MICP联合纤维加筋黄土的力学性能及水稳性研究

胡其志 霍伟严 马强 陶高梁

摘要：

黄土在中国分布较广，具有强度低、高湿陷性等不良工程特性，利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术联合纤维加筋对黄土进行处理，可有效改善其力学性能和水稳性。为了解MICP联合纤维加筋黄土的固化效果，在黄土中掺入质量比分别为0.2%，0.3%，0.4%，0.5%的玄武岩纤维，辅以不同比例的菌液与胶结液（体积比为2∶8，3∶7，4∶6，5∶5），采用拌合法对黄土进行加固处理，并对处理后试样开展碳酸钙生成量测试、无侧限抗压强度试验、崩解试验和SEM微观测试。结果表明：① MICP拌合固化黄土可以有效改善其力学性能，固化试样内部碳酸钙生成量与峰值强度呈正比，最大生成量为黄土质量的1%，当菌液与胶结液的体积比为4∶6时，固化效果最佳。② 菌液与胶结液体积比固定为4∶6时，固化试样的无侧限抗压强度随纤维掺量的增加先增大后减小，最佳纤维掺量为0.4%。③ MICP固化后的黄土其完全崩解时间延长较多，当菌液与胶结液体积比为4∶6时，试样的耐崩解能力最强。④ 菌液与胶结液体积比固定为4∶6时，随着纤维掺量的增加，试样耐崩解能力逐渐增强，当掺量为0.5%时，试样的最终崩解率最低。⑤ 试样内部碳酸钙晶体呈片状附着于土颗粒与纤维表面，可有效增加土颗粒与纤维之间的粘结和摩擦，对固化后土体的强度和水稳性具有良好的促进作用。研究成果对MICP技术固化黄土的工程实际应用具有指导意义。

关 键 词：

黄土改良； MICP； 玄武岩纤维； 崩解； 無侧限抗压强度

中图法分类号： TU444

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.032

0 引 言

微生物诱导碳酸钙沉淀（microbial induced calcite precipitalion，MICP）技术是一种前沿的土壤改良技术，其基本原理主要为利用微生物产生的脲酶催化胶结液中尿素水解产生CO32-，CO32-再与胶结液中Ca2+反应生成碳酸钙沉淀。基于该技术发展起来的微生物灌浆法、浸泡法和喷洒法在各类粗粒土材料处理中已经有了较为广泛的应用。如梁仕华等通过选取不同颗粒级配的砂土进行微生物固化处理，发现颗粒级配对微生物固化砂土强度有较为明显的影响［1］；Liu等发现，采用浸泡法的MICP固化试样，不同区域的沉淀碳酸钙分布较为均匀［2］；何晓英等发现，微生物矿化碳酸钙可以提高泥石流沉积物的承载力，最大承载力提升可达20%［3］；李昊等通过贯入试验与冲刷试验发现MICP-FR协同固化技术能显著提高钙质砂的结构强度与抗侵蚀能力［4］；王绪民等以胶结砂试验为主，研究了MICP技术产生沉淀物的影响因素，表明营养液浓度在1.5 mol/L以下时可以有效增加沉淀物含量［5］。

此外，为了改善MICP固化的土体抵抗变形能力差、韧性低的特点，谢约翰等提出纤维加筋与MICP技术相结合的方法，并对不同纤维掺量下砂土试样的抗拉压强度进行了研究，结果发现纤维加筋能够有效提高砂土试样的韧性和破坏后的残余强度［6］。林胜强等通过试验得知，加入一定量的碳纤维对MICP固化钙质砂的动强度与抵抗变形的能力均有增强作用［7］。郑俊杰团队探究了纤维加筋对于微生物固化土体的影响，对不同纤维掺量试样的抗压、抗剪强度进行了研究，结果发现纤维加筋可以有效改善土体的强度及软化特性［8-9］

为了达到较好的加固效果，MICP技术用于固化粗粒土时，一般多次灌注、喷洒微生物和胶结液，或直接将试样浸泡在胶结液中，由于没有准确的菌液与胶结液使用标准，在实际工程中可能难以控制固化效果。此外，黄土颗粒较细、强度低，单独使用MICP技术固化黄土较为困难。

