生物炭协同微生物改良粉质黏土力学性能试验

胡其志; 王子贵; 马强; 陶高梁

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506572

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (17) :7407-7417 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506572

建筑科学

生物炭协同微生物改良粉质黏土力学性能试验

胡其志 ¹^,² ,
王子贵 ¹ ,
马强 ¹^,² ,
陶高梁 ¹^,²

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Experiment on Mechanical Properties of Silty Clay Improved by Biochar and Microorganism

HU Qi-zhi ¹^,² ,
WANG Zi-gui ¹ ,
MA Qiang ¹^,² ,
TAO Gao-liang ¹^,²

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摘要

生物炭是植物秸秆在无氧或低氧条件下高温焚烧产生的有机质,具有高比表面积、高酸碱度(pH)以及高阳离子交换容量等特性,能改善土体的空间结构,有利于微生物的生长。将生物炭与微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcium carbonate precipitation,MICP)技术联合,在不同生物炭掺量、不同微生物配比等条件下对粉质黏土进行固化,对固化土样开展无侧限抗压强度试验、扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观测、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)试验及傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)测试研究生物炭协同微生物固化粉质黏土的固化效果及固化机理:首先,采用体积比分别为2∶8、3∶7、4∶6和5∶5的菌液与胶结液对粉质黏土进行MICP固化处理,根据试样的无侧限抗压强度,分析认为无生物炭添加时菌液与胶结液的比例为4∶6时,MICP固化效果最佳;其次,保持菌液与胶结液比例为4∶6不变,生物炭掺量分别为4%、8%和12%开展生物炭联合MICP的固化试验,通过无侧限抗压强度指标获得生物炭的最佳掺量为8%;进一步开展了碳酸钙含量测定及土样的SEM、XRD及FTIR试验,发现MICP及生物炭均能提升土壤中的碳酸钙含量,联合固化后的土样内部碳酸钙晶体聚集明显,生物炭与土颗粒界面处的胶结更为紧密,改良后试样的孔隙率与无侧限抗压强度呈幂函数关系。以上结果表明,生物炭与MICP技术联合应用于粉质黏土固化具有显著效果,为其在工程中的应用提供了指导意义。

Abstract

Biochar is defined as an organic material produced by high-temperature burning of plant straw under anaerobic or low-oxygen conditions. It possesses characteristics such as high specific surface area, high pH value, and high cation exchange capacity. The spatial structure of soil is improved by biochar. Microbial growth is favored by biochar. Biochar was combined with microbial induced calcium carbonate precipitation (MICP) technology for silty clay solidification. Different biochar contents and different microbial ratios were applied. Unconfined compressive strength tests, scanning electron microscopy (SEM) observations, X-ray diffraction (XRD) tests, and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) tests were conducted on the solidified samples. The solidification effect and mechanism of biochar combined with MICP on silty clay were studied. First, MICP solidification of silty clay was performed using bacterial solution and cementation solution with volume ratios of 2∶8, 3∶7, 4∶6, and 5∶5. The unconfined compressive strength of the samples was measured. Without biochar addition, the ratio of 4∶6 for bacterial solution to cementation solution was analyzed to provide the best MICP solidification effect. Second, the bacterial solution to cementation solution ratio was maintained at 4∶6. Solidification tests combining biochar and MICP were conducted with biochar contents of 4%, 8%, and 12%. The unconfined compressive strength index was used. The optimal biochar content was determined as 8%. Further tests were carried out, including calcium carbonate content measurement, SEM observation, XRD tests, and FTIR tests on the soil samples. Both MICP and biochar are found to increase the calcium carbonate content in the soil. In the jointly solidified samples, calcium carbonate crystal aggregation is obvious. The cementation at the interface between biochar and soil particles is tighter. The porosity and unconfined compressive strength of the improved samples show a power function relationship. The results demonstrate that the combination of biochar and MICP technology has significant effects on silty clay solidification, and provide guidance for its application in engineering.

