微生物水泥研究與應用進展

錢春香，王 欣，於孝牛

（1東南大學 材料科學與工程學院，南京211189；2東南大學 綠色建材技術研究所，南京211189）

隨著城市人口的急劇增加，基礎設施的相對不足逐漸成為不容忽視的社會問題。對于中國而言，每年約1000萬人從鄉村轉移至全國各大城市，基礎設施的需求顯得越來越突出。然而，基礎設施的新建或擴建很大程度上會受限于其下地基土的工程性質。同時，諸如全球變暖所引起的海平面上升此類環境問題也在逐漸壓縮人類的生存空間［1］。

當前大多數地基處理技術是利用大型機械及人工合成材料，其在機械設備的安裝及操作過程或人工合成材料生產過程中都需要消耗大量的能量。常見的方法是將人造材料（如水泥、環氧樹脂、硅酸鈉、聚氨酯等）注入土壤孔隙中達到黏結加固效果。而化學注漿法中除了硅酸鈉外的所有化學漿體都是有毒的［2］，因此，其所帶來的環境隱患令人擔憂。水泥作為常用灌漿材料，雖然具有較好地基加固效果，但生產過程中會伴隨著大量礦石燃料的燃燒，即溫室氣體的釋放，因其能耗高、污染環境等缺點而面臨著嚴重挑戰。此外，當前所有的注漿方法執行力較差，即未必能按設計目的在場地產生較理想的處理效果。一般來說，化學處理方法只在灌漿點附近1～2m范圍內有效［3］，而且施工過程中的質量控制是主要局限于注射體積和壓力監測，沒有針對地下實際變化的實時監控，考慮到諸多不確定性只能選擇偏保守的設計，也造成了不必要的成本。因此，開發一種新型、可持續發展的土壤改性加固方法迫在眉睫。

近年來，隨著微生物學、地球化學、土木工程等學科間的交叉研究的不斷發展，微生物誘導碳酸鈣沉積技術（MICP）逐步應用于各相關領域，如污水處理、鈣質石材修復等，此外，它也被用于軟土地基強度與穩定性的改善，相比于通常對環境污染的化學灌漿，此法更具環境友好性［1］。微生物誘導碳酸鈣沉積是一項具有前景的生物介導的土壤改良技術，目前在巖土界被廣泛研究。本文回顧了近年來微生物誘導沉積碳酸鈣在巖土工程應用中的最新研究進展，分別從微生物礦化膠結機理，應用研究以及存在的問題等方面予以論述。

1 微生物誘導沉積碳酸鈣（MICP）

1.1 MICP礦化機制

與其他生物礦化過程類似，碳酸鈣沉積機制可分為生物控制和生物誘導兩種。在生物控制礦化中，微生物高度控制礦物顆粒的成核與生長過程，與外界環境無關，如趨磁細菌形成磁鐵礦過程以及單細胞藻類的二氧化硅沉積等。然而，細菌作用下的碳酸鈣沉積一般認為是由誘導機制控制，因為礦物類型很大程度上取決于環境因素。在不同環境中，微生物種類以及非生物因素（如濃度和培養基組成等）都會影響碳酸鈣的形成方式。

通常而言，碳酸鈣的沉積過程主要由四個關鍵因素控制［4］：①Ca2＋濃度；②溶解無機碳濃度；③pH；④有效的成核位點。碳酸鈣沉淀需要足夠濃度的Ca2＋和CO23－，以使離子活度積（Ion Activity Product，IAP）超過溶解平衡常數（Kso）。定義飽和度為Ω，離子活度為α，當Ω＞1時，即系統達到過飽和狀態，則碳酸鈣沉淀有可能發生，如式（1），（2）所示。

反應體系中的碳酸根濃度與既定反應環境中的溶解無機碳濃度和pH有關，同時，無機碳濃度取決于溫度，濕度以及二氧化碳分壓等環境參數。式（3）～（6）給出了25℃、一個大氣壓下的二氧化碳在水中溶解過程中的平衡反應及對應平衡常數。

微生物通過自養或異養途徑，利用自身生理活動提供有利于碳酸鈣沉淀的堿性環境。Hamdan［5］研究表明，在醋酸鹽和硝酸根存在的條件下，脫氮假單胞菌（Psedomonas Denitrificans）利用代謝作用使硝酸根成為電子受體而被還原成氮氣，同時消耗體系中的H＋，導致環境pH 升高，并生成CO2（式（7））。Paassen等［6］利用從土壤分離得到的反硝化細菌處理松散砂粒，成功膠結出具有一定力學性能的砂柱。

Rodriguez等［7－9］發現，黃色粘細菌（Myxococcus Xanthus）在其新陳代謝過程中分解，如式（8）～（10）所示。

自然界中還存在一種硫酸鹽還原菌（Sulphate Reducing Bacteria，SRB），在厭氧環境中可將硫酸鹽作為電子受體而被還原成H2S，并從溶液體系中逃逸，導致環境pH升高，為碳酸鈣沉積提供了有利條件（式（11）～（12））。David等［10，11］對南澳大利亞庫榮地區地層的研究表明，硫酸鹽還原菌對地層中白云石礦物的沉積起到重要作用，同時還從湖底沉積物中分離出此類微生物，并在模擬厭氧條件下誘導沉積出白云石礦物。

