數(shù)量有所降低，但碳酸鈣含量增加，而且單位長(zhǎng)度纖維所能承受的界面作用力增大，單絲纖維所能承擔(dān)的界面作用力顯著增大，纖維與鈣質(zhì)砂間的界面作用力與纖維自身的抗拉強(qiáng)度接近，處于被拔出和被拉斷的臨界狀態(tài)，因而試樣的抗拉強(qiáng)度最高，纖維加筋作用得到了最佳的發(fā)揮。當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過(guò)9 mm時(shí)，單絲纖維數(shù)量進(jìn)一步減少，碳酸鈣生成量也逐漸減少，單位長(zhǎng)度纖維所能承擔(dān)的界面作用力有一定的下降，試樣所能承受的拉應(yīng)力逐漸降低，且長(zhǎng)纖維容易相互折疊纏繞，進(jìn)一步減小了纖維所能承擔(dān)的拉應(yīng)力。但單絲纖維減少的幅度要大于碳酸鈣生成量的減少幅度，此外長(zhǎng)纖維的受力長(zhǎng)度要優(yōu)于短纖維，即單絲長(zhǎng)纖維能承擔(dān)更大的界面作用力，此時(shí)纖維的抗拉強(qiáng)度小于界面作用力，長(zhǎng)纖維主要的失效形式是被拔斷?？紤]工程實(shí)際，應(yīng)選擇能夠發(fā)揮最佳加筋效果長(zhǎng)度的纖維，以避免纖維浪費(fèi)進(jìn)而造成工程成本的增加。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)特制的“8”字形試樣開(kāi)展直接拉伸試驗(yàn)，研究了纖維加筋—MICP固化鈣質(zhì)砂的抗拉強(qiáng)度特性，分析了纖維摻量和長(zhǎng)度等因素的影響，并探討了纖維加筋—MICP固化聯(lián)合作用機(jī)制，得到如下結(jié)論：

（1）纖維能夠明顯改善MICP固化鈣質(zhì)砂的抗拉特性，相比于無(wú)纖維試樣，添加纖維試樣的抗拉強(qiáng)度最大增長(zhǎng)了172.40%，峰值變形最大提升了158.1%，殘余強(qiáng)度最大值達(dá)到了105.43 kPa。

（2）纖維還能夠顯著改變?cè)嚇拥淖冃翁卣?，無(wú)纖維添加試樣曲線僅有初始誤差階段和彈性階段兩個(gè)階段，添加纖維后曲線變?yōu)樗膫€(gè)階段，即初始誤差階段、彈性階段、損傷破壞階段和殘余階段。

（3）纖維加筋改善MICP固化鈣質(zhì)砂機(jī)理：纖維增加了微生物的吸附量，促進(jìn)碳酸鈣在纖維與鈣質(zhì)砂之間以及纖維表面的沉積，增大纖維與鈣質(zhì)砂之間的界面作用力，最終提高鈣質(zhì)砂的抗拉強(qiáng)度。

（4）纖維加筋MICP固化鈣質(zhì)砂的抗拉強(qiáng)度和碳酸鈣生成量隨纖維摻量的增加先增后減，但兩者變化幅度存在一定的差別， 主要是受碳酸鈣生成量、纖維與鈣質(zhì)砂間的界面作用力和纖維空間分布的影響；碳酸鈣增強(qiáng)了纖維與鈣質(zhì)砂間的界面作用力，但低摻量纖維發(fā)揮的是一維加筋作用，而高摻量纖維能夠形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)纖維加筋效果，當(dāng)摻量超過(guò)一定值時(shí)會(huì)形成弱結(jié)合面，抑制加筋作用；在本文研究范圍內(nèi)，最優(yōu)纖維摻量是0.60%。

（5）纖維加筋MICP固化鈣質(zhì)砂的抗拉強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增加先增后減，這主要和破壞面附近纖維數(shù)量和單位長(zhǎng)度所能承擔(dān)的界面作用力有關(guān)。破壞面附近短纖維單絲數(shù)量和單位長(zhǎng)度所能承擔(dān)的界面作用力均要高于長(zhǎng)纖維，試樣抗拉強(qiáng)度得到明顯提升；隨纖維長(zhǎng)度增加，兩者的作用先增后減；此外隨纖維長(zhǎng)度的增加，纖維的破壞模式由拔出向拉斷轉(zhuǎn)變，這主要取決于纖維自身的抗拉強(qiáng)度和纖維—鈣質(zhì)砂界面作用力的大小。在本文研究范圍內(nèi)，最佳纖維長(zhǎng)度為6 mm。