MICP联合纤维加筋改性钙质砂力学特性研究

尹黎阳，唐朝生，张 龙

1. 中国铁路设计集团有限公司 地质勘察设计研究院，天津 300000；2. 南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023

南海地区油气资源、生态资源极为丰富，同时是中国“21世纪海上丝绸之路”的桥头堡，开发建设南海地区对于中国保障海上贸易安全以及战略资源安全至关重要（胡志勇等，2019）。近年来，中国逐步加强了对南海的开发力度，对南沙群岛、中沙群岛的部分岛礁开展吹填造岛和岛礁建设工程，以便更好的巩固和利用南海资源（李国选等，2018）。用作岛礁建设的南海钙质砂是由珊瑚、贝壳等海洋生物残骸经物理、化学、生物作用后形成的，相较普通河砂其强度低、压缩性高、颗粒易破碎, 在排水不良、动荷载等条件下还存在液化和承载力衰减等不良特性（王新志等，2008，2018） 。因此，对钙质砂进行改性加固、改善其力学性能对提高工程使用寿命，减少后期维护具有较强的现实意义。南海海域远离大陆、运输困难，同时珊瑚及珊瑚礁的生长对海洋环境要求苛刻，针对南海岛礁土体的加固改性方法必须遵循易于施工、经济环保、适用于南海特殊环境、对海洋环境污染较小的原则。传统土体改性方法如强夯、振冲加固需要大型施工机械，现阶段在南海岛礁上使用并不现实，而化学注浆材料大多具有强碱性和生物毒性，如：水泥、聚丙烯酰胺（PAM）、多聚糖（PSD）等，在生态环境脆弱的南海使用极易导致岛礁周边珊瑚群死亡退化，生态系统崩溃。

微生物诱导方解石沉淀技术（Microbially Induced Calcite Precipitation，以下简称 MICP）是一种新兴的土体加固方法，其在土体力学改性、堤岸抗侵蚀、防治重金属离子污染等多个领域有着巨大的应用潜力（尹黎阳等，2019）。目前主流的方法是通过向土体中注入尿素水解菌和含有钙离子的胶结液，通过细菌代谢作用产生碳酸根离子并与钙离子结合，在土体孔隙中形成碳酸钙，进而粘接土体，其主要反应方程式如下：

其施工过程简单、成本低廉、无生物化学毒性，同时在改善钙质砂的力学特性等方面也取得了良好的效果，能够满足南海岛礁建设所要求的苛刻条件（刘汉龙等，2019；张鑫磊等，2020）。业内诸多学者针对MICP改性钙质砂做了深入的研究。如河海大学刘璐等（2016）系统研究了钙质砂胶结程度与单轴抗压强度、劈裂抗拉强度等力学指标之间的关系，其固化后的单轴抗压强度、抗拉强度分别达到2.3 MPa、356 kPa。重庆大学刘汉龙团队（刘汉龙等，2019）在南海某吹填岛礁上开展了现场地基加固试验，经多次MICP灌浆处理后，砂土表面强度可达20 MPa，单轴抗压强度可达821 kPa。清华大学郭红仙等（2019）利用拌和法固化钙质砂，其压缩指数可降低0.10。张鑫磊等（2020）利用MICP灌浆处理钙质砂，其抗液化能力有着较大幅度的提高，在受地震荷载后能够有效降低地基沉降量。但在现阶段， MICP技术处理后的试样刚度和脆性过大，在达到峰值破坏强度后，试样往往迅速崩碎，对工程安全极为不利。

近年来，部分学者将聚丙烯纤维和MICP联合应用于砂土的力学性质改善，并取得了一定的效果。Consoli等（2011）根据一系列劈裂拉伸试验，证明了纤维和胶结材料共同作用能够大幅提高土体的抗拉强度。Li等（2016）和Choi等（2016）将MICP技术与纤维加筋结合，其无侧限抗压强度超过2 Mpa。LYU等（2020）分别利用聚丙烯纤维、玄武岩纤维和碳纤维与MICP协同处理改善硅砂力学性能，其强度、韧性改善效果显著。郑俊杰等（2019）利用玄武岩纤维与MICP协同处理硅砂，在0.30%掺量、20 mm纤维长度下试样峰值抗压强度达到最大值。可以认为，将MICP联合纤维加筋技术应用于土体力学性能改善，在理论上可以达到提高试样强度、增强韧性、提高土体力学性能的目的，考虑到该方法应用于钙质砂力学性能改性的研究尚不多见，因此提出将MICP技术与纤维加筋联合应用于改良钙质砂以提高钙质砂的强度和韧性，并通过无侧限压缩试验、扫描电镜观测等手段研究微生物与纤维结合改善力学强度的机理，探讨不同纤维掺量对钙质砂无侧限抗压强度、残余强度和破坏模式的影响。

