MICP联合纤维加筋改性钙质砂力学特性研究

钙质砂是中国南海岛礁工程建设的主要建筑材料和地基土成份,其具有高孔隙、易破碎和强度低等不良工程地质特性。为改善钙质砂力学性能,提高其工程可靠性,提出利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）协同纤维加筋改性钙质砂。文章通过开展无侧限抗压试验以及扫描电镜测试,对比分析不同纤维掺量下MICP固化钙质砂的力学响应特性及微观破坏机理。结果表明：（1）MICP技术能够有效固化钙质砂,并提升其力学强度;（2）纤维能够增加细菌定殖面积,提升碳酸钙沉积量,并由此提升试样延性和韧性,降低刚度;（3）应力应变曲线呈阶梯状多峰特征。在应力上升阶段,砂颗粒和碳酸钙会发生局部破碎;在峰后应力下降阶段,碳酸钙、砂颗粒、纤维的胶结作用增强了纤维的抗拔性能,限制了破坏面的发展;（4）碳酸钙、砂颗粒、纤维的耦合胶结作用是纤维加筋改善试样韧性、延性的根本原因。     

干燥脱水过程中纤维加筋固化淤泥的强度特性

淤泥是一种天然含水率高且力学性质极差的固体废弃物,采取有效的技术方法进行快速脱水和增强可以实现淤泥资源化和高效利用。选取离散短丝聚丙烯纤维作为加筋材料,水泥和粉煤灰作为固化材料,通过开展无侧限抗压试验,研究了纤维加筋固化淤泥在干燥路径中强度的变化,并分析了干燥过程中不同目标含水率状态(分别为45%,40%,35%,30%,25%,20%,15%,10%和5%)和纤维掺量(0~0.8%)对加筋固化淤泥强度的影响机理。结果表明:①纤维的加入能有效提高固化淤泥的峰值强度和残余强度,且强度值随纤维掺量的增加呈现先上升后下降的趋势,最优纤维掺量为0.1%;②干燥脱水过程中,试样的无侧限抗压强度随含水率的减小近似于线性增加,破坏形式由塑性破坏逐渐向脆性破坏过渡,而纤维的加入可以有效抑制试样的脆性破坏,提升试样的韧性;③纤维加筋对固化淤泥强度的贡献随含水率的减小而逐渐增加,根本原因是纤维—淤泥界面作用力在低含水率条件下能得到更佳的激发。     

MICP联合纤维加筋改性钙质砂的动力特性研究

为了提高我国南海钙质砂地基的抗液化性能,提出利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术联合纤维加筋技术对钙质砂进行改性处理。通过开展动三轴试验,对比分析了改性前后钙质砂试样的动应变、动孔压、应力−应变滞回曲线以及动弹性模量的发展规律和演化特征,并结合扫描电镜（SEM）试验探究了MICP和纤维加筋技术对钙质砂的联合改性机制。研究结果表明：（1）MICP技术可以明显改善钙质砂试样的抗变形与抗液化性能,相比于未胶结处理试样,仅MICP处理试样的动应变和动孔压分别降低了95.74% 和 92.46%;（2）纤维的掺入进一步提升了MICP的改性效果,相比于仅MICP处理试样,MICP和纤维加筋联合处理试样的动应变和动孔压分别降低了 74.32%和 74.18%;（3）MICP 和纤维加筋技术通过减轻试样在循环荷载作用下的循环活动强度和能量耗散、提高试样的动弹性模量和减小动弹性模量的衰减速率,从而实现试样抗变形与抗液化性能的显著提高;（4）SEM 试验分析结果表明,MICP 与纤维对钙质砂动力特性的改善具有协同作用。纤维的掺入为细菌提供了更多的附着场所,促进了碳酸钙晶体的生成量,该部分碳酸钙不仅增加了颗粒间的胶结强度,同时也将纤维固定在砂颗粒上增强了纤维网的约束作用。     

