Experimental study on surface erosion resistances and mechanical behavior of MICP-FR-treated calcareous sand
-
摘要: 南海岛礁是中国“一带一路”建设的重要支撑。作为岛礁工程的主要建筑材料和地基,钙质砂具有高孔隙、易破碎和强度低等不良特性,难以直接满足工程建设要求。为了改善钙质砂的力学特性,并减少极端暴雨冲刷导致的侵蚀问题,提出微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）协同纤维加筋（FR）改性技术,采用喷淋工艺,对浅表层钙质砂进行改性处理,并考虑胶结液浓度（0.5,1.0,1.5,2.0 mol/L）和纤维掺量（0.1%,0.2%,0.3%,0.4%）对处理效果的影响。通过开展超微型贯入及模拟暴雨冲刷试验,结合冲刷后滤出溶液的电导率变化,对比分析了不同处理方式下钙质砂的胶结固化程度和抗侵蚀能力。研究结果表明：①MICP技术可以有效胶结钙质砂,改善其力学性质,胶结液浓度越高,试样碳酸钙含量和贯入阻力越高,2.0 mol/L固化效果最佳；②纤维的加入能显著提升MICP的固化效果,纤维掺量对微生物固化试样的力学特性有重要影响,峰值贯入阻力随纤维掺量先增加后减小,最优纤维掺量为0.2%；③经过MICP固化处理后,试样在模拟暴雨条件下表现出较好的抗雨蚀能力,侵蚀量小于未处理试样的1/7,加入纤维后胶结试样的抗侵蚀能力更佳。MICP-FR协同作用可以高效改善钙质砂的工程特性,能在岛礁建设、海岸开发过程中发挥积极作用。Abstract: The islands and reefs in South China Sea are an important support for China's "One Belt and One Road Initiative". As the main building material and foundation of construction on the islands and reefs, the calcareous sand has the bad characteristics of high porosity, easy breakage and low strength, so it is difficult to directly meet the requirements of engineering construction. In order to improve the mechanical behaviors of the calcareous sand and reduce the erosion problems caused by extreme rainstorms, an eco-friendly, cost-effective microbial-induced calcium carbonate precipitation (MICP) synergistic fiber reinforcement (FR) modification technology is proposed. The superficial layer of the calcareous sand is modified by spraying process, and the influences of the cementing liquid concentrations (0.5, 1.0, 1.5, 2.0 mol/L) and the fiber contents (0.1, 0.2, 0.3, 0.4%) on the treatment effect are considered. The cementation degree and surface erosion resistance of the calcareous sand under different treatment methods are analyzed by carrying out mini-penetration tests and simulated rainstorm scouring tests combined with electrical conductivity. The results show that: (1) The MICP technology can effectively cement the calcareous sand and improve its mechanical behaviors. The higher the cementing liquid concentration, the higher the calcium carbonate content and the penetration resistance of the samples, and the curing effect with the concentration of 2.0 mol /L is the best; (2) The addition of fiber can significantly improve the cementing effect of MICP, and the fiber content has an important influence on the mechanical behaviors of the microbial solidified samples. The peak penetration resistance first increases and then decreases with the fiber content, and the optimal fiber content is 0.2%; (3) The MICP-treated samples show better erosion resistance under the simulated rainstorm condition, the erosion amount is less than 1/7 of the untreated samples, and the effect is better after adding fiber. MICP-FR synergy can effectively improve the engineering properties of the calcareous sand and play an active role in the island construction and coastal development.