为此，本文采用拌合法，将菌液、胶结液、纤维与土体直接拌合，在一定条件下养护并进行固化处理，随后对固化处理后的试样开展一系列试验。通过无侧限抗压强度试验、崩解试验，对加固前后试样的力学性能与水稳定性进行测试，对比分析拌合固化过程中，菌液与胶结液体积比、纤维掺量对黄土固化效果的影响，并对固化后试样内部碳酸钙的生成量进行测试，利用SEM对碳酸钙的形态与附着方式进行观察，以探讨MICP拌合固化纤维加筋黄土的影响因素和内在机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

（1） 黄土与纤维。

试验所用黄土取自江苏淮安郊区，原状土呈黄褐色，其物理性质如表1所列，由于原状土中存在许多直径较大的砂石颗粒及根系杂质，需过筛处理。试验所用纤维为玄武岩纤维短切纱，其长度为18 mm，密度2.699 g/cm3，初始形态为长条状，经充分搅拌可分散为丝状，纤维丝直径17.4 μm。

（2） 菌液与胶结液。

试验所用微生物菌株为巴氏芽孢杆菌（Sporosarcinapasteurii，ATCC11859），购自上海保藏生物技术中心，其为好氧菌且脲酶活性高，对环境友好，目前在岩土工程领域应用广泛。试验所用培养基为液体培养基，在120℃高温灭菌锅中灭菌30 min后，将菌株与培养基组成的菌液置于恒温振荡培养箱中，以200 r/min的转速在30℃恒温条件下有氧培养40 h。随后利用分光光度计测得菌液的OD600值为0.709（OD600即菌液在600 nm波长处的吸光值，用以表征细菌生长情况）。

胶结液的成分由CaCl2和尿素构成，为MICP过程提供足够的钙源及微生物代谢所需要的养分。由于单个试样胶结液用量较少，为保证固化效果，采用浓度为1.5 mol/L的胶结液，其中，尿素与氯化钙浓度比为2∶1。

1.2 试样制备与试验方案

试验采用拌合法，为保证不同试验参数时试样的可比性，控制试样干密度为1.58 g/cm3，含水率为20%。制样前，先将黄土风干碾碎，并过1 mm筛，取过筛后的黄土与菌液、纤维充分搅拌混合，直至玄武岩纤维短切纱分散为丝状，静置半小时后，加入胶结液均匀拌合。制样采用直径39.1 mm、高80 mm的铁质模具，称取每层所需拌合均匀后的黄土，分3层进行人工击实。制备好的试样脱模后在30℃、95%湿度条件下养护7 d，随后进行无侧限抗压强度试验和崩解试验。

表2给出了不同试样的具体试验参数，其中S0为空白对照组，不添加菌液只添加胶结液（也即未经MICP处理）。A组设置4种不同体积比的菌液与胶结液（2∶8，3∶7，4∶6，5∶5），不掺纤维；B组设置了不同掺量的玄武岩纤维（0.2%，0.3%，0.4%，0.5%），菌液与胶结液体积比（B∶C）固定为4∶6。

1.3 测试方法

（1） 无侧限抗压强度试验。

试验采用YSH-2型无侧限抗压仪，以 1.18 mm/min的加载速率对试样施加轴向压力，每隔40 mm记录一次测力计读数，直至试样破坏，记录无侧限抗压强度。

（2） 碳酸钙含量测定试验。

由于试验所用土体为黄土，天然黄土中含有少量原生碎屑CaCO3和次生淀积CaCO3［10］；且由于采用的是拌合法，菌液与胶结液总量有限，碳酸钙沉淀生成量较少，故利用酸洗法测量碳酸钙含量在此次试验中不适用。为分析拌合法固化黄土试样内部碳酸钙生成量，采用称重法。记固化前试样所用黄土质量为W0，无侧限抗压强度试验完成后，将试样放入烘箱（105 ℃，24 h）中烘干，称取重量，此时试样的重量记为Ws。两次称重的差值即为固化过程中碳酸钙的生成量，计算公式如下：