废弃纤维改良水泥固化土力学特性及破坏模式研究

水泥固化砂土的低成本、无害化改良是岩土工程领域的热点问题。利用废弃服装制备的涤纶纤维对水泥固化砂土进行改良,研究纤维含量和纤维长度对水泥固化砂土无侧限抗压强度特性的影响。基于试样的宏观破坏形貌,定性分析改良前后水泥固化砂土的破坏模式及破坏模式的转变方式,利用脆性指数,研究纤维含量、纤维长度影响下水泥固化砂土破坏模式的转变规律,定量评价脆性破坏向延性破坏的转变程度。研究结果表明:在最优纤维含量1.0%、最优纤维长度9 mm条件下,废弃涤纶纤维的改良效果最佳,水泥固化砂土的无侧限抗压强度、峰值应变、残余强度、残余应变的增长幅度分别为43.3%、18.2%、276.9%、190.9%。水泥固化砂土改良后,由最初的脆性破坏向半延性、延性破坏转变,宏观破坏形貌由脆性破坏时纵向贯通相互独立的裂隙向半延性破坏时单斜或稀疏的共轭破裂裂纹、延性破坏时稠密的网状共轭裂纹转变。在最优纤维含量、最优纤维长度条件下,试样破坏后表面共轭裂纹数量最多,脆性指数最小,试样由脆性破坏向延性破坏转变程度最高。研究结果为水泥土的无害化改良和纤维土的破坏模式分析提供科学依据。     

植物纤维加筋固化土抗压强度和渗透试验研究

为了研究椰丝纤维和双聚高分子材料加固粉砂土的效果和机制,本文采用正交试验方法,通过掺加双聚高分子材料和椰丝纤维,针对影响加筋固化土的力学性能和渗透性的因素（椰丝纤维掺量、椰丝纤维长度和双聚材料掺量）,进行无侧限抗压强度试验和渗透试验等分析研究。研究结果表明:在粉砂土中添加双聚材料固化剂和椰丝纤维,提高了土体的无侧限抗压强度和降低了土体的渗透性。椰丝纤维含量和双聚材料掺量对试样的无侧限抗压强度影响非常显著,椰丝纤维长度对试样无侧限抗压强度的影响显著。椰丝纤维含量和双聚材料掺量对试样渗透系数的影响显著,椰丝纤维长度对渗透系数的影响不显著。当纤维掺量为0.9%,双聚材料掺量为0.375%时,试样的无侧限抗压强度最大。纤维掺量为0.9%,双聚材料掺量为0.325%时,试样的渗透系数最小。     

人工合成类废布料纤维纱加筋黄土力学变形性质及抗溅蚀特性试验研究

纺织企业每年都产生大量的人工合成类废弃布料,处理不当会造成比较严重的环境污染。将废弃布料开松、分梳和切断后具有良好抗酸碱腐蚀性能的涤纶纤维纱按一定比率掺入素黄土中,形成纤维纱加筋黄土试样。用路面材料强度试验仪、真三轴试验仪、抗拉强度仪和土壤溅蚀设备对素黄土、单丝纤维加筋黄土和纤维纱加筋黄土试样进行相关测试。试验结果表明,随着纤维纱掺加比率的增加,无侧限抗压强度呈先增大后减小的变化趋势,最优纤维掺加比率,纤维纱加筋黄土及单丝纤维无侧限抗压强度均大于素黄土,在相同的纤维掺加比率、细度及长度条件下纤维纱加筋黄土无侧限抗压强度大于单丝纤维加筋黄土;纤维纱加筋黄土黏聚力c值大于单丝纤维加筋黄土及素黄土,内摩擦角ψ值与单丝纤维加筋黄土及素黄土比变化不明显;素黄土在抗拉强度测试中呈现脆性破坏特征,纤维纱的加筋黄土抗拉强度大于单丝纤维加筋黄土及素黄土,纤维纱加筋黄土破坏时拉应变大于单丝纤维加筋黄土;相同的时间节点纤维纱加筋黄土击溅后形成的坑洞孔深小于素黄土,同时溅蚀量较素黄土更少。     