Graphical abstract

关键词

生物炭 / MICP / 粉质黏土改良 / 固化机理

Key words

biochar / MICP / silty clay improvement / solidification mechanism

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胡其志, 王子贵, 马强, 陶高梁. 生物炭协同微生物改良粉质黏土力学性能试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(17): 7407-7417 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506572

HU Qi-zhi, WANG Zi-gui, MA Qiang, TAO Gao-liang. Experiment on Mechanical Properties of Silty Clay Improved by Biochar and Microorganism[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(17): 7407-7417 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506572

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粉质黏土存在水稳性不良、强度低、塑性指数小以及压实难度大等问题,无法满足路基填筑基本要求^[1]。粉质黏土路基的高效处理已成为城市建设的一大难题^[2]。其加固技术可分为物理和化学加固两类。物理加固如换填法、强夯法等存在人力物力消耗大、扰动土体结构等缺点;化学加固则通过添加水泥或水玻璃等固化剂来实现,但传统固化剂存在强度低、易开裂等问题^[3-5],且大多数化学方法对环境有污染,不符合绿色发展要求^[6]。因此,开发低能耗、低污染的环境友好型加固技术已成为当前岩土工程领域的热点话题,微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial induced calcium carbonate precipitation,MICP)技术被广泛用于土体加固^[7]。其基本原理是依靠微生物脲酶催化尿素水解产生C${\mathrm{O}}_{3}^{2-}$,之后C${\mathrm{O}}_{3}^{2-}$与Ca²⁺结合生成碳酸钙沉淀。MICP加固技术在土体固化、抗裂防渗、污染修复等方面有显著应用。例如,刘静等^[8]通过研究发现MICP与根系协同作用能显著提高土体的抗侵蚀性和强度,增强边坡稳定性;彭劼等^[9]通过压力注浆提高有机质黏土的抗压强度。此外,王绪民等^[10]研究表明,低浓度营养液可提高沉淀物含量。MICP技术也可将重金属离子固化成不可溶沉淀,降低其迁移性,改善土体结构,在重金属污染修复中具有广阔前景^[11-14]。

生物炭具备高孔隙率、高比表面积、强吸附性能以及优异的离子交换能力等一系列显著的物理化学特性,广泛应用于农业领域,能够有效改善土壤结构,促进植物根系生长并提高对土壤温室气体的吸附能力^[15-16]。在工程领域,生物炭对土壤改良、污染修复和重金属吸附具有显著潜力^[17-18]。Tian等^[19]将生物炭按不同比例掺入砂土与粉砂土中,发现两种土体的密度均出现下降趋势。Sudhakar等^[20]研究了不同掺量和粒径的生物炭对土体强度的影响,得出生物炭掺量的增加与粒径的减小可导致试样抗剪强度显著提高。李金文等^[21]通过生物炭改性土在不同含水率下的结构强度演变,得出生物炭能显著提升土体结构强度。生物炭的加入可降低土体密度并提高孔隙率,从而显著改善土体的抗裂性能与强度特性^[22-23]。

综上所述,尽管已有研究证实微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术能够有效加固粉质黏土,然而部分加固方法存在工艺复杂、受土体渗透性限制等局限性。生物炭来源广泛,包括城市有机垃圾、农业废弃物和动物粪便等。采用生物炭协同MICP固化粉质黏土,不仅可以提高废弃资源的再利用率,还可以通过绿色加固技术改善粉质黏土的工程性能,从而增强社会效益。以347国道黄冈市巴河至蕲州公路路段粉质黏土为研究对象,采用生物炭协同MICP技术对其进行改良。采用拌和法将菌液、胶结液与生物炭直接加入土体并混合均匀,经一定条件养护后,对所得固化试样开展力学性能测试:首先验证MICP技术加固粉质黏土的可行性,然后研究生物炭与MICP技术协同固化的效果。通过无侧限抗压强度试验,分析菌液与胶结液体积比以及生物炭掺量对土体力学性能的影响。最后,测试固化后碳酸钙的生成量,并利用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)分析碳酸钙形态、粉质黏土矿物组成和元素分布,探讨协同加固的影响因素和机制。