-
0. 引言
南海具有丰富的渔业和油气矿产资源,同时也是中国重要的热带生态系统分布区。随着海洋强国建设进入加速阶段,南海资源的高效利用对中国新时代经济社会发展具有重大的战略意义。为了更便捷合理地开发南海,近年来,中国在相关海域建设了大量人工岛礁,并修建了一系列国防和民用设施。钙质砂作为岛礁工程中的主要建筑材料和地基,因其在低纬度沿海地区分布广泛、容易获取而倍受关注。它由海洋生物的骨骼残骸和外壳碎屑沉积而成,主要成分为碳酸钙,具有一定的承载力和强度[1]。
然而,由于钙质砂颗粒具有多内孔隙、形状不规则且易破碎的特性[2],由其组成的地基和边坡整体上较为松散,在热带和亚热带海域风暴频发、降水频繁的极端气候条件下,易受短历时强降雨冲刷导致水土流失、地表侵蚀[3],进而引发各类浅表层工程地质问题,如不加以控制,会对工程结构的稳定性产生负面影响。因此,对浅表层钙质砂进行适当的改性处理,提升其力学性质和抗侵蚀能力,对保障岛礁工程建设的安全性具有重要意义。
土体加固通常以物理或者化学方法为主。物理方法包括强夯和振冲[4],即通过动力击实提高土体的密实度和承载力,但因施工耗能大、机器搬运困难,在远海作业中不易开展。化学方法包括水泥砂浆或其他化学浆液,通过搅拌、喷射的手段把浆液与砂土颗粒混合、胶结,实现土体的固化,但大量使用水泥等化学材料存在一定的环境问题。此外,还有学者利用植物及其根系来蓄水保土[5],防治地表侵蚀和水土流失,但该方法在岛礁以钙质砂为主的地表土体中难以推广。因此,探索一种适用广泛、经济高效且环境友好可持续的钙质砂改良方法是当务之急。
近年来,微生物矿化技术的迅速发展为岩土工程领域土体改良提供了新的思路,学者们将微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术与各种岩土材料结合,取得了丰硕的成果[6-10]。研究表明,MICP技术能够将松散的砂土颗粒胶结在一起,显著改善砂土的工程性质。MICP过程的基本原理是利用产脲酶细菌（如巴氏芽孢八叠球菌,Sporosarcinapasteurii）水解尿素产生的碳酸根离子与溶液中的游离钙离子反应、结合生成具有胶结作用的碳酸钙沉淀[11],如下式所示。通常钙离子吸附在带负电荷的细菌表面,以细菌为成核位点向外生长碳酸钙晶体,并逐渐与四周的碳酸钙、砂颗粒连接,完成胶结。
NH2−CO−NH2+2H2O→2NH+4+CO2−3, (1) Ca2++CO2−3→CaCO3(s)。 (2) 已有研究表明,MICP技术能够有效应用于钙质砂的固化改良。方祥位等[12-13]、李捷等[14]较早开展了一系列MICP固化钙质砂试验,对固化条件、影响因素及力学特性进行了初步的探索；马瑞男等[15]将微生物与钙质砂拌合,使MICP技术与岛礁吹填工艺结合加固钙质砂,改善了砂土的压缩和渗透特性；刘汉龙等[7]通过动力试验发现MICP技术能显著提升钙质砂的抗液化能力；欧益希等[16]、彭劼等[17]研究了高浓度盐溶液下的固化效果,确定在模拟海水环境中也能够进行MICP过程[16-17]。此外,为了改善MICP固化砂土体脆性过高、破坏后易崩裂的缺点,谢约翰等[18]探究了纤维加筋（FR）对微生物固化土体的影响,对不同纤维掺量试样的抗压、抗拉强度进行了讨论,结果表明纤维加筋有效增加了试样的韧性,为钙质砂改良提供了新思路。然而,学界关于MICP胶结钙质砂在强降雨环境下抗侵蚀能力的研究还比较鲜见。
为此,本文提出采用MICP-FR协同作用对钙质砂进行改性处理,通过喷淋工艺将MICP菌液和胶结液喷洒在钙质砂表面,对浅表层钙质砂进行固化,然后开展超微型贯入试验和模拟暴雨冲刷试验,研究了MICP-FR改性钙质砂的力学性质及抗侵蚀能力,并对比分析了纤维掺量、胶结液浓度等因素的影响,探讨了MICP-FR协同改性机理。研究成果对海岸带开发、岛礁建设和岸坡防护等工程具有参考意义。
1. 试验材料与方法
1.1 试验材料
（1）钙质砂与纤维
本试验所用钙质砂取自南海某岛礁,过2 mm筛,碳酸钙含量约为95.1%,以珊瑚残骸和贝壳碎屑为主。经颗粒分析试验得到d10=0.1 mm,d30=0.2 mm,d60= 0.35 mm,不均匀系数Cu= 3.5,曲率系数Cc =1.14,属于级配不良砂。
本试验所用纤维为直径0.048 mm,长12 mm的聚丙烯纤维,密度为0.91,具有耐高温、耐酸碱等优良特性,相关物理力学指标如表1所示[18]。
表 1 聚丙烯纤维的物理力学参数Table 1. Basic physical and mechanical properties of polypropylene fiber类型 密度ρ/(g·m-³) 直径d/mm 抗拉强度/MPa 弹性模量/MPa 熔点/℃ 燃点/℃ 束装单丝 0.91 0.02~0.048 ≥350 ≥3500 165 590 （2）菌液和胶结液
试验所用微生物菌株为巴氏芽孢八叠球菌（Sporosarcinapasteurii,ATCC 11859）,该细菌凭借其极强的尿素水解能力,迅速提升溶液微环境的 pH 与碳酸根浓度,进而实现生物矿化。试验采用ATCC 1376液体培养基,包括20 g/LYeast extract、10 g/L (NH4)2SO4以及15.73 g/LTris-base。由菌株和液体培养基组成的菌液以3 r/s的转速在30℃恒温摇箱中震荡培养24 h,随后采用分光光度计测试细菌溶液的OD600值为0.8（OD600即600 nm波长下溶液的吸光度,用以表征细菌浓度,每单位OD600值约8.59×107个细菌）,同时用电导率仪测定其脲酶活性为1.15 mmol/(L·min)。
