微生物誘導CaCO3加固土體的影響因素和應用進展★

談劉鑫，陶 磊，王 淼，陳 陽

(1.西安理工大學，陜西 西安 710048；2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710024)

在道路、管道、房屋等工程建設中，經常會遇到不良土體，如欠固結土、膨脹土、濕陷性黃土、可液化土等，對上部結構的穩定性造成嚴重威脅。現有的地基處理技術主要有物理加固和化學加固，其中物理加固包括換填、夯實、預壓等。化學加固通常采用水泥、石灰或化學物質對土壤進行灌漿[1]，可明顯改善土體的強度和穩定性，但同時易對周邊的植被和環境造成損害。微生物誘導碳酸鈣(MICP)已逐漸成為一項新的巖土工程技術。與傳統的水泥灌漿相比，微生物誘發的碳酸鈣膠結沉淀不但能改善土壤的強度、穩定性，還能滿足保護環境、綠色發展的要求。同時，碳酸鈣在自然界中分布最為廣泛，性能穩定，強度和耐用性都較高[2]。本文擬從微生物誘導碳酸鈣沉淀的反應機理、影響因素、技術應用幾個方面梳理近年來該領域國內外的研究進展。

1 微生物誘導碳酸鈣沉淀

1.1 反應機理

1.2 碳酸鈣沉淀含量的影響因素

1.2.1 鈣源

Ca2+是MICP生物化學反應的重要物質，不同的鈣源在微生物作用下產生的碳酸鈣沉淀量存在差異。De等[8]通過對不同鈣源條件下的碳酸鈣的形成進行了研究，發現鈣源對碳酸鈣的結晶形態有明顯的影響，而對混凝土的抗滲性則沒有明顯的影響。Achal等[9]對氯化鈣、乙酸鈣、硝酸鈣、氧化鈣進行了研究，結果表明：在同樣培養條件下，加入氯化鈣的細菌反應活性較高，碳酸鈣的產量最高；李成杰等[10]在MICP中添加了氯化鈣、乙酸鈣、乳酸鈣和葡萄糖酸鈣，發現不同的鈣源可以產生不同的晶型碳酸鈣，其中以氯化鈣為鈣源時，得到了最穩定的碳酸鈣結晶；明道貴等[11]以風積沙為試驗材料，以0.05 mol/L的氯化鈣、醋酸鈣、無水乳酸鈣為鈣源，對膠結樣品中碳酸鈣的分布進行了研究，以氯化鈣和乙酸鈣作為鈣源，其效果有明顯差別，以氯化鈣為鈣源，其無側限壓縮強度是乙酸鈣的1.7倍。研究表明，與其他鈣源相比，氯化鈣在MICP反應中的沉積量大、強度高、滲透率低，有利于改善土體效果。

1.2.2 溫度

通常，溫度升高可使化學反應加速進行，對酶的催化反應也不例外。溫度很低時，酶的催化反應速率很低，當溫度升高時，酶的催化速率會相應升高，但當溫度超過酶的最適存活溫度，酶的催化效應反而會降低，生成物的產量隨之減少。研究表明脲酶的最適溫度是在45 ℃左右，此時最容易將尿素分解成氨。因此，不同溫度作用下微生物誘導碳酸鈣沉淀膠結不同，對土體的加固效果不同。Whiffin等[12]通過對溫度對細菌單體脲酶活性的影響的研究提出30 ℃是尿素水解類細菌最適宜的培養溫度。趙茜[13]通過研究不同溫度對細菌活性和脲酶水解MICP過程的影響發現:當溫度升高時，酶的活性隨之顯著提高，并且當溫度超過30 ℃，此時脲酶活性增加更加迅速；孔繁浩等[14]通過定量分析研究了環境溫度對于微生物誘導碳酸鈣生成量的影響規律，認為：溶液環境下，在溫度為14 ℃～36 ℃的環境下，碳酸鈣生成量隨著溫度的升高呈上升趨勢。進一步揭示了溫度對巴氏芽孢桿菌誘導碳酸鈣沉積的影響；彭劼[15]利用尿素水解菌ATCC 11 859，在10 ℃,20 ℃,30 ℃的環境下分別進行了MICP的一維砂柱加固試驗，通過計算加固形成的砂樣無側限抗壓強度，溫度較低的環境下，砂柱中碳酸鈣含量的檢測數量越多，環境溫度越高，砂柱中生成的碳酸鈣含量越低。