人工合成类废布料纤维纱加筋黄土力学变形性质及抗溅蚀特性试验研究

纺织企业每年都产生大量的人工合成类废弃布料,处理不当会造成比较严重的环境污染。将废弃布料开松、分梳和切断后具有良好抗酸碱腐蚀性能的涤纶纤维纱按一定比率掺入素黄土中,形成纤维纱加筋黄土试样。用路面材料强度试验仪、真三轴试验仪、抗拉强度仪和土壤溅蚀设备对素黄土、单丝纤维加筋黄土和纤维纱加筋黄土试样进行相关测试。试验结果表明,随着纤维纱掺加比率的增加,无侧限抗压强度呈先增大后减小的变化趋势,最优纤维掺加比率,纤维纱加筋黄土及单丝纤维无侧限抗压强度均大于素黄土,在相同的纤维掺加比率、细度及长度条件下纤维纱加筋黄土无侧限抗压强度大于单丝纤维加筋黄土;纤维纱加筋黄土黏聚力c值大于单丝纤维加筋黄土及素黄土,内摩擦角φ值与单丝纤维加筋黄土及素黄土比变化不明显;素黄土在抗拉强度测试中呈现脆性破坏特征,纤维纱的加筋黄土抗拉强度大于单丝纤维加筋黄土及素黄土,纤维纱加筋黄土破坏时拉应变大于单丝纤维加筋黄土;相同的时间节点纤维纱加筋黄土击溅后形成的坑洞孔深小于素黄土,同时溅蚀量较素黄土更少。     

CSFG-FR协同作用改良淤泥固化土性能试验研究

为改良淤泥固化土力学特性,提高其变形稳定性,提出采用以水泥?矿渣?粉煤灰?石膏（CSFG, cement-slag-flyash-gypsum）为材料的新型环保固化剂,协同纤维加筋（FR）作用改良淤泥固化土。通过开展无侧限抗压试验和渗透试验,对比分析了不同CSFG掺量（10%、20%、30%）、不同纤维长度（0、3、6、12 mm）和纤维掺量（0%、0.2%、0.4%、0.8%）对试样力学性能和渗透性能的影响。此外,通过X射线衍射（XRD）、电镜扫描（SEM）和核磁共振试验（NMR）分析了CSFG-FR协同作用的微观机制,讨论了其协同作用机制。得到如下主要结论：CSFG-FR试样的力学性能有较为显著的提升,破坏模式从脆性破坏转变为韧性破坏,变形性能也得到改善,但渗透性能改良效果不明显;CSFG-FR中的纤维存在临界掺量（0.4%）,当纤维小于临界掺量时发挥积极作用,超过时则会产生反作用;纤维通过形成三维纤维网络,促进水化物分布,引导水化物在其表面附着生长而发挥CSFG-FR协同作用,最佳纤维掺量为0.4%,最佳纤维长度为12 mm。     

冻融作用下三类纤维加筋固化土的抗压抗拉性能

合成纤维、矿物纤维和植物纤维加筋土,增强了土的强度和抗变形性能。开展冻融作用下的无侧限抗压试验和劈裂抗拉试验,研究聚丙烯纤维、玄武岩纤维和棕榈纤维加筋石灰固化土的抗压和抗拉性能随冻融次数的变化规律。结果表明：未冻融和冻融环境下,聚丙烯纤维加筋固化土、玄武岩纤维加筋固化土和棕榈纤维加筋固化土的最优质量加筋率分别为0.2%、0.2%和0.4%。随冻融次数增加,三类纤维加筋固化土的抗压强度和抗拉强度均呈阶段性下降,纤维加筋固化土的破坏应变均大于石灰固化土。冻融作用下,聚丙烯纤维加筋固化土的抗压强度、抗拉强度和抗变形性能均优于另两类加筋固化土。纤维与土颗粒间的界面作用力和纤维对土的空间约束作用,增强了土的冻融耐久性。对比三类纤维加筋固化土的试验结果,聚丙烯纤维加筋固化土的抗冻融性能最优。     