1 试验材料与方案

试验所用粉质黏土取自湖北省黄石市347国道巴河至蕲州公路施工现场(K38+300~K43+520段),土样颜色呈灰黄色。依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行室内试验,其基本物理性质如表1所示。

微生物菌株采用巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii,ATCC11859),购自北京生物保藏中心。试验前,使用液体培养基在120℃高温灭菌锅中灭菌30 min,随后将菌株接入培养基中制备菌液,并将其置于恒温振荡培养箱中,在30 ℃、200 r/min条件下有氧培养40 h。分光光度计测得菌液在600 nm波长处吸光度值(OD₆₀₀)为0.709,表明细菌生长状态良好。胶结液由氯化钙(CaCl₂)和尿素组成,用于为MICP过程提供钙源及微生物代谢所需的氮源。在去离子水中,将尿素与氯化钙混合并溶解,以制备等物质的量浓度的胶结液^[24]。所使用的胶结液浓度为1 mol/L。

生物炭具有比表面积大、孔隙结构丰富、pH较高以及阳离子换能力强等特点。这些特性使其在土壤改良方面具有巨大的潜力。试验所用的生物炭为玉米秸秆生物炭,购自南京晟利化学科技有限公司。生物炭的相关参数如表2所示。

1.1 试样制备

根据添加固化物质不同,得到3种试样:无添加的原土试样、无生物炭添加的微生物固化试样、微生物和生物炭协同固化试样。试样直径39.1 mm,高80 mm。制样前先将现场取得的原土放在室内阴凉处风干、碾碎、过筛(筛孔直径为1 mm)备用。

无添加的原土试样采用击实法制样:将原土试样置于标准模具中,按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)的规定使用击实锤对土样进行击实。其最优含水率为20%。

无生物炭添加的微生物固化试样、微生物与生物炭协同固化试样均采用人工拌合法制样,控制试样含水率为20%。

无生物炭添加的微生物固化试样制备:将过筛后的粉质黏土与细菌溶液充分搅拌混合,静置30 min后,加入胶结液并均匀拌合。

微生物与生物炭协同固化试样制备:将生物炭、细菌溶液与粉质黏土直接混合,静置30 min后加入胶结液并搅拌均匀。

试验试样均采用直径为39.1 mm、高度为80 mm的圆柱形铁质模具制备。称取适量预先均匀混合的粉质黏土,按设定用量分层装填至模具中,分四层进行人工击实。制备完成后,试样脱模并在HBY-40A型标准恒温恒湿养护箱中养护。

1.2 试验分组

空白对照组与微生物改良组的试验参数如表3所示。其中A组为空白对照组,未添加生物炭,未进行MICP处理。B组为微生物改良组,设置了4种不同体积比的菌液与胶结液组合(分别为2∶8、3∶7、4∶6、5∶5),且不添加生物炭。

生物炭协同微生物改良组的试验参数如表4所示。C组为生物炭协同微生物改良组,在B组得出的最佳菌液与胶结液体积比基础上,设置了3种生物炭改性粉质黏土,生物炭的掺量(以质量分数计)分别为4%、8%和12%。

1.3 测试方法

无侧限抗压强度试验:试验采用YSH-2型无侧限抗压仪,以1 mm/min的速率施加轴向荷载,每压缩40 mm记录一次测力计读数,直至试样破坏,最终记录其无侧限抗压强度值。

碳酸钙含量测定:经微生物固化后土样的碳酸钙含量采用酸洗法测定。取固化后的土样放入电热恒温干燥箱(100 ℃)中干燥24 h,将试样碾碎成细颗粒后,采用去离子水进行反复洗涤,经烘干后称得其质量为m₁;随后滴加盐酸溶液至无气泡产生,确保完全去除碳酸钙,再用去离子水反复冲洗去除残留盐酸;最后将处理后的土样烘干称重,记为m₂。m₁与m₂的差值即为产生的碳酸钙的质量。如此重复操作计算3次得到碳酸钙含量的均值。其计算公式为