綜上所述，不同溫度作用下，細菌的活性受到不同程度的影響。溫度變化，細菌活性隨之改變，溶液中消耗鈣離子的數量改變，生成碳酸鈣沉淀含量相應減少或增多，土體改善效果也在不斷變化。

1.2.3 pH值

pH值是影響MICP中細菌活性的重要因素之一。微生物的生存條件都會受到pH的影響，pH值較高或較低會使酶的活性喪失，從而無法正常參與生物化學反應，有利于酶的最佳活性在一定的pH范圍內。Whiffin等研究發現微生物溶液的pH值在6.0～8.5之間酶活性最佳，并且在此范圍內對脲酶活性影響可以忽略不計。王緒民等[16]通過控制不同的pH值進行膠結砂土試驗，實驗結果表明產生的碳酸鈣沉淀量在pH為7時方解石平均產量明顯較低，而pH在8和9時方解石平均產量較高且兩者較接近；趙茜分別對比pH值在6,7,8,9,10,11的情況下細菌數量和脲酶活性,實驗研究表明，pH值在6～9時，酶的活性最高,pH值在10,11時，酶的活性隨之減少。

環境pH值對巴氏芽孢桿菌的生長繁殖有一定影響,巴氏芽孢桿菌在弱堿環境下的耐受性較強。在MICP過程中，尿素水解不斷生成氨氣，使得溶液環境的pH值不斷上升，細菌對酸堿較強的適應性有利于其在實際工程中的應用。

1.2.4 其他影響因素

微生物誘導碳酸鈣沉淀生成量不僅與鈣源、溫度和pH值有關，而且研究發現，碳酸鈣的生成量與顆粒粒徑、固化方式以及注漿方法等多種因素相關。崔明娟等[17]選用3種不同顆粒粒徑范圍的砂土進行微生物固化處理，從宏觀角度分析顆粒粒徑對微生物固化效果的影響，結論得出砂土顆粒粒徑對微生物固化試樣的無側限抗壓強度有顯著影響，顆粒間孔隙較大易被碳酸鈣晶體填充密實；梁仕華等[18]采用4種不同的固化方式來固化砂土，對固化后的砂柱進行觀測與試驗，得出采用一定速度的分步灌漿方式，可使砂土的固化效果要優于浸泡方式的固化效果；張繼生等[19]分析探討了低濃度細菌分次注入和高濃度細菌一次注入這兩種不同的注漿方法對MICP技術固化效率的影響，研究結果得出相同細菌濃度下，低濃度細菌分次注入所形成的固化砂柱其CaCO3分布更為均勻，且強度更高，而高濃度得出的效果次之；張海麗等[20]分析比較了連續運行和間斷運行兩中不同膠結方式下MICP膠結砂柱的差異性，得出通過連續運行膠結方式得到了完整的砂柱，而間斷運行膠結方式得到了局部的砂柱，故連續運行的膠結方式更適合與實際的應用。

2 MICP技術的應用

2.1 防滲封堵

實際工程應用中，土體不是完全適宜施工的條件，工程中會出現各種土體問題，例如土體滲水，地基會因流土或管涌導致強度和穩定性降低，甚至導致建筑物的開裂與傾塌。滲漏水治理方案是滲漏治理施工的先決條件，施工中通常采用灌漿的方法，利用化學材料灌漿填充土體顆粒孔隙，達到防滲、堵漏、補強、加固的目的[21]。然而采用化學灌漿的材料大部分屬于有毒物質，對周圍植物和環境造成破壞，不利于綠色環保的理念。故近年來微生物誘導碳酸鈣沉淀技術廣泛應用于解決土體滲漏的工程問題中。