胶结液由CaCl2和尿素按1∶1的比例配制,为MICP过程提供足够的钙源和碳源,同时加入营养肉汤（3.0 g/L）,作为微生物新陈代谢过程中所需的养分。
1.2 试验方法
（1）模具及试样制备
如图1所示,试验所用模具为边长125 mm、高20 mm的透明无盖有机玻璃方盒,在一侧设置5对直径10 mm的圆孔,方便冲刷物的流出。制样时,分别将400 g钙质砂平铺在模具中,并在有孔一侧粘贴透明胶带避免漏砂,控制试样厚度约为15 mm,孔隙率为0.39。其中S1～S4共4组试样用砂分别先与质量分数为0.1%,0.2%,0.3%和0.4%的聚丙烯纤维均匀混合,然后放入方形模具。
本次研究采用喷淋工艺进行MICP固化试验,具体操作步骤如下：先用透明喷壶将30 mL菌液均匀喷洒在钙质砂表面,静置15 min,然后均匀喷洒设定好浓度的胶结液30 mL。上述步骤每间隔24 h进行1轮,共进行5轮,养护完成后将试样浸入去离子水清洗干净,待其自然风干。
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,菌液经高温灭活,胶结液浓度为0.5 mol/L；A组S1～S4分别设置了4组不同纤维掺量（0.1%,0.2%,0.3%和0.4%）,胶结液浓度均为0.5 mol/L；B组S5～S8设置了不同的胶结液浓度,分别为0.5,1.0,1.5和2.0 mol/L,不掺纤维。
表 2 试验分组及参数设置Table 2. Test grouping and parameter setting试样分组 试样编号 纤维掺量/% 胶结液浓度/(mol·L-1) 对照样 S0 0.0 0.5 A组 S1 0.1 0.5 S2 0.2 0.5 S3 0.3 0.5 S4 0.4 0.5 B组 S5 0.0 0.5 S6 0.0 1.0 S7 0.0 1.5 S8 0.0 2.0 （2）碳酸钙含量测定
作为MICP过程的主要产物,具有胶结功能的碳酸钙含量是衡量微生物固化效果的重要参考指标[18]。由于滴定法、酸洗法、热重分析法等传统碳酸钙测量手段无法区分钙质砂中碳酸钙来源,不适用于钙质砂试验,因此本试验采用称重法,即通过获得试样固化后质量M2与初始质量M1差值来计算微生物诱导生成的碳酸钙含量c：
c=M2−M1M2×100%。 (3) （3）超微型贯入试验
为了探究MICP胶结试样的表层固化效果,本次研究使用课题组自主研发的超微型贯入仪对每组固化后的试样先加水饱和,然后进行贯入试验,如图2所示。其基本原理是根据探针在持续贯入过程中遇到的阻力来反映试样内部不同深度的力学特性[19-20]。其中荷载传感器的最大量程为100 N,精度为0.1 N,位移传感器的量程为50 mm,精度为0.01 mm。探针杆体直径为1.5 mm,长60 mm,探针针头为厚0.5 mm,直径2.0 mm的扁平头,贯入速率为5 mm/min。
（4）模拟暴雨冲刷试验
当降水强度超过超过一定范围时,砂土颗粒便会被冲散、移动[21]。为了模拟热带极端气候条件下的强降雨环境,采用循环水泵稳定供水,设置降雨强度为75 mm/h,喷头距离试样表面15 cm。试验时,基于钙质砂自然休止角控制坡面角度为30°[22],模具有孔侧为坡脚,底部连接容器盛接冲刷物,每间隔1 min更换容器采集1次冲出物。冲刷结束后,通过烘干、称重获取不同变量试样的侵蚀量,以便对比分析（图3）。
（5）电导率测定
冲刷结束后,通过定性滤纸过滤冲出物获得待测溶液。然后使用雷磁DDS-11c电导率仪测定滤液的电导率,设置环境温度为25℃,每间隔5 min读取一次数据（图4）。
2. 结果与讨论
2.1 碳酸钙含量
图5,6分别给出了本试验中A组、B组不同变量试样固化后的碳酸钙含量,可以看出：A组碳酸钙含量随着纤维掺量的增加先升高后降低,纤维掺量0.2%的试样碳酸钙含量最高,为4.25%；B组碳酸钙含量随着胶结液浓度增大不断增加,最低值为3.70%,最高值为9.71%。
![]()
图 5 不同纤维掺量试样对应的碳酸钙含量Figure 5. Calcium carbonate contents of samples with different fiber contents![]()
图 6 不同胶结液浓度试样对应的碳酸钙含量Figure 6. Calcium carbonate contents of samples with different cementation concentrations2.2 力学特性
超微型贯入试验可以反映试样自表面向下不同深度的强度变化,从而分析MICP技术对浅表层钙质砂的喷淋固化效果。下面结合各个试样的贯入阻力-贯入深度关系曲线,根据胶结液浓度、纤维掺量两组不同的变量分别进行讨论。
（1）胶结液浓度的影响
图7,8是在不掺纤维情况下,不同浓度胶结液固化的试样对应的贯入曲线及峰值贯入阻力,未胶结试样S0整体贯入阻力及峰值贯入阻力均低于胶结对照样S5,可见MICP有效改善了钙质砂的力学特性。
![]()
图 7 不同胶结液浓度对应的贯入曲线Figure 7. Penetration curves corresponding to different cementing liquid concentrations![]()
图 8 不同胶结液浓度对应的峰值贯入强度Figure 8. Peak penetration strengths corresponding to different cementation concentrations对于MICP处理后的试样,贯入曲线随贯入深度先迅速升高而后逐渐降低,最终在较低值小范围波动,趋于稳定。S5～S8试样峰值贯入阻力对应的深度均小于0.7 cm,说明加固效果主要局限在浅表层。在重力作用下,喷淋进入钙质砂土体的菌液和胶结液均是自上而下渗透和扩散,因此MICP固化过程也首先发生在试样表层。生成的碳酸钙除了能够胶结砂颗粒和提高强度外,还因填充颗粒间孔隙、封堵颗粒内孔隙从而降低了砂土的渗透性[23],有可能导致后续的大部分胶结液被截留在试样表层,成为MICP生化反应的主要区域。因此,碳酸钙在试样表层累积越来越多,逐渐形成一层硬化壳,而试样下部由于菌液和胶结液存量较少,MICP反应较弱,胶结效果不如上部。