(1)G=$\frac{{m}_{1}-{m}_{2}}{{m}_{1}}$×100%

式(1)中:G为碳酸钙含量百分比,%;m₁为微生物固化土试样酸洗前的干重,g;m₂为微生物固化土试样酸洗后的干重,g。

试样的微观测试:将无侧限抗压强度试验破坏后的试样内部土块置于电热恒温干燥箱中烘干,经充分干燥后,对土块表面进行喷金处理。使用SEM观察土样的微观结构,进而对改良土开展微观结构定量分析,分析土体孔隙结构的变化特征,土体孔隙率可通过测定孔隙体积得到,其计算公式为

(2)n=$\frac{V-{V}_{\mathrm{s}}-{V}_{\mathrm{c}}}{V}$×100%

式(2)中:n为孔隙率,%;V为土体的总体积,cm³;V_s为土中固体颗粒所占总体积,cm³;V_c为反应生成的碳酸钙所占体积,cm³。

随后,通过XRD分析试样内部的矿物成分。最后,借助FTIR验证试样的化学键和官能团结构。

2 最佳MICP固化配比试验及结果分析

2.1 MICP固化粉质黏土无侧限抗压强度试验结果分析

经不同菌胶比固化处理后的粉质黏土试样应力-应变曲线如图1所示。可见,未处理试样的无侧限抗压强度最小。采用MICP技术处理后的粉质黏土无侧限抗压强度有所提高,原因在于随着时间的推移,粉质黏土内形成了碳酸钙晶体,并促进了土颗粒间的有效胶结。数据分析结果表明,未处理粉质黏土试样的无侧限抗压强度约为30.08 kPa。当菌胶比不超过4∶6时,试样的无侧限抗压强度随菌液比例增加而显著提高。在菌胶比为4∶6时,试样强度达到最大值,约为61.25 kPa,较未处理试样增幅达103.62%。值得注意的是,随着菌液含量进一步增加,试样的峰值抗压强度呈下降趋势,表明此时微生物反应过于剧烈,使得粉质黏土试样表层沉积了碳酸钙矿物,而粉质黏土内部孔隙结构相对细小,营养液难以到达试样内部^[25],细菌难以达到最大活性。尽管如此,其峰值强度仍高于未处理试样。

此外,随着加固效果的增强,试样逐渐由塑性破坏向脆性破坏转变。破坏过程中,试样表面首先出现较为细密的裂纹,随后逐渐扩展为明显的竖向;中上部土体被压碎,并伴随明显的颗粒脱落现象,表明土颗粒间的黏结性能仍较弱,难以有效抵抗外部荷载。试样破坏形态对比如图2所示。同时,经处理试样在达到峰值强度后,其应力下降速率显著高于未处理试样。综合分析表明,微生物固化处理显著提高了粉质黏土试样的轴向抗压能力,尤其在菌胶比为4∶6时强化效果最为显著。

2.2 生物炭协同MICP固化粉质黏土无侧限抗压强度试验结果分析

不同掺量的生物炭协同MICP技术对粉质黏土试样固化处理后的应力-应变曲线如图3所示,其中菌液与胶结液的体积比固定为4∶6。通过MICP加固处理后的粉质黏土试样,在添加生物炭后,轴向抗压强度显著提高。试样在加载初期,轴向应力随轴向应变的增大而逐渐上升;达到峰值强度后,则随应变的继续增加而逐渐降低。不同生物炭掺量下的试样均表现出相似的破坏模式,表明生物炭的加入未改变材料的基本破坏机制。生物炭掺量分别为4%、8%、12%时,试样的无侧限抗压强度峰值为77.4、94.52、85.91 kPa,较仅进行MICP处理的试样分别提高了26.37%、54.32%、40.26%。在生物炭掺量为8%时,生物炭与MICP协同作用下的粉质黏土试样无侧限抗压强度达到最大值。这是由于粉质黏土孔隙较小,微生物在土壤中生存与繁衍较为困难,掺入生物炭可为微生物提供良好的生存环境,提高微生物对土体的固化效果。然而,生物炭掺入量过少时,微生物的生存空间不足;掺入过多时,其对土体的破坏作用超过了微生物的固化效应,因此8%的生物炭掺量为最佳掺量。