（3） 崩解试验。

为评价固化处理后黄土试样的水稳定性，对试样开展崩解试验。由于常规土壤崩解仪在试样刚进入水中时浮筒不易矫正，精度较难控制，数据读取不灵敏［11］，故采用自制崩解仪，装置示意如圖1所示。试验装置主要由高精度电子天平（精度为0.01 g）、崩解槽、崩解盒、支架、计时器等部分组成。其中，崩解盒底部金属网网孔的大小为6 mm×6 mm，崩解盒与支架之间连接的细线可自由取下与挂上。

试验前在崩解槽内装入适量水，并将天平读数归零，调整好崩解盒的高度后，将试样置于崩解盒内，缓慢放入水中，待天平读数不变后，每隔15s记录一次天平读数。由于试样受重力、拉力、浮力三力平衡，故天平读数无法直接反应试样崩解率，试样崩解率可通过（2）式计算得到：

式中：P（TX）为崩解率；MS为试样完全崩解后天平的读数；M0为试样完全浸入水中，未开始崩解时天平的读数；M（TX）为T时刻时天平读数。

（4） SEM微观测试。

取无侧限抗压强度试验破坏后试样内部土块进行烘干处理，待烘干完成后，对土块进行表层喷金，喷金设备为SBC-12型离子溅射仪，随后采用JSM-7800F场发射扫描电镜对土块断面进行测试。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

不同体积比菌液与胶结液试样固化处理后的应力-应变曲线图如图2所示。可以看出，未处理的黄土试样无侧限抗压强度约为32 kPa。当菌液与胶结液体积比≤4∶6时，试样的无侧限抗压强度随菌液含量的提升而提升；菌液与胶结液体积比为4∶6时，无侧限抗压峰值强度最高，约为48 kPa，较未处理试样提升50%；随着菌液含量的进一步提升，试样的峰值抗压强度反而减小，说明此时胶结液体积不足以使细菌达到最大活性［12］，但其峰值强度仍高于未处理试样。需要注意的是，在加固效果逐渐增强的同时，试样的破坏形态逐渐偏向于脆性破坏［13-14］，达到峰值强度后，较未处理的试样，处理后的试样应力下降速度显著加快。经微生物固化处理后的黄土试样，其轴向抗压能力在一定程度上得以提升，且菌液与胶结液体积比为4∶6时效果最为明显。

图3为不同掺量玄武岩纤维在菌液与胶结液体积比固定为4∶6时试样的应力-应变曲线图。由图可见，纤维的加入显著提高了试样的轴向抗压能力。在加载初期，试样的应力随轴向应变的增长而快速增长；达到峰值后，应力逐渐减小，且不同纤维掺量的试样破坏特征较为相似。当纤维掺量为0.2%，0.3%时，试样无侧限峰值抗压强度分别为70.1，80.4 kPa，较无纤维试样提升43.9%，65.2%；当纤维掺量继续提升至0.4%时，试样的无侧限抗压强度达到最大值，约为100 kPa，其强度较无纤维试样、未处理试样分别提升105%，212%。特别地，掺量0.5%的纤维对强度的贡献不明显，试样的无侧限抗压峰值强度仅比掺量0.3%时提高5.5%，较掺量0.4%时降低了15.2 kPa，降幅达15%，究其原因为：过高比例的纤维在拌合过程中容易出现团聚现象［15］，在土体内部分布不均匀，导致部分区域固化效果降低。

2.2 碳酸钙生成量

不同菌液与胶结液体积比条件下，经MICP处理的黄土试样碳酸钙生成量如图4所示，可以看出，碳酸钙生成量随着菌液含量的增加先升高后降低，菌液与胶结液体积比为4∶6时，试样碳酸钙的生成量最高，约为黄土质量的1%；对比无侧限抗压峰值强度可以发现，碳酸钙的生成量与强度趋势基本一致［16］，即试样的无侧限抗压强度与碳酸钙生成量呈正比。

图5为不同掺量玄武岩纤维在菌液与胶结液体积比为4∶6时，黄土试样内部碳酸钙的生成量。由图5可知：随着纤维掺量的增加，碳酸钙的生成量也在不断增加，这主要是由于在拌合过程中，玄武岩纤维短切纱会分散为较细的纤维丝，密布的纤维丝为细菌提供了良好的附着点［17-18］，增加了微生物的附着量，使其在反应过程中能够生成更多的碳酸钙沉淀。但是需要注意，纤维掺量为0.5%的试样碳酸钙生成量最高，但其无侧限抗压峰值强度却低于纤维掺量0.4%时的试样，可能的原因是纤维的不均匀分布导致试样内部碳酸钙分布不均匀，局部固化差异性过大，最终导致固化效果不理想。

