基于MICP技術的再生骨料改性研究綜述

李宗源，崔皓楠，程海麗

（北方工業大學 土木工程學院，北京100144）

伴隨著我國經濟水平的快速發展，城市化進程不斷加快，大規模的改造、拆遷是城市煥發活力的必由之路，但與之相伴的是大量建筑垃圾的產生。調查顯示，2020年底，我國建筑垃圾總量預計突破30 億t，但這些建筑垃圾資源化處置率僅為10%[1]。建筑垃圾最常見的處理方式是掩埋或異地堆放，這些處理方式在污染環境、占用土地的同時，也造成了大量的資源浪費，將建筑垃圾重新加工成再生骨料用于混凝土的生產是建筑垃圾有效利用的重要途徑之一[2]。然而，再生骨料由于破碎過程中的損傷及表面砂漿的附著，存在孔隙率高、吸水性大、強度低、表面開裂等缺陷[3]，且砂漿-骨料過渡區界面孔隙率高強度低，導致再生骨料與天然骨料的性能存在差異[4]。 如何去除或者提高表面附著砂漿的強度成為再生骨料改性技術關鍵。目前，再生骨料的改性主要有物理改性和化學改性兩種方式。

物理改性指使用破碎、研磨等手段去除再生骨料表面附著的砂漿，達到提高再生骨料強度的目的。目前主要使用的方法有立式偏心輪研磨法[5]、臥式研磨法[6]、加熱研磨法[7]及顆粒整形強化法[8]。化學改性指采用化學漿液浸漬、CO2強化等處理方式，強化或去除其表面附著的砂漿，提高再生骨料的性能。如，程海麗[9]等采用不同濃度的水玻璃溶液浸漬再生骨料，探究再生骨料強化的最優試驗條件。蒲云輝[10]等使用高濃度CO2加速再生骨料內部的碳化反應，試驗結果表明，CO2處理后再生骨料的物理性能、力學性能等均得到顯著改善。

然而，物理改性會不可避免地對再生骨料造成二次傷害，化學改性大多使用化學漿液封堵再生骨料表面裂縫，且部分化學試劑對人體及環境有害。所以，基于微生物礦化的再生骨料強化成為再生骨料改性研究的熱點。

1 微生物礦化沉積技術概述

微生物礦化沉積（Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP）技術是指自然環境中的某些微生物在特定的環境中能通過自身新陳代謝生成碳酸鈣沉淀，選擇性地修復介質中的孔隙，改善多孔材料的性能，修復混凝土表面裂縫[11]。

1973年，Boquet[12]等研究發現在特定的環境下，微生物通過自身的礦化沉積作用，可作為成核點不斷生成方解石晶體，最終成為碳酸鈣沉淀填充周圍孔隙，修復混凝土裂縫。后續的研究中，Bang[13]，Wwitor[14]等人在此基礎上，通過大量試驗探究微生物種類、載體數量及類別、營養液配比等因素對MICP 技術修復混凝土裂縫的影響。Dick[15]等使用MICP 技術修復石灰石表面缺陷，試驗結果表明，MICP 技術可有效改善石灰石表面吸水率，這一試驗結果進一步促進了MICP 技術用于再生骨料的強化改性。

邱繼申[16]等的研究表明，合理控制試驗溫度、pH值等試驗條件可提高MICP 技術對再生骨料的強化效果，朱亞光[4]等人通過使用多種類型的微生物處理再生骨料，綜合分析微生物礦化對再生骨料性能的影響。對于強化后再生骨料的應用，徐培蓁[17]、王瑜玲[18]等人使用強化后的再生骨料配制砂漿，通過納米壓痕試驗和抗壓與抗折強度試驗，系統研究了MICP 強化后的再生骨料對砂漿性能的影響。

2 微生物礦化沉積對再生骨料物理力學性能的影響

物理力學性能是影響再生骨料綜合性能和實際應用的重要指標，也是決定再生骨料混凝土性能的關鍵因素，因此，從表觀密度、吸水率和壓碎指標3 個方面，分析MICP 技術對再生骨料物理力學性能的影響。

2.1 對表觀密度的影響

再生骨料表觀密度的變化可以反映MICP 技術處理后骨料表面碳酸鈣晶體的生成數量，從一定程度表征MICP 技術對再生骨料的強化效果。

郝小虎[19]等選用多種鈣源配置濃度不同的膠結液，使用真空浸漬吸附法改性再生骨料，分析不同鈣源與Ca2+濃度對改性后再生骨料性能的影響。試驗結果表明，微生物礦化改性后的再生骨料表觀密度有明顯提高，其中，氯化鈣為鈣源時表觀密度提高最為顯著，為2 563 kg/m3，高于規范《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14658—2001）中的要求；另外，MICP 技術處理后再生骨料的表觀密度隨著Ca2+濃度的增加呈現先增大后減小的趨勢，當Ca2+濃度為0.7 mol/L 時獲得最大值，說明Ca2+濃度過高會影響微生物正常新陳代謝，降低碳酸鈣的沉積數量。