仅通过MICP加固的粉质黏土试样,其无侧限抗压强度显著低于生物炭与MICP协同固化的粉质黏土试样的无侧限抗压强度。由此可见,单独使用MICP技术不能显著提高粉质黏土的无侧限抗压强度,而当两者协同作用时,能显著改善其固化效果。

试样破坏形态如图4所示。可见,在无侧限压缩条件下,生物炭协同微生物改良土样主要表现为沿弱面发生的剪切破坏,即弱面剪切破坏。破坏区域集中于试样中下部,次生裂纹数量显著减少,且未出现明显局部脱落。与张裂破坏相比,该剪切破坏模式更能维持土体结构完整性,表明生物炭与微生物的协同作用有效增强了粉质黏土的强度及整体稳定性。

3 固化机理分析

3.1 碳酸钙含量测试结果分析

不同菌液与胶结液体积比条件下,经MICP处理的粉质黏土试样碳酸钙含量的变化趋势如图5与图6所示。可见碳酸钙含量随菌液掺量的增加呈现先增大后减小的变化趋势。当菌胶比为4∶6时,碳酸钙含量达到了最大值,约占粉质黏土试样质量的3%。通过与无侧限抗压强度的峰值对比,可以发现,试样的无侧限抗压强度与碳酸钙含量之间存在正相关关系,即粉质黏土试样的碳酸钙含量变化趋势与无侧限抗压强度变化趋势基本一致^[26]。

菌胶比为4∶6的条件下,不同掺量生物炭对粉质黏土试样碳酸钙含量的影响趋势如图7与图8所示。可以观察到,随着生物炭掺量的增加,碳酸钙的生成量也在不断增加,这是因为生物炭的增加可以给细菌提供更充裕的生存空间,从而延长其存活时间。相较于无生物炭掺入的试样,细菌能够生成更多碳酸钙,生物炭掺量为12%时碳酸钙生成量最高。然而,虽然碳酸钙含量增加,但试样的无侧限抗压强度峰值却低于生物炭掺量为8%的试样,这一现象的原因在于,生物炭掺入过多时,其对土体的破坏作用超过了微生物的固化效应,最终导致固化效果不理想。

对生物炭协同MICP固化粉质黏土试样在不同养护时间下碳酸钙含量的变化规律展开研究。菌液与胶结液体积比为4∶6的条件下,不同掺量生物炭对粉质黏土试样碳酸钙含量的影响趋势如图9所示。

结果表明,养护时间相同时,经MICP处理的粉质黏土试样的碳酸钙含量随生物炭掺量的增加而逐渐提高;生物炭掺量相同时,碳酸钙的含量随养护天数的延长而持续增长;生物炭掺量增加时,碳酸钙的生成速率呈现出逐渐加快的趋势。在前14 d 的养护过程中,碳酸钙含量的增长率分别为6.45%、7.89%、10.9%和12.12%,而在后14 d的养护过程中,碳酸钙含量的增长率为4.55%、6.1%、7.38%和8.67%。通过前后对比可以发现碳酸钙含量的增长率在后14 d显著下降,降幅接近一半,说明MICP反应主要在短时间内发挥作用。验证了生物炭与MICP技术对改良粉质黏土的力学性能具有协同作用。