2.3 崩解特性

将经MICP处理后的加筋黄土试样完全浸入水中后，试样首先进入浸湿阶段，由于试样表面存在孔隙，浸水后会产生大量气泡，其表面的细小黄土颗粒逐渐脱离试样；随着浸水时间的增加，试样进入散落阶段，外周土体逐步脱落，试样内部纤维逐渐显露，此阶段试样崩解较为稳定且崩解速率较慢；当浸水时间进一步增加，试样开始快速崩解，进入崩落阶段，土颗粒与纤维快速分离，外层部分土体与纤维开始整体脱落，水迅速变浑浊，崩解现象十分剧烈；随着土体的逐步崩落，试样剩余土体与纤维成锥状分布于崩解盒内，试样基本不再崩解，进入稳定阶段（见图6）。需要注意的是，经MICP处理未加筋的黄土试样，其浸湿阶段、散落阶段崩解现象与加筋试样基本一致，但其崩落阶段更为迅速，会在较短的时间内完全崩解，不会有剩余土体置于崩解盒内。

由于无纤维组试样与纤维组试样在水中的崩解阶段与剧烈程度不同，其反映黄土试样的水稳性亦有所不同。为分析MICP处理对黄土水稳性的影响，通过试样在水中崩落的具体时间变化，结合试样的崩解曲线，按照菌液与胶结液体积比、不同纤维掺量分别进行讨论。

2.3.1 菌液与胶结液体积比的影响

不同体积比菌液与胶结液拌合固化黄土试样的崩解关系曲线如图7所示。所有试样均在7 min内崩解完毕，最终崩解量均为100%。较未处理试样，经MICP处理后的黄土试样，其完全崩解时间均有所延长。未处理试样崩解最快，在4.5 min内崩解完毕；菌液与胶结液体积比为2∶8时，试样的最终崩解时间与未处理试样最为接近，可能的原因是试样内部生成的碳酸钙沉淀不足以填充土颗粒之间的缝隙，遇水后黏聚力不足，完全浸湿45 s后即开始快速崩落，在4.75 min时崩解量达100%；随着菌液与胶结液体积比的增大，试样的最终崩解时间先增大后减小，菌液与胶结液体积比为3∶7，5∶5时，试样完全崩解的时间差仅为15 s；当菌液与胶结液体积比为4∶6时，试样的最终崩解时间为6.5 min，对比未处理试样，完全崩解时间延长了约45%。需要注意的是，随着试样内部碳酸钙的生成量逐渐增多，试样在快速崩解阶段的变化逐渐开始不规律，主要原因是试样内部碳酸钙沉淀分布不均匀［19］，这些碳酸钙沉淀将土颗粒聚集成大小不一的土块，导致试样在快速崩解过程中无法均匀脱离试样。

2.3.2 纤维掺量的影响

图8是菌液与胶结液体积比固定为4∶6时，不同纤维掺量黄土试样的崩解曲线。随着浸水时间的增加，无纤维试样在1.5 min以后开始快速崩解，在1.5～6 min内崩解率达91.3%，在浸水7 min后完全崩解；与无纤维试样不同，所有掺入玄武岩纤维的黄土试样崩解率均未能达到100%。随着纤维掺量从0增加到0.5%，最终崩解量呈不断降低趋势，掺量为0.2%，0.3%，0.4%的试样最终崩解率较无纤维试样分别降低了14.7%，26%，34.3%。特别地，纤维掺量从0.4%增加到0.5%时，最终崩解率的降幅最为明显，结合崩解过程可以发现，主要原因是由于试样底部土颗粒崩解后，纤维的长度大于崩解盒底部金属网网孔的大小，部分纤维会填充金属网的缝隙，使土颗粒不容易从崩解盒中脱落，进而导致更多土体残留在崩解盒内。