1 材料和试样养护方法

1.1 钙质砂及纤维

试验用砂为南海钙质砂，经酸洗法测得碳酸钙含量95.13%，钙质砂经去离子水浸泡润洗并烘干24 h后过2 mm筛，其不均匀系数Cu=3.5，曲率系数Cc=1.14、D10=1.14、D30=0.2、D60=0.35 mm，详细物理力学性质如表1所示。根据《土的工程分类标准》GB/T 50145-2007（中华人民共和国建设部，2007），该砂为级配不良砂。试验用纤维为聚丙烯纤维（PP），其物理力学性质见表2。

表1 钙质砂的物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of calcareous sand

表2 聚丙烯纤维物理力学性质（唐朝生等，2009）Table 2 Physical and mechanical properties of polypropylene fiber（Tang et al, 2009）

其中，D60（mm）为控制粒径，D30（mm）为颗粒百分含量小于30%的粒径，D10（mm）为有效粒径，Cu为均匀系数，Cc为曲率系数。

1.2 细菌培养

试验用细菌为巴氏芽孢八叠球菌（ATCC11859）（Sporosarcina pasteurii），菌株采购于美国菌种保藏中心，采用ATCC 1376 NH4-YE液体培养基（每升含20 g酵母提取物，15.73 g Trisbase，10 g（NH4）2SO4， pH为9.0）活化培养。细菌接种前须经30 min 120℃高温蒸汽灭菌处理，接种后在转速120 rpm/min，温度30℃的恒温振荡培养箱中活化培养24小时。测得脲酶活性为3.11 mmol/L/min，吸光度（OD600）为1.27 （对应菌落数为3×108（CFU）mL-1)。固化样品所需的胶结液成份为CaCl2（0.5 mol/L）、尿素（0.5 mol/L）及Nutrient broth（3.0 g/L）。

1.3 试样胶结制备

试验采用圆柱打孔模具装填试件（高74 mm，直径37 mm，孔径2 mm，外侧包裹纱布），将钙质砂与纤维按预设纤维掺量（干砂重量的0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.40%，分别对应S1-S8号）拌和均匀后装样，每组3个平行样，控制干密度为1.26 g/cm3。所有砂柱均浸没在细菌液中2小时，细菌定殖完成后将样品转移到含胶结液的养护箱内，养护时胶结液液面比样品顶面高出3 cm（图1）。利用气泵不断地向胶结液中通入空气，30℃恒温养护7天后，倒置样品并风干至自然含水率（约4%）。然后重复上述步骤，共进行两轮胶结固化，固化完成后拆模，除0.20%掺量的一件试样未固化成形，其余 23个试样均固化完整。样品经清水漂洗、自然风干后待用。

图1 浸泡胶结流程Fig. 1 Process of cementation

2 物理力学性质测试

2.1 碳酸钙含量测定

钙质砂本身含有大量碳酸钙，无法使用热重分析法和酸洗法测量碳酸钙含量，因此采用称重法计算，如式1：

式中，M1为MICP固化前样品质量（g），M2为固化后质量（g），c为碳酸钙含量（%）。

2.2 无侧限抗压强度测试

采用应变控制式无侧限压缩试验仪，试样在轴向应变条件下（ASTM D2166）匀速受载，如图2，加载速率1.0 mm/min，轴向应力计算公式如下：

图2 无侧限压缩试验仪Fig. 2 Unconfined compression tester

式中Δx为试验仪顶部量力环记录的变形量（mm），α为量力环变形系数，A为横截面表面积（mm2），σc为该时刻的无侧限抗压强度（Pa）。

同时通过试样压缩过程中记录的位移D（mm），除以试样本身长度L（74 mm）可以得到试件轴向应变ε：

3 结果及分析

3.1 碳酸钙含量分析

碳酸钙含量如图3所示，未掺纤维试样S1的碳酸钙平均含量最低，为21.18%，而纤维掺量0.40%的试样S8碳酸钙平均含量高达27.26%。所有纤维加筋砂柱的碳酸钙含量均高于不加筋试样S1，且随纤维掺量的增加单调递增。