Jahns［12］揭示了微生物水解尿素過程與ATP生成的耦合關系（圖1）：①胞內外濃度梯度促使尿素擴散至胞內；②脲酶水解尿素產生NH＋4，導致細胞液堿化，胞內外pH差下降；③胞內外NH＋4濃度梯度使得排出至胞外，同時引起膜電位的增大；④質子逆濃度梯度進入胞內以降低膜電位，這一過程產生了ATP。

許多微生物過程都能產生碳酸鈣沉淀，但并不都適合應用于巖土工程。Paassen等［6］給出了微生物誘導碳酸鈣沉積適用性的評價標準：①混合溶液（反應物）的溶解性；②碳酸鈣沉積速率；③混合溶液（反應物）的用量；④副產物的類型與產量。由于微生物酶解高效性和反應物的高溶解性，尿素水解參與的MICP被作為主流方式而被廣泛研究。

另一種微生物誘導碳酸鈣沉積則是以微生物參與的尿素水解為機制的一系列生物化學反應。以芽孢桿菌為主的產脲酶菌，在其新陳代謝活動中分泌脲酶，水解環境中的尿素產生NH3和CO2，并使得反應體系呈堿性，在外界Ca2＋的存在條件下析出碳酸鈣晶體，（式（13）～（14））。

圖1 微生物水解尿素過程示意圖［12］Fig.1 Schematic diagram of microbiologically urea－hydrolysis process［12］

1.2 MICP膠結機理

在巖土應用中，微生物誘導碳酸鈣沉積的作用環境主要是松散砂土，由于微生物分泌的胞外聚合物及其雙電層結構的存在，微生物趨向吸附于顆粒表面，如圖2所示［1］，除了通過新陳代謝活動提供堿性環境外，微生物由于細胞壁表面一般帶有大量負電官能基團（如羥基、胺基、酰胺基、羧基等）而吸附溶液中的Ca2＋，作為形核位點，有利于異質成核［13，14］式（15）。

圖2 顆粒表面處的微生物誘導碳酸鈣沉積過程示意圖［1］Fig.2 Schematic diagram of microbiologically induced calcium carbonate precipitation on the surface of particles［1］

Muynck等［15］描述了微生物誘導生成碳酸鈣沉淀的過程（圖3），可知，①溶液中的Ca2＋吸附于帶負電荷的微生物細胞壁，同時通過尿素水解，CO23－和NH4＋被釋放至微生物局部環境中；②在Ca2＋存在下，可能導致溶液局部過飽和，碳酸鈣沉淀于細胞壁；③隨著碳酸鈣晶體的不斷生長，微生物逐漸被包裹，限制營養物質的傳輸，導致細胞死亡；④微生物在碳酸鈣晶體上留下印跡。許多研究人員發現微生物誘導生成的碳酸鈣上存在類似的坑蝕［16－19］。

正是松散顆粒間不斷誘導沉積的碳酸鈣，最終將松散顆粒膠結成為整體，并賦予其一定的力學性能。一般而言，材料內部生成碳酸鈣含量越多，其內部孔隙減小越顯著，宏觀表現出來的力學性能（如強度、剛度、滲透性等）就越優異。Chu等［20］在微生物灌漿加固砂土研究中發現，處理后砂土的無側限抗壓強度（S）和滲透系數（k）與砂土內的碳酸鈣含量（C／%，質量分數）具有較強的線性相關（式（16），（17））。

然而，相同碳酸鈣含量的情況下，膠結砂土的力學性能也會存在較大差異，這是由碳酸鈣的不同分布狀態所導致的。Dejong等［1］認為碳酸鈣主要分布在顆粒接觸點附近，而不是均勻沉積于顆粒表面或僅在顆粒接觸點處沉積，如圖4所示，這是由于微生物趨于吸附在較小表面物體上的生物特性以及其過濾作用，顆粒接觸點附近區域的微生物濃度較高，導致碳酸鈣主要在此區域沉積。Cheng等［21］比較了非飽和砂土中的碳酸鈣沉積，結果發現，在碳酸鈣含量相近的情況下，飽和度越低的砂土，其膠結強度越高。這種結果主要是砂土內的孔隙溶液分布差異導致的，如圖5所示，飽和狀態下，溶液完全占據整個孔隙，碳酸鈣晶體不受位置及尺寸的限制而自由沉積于顆粒表面及孔隙處，而非飽和砂土中的溶液主要以彎液面形式存在于顆粒接觸點處，極大地限制了碳酸鈣晶體沉積位置。

圖4 孔喉處的碳酸鈣分布示意圖［1］Fig.4 Illustration of calcite distribution alternatives within pore space［1］

