纤维掺量对珊瑚砂微生物固化体力学性能的影响

宋 平，方祥位，李洋洋

(后勤工程学院 土木工程系， 重庆 401311)

【化学工程与材料科学】

纤维掺量对珊瑚砂微生物固化体力学性能的影响

宋 平，方祥位，李洋洋

(后勤工程学院 土木工程系， 重庆 401311)

在珊瑚砂中掺加纤维可改善珊瑚砂微生物固化体强度等力学性能，对固化体进行了无侧限抗压强度试验和抗拉强度试验，分析了纤维掺量对固化体力学性能的影响。结果表明，不同纤维掺量的试样均可以通过微生物固化反应形成整体；掺加纤维可以有效防止固化体发生脆性破坏，明显提高固化体延性。与不掺加纤维的固化体相比，纤维掺量为0.2%的固化体抗拉强度最高，无侧限抗压强度也明显提高；掺量为0.3%的固化体抗拉强度降低，抗压强度大幅提高；掺量为0.1%和0.4%的固化体力学性能大幅度降低。得出了最佳纤维掺量，为微生物固化技术在岛礁工程中的应用奠定基础。

珊瑚砂；聚酯纤维；微生物固化；力学特性

微生物固化技术通过向特定微生物提供营养物质和金属离子溶液等，利用微生物自身生命活动产生的脲酶分解尿素生成碳酸根离子和氨根离子，其中碳酸根离子与金属离子结合生成碳酸盐，碳酸盐作用于砂土之间，使砂土形成一个整体[1-3]。该技术可以应用于钙质材料修复和软弱地基土加固处理等方面。因其施工简单，材料设备要求低，固化效果较好，反应过程可控等优势受到国内外的关注，在土木工程和材料工程等领域具有良好的应用前景[4-7]。

Soga等[8]对微生物灌浆试验的参数和条件进行研究和优化，有效提高了微生物固化技术生成碳酸钙的效率。钱春香[4,9]和程晓辉[10-11]在微生物水泥、裂缝修复、微生物灌浆和微生物固化砂基的动力特性等方面进行了深入研究，促进了国内微生物固化技术的进一步发展。方祥位等[3,5-6,12-14]将微生物固化技术应用于珊瑚砂的处理，为珊瑚砂地基处理提供了一种新的方法。

方祥位等[3,5-6,13-14]通过珊瑚砂微生物固化体单轴压缩试验发现，固化体开始破坏时会出现裂缝，随着受力的进一步增加裂缝连接贯通，最终导致其破碎，破坏时的应变较小，固化体变形不明显，是典型的脆性破坏。为提高固化体韧性，改善固化体力学性能，采用混凝土防开裂的方法，在珊瑚砂中掺加聚酯纤维，研究纤维掺量对珊瑚砂固化体力学性能的影响，得到最佳纤维掺量，为微生物固化技术的实际应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

1.1.1 珊瑚砂

1.1.2 聚酯纤维

试验用纤维为聚酯纤维，材质为100%改性聚酯，其主要技术参数如表2所示。聚酯纤维可以用于高强度混凝土的增强防裂，可有效地提高抗拉、抗压强度，是理想的防裂材料。利用聚酯纤维这一特性，将其应用于珊瑚砂微生物固化中，以提高珊瑚砂固化体的延性和强度，提高固化体的力学性能。

表1 颗粒粒径

表2 主要技术参数

1.1.3 微生物

试验采用巴斯德芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)。首先取出冷冻菌种进行扩大培养，对培养的菌液取样测试活性，细菌活性单位为mmol/(L·min)。本次试验所用菌液的活性为1.8 mmol/(L·min)。

1.2 固化试验装置

图1为固化试验装置。图1中模具为内径50 mm的对开可拆卸有机玻璃管，上部、中部和下部分别用钢箍加固。模具底部塞有带孔橡胶塞，孔内接带有止水夹的硅胶硬管，硅胶管底端连接蠕动泵，用以控制溶液流速。

1.3 固化试验

为研究纤维掺量对珊瑚砂微生物固化体力学性能的影响，选用长度为9 mm的纤维，按照质量掺量(即纤维质量占纤维和珊瑚砂总质量的百分比)设置5组共计10个试样，如表3所示。每个试样重350 g，将纤维与珊瑚砂混合均匀后倒入模具中，开始固化试验。