图3 各掺量试样平均碳酸钙含量Fig. 3 Average CaCO3 content in different fiber content

3.2 无侧限抗压强度分析

各纤维掺量下的平均峰值强度如图4所示，可以看出，不掺纤维试样S1无侧限抗压强度对比掺纤维组试样明显偏低，最低纤维掺量组（S1-0.05%）平均强度相比未掺纤维组提高了25.22 kPa，而最高纤维掺量组（S8-0.40%）平均强度是S1的2.74倍，表明聚丙烯纤维对于提升无侧限抗压强度具有积极的促进作用。通过对比不同试验组的结果，证实MICP固化钙质砂无侧限抗压强度随纤维掺量增加而呈单调增加的趋势，且自0.15%掺量开始，增幅越发明显。同时，碳酸钙含量随着纤维掺量的增加而增加，表明纤维的加入有助于碳酸钙的生成。通过扫描电镜发现（图5a），除砂颗粒表面外，微生物还会随机附着在纤维表面定殖，从而促进更多碳酸钙晶体的形成和发展（图5b）。一般认为，微生物诱导生成的碳酸钙含量是评价生物胶结固化效果的重要指标，较高的强度通常来源于较高的碳酸钙含量（Feng and Montoya 2016；Choi et al.，2017）。图6印证了试样的峰值抗压强度与碳酸钙含量呈正相关趋势，证明纤维提高试样峰值抗压强度是通过促进碳酸钙的生成而实现的，纤维的掺入在为碳酸钙提供成核位点，促进碳酸钙快速生成的同时，还能够将碳酸钙、砂颗粒、纤维粘接成整体，进而提升试样的抗压性能。

图4 各掺量试样平均无侧限抗压强度Fig. 4 Average UCS in different fiber content

图 5 微生物在纤维表面定殖及沉积碳酸钙过程Fig. 5 Microorganism colonization and calcium carbonate deposition on fiber surface

图6 碳酸钙含量与无侧限抗压强度关系Fig. 6 Coupling between calcium carbonate content and UCS

3.3 刚度分析

MICP胶结钙质砂试件在压缩初始阶段具有一定的线弹性特征，其无侧限抗压应力应变特性与岩石相似，这里对反映试件刚度指标的弹性模量E50进行分析。图7中点线图为不同纤维掺量试样对应的弹性模量，随纤维掺量的增大，试样压缩模量整体上呈现出较明显的下降趋势，纤维加筋试样相比未掺纤维试样的压缩模量降低超过一半：0.00%和0.05%纤维掺量的弹性模量超过30 MPa，0.10%~0.40%纤维掺量试样的弹性模量大幅下降，均值为13.74 MPa，降幅达60%，同时高纤维掺量下的弹性模量呈小幅度波动上升趋势。

图7 纤维掺量对峰值强度、峰值应变、弹性模量的影响Fig. 7 The effect of fiber content on peak strength, peak strain and compression modulus

3.4 韧性分析

韧性是衡量材料抵抗脆性破坏的重要指标，该指标通常用变形过程中和破裂前材料吸收的能量表示。将各掺量试样在压裂破坏前的应力应变曲线求积分，如图8，可以看出，随纤维掺量的增加，试样在压裂破坏前吸收的能量总体上呈增大趋势，未掺纤维和低掺量试样的能量明显比高掺量试样低许多，表明纤维的掺加显著改善了MICP胶结试样承受压缩荷载时过脆易碎的特点，增强了试件韧性。高掺量试样S8在破坏前吸收的能量是S1的11倍，而强度增长较为明显的S4试样吸收的能量也达到了S1的2.2倍，说明在无侧限抗压强度试验中，纤维掺量的增加可以使试样吸收能量的能力增强，其韧性提升效果也越发明显，且在试验范围内，整体上纤维越多，试件韧性越强；0.10%掺量以下的试样韧性变化趋势不大，表明掺量过少时试件韧性的改善效果并不明显。

图8 各纤维掺量试件破坏前能量吸收比较Fig. 8 Comparison of energy absorption of specimens with different fiber content before failure

3.5 残余强度分析

残余强度指试件在单轴无侧限抗压试验中发生破坏后残余的抵抗应力。取12%应变条件下的残余强度作为标准值，由图9可知，试件残余强度随着纤维掺量的增加呈线性增长趋势，证明纤维带来的强度增加不仅仅局限于峰值应力，而是试样整体抗压能力的提升。将试件破坏后的残余强度qr与无侧限抗压强度qu的比值定义为抗压残余峰值应力比Irc：

图9 残余强度线性拟合Fig. 9 linear fitting of residual strength

抗压残余峰值应力比Irc反映了试样达到峰值强度破坏后抗压强度的保持能力，即反映了试件的延性，其值越大，试样的延性越好。基于此公式，计算了纤维加筋MICP胶结钙质砂的峰值残余强度比Ircc，图10为各纤维限抗压强度、残余强度和残余峰值应力比的对比关系，可见残余峰值强度比Irc随纤维掺量增长呈近线性函数增长，拟合公式为：