圖5 不同飽和度砂土中的孔隙溶液分布示意圖［21］Fig.5 Illustration of pore cementation solution distributed in the sand matrix under different saturation conditions［21］

由此可知，松散顆粒接觸點附近處有效沉積的碳酸鈣是微生物膠結作用實現的關鍵。錢春香等［22］通過紅外光譜測試發現，微生物誘導沉積的碳酸鈣中出現有機物多肽的振動頻率，且石英砂中Si－O鍵的對稱收縮振動頻率也有明顯的變化，說明碳酸鈣中的有機成分（羥基）與石英砂中Si－O鍵中的O原子發生較強的分子間氫鍵作用，使得體系能量降低。同時，29Si化學位移的變化也進一步證實了氫鍵的作用，揭示了微生物誘導碳酸鈣沉積具有膠結作用的本質。

2 MICP應用研究現狀

早在1992年，Kantzas等［23］就已將微生物誘導沉積碳酸鈣作為新型膠凝材料，使松散砂顆粒成功膠結為整體，顯著地降低了砂體的孔隙率，滲透系數下降近90%。Ferris和Setehmeir［24］在石油開采中，利用MICP技術有效地封堵砂土層中的孔隙，降低其滲透性，提高從油藏開采石油的能力。Stocks等［25］利用嗜堿土壤微生物巴氏芽胞桿菌（Bacillus Pasteurii）在砂土環境沉積實驗中，誘導沉積出具有膠結作用的碳酸鈣沉淀。Nemati等［26，27］利用微生物灌漿技術有效降低了多孔介質的滲透性，其滲透率由394.4mD下降至31.3mD，降低約92%。此后，微生物誘導沉積碳酸鈣受到了更多學者的廣泛研究。

Whiffin［28］從土壤中分離得到兩種不同產脲酶能力的微生物（Sporosarcina Pasteurii和Proteus Vulgaris），并研究了不同培養條件對兩種脲酶活性的影響，發現在未對細菌進行濃縮或裂解等額外處理的條件下，單位生物量的巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina Pasteurii）的脲酶活性可達29U。同時，還研究了膠結溶液中的尿素、Ca2＋、NH3／NH4＋、NO－3、Cl－等濃度對脲酶水解尿素能力的影響，結果發現巴氏芽孢桿菌的耐受能力較高，可承受的尿素濃度和Ca2＋濃度分別為3mol／L和2mol／L，保證了微生物膠結處理的高效性。還采用塑料注射器（50mL）為砂土膠結試模，并以注射方式將菌液及尿素／鈣離子混合液注入松散砂體的工藝進行微生物膠結砂土實驗，如圖6所示。值得關注的是，Whiffin提出利用超聲波速變化對微生物膠結全部過程進行實時監測，如圖7所示，以反映微生物處理對砂體性質的影響過程，實驗發現，隨著微生物處理次數的增加，超聲波速逐漸增大，微生物處理后砂體的強度也隨之增大，說明超聲波速與砂體強度之間具有相關性，這與McNally［29］的研究結果一致，因此使用這種無損檢測方法具有合理性。經微生物處理后砂體的抗剪強度可達1.8MPa，剛度超過250MPa。在上述研究基礎上，Whiffin等［30］進一步擴大膠結尺寸，利用微生物誘導沉積碳酸鈣成功膠結出長5m、直徑66mm的砂柱。實驗采用低壓灌漿（水力梯度＜1，流速約7m／d）方式依次將菌液，固定液（0.05mol／L Ca2＋）及膠結液（尿素／鈣離子）注入砂柱，同時對砂柱不同位置處流出液的NH＋4及Ca2＋的濃度變化進行監測，加固處理124h后對砂柱切樣（5m砂柱切成20段長25cm砂柱）進行分析。碳酸鈣含量測試結果表明，砂柱內的碳酸鈣分布不均勻，近注射口附近碳酸鈣含量相對較高，而遠離注射口處則較低，離注射口1m處碳酸鈣含量最高，達到105kg／m3。Whiffin等認為，尿素水解速率與流速（反應物的供應速率）間的失衡是造成整個砂柱中碳酸鈣分布不均勻的可能原因。固結排水實驗表明，砂樣的抗壓強度同樣分布不均，而且與碳酸鈣含量對比發現，較低的碳酸鈣含量（低于60kg／m3）對砂體抗壓強度的提高并不明顯，而當微生物誘導生成的碳酸鈣含量較高時，砂體抗壓強度得到顯著改善。常水頭滲透實驗表明，滲透系數由處理前的1.92×10－5m／s下降為處理后的8.10×10－6m／s，保持了良好的土壤滲透性能。

圖6 MICP膠結工藝示意圖［28］Fig.6 Schematic of MICP－cemented process［28］

圖7 MICP膠結過程中的超聲檢測示意圖［28］Fig.7 Schematic of measuring ultrasound velocity during the course of MICP－cemented process［28］

