利用生物胶结作用增强甘蔗渣增强砂的强度和耐久性

《Biogeotechnics》：Biocementation to enhance the strength and durability of bagasse reinforced sands

本研究采用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术，以甘蔗渣纤维中的纤维素作为碳源替代尿素，通过SEM、EDAX、XRD和CD三轴试验，系统评估了MICP处理对甘蔗渣纤维增强砂强度与耐久性的影响。结果表明，MICP处理显著提升了纤维增强砂的峰值强度（达493 kPa）和残余强度，延缓了纤维降解导致的强度损失，并通过形成碳酸钙胶结增强颗粒间粘结，降低剪切膨胀性。处理后的砂体在7天至28天的湿干循环中持续强化，验证了MICP技术的长效性及环保优势。

　　这项研究探讨了一种创新的方法，利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）通过纤维素分解来增强甘蔗渣纤维增强砂的强度和耐久性。甘蔗渣纤维中的纤维素含量被用作碳源，替代了传统的尿素，以促进微生物活动，从而在不降低土壤强度的情况下，避免因有机纤维降解而导致的强度损失。通过一系列实验室测试，包括扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDAX）、X射线衍射（XRD）以及固结排水（CD）三轴试验，对处理前后甘蔗渣增强样本的性能进行了评估。研究的方法涉及制备富含营养的溶液以促进细菌生长，对甘蔗渣纤维进行处理，并将其与砂混合，形成稳定的土壤基质。MICP处理的样品通过先将甘蔗渣浸泡在细菌溶液中，再将CaCl?与砂混合来制备。在随后的湿-干老化循环中，提供了受控的湿润环境和补充的CaCl?，以促进生物矿化。

MICP处理的样品显示出显著的强度和耐久性提升。在28天的湿-干循环后，处理样品的峰值强度达到了493 kPa，而未处理样品则下降至355 kPa。这表明生物矿化在提升土壤性能方面具有积极作用。处理样品的应力-应变响应显示出轻微的应变硬化行为，归因于碳酸钙的结合作用，这增强了剪切阻力并减少了膨胀。SEM分析确认了碳酸钙沉淀的形成，增强了颗粒之间的结合。随着时间的推移，处理样品由于持续的碳酸钙沉淀和凝聚力的形成而继续增强其强度，而未处理样品由于纤维降解而经历了强度的逐渐损失。此外，生物矿化改变了土壤的微观结构，提高了凝聚力并减少了变形性。这些发现强调了MICP与甘蔗渣纤维增强相结合作为可持续和环保的土壤稳定技术的潜力，提供了一种有效的地面改良方法，通过自然纤维和农业废弃物的有益再利用，并避免了工业尿素在MICP过程中的使用。

研究指出，尽管天然纤维如甘蔗渣在土壤改良中有许多优势，如较低的碳足迹、成本效益、简单应用和生产技术的可行性，但它们也会随着时间的推移受到生物降解的影响。甘蔗渣作为一种富含纤维素的天然纤维，其降解过程会削弱其作为土壤增强材料的作用，从而对土壤的强度和耐久性产生负面影响。为了解决这一问题，研究提出了一种基于MICP的生物矿化方法，以改善甘蔗渣增强土壤的耐久性。该方法利用甘蔗渣纤维作为碳源，替代传统的尿素，以促进微生物活动，从而在纤维表面形成碳酸钙沉积物，起到保护纤维并增强土壤结构的作用。

研究中使用的土壤材料为Solani河砂，其粒径分布曲线显示砂为级配不良。通过实验发现，随着老化时间的增加，MICP处理的样品表现出更强的抗剪切能力，其峰值强度和残余强度均有所提升。相比之下，未处理样品由于纤维降解，其强度逐渐降低。XRD分析进一步验证了处理样品中碳酸钙的形成，而SEM和EDAX分析则提供了关于碳酸钙在纤维表面和砂颗粒之间的分布情况。这些微观结构的变化使得处理样品在承受剪切应力时表现出更高的凝聚力，从而提升了其整体强度。

在三轴试验中，不同参数下的样品表现出了显著的差异。处理样品在较高有效围压下表现出更稳定的强度，这表明生物矿化对土壤结构的增强具有持续性。同时，处理样品的体积应变与轴向应变曲线显示，碳酸钙的沉积减少了样品的膨胀行为，提高了其抗变形能力。这表明生物矿化不仅增强了土壤的强度，还改善了其整体性能，使其在长期使用中更具稳定性。

研究还探讨了纤维含量对处理样品性能的影响。随着纤维含量的增加，处理样品的强度也随之提升，显示出更强的抗剪切能力。这种增强主要来源于纤维素的分解和碳酸钙的沉积，从而在纤维与砂颗粒之间形成更强的结合。未处理样品虽然在一定程度上也表现出强度提升，但其提升幅度相对较小，并且随着时间的推移，纤维的降解会导致强度的下降。

此外，研究还分析了纤维降解和老化对样品性能的影响。通过湿-干循环模拟了实际环境中的变化，发现处理样品在老化过程中表现出更强的耐久性，而未处理样品则因纤维降解而出现强度下降。这些结果强调了MICP处理在提高土壤耐久性方面的有效性，并展示了其在实际工程应用中的潜力。

研究结果表明，MICP处理能够有效提升甘蔗渣纤维增强砂的强度和耐久性，其机制主要依赖于纤维素的分解和碳酸钙的沉积。纤维素分解产生的葡萄糖作为碳源，与钙离子结合形成碳酸钙，从而增强了土壤的结构。这种增强不仅提高了土壤的强度，还减少了其在湿-干循环中的降解风险，使其在实际应用中更具可持续性。

研究还探讨了纤维素降解对土壤性能的影响，发现随着老化时间的延长，纤维素的分解导致了碳酸钙的沉积，进而增强了土壤的凝聚力。这种增强作用在处理样品中尤为明显，而未处理样品由于纤维的降解，其强度逐渐下降。通过比较不同纤维含量和老化时间下的样品性能，研究确认了MICP处理在提高土壤强度和耐久性方面的显著效果。

综上所述，这项研究展示了一种利用MICP技术增强甘蔗渣纤维增强砂强度和耐久性的新方法。该方法不仅减少了对工业尿素的依赖，还提高了土壤的可持续性。通过生物矿化，甘蔗渣纤维能够形成稳定的碳酸钙沉积，从而提升土壤的强度和结构稳定性。研究结果为未来在土木工程和土壤改良领域应用MICP技术提供了重要的理论支持和实践指导。