咣当一声，我心里豁然开朗。原来如此啊。原来我是在替这个刘铁头顶缸啊。李老黑啊李老黑，你狗日的是真黑啊。

图1 固化试验装置

固化试验采用菌液与混合溶液(浓度为2 mol/L氯化钙溶液和尿素溶液按1∶1混合)分开通入的方式。在每个试样中注入100 mL菌液，当底部硅胶管有液体开始滴落时关闭止水夹，静置半小时，使菌液与珊瑚砂颗粒充分接触；半小时后打开止水夹，使菌液缓慢流出；菌液流尽后注入混合溶液，待硅胶管中有混合溶液滴出时关闭止水夹，静置2 h，这样混合溶液可以与菌液充分反应；2 h后打开止水夹，使混合溶液缓慢流出；当溶液流尽后，将流出的混合溶液再次注入模具中，重复注入3～5次后测量渗透性，并更换新的菌液与混合溶液。固化试验结束后，拆除模具。

表3 纤维掺量

1.4 力学试验

试验采用重庆交通大学岩土力学实验室的岩石力学试验系统。为满足试验需要，首先将固化体进行完全烘干处理，然后利用切割机和单面磨平机将固化体处理为力学试验要求的标准尺寸。其中相同掺量的两个固化体分别进行无侧限抗压强度试验和抗拉强度试验。

进行无侧限抗压强度试验的固化体尺寸为：直径×高度=50 mm×100 mm，试验采用的加载速率为0.005 mm/s。进行抗拉强度试验的固化体尺寸为：直径×高度=50 mm×50 mm，试验采用的加载速率为0.002 mm/s。

2 结果分析与讨论

2.1 试验原理

巴斯德芽孢杆菌注入珊瑚砂中后，由于正负电荷的作用，细菌容易吸附在砂颗粒表面，当通入混合溶液时，尿素分子进入细菌中被细菌代谢活动产生的脲酶分解成碳酸根离子和氨根离子，碳酸根离子与钙离子结合成碳酸钙沉淀并运送到细菌表面，反应过程如下：

(1)

(2)

生成的碳酸钙具有胶结功能，可以附着于砂颗粒表面或填充于孔隙中，随着菌液与混合溶液的不断反应，生成的胶结物质逐渐将砂颗粒包裹并相连。当试验结束时，珊瑚砂已经固化成为形状规则、表面光滑的整体。部分固化完成的砂柱如图2所示。

图2 固化完成的砂柱

2.2 力学特性

2.2.1 固化体破坏形态

图3为抗压和抗拉试验中固化体的破坏形态，(a)图和(b)图中左侧4个为掺加纤维的固化体，右侧为未掺加纤维的固化体。从图3(a)抗压试验后的固化体可以看出，掺加纤维的固化体在受压破坏时，由于固化的不均匀性导致下端固化效果较差，首先发生破碎，但是没有出现明显的贯穿裂缝，整体性保持较好，基本形状未发生改变；未掺加纤维的固化体受压时出现贯穿裂缝，两端破碎情况不明显，由于贯穿裂缝的影响，使得破坏后的固化体整个破碎。从图3(b)抗拉试验可以看出，掺加纤维的固化体在受拉破坏后表面仅出现一条很细的裂纹，没有明显破碎；未掺加纤维的固化体在受拉破坏时会在中间出现一条贯穿裂缝，固化体劈裂为两半。

由此可以说明，掺入纤维可以有效控制珊瑚砂固化体受力破坏时的变形，大幅度提高了固化体的延性，避免了固化体受力后的脆性破坏。产生这种现象的原因为，掺加纤维后，由于交织机理的作用，使得纤维在砂土中处于随机各向分布状态[15]，正是因为这种排布方式导致纤维之间存在诸多交织点，众多交织的纤维中任何一根纤维受力而出现滑动趋势时，与之交织的纤维均会产生阻止作用，相当于所有纤维在砂土中相互交织形成了一个空间分布网，砂土颗粒在网中受到约束作用，从而在内部形成一个空间受力区。这一受力区能控制砂土体因受力而导致的变形，从而增加了固化体的延性，所以掺加纤维的固化体破坏后不会出现贯穿裂缝。

图3 固化体破坏形态

2.2.2 固化体抗压强度

图4为固化体无侧限抗压试验应力-应变曲线。掺加纤维的固化体(1#、3#、5#和7#)的应力-应变曲线大致分为3个阶段：第一阶段为应力随应变快速增长阶段，固化体逐渐压密，应力随应变的增长快速增加；第二阶段为破坏阶段，固化体应力达到最大值后发生破坏；第三阶段为残余变形阶段，应力随应变的发展而降低，最后趋于稳定。未掺加纤维的固化体(9#)的应力-应变曲线只有前2个阶段，为典型的脆性破坏。7#(纤维掺量为0.4%)达到最大应力时的应变最小，延性最差，在破坏后应力骤降，固化体破碎情况最严重；3#(纤维掺量为0.2%)和5#(纤维掺量为0.3%)达到最大应力时的应变较大，延性较好，且应力下降速度较慢，曲线较为平缓；而1#(掺量为0.1%)和7#(掺量为0.4%)固化体曲线峰值不明显，抗压强度远低于未掺加纤维的9#试样。