Al－thawadi［31］通過添加鎳離子、提高酵母提取物濃度等對微生物產酶條件進行優化，結果表明，添加10μmol／LNi＋以及提高培養基中酵母提取物濃度至20g／L等有利于提高微生物脲酶活性。同時，還通過降低鈣離子濃度、連續澆注等條件得到膠結程度較均勻的1m長的砂柱，砂樣強度約為5.8MPa。

Dejong等［32］也開展MICP的應用研究，從巖土與生物兩方面分析了土壤內的微生物礦化的主要影響因素，微生物在松散顆粒間的傳輸與吸附行為很大程度上取決于土壤孔喉相對大小、顆粒表面的電化學性質以及孔隙溶液的化學性質等。一般，微生物難以通過小于0.4μm以下的孔喉，而能在大于6μm的孔喉中自由移動［33］。堿性環境和有效的成核位點是碳酸鈣結晶過程中不可或缺的重要條件，而這些都依賴于土壤內的微生物數量與活性。Dejong等［32］在14cm長砂柱（直徑為7.2cm）中進行了誘導碳酸鈣沉積實驗，同樣為了實時監測砂土內MICP過程，采用剪切波速無損檢測方法，并與石膏處理砂樣進行對比。由于石膏的快速水化作用，反應1.2h后砂土的砂樣剪切波速可達600m／s，而經過MICP連續處理28h后，砂土的剪切波速為540m／s，分別是未處理飽和砂土的3.2倍和2.8倍。通過固結不排水三軸剪切實驗發現，與未處理的松散砂樣相比，微生物誘導沉積碳酸鈣可以顯著提高砂土的剪切剛度和極限承載力，且砂土試件剪切破壞時有明顯的應變軟化行為，這與傳統膠凝材料－石膏處理相似。

實際環境中土壤狀況錯綜復雜，MICP技術能否適應是MICP現場應用無法逃避的問題。Dejong等［34］認為土壤的變異性與異質性，如土壤顆粒尺寸、土壤礦物等，會影響生物化學反應。微生物及營養物質的傳輸很大程度上取決于土壤內的水文邊界條件和孔隙幾何形狀，而孔隙水中的溶液、溶質等也會對反應物的擴散混合有較大影響。利于微生物傳輸的較大孔喉與更多顆粒間接觸點數間的平衡問題也是MICP有效改善土壤性能的關鍵。同時研究了土壤礦物類型對MICP的影響，實驗中采用富含二氧化硅、碳酸鈣、氧化鐵等礦物的不同砂土作為碳酸鈣沉積場所，結果表明，微生物在上述環境中均能誘導沉積出碳酸鈣，但膠結效果不盡相同。因為土壤礦物能直接影響沉淀－溶解反應的熱力學平衡，為碳酸鈣沉積提供更有利的成核位點，對于本身含碳酸鈣的砂土則能為碳酸鈣晶體生長提供理想表面。土壤內孔隙水鹽度越高，微生物處理砂體的剪切波速增加越顯著，這是因為高鹽度孔隙溶液中含有更高濃度、可供微生物產生的碳酸根沉淀的陽離子。

Lee等［35］利用巨大芽孢桿菌（B.Megaterium）誘導碳酸鈣沉積處理馬來西亞地區的殘積土（砂質粉土），有效提高了殘積土的抗剪強度和抗滲性。實驗發現，MICP對殘積土的抗剪強度的提高比砂樣更顯著，滲透系數的降低卻小于砂樣。同時殘積土干容重越大，其抗剪強度及抗滲性提高得就越多，而砂樣卻表現出相反的變化趨勢。殘積土的粒徑范圍較大，尺寸較小顆粒能夠填充到較大顆粒間的孔隙中，使得顆粒間的接觸點增加，而且殘積土干容重越大，有效接觸點越多，更有利于顆粒接觸點處碳酸鈣的沉積。Lee等［36］還進一步研究了微生物處理后殘積土的應力－變形及壓縮特性，發現殘積土經過微生物加固處理后呈現典型的脆性特征，即當應力達到峰值強度后出現明顯大幅度下降。土壤壓縮特性主要由壓縮指數（Cc）、次壓縮系數（Cr）、先期固結應力（Pc）及總固結沉降量（Sc）四個參數評價（表1），其中次壓縮系數與誘導生成的碳酸鈣含量具有較好的線性關系，土壤的次壓縮系數、先期固結應力、總固結沉降量隨碳酸鈣生成量的增加而變小，且與未處理土相比，總固結沉降量減少約2%～23%，但在高應力（超過土壤屈服應力）條件下，MICP對土壤壓縮特性的影響不明顯。Lee等［37］通過控制菌液濃度、膠結液的濃度以及灌漿壓力等條件對殘積土灌漿工藝進一步優化，使得固化后土壤的抗剪強度增幅高達100%，滲透系數下降90%。實驗中還發現，過高的灌漿壓力（如2×105Pa）可能會導致土壤孔隙水壓力的累積，并破壞土體結構，從而對土壤性能造成不利影響，而過低的灌漿壓力（如2×104Pa）會使碳酸鈣在近注射口附近沉積而限制灌漿深度，因此，建議在MICP處理殘積土時必須考慮合適的灌漿壓力。

