不同類型纖維對MICP處理鈣質(zhì)砂物理力學(xué)性能的影響

作者簡介：

杜 掀（1994—），碩士，主要從事巖土工程材料研究工作。

摘要：文章通過吸水率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）測試，研究三種不同類型的纖維（玻璃纖維、聚酯纖維、大麻纖維）對MICP處理鈣質(zhì)砂的物理和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：添加纖維可以改善樣品的破壞應(yīng)變和延展性；與對照組相比，這三種纖維增強(qiáng)鈣質(zhì)砂的吸水率均降低，UCS均增加，聚酯纖維效果最好，其次是玻璃纖維和大麻纖維；玻璃纖維和聚酯纖維的最佳摻量分別為0.20％和0.25％，大麻纖維的最佳摻量在0.20%～0.25％。SEM圖像顯示，在大麻纖維周圍僅發(fā)生了少量方解石沉淀，與玻璃纖維和聚酯纖維相比，粘合效果較差，因此建議使用聚酯纖維來改善生物膠結(jié)砂的性能。

關(guān)鍵詞：纖維；MICP；鈣質(zhì)砂；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；吸水率

中圖分類號：U416.03 A 18 060 4

0 引言

鈣質(zhì)砂是一種分布在我國南海的巖土介質(zhì)，其形狀不規(guī)則、內(nèi)部孔隙多、承載能力低，在壓力下易發(fā)生顆粒破碎，在周期性荷載作用下，土骨架容易破壞［1］。目前眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)微生物誘導(dǎo)方解石沉淀（MICP），可改善鈣質(zhì)砂的物理力學(xué)性能，MICP處理方法因其環(huán)境友好、低能耗和可持續(xù)優(yōu)勢而受到關(guān)注［2］。盡管許多研究表明，MICP處理技術(shù)可以有效提高土壤強(qiáng)度和剛度，降低滲透率，提高抗液化能力，然而這些研究都是基于在材料中添加單一類型纖維的效果［3］。本文旨在全面了解不同纖維類型對MICP處理鈣質(zhì)砂物理力學(xué)性能的影響。根據(jù)來源的不同，纖維在自然界中大致可分為天然纖維、合成纖維和無機(jī)纖維。無機(jī)纖維是指以礦物為原料，通過化學(xué)反應(yīng)制成的化學(xué)纖維，其與合成纖維的區(qū)別在于原料來源不同。常見的無機(jī)纖維主要包括玻璃纖維、陶瓷纖維、金屬纖維、碳纖維等。合成纖維又稱化學(xué)纖維，是指通過化學(xué)反應(yīng)形成的聚合物［4］。合成纖維有多種類型，由于聚合物的原料不同，其物理和化學(xué)性質(zhì)不同。天然纖維是指自然界中植物和動物身上的纖維。根據(jù)來源可將其分為兩類：植物纖維和動物纖維。天然纖維作為一種廣泛存在于自然界中的纖維，由于成本低、易獲得、產(chǎn)率高，被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)［5］。

本文選擇了纖維增強(qiáng)鈣質(zhì)砂研究中常用的三種纖維類型（玻璃纖維、聚酯纖維和大麻纖維）開展吸水率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）測試，以研究三種不同類型纖維對鈣質(zhì)砂物理力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果可為MICP處理鈣質(zhì)砂的纖維選擇提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

1.1.1 細(xì)菌培養(yǎng)

試驗采用由20 g/L酵母提取物、10 g/L（NH4）2SO4和1.6 g/L NaOH（汕頭西龍科學(xué)有限公司）組成的無菌液體培養(yǎng)基，pH為9.0。將細(xì)菌在錐形瓶中以200 rpm的速度、28 ℃的溫度下培養(yǎng)36 h，并通過電導(dǎo)率測量細(xì)菌的活性。膠結(jié)溶液由0.5 mol/L的CaCl2和0.5 mol/L的尿素組成。

1.1.2 試驗土壤

本試驗采用來自南海永興群島的鈣質(zhì)砂，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。在測試前，將鈣質(zhì)砂放入烘箱中，在40 ℃下干燥24 h。鈣質(zhì)砂的級配曲線如圖1所示。砂粒粒度為0.2～1 mm，屬于細(xì)砂，砂粒均勻，級配差。

1.1.3 纖維類型

試驗選擇玻璃纖維、聚酯纖維和大麻纖維。其中，二氧化硅（SiO2）在玻璃纖維的化學(xué)成分中占主導(dǎo)地位，使玻璃纖維具有更好的耐磨性和耐腐蝕性；聚酯纖維具有特殊的三葉形橫截面，其表面粗糙度優(yōu)于傳統(tǒng)的圓形橫截面［6］；大麻纖維屬于天然植物纖維類，比動物纖維分布更廣，更容易獲得。

