宋 平，方祥位，李洋洋

(后勤工程學(xué)院 土木工程系， 重慶 401311)

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

纖維摻量對(duì)珊瑚砂微生物固化體力學(xué)性能的影響

宋 平，方祥位，李洋洋

(后勤工程學(xué)院 土木工程系， 重慶 401311)

在珊瑚砂中摻加纖維可改善珊瑚砂微生物固化體強(qiáng)度等力學(xué)性能，對(duì)固化體進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了纖維摻量對(duì)固化體力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，不同纖維摻量的試樣均可以通過(guò)微生物固化反應(yīng)形成整體；摻加纖維可以有效防止固化體發(fā)生脆性破壞，明顯提高固化體延性。與不摻加纖維的固化體相比，纖維摻量為0.2%的固化體抗拉強(qiáng)度最高，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也明顯提高；摻量為0.3%的固化體抗拉強(qiáng)度降低，抗壓強(qiáng)度大幅提高；摻量為0.1%和0.4%的固化體力學(xué)性能大幅度降低。得出了最佳纖維摻量，為微生物固化技術(shù)在島礁工程中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

珊瑚砂；聚酯纖維；微生物固化；力學(xué)特性

微生物固化技術(shù)通過(guò)向特定微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和金屬離子溶液等，利用微生物自身生命活動(dòng)產(chǎn)生的脲酶分解尿素生成碳酸根離子和氨根離子，其中碳酸根離子與金屬離子結(jié)合生成碳酸鹽，碳酸鹽作用于砂土之間，使砂土形成一個(gè)整體[1-3]。該技術(shù)可以應(yīng)用于鈣質(zhì)材料修復(fù)和軟弱地基土加固處理等方面。因其施工簡(jiǎn)單，材料設(shè)備要求低，固化效果較好，反應(yīng)過(guò)程可控等優(yōu)勢(shì)受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注，在土木工程和材料工程等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[4-7]。

Soga等[8]對(duì)微生物灌漿試驗(yàn)的參數(shù)和條件進(jìn)行研究和優(yōu)化，有效提高了微生物固化技術(shù)生成碳酸鈣的效率。錢(qián)春香[4,9]和程曉輝[10-11]在微生物水泥、裂縫修復(fù)、微生物灌漿和微生物固化砂基的動(dòng)力特性等方面進(jìn)行了深入研究，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)微生物固化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。方祥位等[3,5-6,12-14]將微生物固化技術(shù)應(yīng)用于珊瑚砂的處理，為珊瑚砂地基處理提供了一種新的方法。

方祥位等[3,5-6,13-14]通過(guò)珊瑚砂微生物固化體單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，固化體開(kāi)始破壞時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂縫，隨著受力的進(jìn)一步增加裂縫連接貫通，最終導(dǎo)致其破碎，破壞時(shí)的應(yīng)變較小，固化體變形不明顯，是典型的脆性破壞。為提高固化體韌性，改善固化體力學(xué)性能，采用混凝土防開(kāi)裂的方法，在珊瑚砂中摻加聚酯纖維，研究纖維摻量對(duì)珊瑚砂固化體力學(xué)性能的影響，得到最佳纖維摻量，為微生物固化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 珊瑚砂

1.1.2 聚酯纖維

試驗(yàn)用纖維為聚酯纖維，材質(zhì)為100%改性聚酯，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。聚酯纖維可以用于高強(qiáng)度混凝土的增強(qiáng)防裂，可有效地提高抗拉、抗壓強(qiáng)度，是理想的防裂材料。利用聚酯纖維這一特性，將其應(yīng)用于珊瑚砂微生物固化中，以提高珊瑚砂固化體的延性和強(qiáng)度，提高固化體的力學(xué)性能。

表1 顆粒粒徑

表2 主要技術(shù)參數(shù)

1.1.3 微生物

試驗(yàn)采用巴斯德芽孢桿菌(Bacillus pasteurii)。首先取出冷凍菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，對(duì)培養(yǎng)的菌液取樣測(cè)試活性，細(xì)菌活性單位為mmol/(L·min)。本次試驗(yàn)所用菌液的活性為1.8 mmol/(L·min)。

