碳纤维加筋微生物固化砂土物理力学特性及微观特征研究

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微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是一种利用微生物诱导矿化作用的技术,通过微生物诱导生成碳酸钙沉淀使松散的砂土胶结为一个整体,有效增强土体强度,该技术在土体加固、土体防渗以及增强土体抗液化性能等方面有良好的应用前景。但经过MICP加固后的砂土会存在均匀性较差、破坏时表现出明显脆性等问题。为了更好地发挥微生物固化砂土的优势,一些学者提出了在微生物固化砂土中添加纤维形成复合结构的改良方法。其中,碳纤维具有强度和模量高,不易变形等优点,且在微生物固化砂土中的研究较少。所以,本文对碳纤维加筋微生物固化砂土试样的物理力学指标以及加固特性进行了研究。采用巴氏芽孢杆菌进行加固,选用硅砂以及钙质砂两种不同砂土,试样添加0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%质量分数的碳纤维,进行不同轮数灌浆加固。基于无侧限抗压强度试验、碳酸钙含量试验、干密度试验、吸水率试验、细菌滞留率试验、动三轴试验分析掺入纤维对微生物固化砂土固化效果的影响,结合光学显微镜和SEM电镜扫描,对试样的微观特征进行研究。本文的主要研究成果如下:(1)根据纤维加筋微生物固化砂土物理特性试验结果分析发现:在MICP固化砂土试样中添加碳纤维后,随着纤维含量的增加,试样的碳酸钙含量和干密度均呈现“先增加后降低”的趋势,在硅砂试样中最大值分别为未添加纤维试样的1.31倍和1.09倍,在钙质砂中最大值分别为未添加纤维试样的1.36倍和1.07倍。添加纤维试样的吸水率比未添加纤维试样有所降低,添加纤维的硅砂与钙质砂试样最低值分别是未添加纤维试样的77%与80%。(2)微生物固化砂土中添加纤维能显著增强砂土的无侧限抗压强度以及破坏时的韧性,无侧限抗压强度随纤维添加量的增加总体上呈“先增加后减小”的趋势,其中硅砂的最优纤维含量为0.2%,而钙质砂的最优纤维添加量为0.1%,分别是未添加纤维的2.41倍和2.13倍。MICP技术与纤维加筋技术优势互补,有利于该技术在实际工程中大规模的推广与使用。(3)通过MICP加固的砂土试样动强度与抵抗变形的能力得到显著提高,这证明了MICP加固砂土能有效提高砂土抗液化性能。碳纤维加筋试样动强度均高于未添加纤维试样,并且随着纤维含量增加,试样动强度呈现先增后降的趋势,硅砂试样动强度在纤维含量为0.1%时最高,钙质砂在纤维含量为0.3%时最高。(4)通过光学显微镜以及图像处理技术,分别获得硅砂与钙质砂二维投影图并进行二值化处理,得到两种砂颗粒形状参数,用圆度、扁平度、凸度与粗糙度表示。试验结果表明,两种砂的扁平度与凸度相差不大,主要影响加固效果的是圆度与粗糙度这两个参数,钙质砂圆度比硅砂更接近1,粗糙度低于硅砂,说明钙质砂比硅砂更加圆滑,硅砂颗粒间更具有咬合力,内摩擦力更大。(5)通过对试样进行扫描电镜(SEM)分析发现:经过MICP加固试样的砂颗粒表面生成了大量碳酸钙沉淀,区别在于加固4轮试样生成碳酸钙的量远高于加固1轮试样,且碳酸钙晶体也更大。纤维在砂颗粒间起到“桥梁”作用,纤维的物理性质会影响MICP加固效果。
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