張京旭[20]等選取巴氏芽胞八疊球菌制作微生物膠結液，采用浸泡法強化再生骨料，并設置清水對照試驗，分析浸泡時間不同對再生骨料表觀密度的影響。試驗結果表明，MICP 浸泡的再生骨料表觀密度明顯高于對照組，浸泡3 d，7 d，10 d 后，表觀密度的增長率分別達到6.8%，9.4%，10.8%。說明MICP 技術處理能有效提高再生骨料表觀密度，但隨著浸泡時間的增長，膠結液中的菌類活性逐漸降低，強化效果逐漸減弱。朱亞光[21]采用DSM8715 菌種進行了與上述試驗相同的研究，試驗結果顯示，處理后的再生骨料表觀密度提高1.2%。兩人的試驗說明微生物的選取對再生骨料的強化效果有一定的影響，但都對再生骨料的性能有一定改善。

2.2 對吸水率的影響

MICP 技術處理后再生骨料吸水率的變化，反映出微生物礦化生成的碳酸鈣對骨料表面孔隙和缺陷的封堵情況，是表征再生骨料性能變化的重要指標之一。

朱亞光[22]等使用DSM8715 菌種和嗜堿芽孢桿菌H4 處理不同粒徑（d≤5 mm，5～10 mm，10～20 mm）再生骨料，研究MICP 技術對再生骨料吸水率的影響。試驗結果顯示，MICP 處理后再生骨料吸水率有明顯降低，降低量最高可達到2%，但隨著再生骨料粒徑的增大，吸水率的降低量逐漸減小，當粒徑為10～20 mm時，處理后再生骨料吸水率降低量僅為0.61%。張曉彤[23]的試驗也得到了相同的變化規律，表明再生骨料粒徑越小，MICP 對骨料表面縫隙和缺陷的封堵效果越好，礦化改性的效果也越好。

郝小虎[24]、張京旭[20]調整了再生骨料使用MICP 技術強化改性的時間，通過對照試驗探究MICP 技術礦化改性時間對再生骨料吸水率的影響，兩人的試驗結果都顯示，再生骨料的吸水率隨著MICP 技術處理時間的延長而降低，說明MICP 技術處理可有效封堵骨料表面裂縫；但隨著處理時間的增長，再生骨料吸水率的降低率逐漸降低，這與表觀密度的變化曲線相似，說明隨著處理時間的延長，菌類的活性逐漸降低，表面裂縫的修復效率逐漸降低。

2.3 對壓碎指標的影響

壓碎指標的變化是表征MICP 技術處理后再生骨料強度變化的關鍵數據，是綜合評定再生骨料性能的關鍵指標之一。

吳延凱[11]在其試驗中選用不同微生物對不同粒徑再生骨料進行強化，分析其試驗結果，不同細菌對再生骨料壓碎指標影響差別較大，但總體來說，均使再生骨料壓碎指標得到一定程度的改善。隨著再生骨料粒徑的增加，壓碎指標降低率逐漸降低，當粒徑≤5 mm 時，壓碎指標降低率最高可達26.4%，這一數值在粒徑增大為10～20 mm 時只有18.4%，這一趨勢與吸水率、表觀密度的變化規律基本一致，說明由于菌種活性的降低，過長時間的浸泡，對再生骨料強度的改善效果已不明顯。

由于礦化試驗選用細菌多為好氧菌，朱亞光[25]等人對MICP 技術浸泡再生骨料工藝進行改進，通過改變浸泡時的覆膜情況以及再生骨料在膠結液中的位置，研究氧氣對再生骨料強化效果的影響。試驗結果顯示，未覆膜處理的再生骨料壓碎指標降幅相對于覆膜組平均提高2%，且兩組試驗中，膠結液中部的再生骨料壓碎指標降幅相較于底部和上部分別提高8%和4%，說明氧氣的參與強化了微生物對再生骨料的礦化效果，有利于促進再生骨料壓碎指標等性能的優化。

3 結語

MICP 技術用于再生骨料改性強化，既健康環保，又可有效利用建筑垃圾，完全符合建筑行業可持續發展的要求，具有廣闊的應用價值。對MICP 技術用于再生骨料改性研究進行總結分析，以表觀密度、吸水率、壓碎指標為考察指標，分析MICP 技術對再生骨料性能的影響，結果顯示如下。

（1）MICP 技術處理后的再生骨料各項性能均得到有效改善，說明微生物礦化沉積的碳酸鈣對骨料裂縫和缺陷實現了有效的封堵；

（2）隨著時間的增加，菌種的活性降低導致再生骨料的強化效率逐漸降低，所以，使菌種維持活性對再生骨料的強化研究至關重要；

（3）目前，基于MICP 技術的再生骨料改性處理時間多在10 d 甚至更長，如何配制強化效率更高的膠結液，降低處理時間，是MICP 技術研究的一個方向。