图4 固化体应力-应变曲线

取应力-应变曲线中应力最大点的纵坐标作为固化体抗压强度，如表4所示。通过抗压强度可以看出，掺加纤维后，固化体无侧限抗压强度变化没有明显规律，与不掺加纤维的固化体相比，纤维掺量为0.1%和0.4%的固化体抗压强度降低，降低幅度分别为52%和89%，力学性能大幅度下降；纤维掺量为0.2%和0.3%的固化体抗压强度均有提高，提高幅度为21%和38%。由此可以说明，加入适当掺量(0.2%和0.3%)纤维可以有效提高固化体强度，而当掺量过小(0.1%)或过大(0.4%)时，固化体强度降低。

表4 抗压强度试验结果

2.2.3 固化体抗拉强度

固化体的抗拉强度测试采用巴西圆盘劈裂法，其抗拉强度是在测得固化体破坏时的极限荷载后，利用下面公式计算得到[16]

σt=2P/(πDH)

(3)

式中：σt为抗拉强度；P为极限荷载；D为固化体直径；H为固化体高度。

表5为抗拉强度试验结果。从表5数据可以看出，随着纤维掺量的增大，固化体抗拉强度变化没有明显规律。未掺加纤维的固化体抗拉强度为1.83 MPa，掺量为0.1%、0.3%、0.4%的固化体抗拉强度依次为1.27 MPa、0.84 MPa、1.48 MPa，分别下降了31%、54%、19%，只有掺量为0.2%的固化体抗拉强度有所增加，增幅为29%。

表5 抗拉强度试验结果

由此可见，掺加纤维对固化体的抗拉强度影响很大。一方面由于弯曲机理的作用，使得纤维在砂土颗粒中呈弯曲状态分布，由于其几乎没有或很少有以直线分布的情况，所以可以近似认为掺加纤维后的珊瑚砂是由无数砂颗粒围绕纤维的弯区段形成的单元体组成[15]，因为纤维表现出的变形模量与珊瑚砂颗粒变形模量差别较大，所以当固化体因受力变形使纤维与砂土颗粒之间发生相对滑动时，纤维与砂土之间产生摩擦力，这些摩擦力增加了固化体的受载能力。另一方面掺加纤维会影响固化过程中溶液的下渗和砂土颗粒之间的粘结，阻碍溶液下渗会导致固化反应效率降低，固化体的均匀性变差，容易出现薄弱面，破坏砂土颗粒粘结会直接导致固化体受力能力降低。所以当纤维掺量较小(0.1%)时，纤维对砂土约束作用较弱且纤维与砂土颗粒之间的摩擦力较小，不足以弥补其分布在砂土中所破坏的胶结强度，所以固化体的抗拉强度降低；当纤维掺量较大(0.3%和0.4%)时，由于其聚集作用，使得大量纤维聚集于某一处或者某几处，从而使得溶液下渗时的阻碍较大，固化不能充分进行，导致薄弱面出现，固化体的抗拉强度降低。只有协调两者之间的作用，选用合理的纤维掺量才能使纤维的掺加对珊瑚砂固化体的抗拉性能起积极作用。根据试验结果，当掺量为0.2%时，固化体抗拉强度明显提高。

3 结论

1) 掺加纤维可以有效防止珊瑚砂微生物固化体发生脆性破坏，明显提高固化体延性。

2) 掺加纤维的固化体在受力破坏时从两端边缘破碎开始，不会出现贯穿裂缝，破化后的固化体完整性较好；没有掺加纤维的固化体在受力破坏时会首先出现贯穿裂缝，固化体最终破碎为两半。

3) 掺加纤维的固化体的应力-应变曲线大致可分为三个阶段，即应力随应变快速增长阶段、破坏阶段和残余变形阶段，具有塑性变形特征；未掺加纤维的固化体呈现典型的脆性破坏特征。

4) 纤维掺量为0.2%的固化体抗拉强度最高，同时无侧限抗压强度也明显提高；掺量为0.3%的固化体抗压强度最高，但抗拉强度最低；掺量为0.1%和0.4%的固化体力学性能较差。

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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

国家自然科学基金项目(51479208)；总后勤部基建营房部资助项目(CY114C022)

宋平(1992—)，男，硕士研究生，主要从事岩土微生物技术研究。

方祥位(1975—)，男，教授，博士生导师。

10.11809/scbgxb2017.10.032

本文引用格式：宋平，方祥位，李洋洋.纤维掺量对珊瑚砂微生物固化体力学性能的影响[J].兵器装备工程学报，2017(10):156-160.

formatSONG Ping，FANG 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

(责任编辑杨继森)