表1 膠結砂土的壓縮特性參數與碳酸鈣含量的線性關系［36］Table1 Correlations between calcite content and compression parameters of the bio－cemented sand［36］

Cheng等［38］提出采用表面滲流方式處理非飽和砂土，這與絕大多數研究者采用的灌漿方法不同。實驗中采用多層交替方法將菌液、膠結溶液等從砂土表面滲流入砂體，如圖8所示，結果發現碳酸鈣沿砂柱分布并不均勻，遠離注射口處碳酸鈣含量較高，砂柱底部碳酸鈣沉積量約為頂部的3倍，但砂柱局部強度并未與碳酸鈣含量成比例增加，而是保持相對恒定。根據非飽和土力學理論，砂柱中體積含水率存在梯度，頂部含水率約為7%，孔隙水以彎液面形式存在于顆粒接觸區域，而底部含水率近39%，處于完全飽和狀態。碳酸鈣晶體只可能從膠結液中析出，故在砂柱頂部處的碳酸鈣被限制在顆粒間接觸區域沉積，有效提高了砂土的強度，單位質量碳酸鈣的強度提高2倍。由此可知，在滿足工程性能的前提下，可以通過減少化學物質和水的使用量，降低MICP應用成本。

圖8 菌液及尿素－鈣液多層交替注入示意圖［38］Fig.8 Schematic of injecting bacterial and urea－Ca2＋by alternating layers［38］

為了進一步研究土壤顆粒尺寸以及孔隙對微生物膠結過程的影響，Kim等［39］選用不同相對密實度的砂、不同相對壓實度的粉土以及不同孔徑分布的風化土作為膠結對象。比較各砂樣發現，相對密實度為60%的砂樣試件中的碳酸鈣含量最高，由此推斷在較松散（40%）或較密實（60%）狀態下都不利于碳酸鈣生成。而對于粉土組，在相對壓實度為90%的粉土中碳酸鈣沉積量最多。另外，級配不良的風化土中碳酸鈣的沉積量約為級配良好的5倍，說明土壤內孔隙越均勻，越有利于碳酸鈣在土壤內的沉積。

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由Whiffin等［30］的MICP膠結實驗結果可知，砂土內的碳酸鈣沉積（分布）并不均勻，尤其當膠結體積較大時，這種不均勻性表現得更加明顯，這也導致了MICP改善后砂土的工程性質的異質性，如強度分布不均勻等。針對這一問題，Harkes等［40］從微生物砂土內的分布考慮，通過控制流速、固定液組成及濃度等條件對微生物灌漿工藝進行優化，以改善微生物分布不均的問題。微生物在多孔介質中的傳輸性能，其影響因素主要有流體性質（溶液的化學性質、流型等）、細胞壁性質（疏水性、表面電荷等）以及固體性質（顆粒尺寸、表面紋理、礦物類型等）。實驗中采用CaCl2溶液、NaCl溶液、去離子水及地表淡水等作為固定液，研究離子濃度對微生物在砂柱內分布的影響，如表2所示，實驗發現，50mmol／L CaCl2溶液使微生物全部滯留在砂柱內，而經去離子水沖刷后的砂柱內幾乎不存在微生物，由此可知，高離子濃度的沖刷液可以促進微生物在砂柱中的吸附，當離子濃度較低時，會使得原來吸附在固體顆粒表面上的微生物發生脫附而進入溶液中，有利于微生物在砂柱內的傳輸，減少由于微生物在注射口附近聚集而引發堵塞的發生。同時，循環注射可以有效補償微生物分布不均問題。Harkes等［40］認為灌漿速率必須高于尿素在砂柱內的分解速率，而且每次灌漿間隔時間要足夠長，以保證反應物即使在脲酶活性較低的階段也完全轉化完全，砂柱內碳酸鈣的分布則相對均勻。

表2 不同固定液對MICP過程中微生物固定作用［40］Table2 The effect of different fixation fluid on the fixation of microbe during MICP process［40］

Chu等［20］則研究了不同生物液（如細菌培養液、細菌懸浮液以及上清液等）對微生物誘導沉積碳酸鈣的影響，實驗發現，使用細菌懸浮液處理砂土1h后，有效細菌吸附率約為89%～100%，是上清液的5～8倍，而且上清液中含有蛋白酶，對砂體內的脲酶有不利作用。同時，還對砂體進行陽離子（Ca2＋，Al3＋，Fe3＋等）預處理，使砂土顆粒表面正電荷位點數目增加，有效提高微生物的吸附量（增加29%～37%）。

