基于MICP 在活性炭纖維作用下對砂土加固的試驗研究

郁凱捷，璩繼立

（上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093）

1 引言

我國砂土分布極為廣泛，其主要分布于我國西北地區的山前平原以及各地河流兩岸[1]。因此，砂土加固的試驗研究對提高砂質土壤的地基承載力以及加強邊坡支護穩定性等方面具有重大的意義。

目前，砂土的注漿作為常見的施工工藝并已應用于實際工程中[2]。其中，微生物誘導碳酸鈣沉淀（Microbial Induced Calcite Precipitation，簡稱：MICP）作為一種新型的加固方法，國內外研究人員也對其進行了大量的研究。Whiffin[3]最早提出了MICP 這一個概念，這對改良土體特性和防沙固堤的工程問題提供了新的研究角度。ANDRES QUIROS[4]通過和飽和土體不同的注漿方法，探究了碳酸鈣的沉積和與砂顆粒結合的位置及效果。為了提高微生物誘導碳酸鈣沉淀的工藝效益，Choi[5]在注漿時加入PVA 纖維材料，增強了MICP 對于土壤的力學性能，為MICP 后續的研究提供了巨大的幫助。本論文在加入PVA 材料的研究方法中找到了新的思路，在微生物誘導碳酸鈣沉淀注漿時，加入活性碳纖維粉末（ACFF），活性炭纖維粉末是具有吸附能力的試劑中最好的吸附劑之一，而在生物注漿的工程中，細菌活性以及細菌在土體顆粒的附著程度是MICP 試驗中最重要的指標。ACFF 能利用其吸附能力強的優勢，極大提高生物注漿的效率，這對MICP 的研究方向而言賦予了極大的研究價值。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗所用的土體樣本是陜西省某公園內采集的砂土，距離地面1～2m，土樣采樣后帶回實驗室烘干，篩選，土體的基本物理性質見表1。

表1 土的基本性質指標

試驗采用的活性炭纖維粉末購買自碳烯技術（深圳）有限公司，碳纖維粉末的基本物理屬性見表2。

表2 碳纖維粉的基本物理屬性

試驗采用的菌種為巴氏芽孢桿菌，編號為ATCC 11859，巴氏芽孢桿菌凍干粉首次活化時，將菌粉甩至底部，取0.2-0.3ml 溶解液加入至菌種管中，與菌粉混合均勻后，用吸頭吸出溶解液，全部接種至2 支斜面上培養，在需氧環境下培養至1～2 天，最終測得菌液OD600=2.0±0.2，培養成功后的菌液保存至瓶中，以備后續使用。

試驗采用的尿素（分子式：H2NCONH2）和無水氯化鈣（分子式：CaCl2）試劑均由蘇州信清科技有限公司提供。

2.2 試件制備

用電子天平稱取的碳纖維粉末與土樣，將土體和碳纖維粉末均勻倒入塑料套筒中，再將20ml 的巴氏芽孢桿菌菌液以及尿素和氯化鈣混合試劑分別加入土體中，將制備好的土樣振搗均勻。本次試驗研究中，將活性碳纖維的摻量、鈣離子和尿素的配合比作為試驗的控制參數，見表3。根據之前的研究[6][7]，將制備完成的試件養護15 天，然后將試件烘干，最終完成脫模。

表3 試驗組合方案

2.3 試驗方法

（1）無側限抗壓強度試驗

為了檢測試樣加固的效果，對制備完成的土樣烘干脫模后再進行無側限抗壓強度測試。試樣采用應變控制式，測力計升降速率為2.1～2.6 mm/min，試樣尺寸為高H=8cm，直徑D=4cm，試驗中每組進行3 組平行。

（2）碳酸鈣含量測定

用電子天平稱得烘干完成后的土樣質量為M1，在土體中加入稀鹽酸，觀察土體表面生成氣泡，重復多次，直至土體不再產生氣泡為止。再次烘干后，測得土體質量記為M2，記M0=M1-M2，根據摩爾質量比，進而求得土體內碳酸鈣的含量。

3 結果與討論

根據平行試驗得出無側限抗壓強度的數據，表4 為不同ACFF 含量、不同尿素和鈣離子配合比所測得的試驗結果

表4 試驗結果

3.1 尿素與鈣離子配合比對無側限抗壓強度的影響

圖1 為分別在ACFF 摻量為0%、0.5%、1%、1.5%、2%時不同尿素與鈣離子配合比的圖，計算出同一配合比下，不同ACFF 摻量的平均值?？傮w而言，隨著鈣離子比重的增加，土體的無側限抗壓強度也逐漸增加。當尿素與鈣離子配合比達到1：2 時，無側限抗壓強度相比于配合比為1：1 時，增加了2.68%，配合比達到1：3 之后，無側限抗壓強度達到峰值，與1：1 的配合比相比，增加了6.31%，但隨著鈣離子的增加，基本維持不變，由此可以看出，尿素與鈣離子充分反應的最佳配合比為1：3。

圖1 不同尿素：鈣離子的對比圖

3.2 ACFF 摻量對無側限抗壓強度的影響

圖2 給出了不同ACFF 摻量下土體的抗壓強度的信息，在尿素與鈣離子最佳配合比的條件下，素土的強度最低，為2.98MPa，隨著ACFF 摻量的增加，土體的無側限抗壓強度不斷增加。根據表4 可以看出，在尿素與鈣離子1：3 的情況下，強度相對最大，因此最具有研究價值。在ACFF 摻量為0.5%、1%、1.5%、2%的情況下，無側限抗壓強度分別為4.42MPa、5.27MPa、5.71MPa、6.23MPa、相對于同條件下的素土而言，抗壓強度增加了48.32%、76.85%、91.61%、109.06%。由此可以看出，ACFF 有較強的吸附能力，促使細菌能更好地附著在土體中完成反應，從而加強土體的抗壓強度。

3.3 養護齡期對碳酸鈣含量的影響

微生物發生反應的周期和微生物在發生反應時的活性，在很大程度上取決了養護齡期的期限。圖3 為在尿素和鈣離子最佳配合比的條件下，不同養護齡期對碳酸鈣含量的影響。在反應的第1 天、7 天、14 天、21天時間內，生成的碳酸鈣含量分別為1.26%、7.32%、15.24%、15.23%。微生物發生化學反應在14 天內，碳酸鈣含量一直在增加，在14 天之后，碳酸鈣反應幾乎趨于穩定。

圖3 不同養護齡期的對比圖

4 結論

（1）尿素的含量不變時，隨著鈣離子的增多，砂土的強度逐漸增強，當尿素與鈣離子的配合比為1：3 時，為試驗的最佳配合比。與此同時，砂土的抗壓強度達到峰值。

（2）ACFF 的增加對砂土強度的加固起到了正相關的作用，ACFF 含量越高，砂土的總體強度就越大。在砂土中加入2%的ACFF，相比于素土而言，總體強度增加了109.06%。

（3）對于微生物誘導方解石來加固砂土的試驗中，最合理的養護齡期為14 天。在養護齡期到達14 天之后，產出的碳酸鈣幾乎趨于穩定。