1.2 固化試驗(yàn)裝置

圖1為固化試驗(yàn)裝置。圖1中模具為內(nèi)徑50 mm的對(duì)開(kāi)可拆卸有機(jī)玻璃管，上部、中部和下部分別用鋼箍加固。模具底部塞有帶孔橡膠塞，孔內(nèi)接帶有止水夾的硅膠硬管，硅膠管底端連接蠕動(dòng)泵，用以控制溶液流速。

1.3 固化試驗(yàn)

為研究纖維摻量對(duì)珊瑚砂微生物固化體力學(xué)性能的影響，選用長(zhǎng)度為9 mm的纖維，按照質(zhì)量摻量(即纖維質(zhì)量占纖維和珊瑚砂總質(zhì)量的百分比)設(shè)置5組共計(jì)10個(gè)試樣，如表3所示。每個(gè)試樣重350 g，將纖維與珊瑚砂混合均勻后倒入模具中，開(kāi)始固化試驗(yàn)。

咣當(dāng)一聲，我心里豁然開(kāi)朗。原來(lái)如此啊。原來(lái)我是在替這個(gè)劉鐵頭頂缸啊。李老黑啊李老黑，你狗日的是真黑啊。

圖1 固化試驗(yàn)裝置

固化試驗(yàn)采用菌液與混合溶液(濃度為2 mol/L氯化鈣溶液和尿素溶液按1∶1混合)分開(kāi)通入的方式。在每個(gè)試樣中注入100 mL菌液，當(dāng)?shù)撞抗枘z管有液體開(kāi)始滴落時(shí)關(guān)閉止水夾，靜置半小時(shí)，使菌液與珊瑚砂顆粒充分接觸；半小時(shí)后打開(kāi)止水夾，使菌液緩慢流出；菌液流盡后注入混合溶液，待硅膠管中有混合溶液滴出時(shí)關(guān)閉止水夾，靜置2 h，這樣混合溶液可以與菌液充分反應(yīng)；2 h后打開(kāi)止水夾，使混合溶液緩慢流出；當(dāng)溶液流盡后，將流出的混合溶液再次注入模具中，重復(fù)注入3～5次后測(cè)量滲透性，并更換新的菌液與混合溶液。固化試驗(yàn)結(jié)束后，拆除模具。

表3 纖維摻量

1.4 力學(xué)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用重慶交通大學(xué)巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。為滿足試驗(yàn)需要，首先將固化體進(jìn)行完全烘干處理，然后利用切割機(jī)和單面磨平機(jī)將固化體處理為力學(xué)試驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。其中相同摻量的兩個(gè)固化體分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的固化體尺寸為：直徑×高度=50 mm×100 mm，試驗(yàn)采用的加載速率為0.005 mm/s。進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的固化體尺寸為：直徑×高度=50 mm×50 mm，試驗(yàn)采用的加載速率為0.002 mm/s。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 試驗(yàn)原理

巴斯德芽孢桿菌注入珊瑚砂中后，由于正負(fù)電荷的作用，細(xì)菌容易吸附在砂顆粒表面，當(dāng)通入混合溶液時(shí)，尿素分子進(jìn)入細(xì)菌中被細(xì)菌代謝活動(dòng)產(chǎn)生的脲酶分解成碳酸根離子和氨根離子，碳酸根離子與鈣離子結(jié)合成碳酸鈣沉淀并運(yùn)送到細(xì)菌表面，反應(yīng)過(guò)程如下：

(1)

(2)

生成的碳酸鈣具有膠結(jié)功能，可以附著于砂顆粒表面或填充于孔隙中，隨著菌液與混合溶液的不斷反應(yīng)，生成的膠結(jié)物質(zhì)逐漸將砂顆粒包裹并相連。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，珊瑚砂已經(jīng)固化成為形狀規(guī)則、表面光滑的整體。部分固化完成的砂柱如圖2所示。

圖2 固化完成的砂柱

2.2 力學(xué)特性

2.2.1 固化體破壞形態(tài)

