MICP技術在工程應用中的研究進展

賀小青

(西安交通工程學院土木工程學院，陜西 西安 710300)

1 概述

隨著全球各地城市化進程的快速發展，大片的土地被開發利用，更多的鋼筋混凝土建筑拔地而起，綠色環保的施工技術已成為當今基建工程急需攻克的一個重難點。在眾多新型施工技術的研究中，越來越多的人關注到微生物礦化碳酸鈣的研究，這種技術的原理是利用自然界中可以通過其自身生命代謝活動產生的脲酶的細菌來分解周圍環境中的碳源，再和鈣源物質發生生物礦化反應，生成致密的具有膠結作用的碳酸鈣沉淀，礦化機理如式(1)所示[1]，這種膠結物自然無公害，膠結強度高，可以較好的代替現在市面上傳統的膠結建筑材料，如環氧樹脂、聚氨酯、水泥等，有效避免了對環境的化學侵蝕。從21世紀初提出這門技術的概念，至今仍在不斷完善中，研究方向包括細菌的選擇和培養，礦化過程中溫度、酸堿、液體濃度、注射速率等條件變化對膠結強度的影響等[2]，目前在一定實驗條件下可以較穩定的實現這門技術，將其主要應用于固化土體、修復混凝土裂縫、抗滲建筑材料、治理重金屬或放射性金屬四個方面，如圖1所示。

(1)

2 工程應用研究進展

2.1 固化土體

微生物固化土體(主要是砂土)的原理是通過在松散土體孔隙中注入礦化菌、常用碳源(尿素)和鈣源(氯化鈣)，給定一定時間讓其充分發生生物礦化作用，可形成具有膠結土粒作用的碳酸鈣沉淀，重復固化多次，當生成的碳酸鈣含量足夠時，就會將松散土體連結在一起變成具有一定強度的固化體，固化過程如圖2所示[3]。被固化后的土體，其強度會得到極大的提升，Van Paasse等通過對100 m3的砂土連續16 d采用微生物誘導碳酸鈣加固技術固化，結果表明即使固化體的強度不均勻，部分固化后的土體無側限抗壓強度可達12 MPa。DeJong等采用此方法固化小型砂柱模型，發現固化后的土體其抗剪強度是未固化土體的1.7倍。固化后的土體其剛度顯著增加，也稱固化土體為微生物水泥，Van Paasse試驗中采用彎曲元測試固化后的砂體得到的平均剪切波速為300 m/s，較松散砂土其剛度大大提高。固化次數較少的土體仍能保持較好的滲透性，有利于工程排水，這是因為固化過程中碳酸鈣沉淀大多覆蓋在土粒接觸面附近，而對于孔隙較大的地方不會沉淀，砂體內部孔隙仍具有一定的聯通性，原因也被Rong等通過對固化后砂土進行XCT測試觀察計算其孔隙率變化而證明。微生物固化砂土也是防止飽和砂土產生振動液化的一個有效措施，程曉輝等對飽和砂進行微生物誘導碳酸鈣技術固化后，做動三軸不排水抗剪試驗，其承載力極大的提高，能抵御7.8級以下地震，沒有液化現象。在此基礎上，微生物固化技術可用于特殊巖土工程環境中，如方祥位等將該技術用于固化海洋珊瑚砂，通過對固化影響因素進行多組正交試驗，采用最優固化條件制作微生物珊瑚砂樁，進行單樁復合地基模型試驗，試驗發現在樁間土相對密度較低的情況下，地基承載力可提高1倍，褥墊層厚度較薄時，復合地基承載力提高1.2倍。閆玥等對吹填土表層砂墊層進行微生物固化處理，形成生物水泥硬殼層，固化后的地基承載力提高約8倍[4]。除此之外，還有關于如活性炭、纖維、橡膠等添加劑對微生物固化土體的研究，如陳筠等發現活性炭可以固定微生物，提高紅黏土土粒接觸面碳酸鈣沉淀量，增加其抗剪強度[5]。