Soga等［41，42］通過控制膠結溶液濃度、反應停留時間以及有效注入速率等條件，提高巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina Pasteurii）在砂柱內誘導沉積碳酸鈣的效率。結果表明，當膠結液（尿素／氯化鈣溶液）注入速率低于0.042mol／L／h時，碳酸鈣沉積效率可達100%；而較高的注入速率會降低碳酸鈣沉積效率，主要受尿素水解速率的影響。值得關注的是，在適宜流速下，膠結液濃度（0.1～1.0mol／L）對碳酸鈣沉積量并不影響，但對孔隙尺度下碳酸鈣的分布格局有顯著影響，如圖9所示［42］，當濃度較低（0.25mol／L）時，碳酸鈣晶體小且空間分布均勻；而濃度較高（0.5～1.0mol／L）時，碳酸鈣尺寸較大且不均勻，呈空間隨機分布，由此可知，在實際微生物灌漿時，無論從碳酸鈣沉積效率，還是從碳酸鈣分布均勻性問題上考慮，合理的灌漿速率是不容忽視的環節。

圖9 不同濃度膠結液處理砂體內的碳酸鈣微觀分布［42］（a）0.25mol／L；（b）0.5mol／L；（c）1.0mol／L Fig.9 Microscopic distribution of calcium carbonate precipitated in cemented sand with different concentration［42］（a）0.25mol／L；（b）0.5mol／L；（c）1.0mol／L

Tobler等［43］采用分段灌漿與并行灌漿兩種灌漿方式對砂土進行加固處理。結果表明，同時注入菌液和膠結溶液會使碳酸鈣分布不均勻，而且在注射口附近沉積，易造成堵塞現象；而菌液和膠結溶液依次注入后砂土內的碳酸鈣分布較均勻，循環注射更有利于分布均勻性的提高。與前者相比，處理后砂土的孔隙率降低得更多，近54%。Barkouki等［44］則比較了間歇式與連續式兩種注入方式下0.5m長的砂柱內碳酸鈣沉積均勻性差異。實驗中灌漿液由尿素／菌混合液與尿素／氯化鈣混合液兩部分組成，首先以10mL／min的流速從砂柱頂部向下注入尿素／菌混合液，然后從砂柱底部向上（反向）注入尿素／氯化鈣混合液。其中連續式采用2mL／min的流速連續注入，而間歇式則以10mL／min的流速注入后停滯3h，兩種方式下的總注入流量保持相同。結果表明，間歇式灌漿方式更有利于獲得均勻分布的碳酸鈣沉積。

Qian等［45］研究了不同灌漿條件對MICP膠結砂土的影響，結果表明，采用較低流速（5mL／min）注入菌液，使微生物更加均勻地分布于顆粒表面與顆粒間，而較高流速（10mL／min）注入尿素／氯化鈣膠結溶液，可以避免碳酸鈣在注射口處過早沉積而導致堵塞，最終砂柱的強度高達12.0MPa，高于壓力成型和不連續無壓成型等方式。

Zhao等［46］研究了細菌濃度、膠結液濃度、反應時間等因素對微生物砂體工程性能的影響。實驗表明，微生物砂體強度隨菌液濃度、膠結液濃度以及反應時間的增加而顯著提高。同時，還比較了不同養護條件下的砂體強度，發現置于30℃空氣自然干燥的砂體抗壓強度最高，約為1.36MPa，當溫度降至－18℃時，強度為1.29MPa，下降約5.14%，而濕度達100%時，砂體強度則損失約11.03%，說明養護條件對微生物砂土的工程性能影響有限。Soga等［42］研究發現膠結溶液濃度較高（如1mol／L）時，會導致局部堵塞，砂基的滲透性在處理早期急劇減弱，而低濃度膠結溶液處理后，砂基的滲透性下降緩慢均勻，且在相同碳酸鈣含量下，其無側限抗壓強度更高。

鈣源是微生物灌漿中的重要組成部分，其種類與濃度對MICP的影響也被廣泛研究。榮輝［47］研究了溶解度較高的氯化鈣，硝酸鈣和溴化鈣三種鈣源，實驗表明，隨著鈣源濃度的增加，生成的碳酸鈣量呈現先增后減的趨勢，在較高濃度的鈣源中，Cl－，NO－3，Br－等陰離子濃度過高抑制了微生物的脲酶活性，產生CO2－3濃度較低，導致相同時間內生成的碳酸鈣較少。比較三種陰離子可知，NO－3和Br－離子對微生物酶活性的抑制作用較強，使得誘導生成的碳酸鈣低于氯化鈣，因此從經濟成本上考慮，建議使用氯化鈣作為MICP的鈣源。Abo－El－Enein等［48］研究表明，沉積碳酸鈣晶體的尺寸、形貌以及結晶度等與鈣源種類有關，且采用氯化鈣作為鈣源，碳酸鈣的生成量及結晶度都高于醋酸鈣和硝酸鈣，其對應的力學性質（更高的抗壓強度和更低的吸水率）最優。其中，NO－3離子對脲酶活性有明顯的抑制作用。然而，Cheng等［49］發現，使用醋酸鈣處理后砂土強度高達28.8MPa，比氯化鈣和醋酸鈣高出40%，且處理后砂土的最可幾孔徑尺寸較大（23μm），孔徑分布更加均勻。