圖3為抗壓和抗拉試驗(yàn)中固化體的破壞形態(tài)，(a)圖和(b)圖中左側(cè)4個(gè)為摻加纖維的固化體，右側(cè)為未摻加纖維的固化體。從圖3(a)抗壓試驗(yàn)后的固化體可以看出，摻加纖維的固化體在受壓破壞時(shí)，由于固化的不均勻性導(dǎo)致下端固化效果較差，首先發(fā)生破碎，但是沒(méi)有出現(xiàn)明顯的貫穿裂縫，整體性保持較好，基本形狀未發(fā)生改變；未摻加纖維的固化體受壓時(shí)出現(xiàn)貫穿裂縫，兩端破碎情況不明顯，由于貫穿裂縫的影響，使得破壞后的固化體整個(gè)破碎。從圖3(b)抗拉試驗(yàn)可以看出，摻加纖維的固化體在受拉破壞后表面僅出現(xiàn)一條很細(xì)的裂紋，沒(méi)有明顯破碎；未摻加纖維的固化體在受拉破壞時(shí)會(huì)在中間出現(xiàn)一條貫穿裂縫，固化體劈裂為兩半。

由此可以說(shuō)明，摻入纖維可以有效控制珊瑚砂固化體受力破壞時(shí)的變形，大幅度提高了固化體的延性，避免了固化體受力后的脆性破壞。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)?，摻加纖維后，由于交織機(jī)理的作用，使得纖維在砂土中處于隨機(jī)各向分布狀態(tài)[15]，正是因?yàn)檫@種排布方式導(dǎo)致纖維之間存在諸多交織點(diǎn)，眾多交織的纖維中任何一根纖維受力而出現(xiàn)滑動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，與之交織的纖維均會(huì)產(chǎn)生阻止作用，相當(dāng)于所有纖維在砂土中相互交織形成了一個(gè)空間分布網(wǎng)，砂土顆粒在網(wǎng)中受到約束作用，從而在內(nèi)部形成一個(gè)空間受力區(qū)。這一受力區(qū)能控制砂土體因受力而導(dǎo)致的變形，從而增加了固化體的延性，所以摻加纖維的固化體破壞后不會(huì)出現(xiàn)貫穿裂縫。

圖3 固化體破壞形態(tài)

2.2.2 固化體抗壓強(qiáng)度

圖4為固化體無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。摻加纖維的固化體(1#、3#、5#和7#)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為3個(gè)階段：第一階段為應(yīng)力隨應(yīng)變快速增長(zhǎng)階段，固化體逐漸壓密，應(yīng)力隨應(yīng)變的增長(zhǎng)快速增加；第二階段為破壞階段，固化體應(yīng)力達(dá)到最大值后發(fā)生破壞；第三階段為殘余變形階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的發(fā)展而降低，最后趨于穩(wěn)定。未摻加纖維的固化體(9#)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線只有前2個(gè)階段，為典型的脆性破壞。7#(纖維摻量為0.4%)達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變最小，延性最差，在破壞后應(yīng)力驟降，固化體破碎情況最嚴(yán)重；3#(纖維摻量為0.2%)和5#(纖維摻量為0.3%)達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變較大，延性較好，且應(yīng)力下降速度較慢，曲線較為平緩；而1#(摻量為0.1%)和7#(摻量為0.4%)固化體曲線峰值不明顯，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于未摻加纖維的9#試樣。

圖4 固化體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

取應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力最大點(diǎn)的縱坐標(biāo)作為固化體抗壓強(qiáng)度，如表4所示。通過(guò)抗壓強(qiáng)度可以看出，摻加纖維后，固化體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化沒(méi)有明顯規(guī)律，與不摻加纖維的固化體相比，纖維摻量為0.1%和0.4%的固化體抗壓強(qiáng)度降低，降低幅度分別為52%和89%，力學(xué)性能大幅度下降；纖維摻量為0.2%和0.3%的固化體抗壓強(qiáng)度均有提高，提高幅度為21%和38%。由此可以說(shuō)明，加入適當(dāng)摻量(0.2%和0.3%)纖維可以有效提高固化體強(qiáng)度，而當(dāng)摻量過(guò)小(0.1%)或過(guò)大(0.4%)時(shí)，固化體強(qiáng)度降低。

表4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 固化體抗拉強(qiáng)度

固化體的抗拉強(qiáng)度測(cè)試采用巴西圓盤(pán)劈裂法，其抗拉強(qiáng)度是在測(cè)得固化體破壞時(shí)的極限荷載后，利用下面公式計(jì)算得到[16]

σt=2P/(πDH)

(3)