1.2 試樣制備

吸水率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗采用直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱形試件。分別摻入0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%和0.4%的三種不同纖維。此外，還設(shè)置了一個沒有摻入任何纖維的對照組。將8%的蒸餾水添加到鈣質(zhì)砂中，均勻攪拌后，將試樣分成三層放入模具中壓實。

1.3 試驗方法

1.3.1 灌漿加固

基于梁仕華等［7］的研究結(jié)果，本試驗中使用蠕動泵通過循環(huán)注漿加固樣品。灌漿速率設(shè)定為1.5 mL/min。共進(jìn)行4輪注漿，每次注漿量為一個試樣體積（即50 mL）。試樣在25 ℃的室溫下進(jìn)行微生物灌漿加固。

1.3.2 吸水率

吸水率表示灌漿后試件在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的吸水能力，也反映了試樣表面孔隙的數(shù)量。因此，采用吸水率試驗可以探究生物膠結(jié)砂的吸水能力。測試步驟如下：將MICP處理的試樣在108 ℃的烘箱中干燥12 h，并記錄干質(zhì)量m1；然后將試樣浸入蒸餾水中5～10 mm浸泡24 h，從砂柱中取出，吸去多余的水，并記錄新的質(zhì)量m2。根據(jù)式（1）計算試樣的吸水率ω：

ω=m2-m1m1×100%（1）

1.3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

對灌漿后的試樣進(jìn)行無限制抗壓強(qiáng)度（UCS）試驗。將試驗中使用的樣品在108 ℃的烘箱中干燥。測試所用的儀器是YAWS300自動壓力測試機(jī)，采用1 mm/min的加載速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸水率

圖2為不同纖維鈣質(zhì)砂吸水率的變化曲線。由圖2可知，所有類型的纖維鈣質(zhì)砂吸水率均隨著纖維含量的增加而降低。但超過一定纖維摻量后，吸水率反而出現(xiàn)增加趨勢。玻璃纖維鈣質(zhì)砂（GF-BS）、聚酯纖維質(zhì)砂（PF-BS）和大麻纖維質(zhì)砂（HF-BS）的吸水率最小值分別為0.20%、0.25%和0.20%，與對照組（BS）相比，吸水率分別降低了11.60%、21.18%和7.29%。GF-BS的吸水率僅在高纖維含量下高于BS，而HF-BS除0.20%纖維摻量外基本保持在BS之上。同時，對比三種不同纖維鈣質(zhì)砂試樣的吸水率發(fā)現(xiàn)，PF-BS的吸水率最低，其次是GF-BS和HF-BS。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

三種纖維鈣質(zhì)砂試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果如下頁圖3所示。由圖3可知，初始階段應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增加，直到應(yīng)力達(dá)到峰值，為彈性變形階段。隨著應(yīng)力達(dá)到峰值，樣品開始破裂并受損。對于GF-BS，試樣破壞后的應(yīng)力-應(yīng)變趨勢與BS大致一致，如圖3（a）所示。這表明玻璃纖維對提高樣品的延展性效果較差。對于PF-BS，在0.1%和0.2%的低纖維摻量下，樣品的延展性改善不佳，如圖3（b）所示。然而，在其他纖維摻量下，破壞后樣品的應(yīng)力-應(yīng)變趨勢慢于BS。這表明當(dāng)聚酯纖維摻量為0.2%～0.4%時，樣品的延展性可以提高。對于HF-BS，試樣的延展性提高相對較差，只有當(dāng)試樣的應(yīng)力值降低到較低水平時，應(yīng)力和應(yīng)變的下降趨勢才變得緩慢，如圖3（c）所示。這表明當(dāng)樣品被破壞時，大麻纖維不能立即發(fā)揮作用。綜上所述，聚酯纖維對提高鈣質(zhì)砂延展性的效果最好。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

三種不同纖維鈣質(zhì)砂試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）測試結(jié)果如圖4所示。對于纖維加筋鈣質(zhì)砂，UCS隨著纖維摻量的增加而增加。但當(dāng)纖維摻量增加到一定值時，UCS會隨著纖維摻量的增加而降低。GF-BS、PF-BS和HF-BS的最大UCS分別在0.20%、0.25%和0.25%的纖維摻量下獲得；最大強(qiáng)度分別為1.668 MPa、2.159 MPa和1.429 MPa，與對照組（BS）相比，分別提高了24.20%、60.76%和6.40%。GF-BS和HF-BS的UCS僅在高纖維摻量下低于BS。比較三種不同纖維鈣質(zhì)砂試樣的UCS，得出結(jié)論：PF-BS的UCS最高，GF-BS次之，HF-BS最低。根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果可以得出，玻璃纖維和聚酯纖維的最佳摻量分別為0.20%和0.25%，大麻纖維的最佳摻量在0.20%～0.25%。

