玉米须加筋微生物固化淤泥的抗剪强度试验研究

李 赛， 雷学文， 刘 磊， 刘瑞琪

(1.武汉科技大学城市建设学院， 武汉 430065； 2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室， 武汉 430071； 3.污染泥土科学与工程湖北省重点实验室， 武汉 430071)

中国是一个河流湖泊众多的国家，许多河道分布在沿海以及内陆地区，近年来，随着中国经济的快速发展，水体长期受到污染，河道淤积严重[1]。淤泥一般具有含水率高、粒径细、压缩性高、有机质含量高和力学性质差等特点，在实际工程应用中效果不明显[2]。目前，基于可持续发展与绿色环保理念，资源化利用是处理淤泥的有效方式之一[3]。其主要通过固化处理的方法来处理淤泥，通过向淤泥中添加不同种类的固化材料来提高淤泥土的强度[4-6]。

微生物诱导碳酸钙沉积(microbially induced carbonate precipitation，MICP)技术通过碳酸钙沉淀填充土体孔隙，因其有效提高固化体强度并降低渗透性而得到越来越多的关注[7-9]。目前该技术多应用于砂土，通过碳酸钙胶结于砂土之间，形成具有一定强度的固化体[10-13]。Soon等[14]研究表明，MICP技术可提高粉土或黏性土的力学性质。Liu等[15]研究了反应温度、培养基pH和接种比等因素对MICP处理黄土的力学性能的影响。彭劼等[16]和陈嘉辉等[17]探究了不同浓度的胶结液对MICP加固黏性土的影响。MICP技术是一种可持续发展技术，在工程应用中具有潜在的实用价值，可应用到各个领域。

单一的固化处理方式可能达不到预期的效果，在实际处理中需要将多种方式结合起来共同作用，纤维加筋微生物成为一种新型的土质改良技术[18-20]。Fang等[21]向MICP处理过的珊瑚砂里添加纤维，发现不仅能降低珊瑚砂的渗透性，还能提高干密度、珊瑚砂的延性、破坏应变和抗拉强度等。Lei等[22]研究了3种纤维类型对生物胶结钙质砂性能的影响，发现了碳纤维对碳酸钙胶结钙质砂的延性、桥联作用较好。Choi等[23]和Li等[24]利用纤维加筋技术改善MICP固化土体的脆性破坏性质，并探究了纤维含量的影响。上述研究成果从不同方面展示了纤维加筋微生物固化土体是一种优良的固化技术，但目前大部分研究都建立在砂土基础上，黏性土的研究较少，尤其是在剪切强度方面，关于纤维加筋微生物固化后土体的黏聚力和内摩擦角的影响尚缺乏统一认识。

为此，以绿色环保的玉米须纤维和碳纤维作为加筋材料，对纤维加筋微生物固化淤泥开展直剪试验，与MICP固化土体做对比，重点分析纤维掺量、纤维种类等主要因素对纤维加筋土剪切强度的影响。通过扫描电镜分析，从纤维微观形态和破坏后固化体的微观结构来探讨纤维增强微生物固化机理，得到了一些新的认识。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用玉米纤维和碳纤维，纤维长度取9 mm。所选玉米须纤维产自黑龙江，先将湿玉米须清洗干净，然后将成束纤维剪成所需长度，最后放入40 ℃的烘箱24 h。图1、图2分别展示了玉米须纤维和碳纤维，两种纤维主要物理参数如表1、表2所示。由于烘干的玉米须纤维在剪切后易断裂，长度难以控制，因此选取短切为9 mm的500根纤维样品测量纤维长度，纤维长度分布如图3所示。试验选取武汉东湖疏浚淤泥，其主要物理性质指标如表3所示。通过型号为LA-960激光粒度分析仪测得粒径，绘制如图4所示曲线。

图1 玉米须纤维Fig.1 Cornsilk fiber

图2 碳纤维Fig.2 Carbon fiber

表1 玉米须纤维物理力学性质

表2 碳纤维物理力学性质

1.2 试验用菌液

选用巴氏芽孢杆菌，在恒温培养箱内进行斜面培养，制作液体培养基，将活化后的菌落加入其中，然后在30 ℃恒温振荡箱中培养36 h，转速为130 r/min，最后控制冰箱温度为4 ℃来保存培养好的菌液。培养基中需添加胰蛋白胨、蛋白胨、尿素、氯化钠，用量分别为15、5、20、5 g/L，控制pH为7.3，采用1 mol/L NaOH溶液进行调节。菌液浓度可用OD600表示，试验菌液控制OD600=0.9。

图3 纤维长度分布Fig.3 Distribution of fiber length

表3 武汉东湖疏浚淤泥物理参数

图4 淤泥质土颗分曲线Fig.4 Distribution curves of muddy soil

1.3 试验胶结液

(1)

(2)