式中：σt為抗拉強(qiáng)度；P為極限荷載；D為固化體直徑；H為固化體高度。

表5為抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從表5數(shù)據(jù)可以看出，隨著纖維摻量的增大，固化體抗拉強(qiáng)度變化沒(méi)有明顯規(guī)律。未摻加纖維的固化體抗拉強(qiáng)度為1.83 MPa，摻量為0.1%、0.3%、0.4%的固化體抗拉強(qiáng)度依次為1.27 MPa、0.84 MPa、1.48 MPa，分別下降了31%、54%、19%，只有摻量為0.2%的固化體抗拉強(qiáng)度有所增加，增幅為29%。

表5 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由此可見(jiàn)，摻加纖維對(duì)固化體的抗拉強(qiáng)度影響很大。一方面由于彎曲機(jī)理的作用，使得纖維在砂土顆粒中呈彎曲狀態(tài)分布，由于其幾乎沒(méi)有或很少有以直線分布的情況，所以可以近似認(rèn)為摻加纖維后的珊瑚砂是由無(wú)數(shù)砂顆粒圍繞纖維的彎區(qū)段形成的單元體組成[15]，因?yàn)槔w維表現(xiàn)出的變形模量與珊瑚砂顆粒變形模量差別較大，所以當(dāng)固化體因受力變形使纖維與砂土顆粒之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，纖維與砂土之間產(chǎn)生摩擦力，這些摩擦力增加了固化體的受載能力。另一方面摻加纖維會(huì)影響固化過(guò)程中溶液的下滲和砂土顆粒之間的粘結(jié)，阻礙溶液下滲會(huì)導(dǎo)致固化反應(yīng)效率降低，固化體的均勻性變差，容易出現(xiàn)薄弱面，破壞砂土顆粒粘結(jié)會(huì)直接導(dǎo)致固化體受力能力降低。所以當(dāng)纖維摻量較小(0.1%)時(shí)，纖維對(duì)砂土約束作用較弱且纖維與砂土顆粒之間的摩擦力較小，不足以彌補(bǔ)其分布在砂土中所破壞的膠結(jié)強(qiáng)度，所以固化體的抗拉強(qiáng)度降低；當(dāng)纖維摻量較大(0.3%和0.4%)時(shí)，由于其聚集作用，使得大量纖維聚集于某一處或者某幾處，從而使得溶液下滲時(shí)的阻礙較大，固化不能充分進(jìn)行，導(dǎo)致薄弱面出現(xiàn)，固化體的抗拉強(qiáng)度降低。只有協(xié)調(diào)兩者之間的作用，選用合理的纖維摻量才能使纖維的摻加對(duì)珊瑚砂固化體的抗拉性能起積極作用。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)摻量為0.2%時(shí)，固化體抗拉強(qiáng)度明顯提高。

3 結(jié)論

1) 摻加纖維可以有效防止珊瑚砂微生物固化體發(fā)生脆性破壞，明顯提高固化體延性。

2) 摻加纖維的固化體在受力破壞時(shí)從兩端邊緣破碎開(kāi)始，不會(huì)出現(xiàn)貫穿裂縫，破化后的固化體完整性較好；沒(méi)有摻加纖維的固化體在受力破壞時(shí)會(huì)首先出現(xiàn)貫穿裂縫，固化體最終破碎為兩半。

3) 摻加纖維的固化體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為三個(gè)階段，即應(yīng)力隨應(yīng)變快速增長(zhǎng)階段、破壞階段和殘余變形階段，具有塑性變形特征；未摻加纖維的固化體呈現(xiàn)典型的脆性破壞特征。

4) 纖維摻量為0.2%的固化體抗拉強(qiáng)度最高，同時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也明顯提高；摻量為0.3%的固化體抗壓強(qiáng)度最高，但抗拉強(qiáng)度最低；摻量為0.1%和0.4%的固化體力學(xué)性能較差。

[1] CASTANIER S,LE MéTAYER-LEVREL G,PERTHUISOT J P.Ca-carbonates precipitation and limestone genesis-the microbiogeologist point of view[J].Sedimentary Geology,1999,126(1):9-23.

[2] BANG S S,GALINAT J K,RAMAKRISHNAN V.Calcite precipitation induced by polyurethane-immobilized Bacillus pasteurii[J].Enzyme and microbial technology,2001,28(4):404-409.