2.4 彈性模量

圖5為不同纖維鈣質(zhì)砂試樣的彈性模量。由圖5可以看出，PF-BS的彈性模量在不同纖維摻量下變化幅度較小，GF-BS和HF-BS隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)出隨彈性模量先增加后減少的趨勢。在三種纖維增強(qiáng)鈣質(zhì)砂中，PF-BS的彈性模量高于BS和其他兩種纖維增強(qiáng)鈣質(zhì)砂，GF-BS的彈性模量普遍大于HF-BS。三種纖維增強(qiáng)鈣質(zhì)砂的彈性模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化趨勢相同，PF-BS的彈性模量最高，其次是GF-BS和HF-BS。這表明在相同應(yīng)變條件下，PF-BS的應(yīng)力最高，PF-BS摻入鈣質(zhì)砂中可實現(xiàn)最大剛度。PF-BS的彈性模量高，可能是由于其高碳酸鈣沉淀和聚酯纖維的高拉伸強(qiáng)度所造成的。因此，聚酯纖維對MICP處理鈣質(zhì)砂的影響最大。

2.5 SEM圖像

圖6為不同纖維鈣質(zhì)砂的SEM圖像。如圖6所示，纖維與鈣質(zhì)砂接觸面上的方解石在纖維與砂粒之間形成了結(jié)合作用。這是纖維在微生物膠結(jié)鈣質(zhì)砂中發(fā)揮作用的關(guān)鍵因素。由于這種粘合作用，提高了纖維微生物膠結(jié)鈣質(zhì)砂的延展性和強(qiáng)度。如圖6（c）所示，大麻纖維周圍僅有少量方解石沉淀，導(dǎo)致粘合效果不佳。摻入大麻纖維的鈣質(zhì)砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低，部分含量甚至低于BS的強(qiáng)度，同時HF-BS的碳酸鈣沉淀也少于GF-BS和PF-BS。這可能是由于與玻璃纖維和聚酯纖維相比，大麻纖維更光滑，大麻纖維對灌漿過程中細(xì)菌和膠結(jié)液的滯留有不利影響，導(dǎo)致方解石沉淀減少。圖6還顯示，在試樣損壞后，大麻纖維沒有明顯彎曲，而玻璃纖維和聚酯纖維則有。結(jié)果表明，大麻纖維的強(qiáng)度沒有得到充分利用。因此，當(dāng)試樣受損時，纖維與砂粒之間的結(jié)合作用減弱，導(dǎo)致HF-BS強(qiáng)度降低。

2.6 討論

根據(jù)吸水率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果，玻璃纖維和聚酯纖維的最佳摻量分別為0.20%和0.25%，大麻纖維的最佳摻量為0.20%～0.25%。原因為摻入纖維會占據(jù)樣品的原始孔隙，進(jìn)而占據(jù)細(xì)菌的生存空間，若添加過多的纖維會壓縮細(xì)菌生長的空間，可能導(dǎo)致微生物生長受到抑制，并對碳酸鈣的沉淀產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致樣品的強(qiáng)度降低。

3 結(jié)語

（1）對于纖維增強(qiáng)鈣質(zhì)砂，吸水率隨著纖維摻量的增加而降低。但當(dāng)纖維摻量上升到一定閾值時，吸水率會隨著纖維摻量的增加而增加。GF-BS、PF-BS和HF-BS的最小吸水率分別為0.20%、0.25%和0.20%，與BS相比，分別降低了11.60%、21.18%和7.29%。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)相反的趨勢，GF-BS、PF-BS和HF-BS的最大UCS分別為0.20%、0.25%和0.25%。最大強(qiáng)度分別為1.668 MPa、2.159 MPa和1.429 MPa?？傮w而言，隨著吸水率的增加，樣品的UCS下降。這表明樣品表面的孔隙對樣品的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響。

（2）對于PF-BS，當(dāng)聚酯纖維摻量為0.2%～0.4%時，樣品的延展性得到有效提高。對于HF-BS，只有當(dāng)樣品的應(yīng)力值降低到較低水平時，應(yīng)力和應(yīng)變的下降趨勢才變得緩慢。這表明當(dāng)樣品被破壞時，大麻纖維無法立即發(fā)揮作用。這三種纖維鈣質(zhì)砂的彈性模量以PF-BS最高，其次是GF-BS和HF-BS。這表明在相同應(yīng)變條件下PF-BS的應(yīng)力最高。

（3）SEM掃描圖像顯示，纖維與鈣質(zhì)砂接觸面上的方解石在纖維與鈣質(zhì)砂之間形成了結(jié)合作用；相比之下，在大麻纖維摻入時，在其周圍幾乎沒有方解石沉淀，導(dǎo)致粘合效果差。

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收稿日期：2022-10-10