随着胶结液浓度从0.5 mol/L增加到2.0 mol/L,试样的峰值贯入阻力也从76.20 N增加至189.10 N。胶结液浓度增加直接影响MICP过程生化反应,充足的原材料保证其产物碳酸钙的不断生成,从而影响胶结固化效果。碳酸钙越多,固化效果越好,最高浓度对应的峰值阻力达到了未胶结试样S0的3.47倍。
（2）纤维掺量的影响
图9,10是在胶结液浓度相同（0.5 mol/L）的情况下,不同纤维掺量试样对应的贯入曲线及峰值贯入阻力,将胶结液浓度0.5 mol/L、纤维掺量0.0%试样S5作为S1～S4的不掺纤维对照组。
![]()
图 9 不同纤维掺量试样对应的贯入曲线Figure 9. Penetration curves of samples with different fiber contents![]()
图 10 不同纤维掺量试样对应的峰值贯入阻力Figure 10. Peak penetration resistances of samples with different fiber contents对于MICP-FR协同作用试样,贯入曲线形式总体上与纯MICP试样相似,贯入阻力随深度先迅速增加而后开始减小。随着纤维掺量从0增加到0.4%,峰值贯入阻力呈先增加后降低的趋势,其中0.2%对应的峰值阻力为124.7 N,是未加筋试样S5峰值阻力的1.66倍。当纤维掺量为0.1%时,其对强度的贡献不明显,试样的峰值贯入阻力仅比S5高3.8 N；当纤维掺量为0.3%,0.4%时,对应的峰值阻力分别为102.32 N、91.55 N,仍远高于S1、S5。由此可见,在微生物胶结钙质砂中加入适量的纤维,可以极大提高固化效果,本次研究获得的最优掺量为0.2%,这与前人的研究结果基本一致。如李明东等在研究纤维加筋微生物胶结砂土的力学性质时,通过一系列抗压、抗拉强度试验都表明最优掺量在0.2%～0.3%[18, 24-25]。这是由于纤维为细菌提供了新的定植区域,即除了钙质砂,细菌还可以附着在纤维表面进行MICP过程,从而借助穿插在孔隙中的纤维将更多碳酸钙生产在相邻砂颗粒间的孔喉处,促进“有效碳酸钙”产量的增加,更多的碳酸钙不仅有利于MICP胶结,还切实提高了土体的密实度,从而提高整体强度。可见纤维对MICP固化砂土贯入强度的影响主要是通过提高有效碳酸钙产量来实现的：当纤维掺量低于0.2%时,因纤维较少,增加的定植面积和在孔隙间的分散程度都很有限,因此固化效果的提升不明显；当纤维掺量高于0.2%时,过多的纤维在拌入过程中容易成团[24],整体上分散不均匀,导致部分区域固化效果受到影响,因此强度逐渐降低,但是纤维增多带来的碳酸钙产量提升使试样强度依旧维持在较高的水平。在高掺量试样S3、S4中,“纤维增多-碳酸钙增多-强度提升”与“纤维成团-分散不均-强度降低”两个过程同时存在,后者随着纤维掺量的不断增加逐渐削弱前者带来的提升效果,所以实际工程中应选择合适掺量的纤维,使MICP-FR协同作用提升强度的效果发挥到最佳。
2.3 抗侵蚀特性
短历时强降雨环境能直接检验MICP固化试样表层硬化壳的抗侵蚀效果。为了更好地对比不同变量之间的影响,分别选择S0、S2和S8这3个典型试样进行模拟暴雨冲刷试验。其中S0是灭活细菌对照样,试样未经MICP胶结固化；S2是最优纤维掺量0.2%试样,代表纤维加筋组；S8是最高碳酸钙生成量试样,代表不掺纤维组。
图11是暴雨冲刷阶段每个试样每分钟的累积侵蚀量（冲出物烘干后质量）,图12是暴雨冲刷10 min后不同试样侵蚀总量对比。从图12看出,MICP固化试样S8的侵蚀总量为40.91 g,不足未固化试样S0的1/7,而MICP-FR协同作用试样S2仅在冲刷开始有0.14 g的固体冲出,之后未见流失。如图13所示,利用MICP技术固化形成的硬化壳具有良好的抗侵蚀能力,特别是加入聚丙烯纤维之后效果更佳,其中红色方块表示每分钟的侵蚀量。
![]()
图 11 不同试样每分钟固体累积流失量Figure 11. Cumulative solid losses per minute for different samplesMICP生成的碳酸钙在填充钙质砂内外孔隙、减少渗流通道和缩小颗粒运移空间等方面起到了重要作用,同时作为胶凝材料将砂颗粒牢固胶结,使砂土体作为一个整体抵抗渗透力和冲刷力的破坏,从而增强了试样的抗侵蚀能力。
对比高胶结液浓度MICP试样S8与MICP-FR协同作用试样S2,尽管高胶结液浓度试样S8的碳酸钙产量最高、整体固化强度最好,但其抗侵蚀效果并不如纤维加筋试样。纤维加筋强化了上述抵抗侵蚀过程,在MICP的基础上更进一步。这是由于纤维自身在砂土体中穿插成网,直接限制并约束砂颗粒、砂土团块的移动,当土体受冲刷出现开裂破坏后,纤维的“桥梁”作用能有效抑制破坏面的扩展。此外,微生物诱导生成的碳酸钙覆盖在纤维表面,通过增加纤维-砂颗粒之间的界面力学强度进一步提高纤维的加筋效果[25-27]。这种MICP-FR协同作用使纤维的效果得到充分发挥,最大限度降低了暴雨冲刷带来的不良影响,从而显著提升表层硬化壳的抗侵蚀能力。
2.4 电导率
暴雨冲刷期间,试样表面的径流及自上而下的渗流将沿途的盐离子溶解,与砂土固体混合冲出。电导率可以直观反映冲出溶液中的离子含量,进而间接判断原试样的胶结情况。
图14给出了S0、S2和S8冲出物过滤液每分钟的电导率。显然,胶结试样S2与S8的电导率随时间逐渐由高降低,说明喷淋养护过程中许多胶结液被限制在了硬化壳中难以下渗,残留了大量的盐离子,S8试样因胶结液浓度较高,离子残留量也较高,所以电导率整体偏高；而未胶结试样S0的电导率极低,基本接近于0。
3. 结论