Burbank等［50］在利用土著微生物的尿素酶解作用處理砂土，原位培養微生物96h后，分次注入膠結溶液（每次間隔2～3d），處理后砂土內的碳酸鈣含量約為20～48kg／m3，其靜力觸探錐尖阻力最大提高約2.2倍，說明土體的抗液化能力得到有效提高。圓錐貫入實驗結果表明，與未處理砂土相比，微生物誘導沉積方解石可顯著增大圓錐探針貫入時的阻力，且隨處理次數的增加而增大；通過動三軸剪切實驗發現，當砂土中生成方解石含量為3.8%～7.4%時，循環剪切應力與初始有效垂直應力的比值是未處理砂土的4.3～5.1 倍［51，52］。程曉輝等［53］利用MICP灌漿處理液化砂土，先將脲酶活性達17.33U的菌液注入砂柱，隨即連續注入0.5mol／L尿素／氯化鈣營養液。標準動三軸實驗結果表明，固化砂樣在液化應力比（Cyclic Stress Ratio，CSR）為0.45和0.4時，能夠抵抗十多次的加載才液化破壞，說明MICP灌漿加固砂樣的抗液化性能有大幅提高。同時，振動臺模型實驗結果表明，MICP灌漿處理在中強震中抗液化能力較強，有效抑制了土層對地震波的放大作用。

Montoya等［54］利用土工離心模型實驗研究了微生物膠結體對循環載荷的響應。結果發現，在不同離心加速度水平下，MICP砂基均降低動載荷作用下產生的超孔隙水壓力，減少位移沉降，且有更高的地面峰值加速度。說明MICP處理能夠提高循環載荷作用下砂基的強度與剛度，顯著改善砂基可液化性能。同時還研究了單剪或動態剪切下膠結退化砂體性能的復原。在砂基已有微生物作用下，再次注入膠結溶液（尿素／氯化銨／氯化鈣）可以恢復受損砂體的膠結性能。通過不排水單剪及離心實驗發現，恢復后砂體可降低20%～60%的超孔隙水壓力及55%的沉降位移，達到原有MICP膠結后砂基的力學性能。

Chu等［56］從不同氣候帶砂土中分離出3種耐鹽嗜堿的產脲酶菌株，研究發現，其具有相似的形態和生理特性，且可用于微生物膠結砂土。當砂基內的含鈣量約為12.4g／kg，其滲透系數下降至初始的1%，無側限抗壓強度約為454kPa。Stabnikov等［57］利用球形芽孢桿菌（Bacillus sp.VS1）在砂土表面形成具有防滲性的碳酸鈣薄層，有效降低了砂土的滲透性，滲透系數由原來的10－4m／s降低為1.6×10－7m／s，同時其抗折強度達35.9MPa。Chu等［58］利用 MICP可提高砂土強度及減少滲透性等特點，構建了48cm×38cm×20cm大小的水池模型（圖10），水池內壁及底面的含鈣量約為2.1kg／m2。砂基的滲透系數由10－4數量級下降至10－7數量級，無側限抗壓強度為215～93kPa，抗彎強度為90～256kPa。

Cheng等［59，60］采用低壓灌漿方式，通過降低膠結液濃度及多次灌漿等條件制備出高強度的微生物砂漿，其最大單軸抗壓強度高達55MPa。通過劈裂實驗，單軸壓縮疲勞實驗及循環載荷壓縮實驗發現，微生物砂漿的強度與耐久性能均優于普通混合砂漿。

為了進一步分析微生物灌漿處理過程，不少學者開始建立描述MICP過程的數學模型。Wijngaarden等［61］利用多孔材料中的對流－擴散方程，基于假設條件下推導出微生物化學反應過程中固液相主要成分的偏微分方程，建立了微生物灌漿模型。同時，利用伽遼金有限元法對一維、二維結構中微生物灌漿過程進行了模擬，并對恒定流體壓力（壓力驅動式）與恒定流速（流速驅動式）兩種灌漿方式進行研究，結果表明，流速驅動式中碳酸鈣沉積總量隨時間呈線性增長，而壓力驅動式呈現較均勻的碳酸鈣分布。榮輝［47］采用平流－擴散方程、達西定律以及康采尼－卡曼（KC）方程等建立了微生物水泥膠結松散砂顆粒的數學模型。同時與灌漿10次的0.5m×0.5m×0.5m砂堆實驗結果進行對比發現，砂體內碳酸鈣含量及抗壓強度分布的模擬值與實驗值基本符合，這說明該模型的準確性較好（圖11）。

圖10 MICP方法構建的水池模型（a）及水池底部的斷面剖視圖（b）［58］Fig.10 Water pond model in sand by MICP treatment（a）and cross－sectional view of the bottom of the pond（b）［58］

圖11 砂塊中碳酸鈣含量（a）及抗壓強度（b）的模擬值與實測值［47］Fig.11 The simulated and experimental data of calcium carbonate content（a）and compressive strength（b）in sand cube［47］