[3] 方祥位,申春妮,楚劍,等.微生物沉積碳酸鈣固化珊瑚砂的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2015,36(10):2773-2779.

[4] 錢(qián)春香,王安輝,王欣.微生物灌漿加固土體研究進(jìn)展[J].巖土力學(xué),2015,36(6):1537-1548.

[5] 歐益希,方祥位,申春妮.顆粒粒徑對(duì)微生物固化珊瑚砂的影響[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2016,14(2):35-39.

[6] 歐益希,方祥位,張楠,等.溶液鹽度對(duì)微生物固化珊瑚砂的影響[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào),2016,32(1):78-82.

[7] 孫宗勛.南沙群島珊瑚砂工程性質(zhì)研究[J].熱帶海洋,2000,19(2):1-8.

[8] Al Qabany A,Soga K,Santamarina C.Factors affecting efficiency of microbially induced calcite precipitation[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2011,138(8):992-1001.

[9] 錢(qián)春香,任立夫,羅勉.基于微生物誘導(dǎo)礦化的混凝土表面缺陷及裂縫修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2015,43(5):619-631.

[10] 程曉輝,麻強(qiáng),楊鉆,等.微生物灌漿加固液化砂土地基的動(dòng)力反應(yīng)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(8):1486-1495.

[11] 麻強(qiáng).微生物注漿加固砂土地基的抗液化能力研究[D].北京:清華大學(xué),2013.

[12] 李捷,方祥位,張偉,等.菌液脲酶活性對(duì)珊瑚砂微生物固化效果的影響[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào),2016,32(6):88-91,96.

[13] 李捷,方祥位,申春妮,等.含水率對(duì)珊瑚砂微生物固化體力學(xué)特性影響研究[J].工業(yè)建筑,2016,46(12):93-97.

[14] 李捷,方祥位,申春妮,等.顆粒級(jí)配對(duì)珊瑚砂微生物固化影響研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2016,14(6):7-12,43.

[15] 朱詩(shī)鰲.土工合成材料的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1994.

[16] GB/T 50266—2013,工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

InfluenceofFiberProportiononMechanicalPropertiesofBio-cementedCoralSandColumns

SONG Ping， FANG Xiangwei， LI Yangyang

(Department of Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

The addition of fiber to the coral sand can improve the mechanical properties of the bio-cemented coral sand columns. To systematically analyze the influence of fiber proportion on mechanical property of bio-cemented coral sand columns, unconfined compressed test and tensile test of bio-cemented coral sand columns with different fiber proportion were conducted, respectively. The results showed that, all the sand columns with different fiber proportion were cemented tightly in bio-cementing process; the proportion of fibers can effectively prevent the brittle fracture of the bio-cemented coral sand columns, and improve their ductility prominently. Compared with the bio-cemented coral sand columns without adding fiber, the bio-cemented coral sand columns with 0.2% fiber has the highest tensile strength, and also has obvious improvement in the aspect of unconfined compressed strength; when the fiber proportion is set at 0.3%, the tensile strength of the bio-cemented coral sand columns was decreased while the unconfined compressed strength was increased significantly; the mechanical properties of the bio-cemented coral sand columns with 0.1% and 0.4% fiber both decreased significantly. By contrast test, the optimum fiber proportion is obtained. The experiment result lays a foundation for the application of bio-cementation technology in the reef engineering.

coral sand; polyester fiber; bio-cementation; mechanical property

2017-06-06；

2017-06-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51479208)；總后勤部基建營(yíng)房部資助項(xiàng)目(CY114C022)

宋平(1992—)，男，碩士研究生，主要從事巖土微生物技術(shù)研究。

方祥位(1975—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。

10.11809/scbgxb2017.10.032

本文引用格式：宋平，方祥位，李洋洋.纖維摻量對(duì)珊瑚砂微生物固化體力學(xué)性能的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(10):156-160.

formatSONG Ping，F(xiàn)ANG Xiangwei，LI Yangyang.Influence of Fiber Proportion on Mechanical Properties of Bio-cemented Coral Sand Columns[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):156-160.

TU411

A

2096-2304(2017)10-0156-05

(責(zé)任編輯楊繼森)