图10 残余峰值强度比线性拟合Fig. 10 linear fitting of residual peak strength ratio

式中x为纤维掺量。

3.6 无侧限压缩破坏模型

纤维加筋试样的无侧限抗压曲线整体上呈现出明显的“多峰特征”，曲线如同台阶一样逐级上升到峰值应力后逐级下降（图11），选取S8试样（纤维含量0.40%）的峰前和峰后两段曲线放大详细分析。

图11 阶梯式应力—应变曲线Fig. 11 Stepped stress-strain curve

曲线在峰前“阶梯上升”阶段应力首先急剧上升到一个较小峰值后轻微下降，然后立即上升到一个新的高点，直至达到峰值应力。这是由于轴向荷载增加导致试件在原先整体受荷的过程中，部分结构较差的砂颗粒及砂—碳酸钙混合物发生了微破碎，棱角和内孔隙较多的大颗粒先被压裂，砂和碳酸钙之间的薄弱界面也被破坏，形成了小范围的空间，累积应力突然释放，因而曲线出现短暂下降。然而这种挤压只会在非常小的区域内发生，并且不会影响样品的整体承载能力，碎屑被重排和压实后应力将继续上升（图12）。在峰后破坏阶段，宏观应力应变曲线总体上呈现出递减趋势，但局部会出现大量强度短暂增加然后下降的“阶梯下降”曲线特征段，这是由于在试样破坏过程中会不断形成剪切破坏面这些破坏面的发展导致了试样强度的不断下降，但纤维的存在可以限制破坏面的发展并承受荷载，从而使应力短暂回升。随着纤维承受的拉应力不断增加，一旦超过纤维—碳酸钙—砂颗粒之间的界面强度后，平衡即被打破，破坏面进一步发展，导致强度下降。但随着应变继续增大，剩余的纤维重新发挥作用，继续限制破坏面的扩展。图13即为扫描电镜下纤维牵拉相邻颗粒胶结团块时碳酸钙、砂颗粒对其强烈摩擦形成的磨损。纤维在试样受压破坏开裂后能够在剪切裂隙面上发挥牵拉作用，类似“桥”一样连接裂隙两侧，在抑制裂隙扩展的同时为试件提供一定的残余强度。纤维的牵拉能力与裂隙断面上纤维的数量有关，因此在无侧限抗压试验中MICP胶结试样的残余强度与纤维掺量呈正相关趋势。聚丙烯纤维的末端被砂颗粒和微生物诱导生成的碳酸钙包裹，像“锚头”一样牢牢地卡在砂粒之间孔隙中，从而成纤维-碳酸钙-砂颗粒的组合体（图14），纤维受到“锚头”固定而牵拉限制了相邻砂块体的移动，从而增强了牵拉作用。

图12 峰前曲线阶梯上升模式机理示意图Fig. 12 Schematic of mechanism of pre peak-ladder rising mode

图14 锚头式组合示意图Fig. 14 Anchor type combination

4 结论

提出利用MICP与纤维加筋联合改性钙质砂的力学性能，重点分析了不同纤维掺量对其力学性能的影响，并基于微观结构和示意模型，探讨了聚丙烯纤维加筋的增强机理。主要结论如下：

（1）纤维加筋与MICP技术相结合，可显著提高微生物固化钙质砂的力学性能，且纤维掺量大于0.15%的试样无侧限抗压强度及残余强度均较未掺纤维试样大幅提高，这对提高工程安全性和稳定性具有重要意义。

（2）纤维的掺入除了发挥自身的牵拉能力外，还能够增加产尿酶细菌的定殖面积，有利于提升碳酸钙的沉淀效率。纤维含量在0.00%~0.40%的范围内时，试样的碳酸钙含量、无侧限抗压强度、残余强度整体上与纤维掺量呈正相关趋势。

（3）纤维的加入能够提高MICP固化钙质砂试样的韧性和延性，并显著改善试样脆性破坏的特点，试验范围内纤维掺量越高，改善效果越好。且纤维的掺入量与延性指标呈线性增长关系，与试样的韧性指标呈指数增长关系。

（4）应力应变曲线呈现阶梯状多峰特征。在峰前“阶梯上升”阶段，钙质砂颗粒和砂—碳酸钙混合物受压后会发生局部破碎，但并不影响其可承受应力的提升，破碎颗粒经重排压实后试样可继续承力直至完全破坏；在峰后“阶梯下降”阶段，碳酸钙的胶结作用提高了纤维与砂粒的界面力学强度，增强了纤维的抗拔性能，使得试样在破坏时不断受到纤维牵拉作用的限制，这是纤维加筋对试样韧性、延性提升的根本原因。