提出采用MICP-FR协同作用改性钙质砂,通过开展超微型贯入试验,对比分析了不同胶结液浓度、不同纤维掺量对试样碳酸钙含量及力学特性的影响。此外,模拟极端气候条件下的暴雨冲刷环境,研究了改性试样表层硬化壳的抗侵蚀能力,并讨论了MICP-FR协同作用机制。得到如下主要结论：
（1）MICP过程产生的碳酸钙能够将试样表层松散钙质砂胶结为具有一定强度的硬化壳,从而改善砂土体的力学性质,使其获得基本的抗侵蚀能力。
（2）由超微型贯入试验和电导率测定结果可知,表层硬化壳的力学特性与胶结液浓度和纤维掺量有关。胶结液浓度越高,MICP生成的碳酸钙含量越高,试样的峰值贯入阻力越大；随着纤维掺量增加,峰值贯入阻力及整体强度先增加后降低,最优掺量为0.2%。MICP-FR协同作用改性试样的力学性质均优于未加筋试样。
（3）模拟暴雨冲刷试验表明,MICP技术大幅度了提升表层硬化壳的抗侵蚀能力,胶结试样的侵蚀总量不足未胶结试样的1/7,MICP-FR协同作用改性试样的抗侵蚀效果更为显著。
（4）MICP-FR的协同作用主要体现在3个方面：一是通过增加微生物定植面积促进有效碳酸钙产量提高,进而提升试样强度；二是穿插成网,限制砂颗粒和胶结块体的移动、分离,维持试样的整体性；三是MICP生成的碳酸钙附着在纤维表面,增强纤维-砂颗粒之间的界面摩擦力。
本文结果初步表明MICP技术能够作为一种砂土体浅表层侵蚀防治方法,结合纤维加筋效果更显著,为岛礁工程中的钙质砂地基改良提供了经济环保的新思路,且该技术施工工艺较为简单,便于操作和推广。尽管如此,该技术离实际应用尚有距离,尤其在固化效果时空可控性、耐久性、原位胶结处理工艺等方面还需深入研究。
-
![]()
图 5 不同纤维掺量试样对应的碳酸钙含量
Figure 5. Calcium carbonate contents of samples with different fiber contents
![]()
图 6 不同胶结液浓度试样对应的碳酸钙含量
Figure 6. Calcium carbonate contents of samples with different cementation concentrations
![]()
图 7 不同胶结液浓度对应的贯入曲线
Figure 7. Penetration curves corresponding to different cementing liquid concentrations
![]()
图 8 不同胶结液浓度对应的峰值贯入强度
Figure 8. Peak penetration strengths corresponding to different cementation concentrations
![]()
图 9 不同纤维掺量试样对应的贯入曲线
Figure 9. Penetration curves of samples with different fiber contents
![]()
图 10 不同纤维掺量试样对应的峰值贯入阻力
Figure 10. Peak penetration resistances of samples with different fiber contents
![]()
图 11 不同试样每分钟固体累积流失量
Figure 11. Cumulative solid losses per minute for different samples
表 1 聚丙烯纤维的物理力学参数
Table 1 Basic physical and mechanical properties of polypropylene fiber
类型 密度ρ/(g·m-³) 直径d/mm 抗拉强度/MPa 弹性模量/MPa 熔点/℃ 燃点/℃ 束装单丝 0.91 0.02~0.048 ≥350 ≥3500 165 590 
下载: 导出CSV
表 2 试验分组及参数设置
Table 2 Test grouping and parameter setting
试样分组 试样编号 纤维掺量/% 胶结液浓度/(mol·L-1) 对照样 S0 0.0 0.5 A组 S1 0.1 0.5 S2 0.2 0.5 S3 0.3 0.5 S4 0.4 0.5 B组 S5 0.0 0.5 S6 0.0 1.0 S7 0.0 1.5 S8 0.0 2.0
下载: 导出CSV
-
[1] 文哲, 段志刚, 李守定, 等. 中国南海岛礁吹填珊瑚砂剪切力学特性[J]. 工程地质学报, 2020, 28(1): 77-84. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ202001009.htm WEN Zhe, DUAN Zhi-gang, LI Shou-ding, et al. Shear mechanical properties of dredged coral sands from South China sea, China[J]. Journal of Engineering Geology, 2020, 28(1): 77-84. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ202001009.htm
[2] 汪稔, 吴文娟. 珊瑚礁岩土工程地质的探索与研究——从事珊瑚礁研究30年[J]. 工程地质学报, 2019, 27(1): 202-207. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ201901022.htm WANG Ren, WU Wen-juan. Exploration and research on engineering geological properties of coral reefs——engaged in coral reef research for 30 years[J]. Journal of Engineering Geology, 2019, 27(1): 202-207. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCDZ201901022.htm