2.4 微观结构分析

图9（a）为无纤维试样的电镜扫描成像图。可以看出，试样内部生成的碳酸钙晶体呈片状，较为均匀地分布在土颗粒表面［20］，但由于拌合法所使用的菌液与胶结液含量有限，碳酸钙晶体未能将土颗粒有效的连接起来，无法形成较为有效的黏结作用。同样地，如图9（b）所示，掺有纤维试样中，附着于纤维表面的碳酸钙晶体也是呈片状的，虽未能完全包裹住纤维丝，但在一定程度上增大了纤维与土颗粒之间的接触面积，在发生破坏时能够有效约束土颗粒的位移与变形，同时，纤维上附着的碳酸钙晶体能够为纤维提供一定的锚固力，充分发挥纤维的加筋效果［21］。

3 结 论

通过微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术联合纤维加筋对黄土进行拌合固化处理，利用碳酸钙生成量测试、无侧限抗压强度试验、崩解试验、SEM微观测试，研究了不同体积比菌液与胶结液以及纤维掺量对于黄土固化效果的影响，主要结论如下：

（1） 采用拌合法的MICP技术可以简单、有效地提高黄土试样的结构强度，黄土试样的峰值抗压强度与碳酸钙生成量呈正相关。当菌液与胶结液体积比为4∶6时，固化黄土试样的无侧限抗压强度可达未加固试样的1.5倍，具有较好的工程应用前景。

（2） 纤维掺量对于MICP固化黄土试样的无侧限抗压强度有着重要影响，菌液与胶结液体积比固定为4∶6条件下，固化后的黄土试样无侧限抗压强度先增大后减小，玄武岩纤维的最优掺量为0.4%。

（3） MICP技术可以显著延长黄土试样的完全崩解时间，改善其水稳定性，体积比为4∶6的菌液与胶结液固化试样，最终崩解时间较未处理试样延长了约45%。

（4） 随着纤维掺量的提高，菌液与胶结液体积比固定为4∶6的试样耐崩解能力逐渐增强，且所有掺有纤维的MICP固化试样均未能完全崩解，表明在实际工程应用中，较少的纤维掺量即可实现固化土体水稳定性的提高。

（5） MICP与纤维加筋的联合作用主要体现在增大了菌液的附着点，促进了碳酸钙的生成，试样内部形成的碳酸钙呈片状附着于土体和纤维上，有效提高了土颗粒、纤维表面的粗糙度，增强了纤维在土体内的锚固力，强化了加筋效果，对固化后土体的强度和水稳性起到良好的促进作用。

参考文献：

［1］ 梁仕华，曾伟华，龚星，等.颗粒级配对微生物固化砂土力学性能的影响［J］.人民长江，2020，51（2）：179-183.

［2］ LIU S H，DU K，WEN K J，et al.Sandy soil improvement through microbially induced calcite precipitation（MICP） by immersion［J］.Journal of Visualized Experiments，2019，151：e60059.

［3］ 何曉英，李东，任永彪，等.MICP对黏性泥石流沉积物固结特性影响研究［J］.人民长江，2021，52（6）：148-153.

［4］ 李昊，唐朝生，尹黎阳，等.MICP-FR协同作用改善钙质砂的力学性能及抗侵蚀试验研究［J］.岩土工程学报，2021，43（10）：1941-1949.

［5］ 王绪民，崔芮，王铖.微生物诱导CaCO3沉淀胶结砂室内试验研究进展［J］.人民长江，2019，50（9）：153-160.

［6］ 谢约翰，唐朝生，尹黎阳，等.纤维加筋微生物固化砂土的力学特性［J］.岩土工程学报，2019，41（4）：675-682.

［7］ 林胜强，雷学文，孟庆山，等.纤维掺量对MICP固化钙质砂动力特性的影响［J］.人民长江，2020，51（7）：181-187.

［8］ 郑俊杰，宋杨，吴超传，等.玄武岩纤维加筋微生物固化砂力学特性试验［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2019，47（12）：73-78.

［9］ 郑俊杰，宋杨，賴汉江，等.微生物固化纤维加筋砂土抗剪强度试验研究［J］.土木与环境工程学报（中英文），2019，41（1）：15-21.