2.2 修復混凝土裂縫

傳統修復混凝土裂縫主要有灌漿法、表面處理法、結構補強法、填充法等幾種方法，均有不同程度的限制，如表面封閉法只修復混凝土材料的表面，內部裂縫的存在仍影響混凝土材料的正常使用；灌漿法常用流動性較好的化學有機材料，一般有毒性且與水泥材料相容性差；結構補強法施工技術復雜，所需成本較高，對于大體積混凝土修復不使用。微生物礦化碳酸鈣技術可以較好的彌補以上不足，因其具有較強的流動性，綠色環保，生成碳酸鈣致密且強度高，如圖3所示[6]，與水泥基材料的相容性較高，施工技術相對簡單且成本低。該技術目前有3種形式可以達到修復混凝土裂縫的目的，分別是表面碳酸鈣覆膜、灌漿碳酸鈣填充、自修復混凝土。表面碳酸鈣覆膜是在混凝土的表面按照一定的微生物誘導碳酸鈣技術生成致密的碳酸鈣薄膜，將產生的裂縫封堵，主要用于防滲防水。灌漿碳酸鈣填充是將微生物、礦化試劑按照一定的施工方案填充到裂縫中不斷生產碳酸鈣進行填充裂縫，實現對微小裂縫的修補。自修復混凝土是將微生物和礦化試劑利用某些載體固定預埋在混凝土中，當其開裂時，內部發生微生物礦化反應生成鈦酸鈣自主修復裂縫。如錢春香等通過噴涂、浸泡、涂刷等不同方法對有裂縫存在的水泥凈漿試塊進行微生物礦化，試驗表明涂刷法生成的碳酸鈣薄膜更有利于封堵裂縫；比利時根特大學的De Belie等將硅凝膠結合微生物礦化碳酸鈣共同修復0.3 mm裂縫成功，與化學灌漿修復效果等同；錢春香等采用陶粒作為固定細菌的材料預埋在混凝土中，能夠為細菌提供更好的生長環境，當發生混凝土產生裂縫后自主修復效果比爐渣細菌載體更好。

2.3 抗滲建筑材料

傳統的防滲材料如復合土工膜易老化，混凝土抗拉強度低容易開裂，化學灌漿材料一般具有毒性且成本高[7]。微生物誘導碳酸鈣可生成或薄或厚的微生物水泥材料，其質地密實，抗滲能力強，且具有水泥一般的強度，可以用來表面覆蓋有裂縫的混凝土，可以用來固化軟黏土，還可以用來灌漿提高土體的抗滑穩定性，綠色環保。目前研究最多的是利用MICP技術在混凝土表面覆膜，通過溶液浸泡、噴涂和涂刷固載的形式，在混凝土表面不斷緩慢的沉積出碳酸鈣顆粒從而達到表面防護的作用。也有將MICP膠結的過程直接發生在黏土層或者砂土層表面，在交界面的膠結性達到最佳效果，致密的碳酸鈣沉淀的滲透系數約為2.42×10-5，防滲效果相當于粉土或黏土混合物，如圖4所示。

2.4 治理重金屬或放射性金屬

MICP技術也可以用于治理重金屬或放射性金屬污染土。采用MICP法，在碳酸鹽礦化菌的參與下，可以將鎳(Ni)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鈷(Co)、鋅(Zn)、鎘(Cd)等重金屬離子與碳酸根結合，形成難溶沉淀，從而達到控制重金屬離子污染的目的。研究表明該技術可以有效去除50%～99%的重金屬離子。目前實驗室利用MICP技術主要研究處理土壤中的重金屬和處理礦山中的廢水，來達到修復生態環境的目的[8]。

3 結論與展望

1)本文對碳酸鈣沉積技術(MICP)在工程應用，尤其是巖土工程中的應用進行了一些總結，包括固化土體、修復混凝土裂縫、防止滲漏、處治污染土方面，體現了該技術在綠色可持續發展戰略中的重要性，可作為未來環保型施工技術手段和工程材料。2)目前該技術的研究仍處于初級階段，限于實驗室研究，在實際施工過程中難以嚴格的控制反應條件，技術效果難以確定，而且對于大量微生物礦化菌是否會影響到生態平衡還是有待研究的課題。在今后可以先將此技術在小范圍和小規模的工程中應用，從而根據應用情況不斷的彌補技術缺陷，直至形成一套可實際施工操作的技術流程。