聚丙烯纤维加筋对高岭土固结压缩特性影响试验研究

工程中为了改良压实黏土的强度和抗干裂性能,将分散的聚丙烯纤维均匀掺入土体中制成纤维加筋土。利用聚丙烯纤维与高岭土在室内人工拌和并压制成纤维加筋土样,基于一维固结试验研究了控制干密度条件下纤维加筋掺量与长度对加筋高岭土固结、压缩特性的影响规律。研究结果表明,在控制干密度和纤维长度条件下,随着纤维掺量的增加,加筋土的固结系数和压缩模量均先增大后减小;掺量为0.2%时固结系数最大,掺量为0.1%～0.15%时压缩模量最大;在控制干密度和纤维掺量条件下,随着纤维长度的增加,加筋土的固结系数先减小后增大,纤维长度为10 mm时固结系数最小;当固结压力较高（≥400 kPa）时,加筋土的压缩模量随纤维长度增大而减小。此外,加筋土的压缩指数总体上随纤维掺量和纤维长度的增大而增大,但纤维掺量为0.15%～0.20%以及纤维长度为10 mm时压缩指数有一极小值。     

Experimental Investigation of Mechanical Properties of Sands Reinforced with Discrete Randomly Distributed Fiber

The addition of cementitious admixtures and/or inclusion of fibers are frequently used in practice to stabilize soils and to improve their mechanical properties. In this study, ring shear tests were conducted to investigate mechanical properties such as shear strength, angle of friction and cohesion values of randomly distributed discrete fiber-reinforced sand mixtures. The length and aspect ratio of the fibers used in the current study were 12 mm and 120, respectively. Specimens were prepared at four different fiber ratios (0.1, 0.3, 0.6, and 0.9 % by weight of sand). A series of ring shear tests were carried out on sand alone and fiber-reinforced sand mixtures at different normal stresses. The test results indicated that the addition of fiber had a significant effect on the shear strength of the sand. Shear stress of the unreinforced sand increases 1.29–2.32, 1.16–1.39, and 1.07–1.5 times at a normal stress of 50, 150, and 250 kPa, respectively with fiber inclusion. Fiber content had positive effects on improving the shear strength parameters (angle of internal friction and cohesion) of the mixtures. The cohesion and angle of internal friction of fiber-reinforced sand prepared at different ratios of fiber increased by 5.3–27.4 kPa and 2.0°–7.3° respectively. The inclusion of fibers improves the ductility of the soil by preventing the loss of post-peak strength.     

Enhancing splitting tensile strength of biocarbonated reactive magnesia-based sand using polypropylene fiber reinforcement

This short communication investigates the involvement of polypropylene fibers in the biocarbonated reactive magnesia cement mixes to improve the splitting tensile strength of sand for soil improvement. By varying the RMC content (5 and 10% by weight of sand) and fiber content (0, 0.5, and 1% by weight of sand), a suitable mix design was determined. The test results showed that the peak tensile strength of biocarbonated RMC-based sand samples with an optimum fiber content of 1% could improve by more than 4 times compared to the biocarbonated sand without fiber reinforcement. This was attributed to the generation of hydrated magnesium carbonates with the microbially induced CO₂/carbonate process, bonding the fiber–matrix and eliminating the brittleness, consequently enhancing the tensile ductility of biocarbonated sand.

     