［10］ 陈忠，马海州，曹广超，等.黄土碳酸盐的研究［J］.盐湖研究，2006（4）：66-72.

［11］ 陈东，王道杰，陈晓艳，等.一种测定土壤崩解动态的方法［J］.土壤，2013，45（6）：1137-1141.

［12］ 朱纪康，周杨，王殿龙，等.基于微生物诱导矿化的钙质砂加固影响因素［J］.地质科技情报，2019，38（6）：206-211..

［13］ 程果，汪时机，李贤，等.微生物固化纤维加筋砂质黏性紫色土试验研究［J］.地下空间与工程学报，2021，17（6）：1829-1838.

［14］ 付佳佳，姜朋明，纵岗，等.微生物拌和固化海相粉土的抗压强度试验研究［J］.人民长江，2021，52（1）：167-172，189.

［15］ 许健，武智鹏，陈辉.干湿循环效应下玄武岩纤维加筋黄土三轴剪切力学行为研究［J］.岩土力学，2022，43（1）：28-36

［16］ LIU X J，FAN J Y，YU J，et al.Solidification of loess using microbial induced carbonate precipitation［J］.Journal of Mountain Science，2021，18（1）：79-92.

［17］ 尹黎阳，唐朝生，张龙.MICP联合纤维加筋改性钙质砂力学特性研究［J］.高校地质学报，2021，27（6）：679-686.

［18］ 王殿龙，唐朝生，泮晓华，等.纤维加筋MICP固化钙质砂的抗拉强度特性研究［J］.高校地质学报，2021，27（6）：670-678.

［19］ 邵光辉，侯敏，刘鹏.MICP固化粉土细菌的分布和固定规律研究［J］.林业工程学报，2019，4（1）：128-134.

［20］ 王绪民，郭伟，余飞，等.微生物胶结砂土三轴试验及微观结构研究［J］.人民长江，2017，48（3）：81-85，96.

［21］ 李赛，雷学文，刘磊，等.玉米须加筋微生物固化淤泥的抗剪强度试验研究［J］.科学技术与工程，2021，21（32）：13837-13844.

（编辑：胡旭东）

Abstract：

Loess is widely distributed in China，but it has poor engineering properties such as low strength and high collapsibility.The use of Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation （MICP） technology combined with fiber reinforcement to process loess can effectively improve its mechanical properties and water stability.In order to understand the curing effect of MICP combined fiber reinforced loess，the basalt fibers with mass ratios of 02%，03%，04% and 05% were added to the loess，supplemented by different proportions of bacterial solution and cementing solution（ the volume ratios were 2∶8，3∶7，4∶6 and 5∶5）.The loess was reinforced by mixing method，and the calcium carbonate production test，unconfined compressive strength test，disintegration test and SEM microscopic test were carried out on the treated samples.The results show that： ① MICP mixed loess can effectively improve its mechanical properties.The amount of calcium carbonate generated in the solidified sample is directly proportional to the peak strength，and the maximum amount is 1% of the loess mass.When the volume ratio of the bacterial liquid to the cementing liquid is 4/6，the curing effect is the best.② When the volume ratio of bacterial liquid to cementing liquid is fixed at 4∶6，the unconfined compressive strength of the solidified sample increases first and then decreases with the increasing of the fiber content，and the optimal fiber content is 04 %.③ The complete disintegration time of the loess solidified by MICP is prolonged.When the volume ratio of the bacterial liquid to the cementing liquid is 4∶6，the sample has the strongest disintegration resistance.④ When the volume ratio of bacterial liquid to cementing liquid is fixed at 4∶6，the disintegration resistance of the sample gradually increases with the increasing of the fiber content.When the content is 05%，the final disintegration rate of the sample is the lowest.⑤ The calcium carbonate crystals in the sample are attached to the surface of soil particles and fibers in a sheet shape，which can effectively increase the bonding and friction between soil particles and fibers，and has a good promoting effect on the strength and water stability of the solidified soil.The research results can provide a guidance for the practical application of MICP technology in the future engineering of solidified loess.

Key words：

loess improvement；microbially induced calcium carbonate precipitation；basalt fiber；disintegration；unconfined compressive strength