[3] JIANG N J, TANG C S, YIN L Y, et al. Applicability of microbial calcification method for sandy slope surface erosion control[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2019, 31(11): 04019250. doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002897
[4] 胡波, 汪稔, 胡明鉴, 等. 水力吹填砂地基强夯处理试验研究[J]. 岩土力学, 2007, 28(增刊1): 89-92. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2007S1018.htm HU Bo, WANG Ren, HU Ming-jian, et al. Experimental research on dynamic consolidation method of hydraulic filled sand[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(1): 89-92. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2007S1018.htm
[5] OPERSTEIN V, FRYDMAN S. The influence of vegetation on soil strength[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Ground Improvement, 2000, 4(2): 81-89. doi: 10.1680/grim.2000.4.2.81
[6] 钱春香, 王安辉, 王欣. 微生物灌浆加固土体研究进展[J]. 岩土力学, 2015, 36(6): 1537-1548. doi: 10.16285/j.rsm.2015.06.003 QIAN Chun-xiang, WANG An-hui, WANG Xin. Advances of soil improvement with bio-grouting[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(6): 1537-1548. (in Chinese) doi: 10.16285/j.rsm.2015.06.003
[7] 刘汉龙, 肖鹏, 肖杨, 等. MICP胶结钙质砂动力特性试验研究[J]. 岩土工程学报, 2018, 40(1): 38-45. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201801003.htm LIU Han-long, XIAO Peng, XIAO Yang, et al. Dynamic behaviors of MICP-treated calcareous sand in cyclic tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2018, 40(1): 38-45. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201801003.htm
[8] 崔明娟, 郑俊杰, 赖汉江. 颗粒粒径对微生物固化砂土强度影响的试验研究[J]. 岩土力学, 2016(增刊2): 397-402. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2016S2051.htm CUI Ming-juan, ZHENG Jun-jie, LAI Han-jiang. Experimental study of effect of particle size on strength of bio-cemented sand[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016(S2): 397-402. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2016S2051.htm
[9] 邵光辉, 冯建挺, 赵志峰, 等. 微生物砂浆防护粉土坡面的强度与抗侵蚀性影响因素分析[J]. 农业工程学报, 2017, 33(11): 141-147. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NYGU201711017.htm SHAO Guang-hui, FENG Jian-ting, ZHAO Zhi-feng, et al. Influence factor analysis related to strength and anti-erosion stability of silt slope with microbial mortar protective covering[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(11): 141-147. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NYGU201711017.htm
[10] DEJONG J T, SOGA K, KAVAZANJIAN E, et al. Biogeochemical processes and geotechnical applications: Progress, opportunities and challenges[J]. Géotechnique, 2013, 63(4): 287-301.