高分子固化剂/纤维改良砂土的抗拉强度试验研究

本文采用高分子固化剂和聚丙烯纤维对砂土进行复合加固,通过对不同聚丙烯纤维含量、固化剂含量和干密度的重塑试样进行抗拉试验,测量试样破坏时的最大拉应力,对比不同试样抗拉强度的变化规律,并结合扫描电镜对复合加固机理进行较为深入的分析。试验结果表明,高分子固化剂和聚丙烯纤维的复合加固能够显著提高砂土的抗拉强度,纤维含量、固化剂含量和干密度对改良砂土的抗拉强度均具有较大的影响。当干密度和高分子固化剂含量一定时,砂土抗拉强度随纤维含量的增加逐渐增加,当固化剂含量为4%,干密度为1.5 g·cm-3时,纤维含量从0.2%到0.8%,抗拉强度从79.06 kPa增加到194.51 kPa;当干密度和纤维含量一定时,砂土抗拉强度随着高分子固化剂含量的增加而增加,当纤维含量为0.8%,干密度为1.5g·cm-3时,固化剂含量从1%到4%,抗拉强度从63.16 kPa增加到194.51 kPa;当高分子固化剂含量和纤维含量一定时,抗拉强度随着干密度的增加先增加后减小,在干密度为1.55 g·cm-3左右达到峰值。复合加固结合物理和化学加固的优点,通过纤维在颗粒间的相互作用力和固化剂在颗粒间的联结力,从而提高改良砂土的抗拉性能。本研究结果为进一步研究砂土复合加固及其工程应用提供一定的参考依据。     

火山灰增强微生物固化砂土效果的试验研究

为了提升微生物固化砂土的效果,考虑火山灰的多孔结构及活性特征,设计进行了火山灰增强微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）固化砂土试验,综合宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析了火山灰对微生物固化砂土的增强效果及增强机制。结果表明：（1）火山灰能够显著提高砂土微生物加固过程中的固菌率和胶结物产量,火山灰掺量在10%左右达到最佳,与常规MICP相比,固菌率提高了118.28%,胶结物生成量提高了29.55%。（2）火山灰的掺入提高了固化体的抗压强度和抵抗变形的能力,不同围压下固化体的抗压强度提升了52.26%～62.96%,破坏时的应变增加了100.00%～112.58%。（3）火山灰掺入后,固化体的孔隙大小及孔隙率明显减小,整体的密实性及抗渗性能进一步提升,孔隙率从20.12%减小为14.17%,渗透系数降低了一个数量级。（4）火山灰对微生物固化砂土的增强机制主要包括3个方面,一方面,火山灰在砂颗粒间起到了良好的充填作用,大幅减少了颗粒间的大孔隙,使得固化体的密实性增强;另一方面,火山灰良好的吸附作用有效提高了试样内细菌的含量,使固化体碳酸钙的产量及分布的均匀性均增加;第3方面,火山灰中的活性物质参与反应生成的胶凝物质与碳酸钙晶体形成复合凝胶体,使得固化体的胶结性能和密实程度进一步增强。     

Study on Strength Influence Mechanism of Fiber-Reinforced Expansive Soil Using Jute

This study was undertaken to research the effects of jute fiber content, fiber length, water content and dry density of reinforced and unreinforced soil on the strength influence mechanism by implementing a series of laboratory tests and analysis. The most efficient fiber reinforcement effects was achieved by means of adding jute fiber with content of 0.6 % and length of 6 mm into expansive soil specimen prepared at maximum dry density and optimum moisture content. The cohesion of reinforced specimens increased first with increasing fiber content and fiber length and then decreased with further increase in fiber content and fiber length. The internal friction angle of reinforced specimens were not affected significantly by fiber content and fiber length. Higher water content reduces the fiber reinforcement effects by means of acting as lubricant in the interface of fiber and soil particles. Fiber reinforcement effects is more prominent for specimens prepared at higher dry density by increasing the effective contact area of fiber/soil. The application prospect of soil reinforcement using natural fiber is impeded by the hydrophilic nature and biodegradability of natural fiber, thus, studies on using chemical additive to do surface treatment for natural fiber are needed to improve the interfacial interaction of fiber/soil so as to widen the application of natural fiber.     