1.4 试样制备与试验方法

将土样自然风干、碾碎过2 mm的筛备用，试验选取的纤维掺量分别为0、0.2%、0.4%、0.6%及0.8%(纤维掺量为纤维与淤泥质量的百分比)。为提高菌液和胶结液在淤泥中空间分布的均匀性，利于碳酸钙的生成，试验采用拌合法制备试样，在拌合过程中，称取所需纤维与土样进行充分拌合，再掺入定量的蒸馏水或菌液与胶结液混合溶液，拌合10 min，待土体均匀拌合后，将土样密封放置保鲜袋里在保湿缸养护24 h，然后取出土体分5层击实，每层称取20g土填筑于环刀，控制试样干密度为1.5 g/cm3，养护温度(20±2) ℃，保湿缸湿度为90%，养护7 d。试样的直径61.8 mm，高度为20 mm，试验所用含水量设计为30%，为控制变量，将试验采用试样中30%含水率置换为1∶1等体积的菌液和胶结液。试验采用表4所示19组试样，分为3类：素土组、单掺纤维组、MICP-纤维组。所有试样设置3组平行试样，取其平均值。

试验仪器为应变控制式FDJ-20型单联式直剪仪，由于淤泥颗粒细小，且渗透系数小于10-6cm/s，采用快剪试验，试验方法参照《土工试验标准》(GB/T 50123—1999)。试验试样施加50、100、200和400 kPa的垂直压力，设置0.8 mm/min的剪切速率，每隔0.1 min记录一次，剪切位移达8 mm时停止试验，记录试验数据。

表4 土样的试验参数

2 试验结果分析与讨论

2.1 MICP技术对固化体抗剪强度的影响

图5显示了在不同纤维掺量下，MICP-纤维组与单掺纤维组各个法向压力下的抗剪强度大小，取相应于4 mm剪切位移量的剪应力作为土样的最大抗剪强度。从图5(a)、图5(b)可以看出，当纤维掺量为0时，素土的最大抗剪强度为75 kPa，MICP固化淤泥较素土的抗剪强度最大增幅为102.7%，这表明MIICP技术能提高淤泥的抗剪强度。随着纤维含量的增加，剪切强度先增加后减少，在4种掺量下，MICP-玉米须纤维组的抗剪强度较单掺玉米须纤维组分别提高了1.67、1.75、1.43、1.45倍。同理，从图5(c)、图5(d)可以看出，在相同条件下，MICP-碳纤维组的抗剪强度较单掺碳纤维组提高了1.80、1.80、1.90、1.58倍，MICP-纤维组比单掺纤维组的抗剪强度大。这是由于微生物诱导产生的碳酸钙填充在体积较大的土颗粒孔隙之间，将离散的土颗粒及纤维胶结成一个整体，通过纤维发挥桥联作用来加强MICP固化，约束了土颗粒的位移与变形[23]；MICP过程中沉积的碳酸钙附着在纤维表面，增加了表面的粗糙度，提高了纤维与砂土间的咬合力，并且碳酸钙与土颗粒的混合胶结体能为纤维提供锚固作用[25]，增大了纤维的黏结失效极限力，从而使得MICP技术对纤维加筋土体具有增强效果。

图5 抗剪强度与法向压力关系曲线Fig.5 Relationship curve between shear strength and normal pressure

2.2 纤维掺量对固化体抗剪强度的影响

将试验得到的固化体进行直剪试验，得到相同竖向荷载(400 kPa)作用下的剪切位移Δl与剪应力τ的对应关系曲线，如图6所示。在剪切过程中，淤泥试样在τ-Δl曲线上未出现明显的峰值或者应变软化特征，随着剪切位移的增加，试样的强度缓慢增大，出现应变硬化趋势与一般素土呈现较明显的差异，且随着纤维含量增加应变硬化趋势越显著。这是由于纤维掺量越高，大量的纤维在土样中形成三维纤维网，一根纤维受力将带动整个纤维网共同受力，荷载分布更加广泛，提高了淤泥的延性。

纤维掺量持续增加，纤维加筋微生物的土体剪切强度趋势为先增大后减小，抗剪强度达到最大时其掺量均为0.6%；从图6可见，纤维掺量从0.2%增加到0.8%，MICP-玉米须纤维组较素土分别提高了118.7%，164.0%，233.3%，156.0%，MICP-碳纤维组较素土分别提高了125.3%，161.4%，213.3%，148.0%，说明与碳纤维相比，相同条件下掺加玉米须纤维对于MICP固化体的抗剪强度提高效果更佳。原因在于当掺量为0.2%时，土体中的纤维网难以形成，加筋作用提高不明显，但是由于纤维掺量的增加，纤维之间的相互作用随之增大，对比表1、表2可知，在相同掺量下玉米须纤维的分散性优于碳纤维，同时玉米须纤维质脆弱，搅拌过程中断裂会分散成不同长度的纤维，形成更多的三维立体网格分布结构，而碳纤维直径较细，因静电缠绕成絮状物质，出现团聚现象而影响纤维传力体系的构建，因此掺加玉米须纤维得到的固化体抗剪强度更高。