Dejong等［62，63］利用反應傳輸程序（TOUGHREACT）與反碼耦合確定了動力學控制的尿素水解及碳酸鈣沉淀的表觀反應速率，這個速率是基于簡化的反應動力學方程，將顆粒表面以及微生物只作為成核位點或晶體生長基底考慮，忽略其他具體作用。與長0.5m砂柱的膠結實驗數據對比發現，該模型能夠合理預測砂柱內碳酸鈣沉淀、瞬時溶液的pH以及濃度（Ca2＋，NH＋4）的變化趨勢。Fauriel等［64，65］利用質量、動量守恒等宏觀平衡方程、應力－應變本構方程建立了描述多孔介質中MICP過程的生物－化學－水力－力學耦合數學模型。通過有限元法，推導關于溶質的傳輸方程以及流動與平衡方程。同時，數值模擬平流前沿的擴展及方解石沉積，并得到了砂柱實驗的驗證。

上述MICP應用研究還僅局限于實驗室條件，為推動MICP在巖土領域的規模化應用，Paassen等［66］開展了大尺度原位砂基灌漿加固實驗研究，首先進行1m3砂堆實驗，采用單點注入方式，以恒定流速從立方體砂堆中心依次注入菌液及膠結液，持續處理40d后砂體內沉積碳酸鈣的平均含量為100kg／m3，砂體取樣的單軸抗壓強度最高為9MPa。同時，考察了注射口所在橫截面處的碳酸鈣分布，結果發現，在注射口附近及沿流動軸區域處沉積的碳酸鈣含量較低，這是由于較快流速及較短水力停留時間所產生上述區域內細菌滯留量低導致的。而在砂堆下部角落區域碳酸鈣含量較多，可達250kg／m3。在此基礎上，進行了100m3大體積灌漿實驗［67］，設置三個注射井及三個抽水井，以同樣組成的灌漿液連續處理16d后得到40m3清晰可見膠結砂體，外觀呈楔形狀（主要受誘導水文流場限制），其中平均碳酸鈣沉積量為110kg／m3，取樣試塊的單軸抗壓強度為0.7～12.4MPa，砂基平均剪切波速為300m／s。值得注意的是，膠結砂體上具有清晰可辨的流線（特別是靠近抽水井附近），且沿流線方向碳酸鈣沉積分布相當均勻，而垂直流線方向碳酸鈣含量變化顯著。同時，利用原位地球物理勘測（剪切波速）和實驗室巖土工程測試（無側限抗壓強度）評價膠結效果，得到砂基的剪切剛度處于同一數量級，說明兩者均可用于評估處理砂基的膠結程度。

Paassen等［68］通過對100m3大體積砂基鉆取樣進行單軸、三軸抗壓、巴西圓盤拉伸等實驗，結果表明，砂基內碳酸鈣含量、干容重以及不同圍壓下的強度值間具有較好相關性。微生物膠結砂體在低應變時，泊松比趨近于零，不同于自然土壤或巖石，主要是成巖機理上的差異。利用霍克－布朗破壞準則推算出砂基試樣的摩擦角和黏聚力，微生物處理后砂基的黏聚力可達920kPa，摩擦角約50°，給出了工程設計中的重要參數。

3 結束語

微生物水泥（MICP）在巖土工程領域有著廣泛的應用前景，可用于軟土路基加固、易液化砂土處理、邊坡加固以及生物封堵等，且社會經濟價值顯著。然而，就目前MICP技術研究現狀而言，仍存在一些亟需解決的問題。（1）對于MICP處理后砂土的工程性質（如強度、剛度、滲透性等）的研究比較深入，而其長期耐久性能未能得到相應的關注，僅有少數學者［22，69］對MICP處理后砂土的抗酸性、抗凍性以及抗沖刷性等耐久性能進行了初步研究。實際環境狀況的多樣性與復雜性要求MICP技術必須具備相應的適應性。（2）對于大體積砂土的MICP處理而言，關鍵的難點在于如何有效解決砂體性能異質性問題。盡管許多學者針對砂體內的碳酸鈣或微生物分布均勻性問題做了大量研究，也取得一定進展，但僅局限于小尺寸砂土實驗。當微生物灌漿應用于實際的開放體系時，控制微生物活性原位分布及相應砂土工程性能將是更大的挑戰。（3）目前MICP灌漿模型建立相對簡單，盡管可以預測MICP處理砂土后的碳酸鈣含量及相應砂土的力學行為，但對諸如小尺度下的生物化學過程（包括微生物生長、吸附－脫附、酶解過程等）、土壤孔隙及飽和度的局部變化以及土壤顆粒的空間變異性等問題考慮不足。（4）MICP技術的經濟及環境可行性還待探討。微生物灌漿大規模應用時可以考慮更加廉價的營養物質，如工業廢水、乳糖母液及玉米漿［70，71］等，從而降低經濟成本。而尿素水解反應副產物－NH3／NH＋4可能是MICP實際應用面臨的一大挑戰。

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