[11] 何稼, 楚剑, 刘汉龙, 等. 微生物岩土技术的研究进展[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(4): 643-653. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201604010.htm HE Jia, CHU Jian, LIU Han-long, et al. Research advances in biogeotechnologies[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(4): 643-653. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201604010.htm
[12] 方祥位, 申春妮, 楚剑, 等. 微生物沉积碳酸钙固化珊瑚砂的试验研究[J]. 岩土力学, 2015, 36(10): 2773-2779. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201510005.htm FANG Xiang-wei, SHEN Chun-ni, CHU Jian, et al. An experimental study of coral sand enhanced through microbially-induced precipitation of calcium carbonate[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(10): 2773-2779. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201510005.htm
[13] 方祥位, 李晶鑫, 李捷, 等. 珊瑚砂微生物固化体单轴损伤本构模型[J]. 地下空间与工程学报, 2018, 14(5): 93-98. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BASE201805012.htm FANG Xiang-wei, LI Jing-xin, LI Jie, et al. Damage constitutive model of biocemented coral sand columns under unconfined compression[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2018, 14(5): 93-98. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BASE201805012.htm
[14] 李捷, 方祥位, 申春妮, 等. 含水率对珊瑚砂微生物固化体力学特性影响研究[J]. 工业建筑, 2016(12): 93-97. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYJZ201612019.htm LI Jie, FANG Xiang-wei, SHEN Chun-ni, et al. Influence of moisture content on mechanical properties of biocemented coral sand columns[J]. Industrial Construction, 2016(12): 93-97. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYJZ201612019.htm
[15] 马瑞男, 郭红仙, 程晓辉, 等. 微生物拌和加固钙质砂渗透特性试验研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(增刊2): 217-223. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2018S2031.htm MA Rui-nan, GUO Hong-xian, CHENG Xiao-hui, et al. Permeability experiment study of calcareous sand treated by microbially induced carbonate precipitation using mixing methods[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(S2): 217-223. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2018S2031.htm
[16] 欧益希, 方祥位, 张楠, 等. 溶液盐度对微生物固化珊瑚砂的影响[J]. 后勤工程学院学报, 2016, 32(1): 78-82. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HQGC201601015.htm OU Yi-xi, FANG Xiang-wei, ZHANG Nan, et al. Influence of solution salinity on microbial biocementation of coral sand[J]. Journal of Logistical Engineering University, 2016, 32(1): 78-82. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HQGC201601015.htm
[17] 彭劼, 田艳梅, 杨建贵. 海水环境下MICP加固珊瑚砂试验[J]. 水利水电科技进展, 2019, 39(1): 62-66. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLSD201901011.htm PENG Jie, TIAN Yan-mei, YANG Jian-gui. Experiments of coral sand reinforcement using MICP in seawater environment[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2019, 39(1): 62-66. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLSD201901011.htm
[18] 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. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201904014.htm XIE Yue-han, TANG Chao-sheng, YIN Li-yang, et al. Mechanical behavior of microbial-induced calcite precipitation (MICP)-treated soil with fiber reinforcement[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(4): 675-682. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201904014.htm
[19] 吴洋, 练继建, 闫玥, 等. 巴氏芽孢八叠球菌及相关微生物的生物矿化的分子机理与应用[J]. 中国生物工程杂志, 2017, 37(8): 96-103. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SWGJ201708014.htm WU Yang, LIAN Ji-jian, YAN Yue, et al. Mechanism and applications of bio-mineralization induced by sporosarcinapasteurii and related microorganisms[J]. China Biotechnology, 2017, 37(8): 96-103. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SWGJ201708014.htm
[20] WANG D Y, TANG C S, CUI Y J, SHI B, LI J. Effects of wetting-drying cycles on soil strength profile of a silty clay in micro-penetrometer tests[J]. Engineering Geology, 2016, 206: 60-70.
[21] 施斌, 刘志彬, 蔡奕. 超微型贯入仪的研制及其应用[J]. 岩土力学, 2005(8): 1211-1215. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200508006.htm SHI Bin, LIU Zhi-bin, CAI Yi. Development of the super mini-penetrometer and its application[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005(8): 1211-1215. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200508006.htm
[22] RÖMKENS M J M, HELMING K, PRASAD S N. Soil erosion under different rainfall intensities, surface roughness, and soil water regimes[J]. Catena, 2002, 46(2/3): 103-123.