图6 剪切位移与剪应力(400 kPa)的对应关系曲线Fig.6 Corresponding curve of shear displacement and shear stress (400 kPa)

2.3 纤维掺量对黏聚力和内摩擦角的影响

由图7可见，纤维掺量对淤泥的黏聚力与内摩擦角有较大影响，随着纤维掺量的增加内摩擦角和黏聚力先上升后下降，均在纤维含量为0.6%时达到最大，而且加筋微生物固化淤泥的内摩擦角和黏聚力普遍高于不加筋土。MICP-玉米须纤维固化淤泥的黏聚力显著高于MICP-碳纤维组，两种纤维加筋微生物固化土体的内摩擦角无明显差异。

图7 淤泥的内摩擦角和黏聚力Fig.7 Internal friction Angle and cohesion of silt

从图7(a)可以看出，当纤维含量为0.6%时，MICP-玉米须纤维组黏聚力较MICP-碳纤维组增幅为76.1%，较单掺玉米须纤维组增幅为55.5%，较单掺碳纤维组增幅为83.6%，淤泥在玉米须纤维的固化下黏聚力提升较大。原因是添加的纤维在土体中形成纤维网分担剪应力贡献三维拉筋作用，增大黏聚力，同时，利用MICP技术生成具有胶结作用的碳酸钙，进一步提高了淤泥质土的黏聚力。图7(b)中显示，纤维掺量从0增加到0.6%，MICP-玉米须纤维组的内摩擦角由16.70°增加到23.40°，单掺玉米须纤维组内摩擦角由6.05°增加到17.33°，说明掺加玉米须纤维能提高淤泥质土的内摩擦角，且MICP技术有助于加筋土体的内摩擦角的提高。虽然碳酸钙、玉米须纤维和碳纤维表面粗糙，增大了与土颗粒间的摩阻力，但当掺量较多时，土体出现结构薄弱面，弱化了筋土界面作用和土骨架颗粒间作用，表现为内摩擦角减小。因此，在实际工程应用中，选择合适的纤维掺量会使纤维与MICP技术共同固化淤泥的效果发挥到最佳。

2.4 微观结构

取少量试样做冷冻真空升华干燥法处理，再进行电镜扫描分析，观察样品的微观结构。图8(a)为MICP固化淤泥的微观结构，可以看出碳酸钙聚集在土颗粒孔隙间，将颗粒胶结在一起。图8(b)、图8(c)分别为玉米须纤维和碳纤维加筋微生物固化淤泥的微观结构，可以看出，玉米须纤维中碳酸钙晶体偏向于薄片状，堆积形成碳酸钙晶体团，而碳纤维中则偏向于球状颗粒，附着在土颗粒和纤维上，纤维通过碳酸钙发挥桥联作用来加强MICP，并且纤维的掺量影响着桥联作用的发挥，附着在纤维表面碳酸钙晶体具有很强的黏结作用，有利于增强纤维在土样中的抗拔能力，两者相互作用从而提高纤维的加筋效果和试样的强度。图8(d)、图8(e)中玉米须纤维表面凹陷、粗糙不平，有平行于纤维长度的条纹，且条纹中有沟槽、空隙，碳纤维呈黑色节状构造，表面有倒钩状的细丝，两种纤维表面粗糙的特性，使得土颗粒与纤维更加充分咬合，进一步提高了纤维加筋土的摩擦力；由于玉米须纤维分散性好，在土体里分布均匀，而碳纤维则有成团现象，减少了相邻纤维间的接触，造成三维网格结构形态较不稳定。因此，与碳纤维相比，掺加玉米须纤维对固化体的抗剪强度提高效果更加显著。

3 结论

通过室内直剪试验，对纤维加筋和MICP技术共同固化淤泥的抗剪特性进行了研究，并分析了纤维掺量、种类和MICP技术对淤泥固化体的抗剪强度的影响，基于微观结构探讨了纤维形态和加筋MICP固化机制，得出如下主要结论。

(1)纤维加筋技术与MICP技术相结合能够显著提高淤泥质土的抗剪强度，增强土体的延性，采用绿色环保的玉米须纤维，对提高淤泥的强度和可持续发展具有积极意义。

(2)MICP-纤维组的内摩擦角和黏聚力普遍高于素土，MICP-玉米须纤维组的黏聚力提升幅度最大，玉米须纤维和碳纤维对固化体内摩擦角的影响无明显区别。

(3)随纤维掺量的增加，土样抗剪强度为先增后减趋势，最佳掺量为0.6%，MICP固化淤泥的抗剪强度高于素土，纤维加筋与MICP技术共同固化淤泥的抗剪强度优于单独作用，且玉米须纤维加筋淤泥的抗剪强度优于碳纤维。

(4)电镜扫描显示出碳酸钙附着在土颗粒和纤维表面，纤维发挥桥联作用提高MICP固化效果，且玉米须纤维较碳纤维表面更加粗糙、分散更均匀，使得玉米须纤维加筋效果更好。