基于石灰石粉钙源的微生物固化砂土试验研究

微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）作用是一种新型的土体改良技术。钙源作为MICP反应中重要的反应物,对微生物诱导碳酸钙沉积的效果有重要的影响。目前应用最广泛的钙源——氯化钙（CaCl2）,具有成本高,环境污染性大的缺点。为此,文章提出利用石灰石粉提取钙源,通过在石灰石粉中加入乙酸溶液,释放钙离子用于微生物固化土体。通过开展无侧限抗压强度试验以及微观结构的扫描电镜观测、碳酸钙含量测定等分析,验证利用石灰石粉提取的钙源用于微生物诱导碳酸钙沉积作用固化土体的可行性,同时与醋酸钙和氯化钙固化砂柱进行了对比分析。研究结果表明：（1）石灰石粉用于微生物固化土体具有可行性,固化后砂柱的强度和碳酸钙含量较高,结构完整性高;（2）不同钙源固化砂柱的力学特性不同但均呈典型的脆性破坏模式,其中醋酸钙固化砂柱的无侧限抗压强度略高于石灰石钙源固化砂柱,氯化钙固化砂柱的无侧限抗压强度则远低于前两者且表面更加粗糙,孔隙更多,破坏后的完整性更低;（3）不同钙源固化砂柱的碳酸钙含量不同。醋酸钙和石灰石钙源固化砂柱的碳酸钙含量相近,而氯化钙固化砂柱中碳酸钙含量较低。不同钙源固化砂柱的碳酸钙含量和无侧限抗压强度基本呈正相关关系;（4）醋酸钙和石灰石钙源固化砂柱中砂土颗粒的表面和接触点间均沉积大量碳酸钙,碳酸钙晶体主要为薄片状堆叠的方解石。氯化钙固化砂柱中碳酸钙沉积量低于前两者,碳酸钙晶体主要为六面体状的方解石;（5）不同钙源主要通过影响微生物成矿过程的晶型、晶貌、晶体含量、晶体分布及胶结特征来改变固化效果。     

玄武岩纤维加筋黄土承载比试验研究

为研究纤维加筋黄土CBR值影响因素及纤维增强土体机理,以短切玄武岩纤维为筋材,通过改变土体含水率、纤维长度、纤维含量、击实次数、浸水时间等条件进行加州承载比试验,探究初始含水率、纤维参数及试验方法对加筋土局部抗剪强度的影响规律。结果表明:纤维加筋土CBR值随含水率的增加呈现先增大后减小的趋势,存在“施工最优含水率”且相比击实试验最优含水率高1%～3%左右;纤维加筋土CBR值高于黄土CBR值,确定纤维长度20 mm,纤维含量0.4%为最优配比;击实次数从30击增加到98击,黄土CBR值提高273%,纤维加入后CBR值提高327%,加筋作用使土体通过提高击实功来提升强度的效果更加显著;浸水对试样CBR值影响较大,浸水时间对试样CBR值影响较小,且纤维的加入使试样对浸水时间的敏感度进一步降低,加筋土浸水2 d后强度降低54%,浸水4 d后强度降低58%。     

纤维加筋土工程性质研究进展

纤维加筋是一种新型的土体改良技术,是指将分散的纤维丝均匀掺入土体中,达到提高土体的工程力学性能的目的。本文根据国内外近20a来在该领域取得的成果,着重对纤维加筋材料、纤维加筋土的工程性质及加筋机理等方面的研究进展进行了介绍。在纤维加筋材料方面,主要有人工合成纤维和自然纤维两种; 在纤维加筋土工程性质方面,纤维加筋能有效提高土体的抗剪、抗压、抗拉强度和承载力,增加土体的破坏韧性和渗透性,降低膨胀土的胀缩性和裂隙发育程度; 在纤维加筋机理方面,目前主要认为纤维的加筋效果主要取决于纤维-土界面的力学作用,即界面黏聚力和摩擦力。最后,针对目前纤维加筋土的研究不足,提出了今后该领域的研究重点和方向,主要包括: 开发简单可行的纤维土施工器具和工艺、开发更专业的纤维产品和降低纤维成本、开展大尺度模型试验和现场试验、纤维-土界面作用机理研究、纤维加筋土的破坏和失效机理研究、纤维加筋土的力学模型及计算理论研究、纤维加筋土的动力学特性研究等。