[23] 金宗川. 钙质砂的休止角研究与工程应用[J]. 岩土力学, 2018, 39(7): 2583-2590. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201807031.htm JIN Zong-chuan. Study of natural repose angle of calcareous sand and engineering application[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(7): 2583-2590. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201807031.htm
[24] 李贤, 汪时机, 何丙辉, 等. 土体适用MICP技术的渗透特性条件研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(8): 2956-2964, 2974. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201908010.htm LI Xian, WANG Shi-ji, HE Bing-hui, et al. Permeability condition of soil suitable for MICP method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(8): 2956-2964, 2974. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201908010.htm
[25] LI M D, LI L, OGBONNAYA U, et al. Influence of fiber addition on mechanical properties of MICP-treated sand[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2016, 28(4): 04015166.
[26] TANG C S, SHI B, GAO W, CHEN F, CAI Y. Strength and mechanical behavior of short polypropylene fiber reinforced and cement stabilized clayey soil[J]. Geotextiles & Geomembranes, 2007, 25(3): 194-202.
[27] TANG C S, SHI B, ZHAO L Z. Interfacial shear strength of fiber reinforced soil[J]. Geotextiles & Geomembranes, 2010, 28(1): 54-62.
-
期刊类型引用(18)
1. 张伟丽，李明依，李俊，钱程，陈宗武. 基于MICP技术的固化黏土抗侵蚀性能研究. 安全与环境工程. 2025(01): 201-210+232 . 
百度学术
2. 高瑜，邢家伟，王晓荣，韩红伟，樊促遥. 核磁共振作用下微生物矿化风沙土材料的微观孔隙. 科学技术与工程. 2025(05): 2066-2073 . 百度学术
3. 朱文羲，邓华锋，李建林，肖瑶，熊雨，程雷. 木质素磺酸钙增强花岗岩残积土微生物固化效果研究. 土木工程学报. 2024(03): 123-132 . 百度学术
4. 徐志平，贾卓龙，晏长根，王逸凡. 聚丙烯纤维加筋黄土边坡防护原位测试及改进策略. 人民黄河. 2024(04): 111-116 . 百度学术
5. 耿会岭，赵卫全，赵永刚，杨晓东，于凡. 生物诱导碳酸钙沉淀在改善土壤侵蚀中的应用. 水利水电技术(中英文). 2024(03): 11-23 . 百度学术
6. 蒋钊，彭劼，许鹏旭，卫仁杰，李亮亮. 微生物结合碳纤维加固钙质砂的高强度试验研究. 土木与环境工程学报(中英文). 2024(05): 64-73 . 百度学术
7. 付贵永，肖杨，史金权，周航，刘汉龙. 干湿循环下EICP联合黄原胶加固钙质粉土劣化特性试验研究. 岩土工程学报. 2024(11): 2341-2351 . 本站查看
8. 郑宏扬，王瑞，刘宇佳，唐朝生. 基于生物碳化活性氧化镁技术抑制土体干缩开裂的试验研究. 高校地质学报. 2024(06): 705-713 . 百度学术
9. 袁童，雷学文，艾东，安然，陈昶，陈欣. 椰壳纤维-MICP复合改良膨胀土强度特性. 水利与建筑工程学报. 2023(03): 105-111 . 百度学术
10. 赵卫全，张银峰，李娜，耿会岭，严俊. 微生物改良膨胀土的胀缩性及耐水性试验研究. 中国水利水电科学研究院学报(中英文). 2023(04): 350-359 . 百度学术
11. 杜掀，郑涛，卢超波，杨庭伟，姜洪亮. 不同类型纤维对MICP处理钙质砂物理力学性能的影响. 西部交通科技. 2023(01): 60-63 . 百度学术
12. 胡其志，霍伟严，马强，陶高梁. MICP联合纤维加筋黄土的力学性能及水稳性研究. 人民长江. 2023(08): 227-232+248 . 百度学术
13. 张婧，杨四方，张宏，曹函，陆爱灵，唐卫平，廖梦飞. 碳中和背景下MICP技术深化与应用. 现代化工. 2023(11): 75-79+84 . 百度学术
14. 张建伟，赵聪聪，尹悦，石磊，边汉亮，韩智光. 紫外诱变产脲酶菌株加固粉土的试验研究. 岩土工程学报. 2023(12): 2500-2509 . 本站查看
15. 陈欣，安然，汪亦显，陈昶. 胶结液浓度对MICP固化残积土力学性能影响及机理研究. 水利与建筑工程学报. 2023(06): 100-106+149 . 百度学术
16. 贺桂成，唐孟媛，李咏梅，李春光，张志军，伍玲玲. 改性黄麻纤维联合微生物胶结铀尾砂的抗渗性能试验研究. 岩土力学. 2023(12): 3459-3470 . 百度学术
17. 黄安国，何稼，邵应峰. EICP联合纤维加固边坡表层抗侵蚀试验研究. 河南科学. 2022(09): 1411-1421 . 百度学术
18. 申春妮，方祥位，胡丰慧，姚志华，李洋洋. 珊瑚砂地基中微生物珊瑚砂桩承载特性试验研究. 岩土工程学报. 2022(S1): 68-73 . 本站查看
其他类型引用(18)
计量
- 文章访问数: 377
- HTML全文浏览量: 70
- PDF下载量: 190
- 被引次数: 36