3.2 微观结构分析

通过XRD分析,获得了未改良粉质黏土、MICP改良粉质黏土以及生物炭协同MICP改良粉质黏土的XRD图谱,分布情况如图10所示。未改良粉质黏土的矿物组成以石英(PDF#89-1961)为主,未检测到碳酸钙。经过MICP处理后,无论是否添加生物炭,粉质黏土在养护后出现明显的方解石特征峰(PDF#72-0506),表明形成了碳酸钙晶体,其他矿物成分与改良前的粉质黏土基本相同。根据微生物矿化原理,碳酸钙的生成源于微生物的矿化作用。除了土体本身存在的石英、蒙脱石、伊利石等矿物成分外,微生物吸收胶结液中的营养物质,促使方解石结晶的生成,从而有效减少了粉质黏土的滑动性和摩擦,提升了土体的抗压强度,并改善了粉质黏土的工程性质,表明微生物改良粉质黏土的性能提升主要归因于方解石的形成。通过对比MICP改良粉质黏土和生物炭协同MICP改良粉质黏土的XRD图谱,掺入生物炭后,土样碳酸钙的特征衍射峰强度显著增强,说明生物炭的加入可以促进碳酸钙沉淀的生成。

通过FTIR分析,获取了未改良粉质黏土、MICP改良粉质黏土和生物炭协同MICP改良粉质黏土的傅里叶红外光谱图,结果如图11所示。在图谱中,O=C=O的面外弯曲振动谱带表现为双峰分裂,837 cm^-1与632 cm^-1处的O=C=O变角振动峰的相对强度也存在差异。这些红外吸收谱带的峰形、峰位和峰强度的变化,表明有机基质与碳酸钙中的钙离子之间形成了强烈的络合作用^[27]。与未改良粉质黏土相比,MICP改良粉质黏土和生物炭协同MICP改良粉质黏土的红外光谱图形相似,1 638 cm^-1的C=O不对称伸缩振动和787 cm^-1的O=C=O弯曲振动谱带均指示了碳酸钙的存在。

素土(未处理土)的SEM图像如图12所示,可以清晰地观察到粉质黏土颗粒间通过接触排列形成孔隙,土体内存在大量较大且分布不均匀的孔隙,颗粒之间的间隙较大,表明土颗粒之间的黏结力较弱。MICP改良粉质黏土的SEM图像如图13所示,明显可以看到碳酸钙颗粒聚集体,均匀分布于土颗粒表面。MICP反应生成的碳酸钙晶体虽填充了部分孔隙,使处理后的试样孔隙尺寸较未处理试样有所减小,但未能实现孔隙的完全填充,颗粒间仍存在较大孔隙。由于粉质黏土颗粒表面较为光滑, 碳酸钙晶体未能在粉质黏土颗粒表面形成完整的包裹层。尽管微生物在生长繁殖过程中可作为成核位点,促进胶结液中钙离子的富集,进而诱导碳酸钙晶核形成与晶体沉淀,但粉质黏土表面实际附着的细菌数量有限,导致碳酸钙沉积的空间分布不均。这一现象使得孔隙填充效果未能达到理想状态,颗粒间的黏结力提升有限,最终导致试样整体强度仍处于较低水平。生物炭协同MICP改良粉质黏土的SEM图像如图14所示,掺入生物炭后,其颗粒可有效填充土颗粒间的孔隙,使土体颗粒分布更为密实;同时,生物炭在土体中形成的扩展孔隙为微生物提供了额外的繁衍空间与活动通道,这是由于生物炭具有疏松多孔的结构特征,其强吸附特性使其能够储存大量菌液与胶结液,从而为微生物提供更优越的生存环境。与此同时,在生物炭周围观察到大量碳酸钙晶体,碳酸钙晶体有效填充了生物炭颗粒与土颗粒之间的间隙,增强了二者之间的联结作用。生物炭、土颗粒与碳酸钙三者之间形成稳定的胶结结构,通过相互搭接与嵌固显著改善了土体的整体性,从而显著提升土体的抗压强度,进一步说明增强了土体的力学性能^[28-29]。

试样的孔隙率可在一定程度上反映其密实程度^[30]。不同菌液与胶结液体积比条件下固化试样的孔隙率变化情况如图15(a)所示。可以看出,随着菌液比例的增加,试样孔隙率呈现先减小后增大的趋势,并在最佳菌胶比4∶6时达到最小值21.54%,较素土(23.47%)降低了8.22%。最佳菌胶比条件下,不同生物炭掺量对试样孔隙率的影响如图15(b)所示。随着生物炭掺量的增加,试样孔隙率逐渐下降,当生物炭掺量为12%时,孔隙率最低, 为19.25%,较素土降低了17.98%,较未掺生物炭的B3试样(21.54%)降低了10.63%。而在生物炭掺量为8%时,孔隙率为19.95%,较素土降低了14.99%,较B3试样降低了9.47%。

孔隙率对无侧限抗压强度的影响如图16所示。对图16(a)的数据进行拟合分析,结果显示拟合效果较差。这主要是由于生物炭掺量为12%时,尽管试样孔隙率最低,但过高的生物炭掺量对土体的结构性破坏作用超过了微生物诱导的固化效应,从而影响了整体拟合效果。将该组数据剔除后,孔隙率与无侧限抗压强度之间的关系如图16(b)所示,可见无侧限抗压强度随孔隙率的增大呈幂函数形式递减。经拟合得到决定系数为0.945,表明拟合效果良好^[31]。试样孔隙率较高反映其内部结构较为松散,而孔隙率降低则说明孔隙面积在总面积中占比减小,即土颗粒所占比例增大,宏观上表现为试样强度的提升。这一现象主要归因于生物炭颗粒及MICP反应生成的碳酸钙晶体对试样孔隙的填充作用,该结论与前文SEM观测结果相吻合。

4 结论

以粉质黏土为研究对象,采用MICP技术协同生物炭对其进行固化处理。通过无侧限抗压强度试验,探讨了MICP技术固化粉质黏土以及MICP协同生物炭固化粉质黏土的强度变化规律。研究了菌液与胶结液体积比以及生物炭掺量对MICP固化粉质黏土力学性能的影响,并分析了菌胶比、生物炭掺量以及养护天数对碳酸钙生成量的影响。最后使用SEM、XRD与FTIR,从微观角度解释了粉质黏土的固化机理,并分析了改良前后试样的孔隙率与无侧限抗压强度之间的关系。结论如下。

(1)MICP技术单独使用能改善粉质黏土的力学性能。生物炭与MICP协同应用时,对粉质黏土力学性能的提升效果更为显著。

(2)MICP技术能够以操作简便、效率高的方式显著提升粉质黏土的抗压强度,且碳酸钙生成量与土体强度呈正相关关系。当菌胶比为4∶6时,固化试样的无侧限抗压强度较未处理试样提高了103.62%,同时碳酸钙含量达到最高值。

(3)在生物炭掺量为8%时,生物炭与MICP协同作用下的粉质黏土试样无侧限抗压强度达到最大值,较无生物炭添加的微生物固化试样提高了54.32%。此外,生物炭与MICP协同固化粉质黏土试样的碳酸钙含量随生物炭掺量的增加而呈现递增趋势。

(4)XRD和FTIR分析结果表明,经过MICP改良后的土样内部形成了碳酸钙。SEM图像显示,MICP改良后的试样内部出现了碳酸钙晶体。添加生物炭后,可观察到其周围及内部存在大量碳酸钙沉积现象,表明生物炭为微生物提供了更充裕的生存空间。从而延长了微生物的存活时间,导致细菌能产生更多的碳酸钙,相比未添加生物炭的试样,碳酸钙生成量显著增加。

(5)试样的无侧限抗压强度随孔隙率增加呈现幂函数递减趋势,二者表现为显著的负相关关系。经数值拟合分析,该幂函数模型的决定系数达0.945,拟合效果较好。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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