MICP技術產生的碳酸鈣可以填充土體顆粒間的孔隙，從而降低滲透性，實現防滲封堵的目的。大量研究數據表明，土體內的微生物進行新陳代謝的生物化學反應，可以有效降低土體滲透性。Blauw等[22]利用MICP對滲漏堤壩進行現場試驗，將膠結液灌注滲漏堤壩，經過一段時間后，堤壩的滲漏量減少，防滲效果顯著。Ramakrishnan等研究分析修復后構件的耐久性，結果顯示修復后構件的抵抗酸堿環境的能力增強，抗滲性能也顯著提高[23]。劉璐等[24]利用MICP技術噴灑處理堤壩模型試樣，研究結果發現堤壩模型的外部形成一層堅硬的白色碳酸鈣外殼，厚度可達20 mm～30 mm，水槽試驗后膠結液無法深入模型下層，成功起到了防滲封堵的保護目的。堤壩模型表面碳酸鈣外殼示意圖見圖2。

2.2 裂隙修復

微生物誘導碳酸鈣沉淀膠結是一項打破了傳統混凝土修復技術的局限性，且優于傳統混凝土修復的綠色環保新型技術。將微生物和營養物質填充到裂隙中，微生物礦化作用不斷產生碳酸鈣，填充裂隙，實現對微小裂隙的修復[25]。1973年至今，研究人員通過不斷地努力，做出大量的試驗研究，利用MICP技術修復水泥基材料、文物等，并取得了優良的效果。李沛豪等[26]通過微生物修復加固大理石，試驗得出試樣表面碳酸鈣礦化沉積、形成薄層，并達到了保護目的；Tittelboom等[27]利用MICP技術對帶有裂縫的混凝土構件進行試驗分析，結果顯示，混凝土構件的裂縫中有大量碳酸鈣沉積，修復后構建的滲透性明顯降低。侯宏濤[28]進行了微生物修復裂縫混凝土的現場試驗，觀察分析微生物灌漿后水平裂縫和豎直裂縫的變化情況，得出修復后的混凝土裂縫被白色碳酸鈣填充，且達到了較好的防滲封堵效果；錢春香等進行了MICP技術修復后裂隙構建的強度試驗，結果發現與未修復的裂縫構件相比，養護28 d的裂隙修復構件抗壓強度提高了約80%。MICP技術修復混凝土表面裂隙及碳酸鈣覆蓋SEM示意圖如圖3所示。

2.3 土體加固

MICP技術最早應用于多孔介質材料，該技術隨著研究的推廣與發展，開始應用于土體加固方面。由于砂土顆粒大，微生物誘導生成的碳酸鈣沉積在砂顆粒間，將松散沙粒膠結起來，使得砂土地基得到明顯的加固。2004年，Whiffin將MICP技術應用于松散砂粒進行膠結固化，發現該技術可對砂土的力學特性進行改良；DeJong等采用MICP技術固化小型砂柱模型，發現固化后的土體的抗剪強度是未固化土體的1.7倍。隨后將MICP技術應用到顆粒較小的土體中，發現該技術也能很好的提高土體的抗壓強度、抗剪強度，降低滲透性能。崔芮[29]進行了MICP技術處理重塑泥巖的試驗研究，發現加固后試樣的膠結效果顯著，軟化性能能夠得到顯著的提升；程留全[30]從注漿速率、膠結液濃度等方面進行注漿加固粉土試樣，得出微生物固化后粉土的孔隙填充率最高達到了約60%。

3 展望

1)MICP技術在應用中受到許多因素的影響，除溫度、pH對微生物本身的脲酶活性外，土體顆粒、加固方式等也影響該技術的工程應用，為充分保證該技術的應用局限性，仍需進一步探討。2)要進一步發掘新的高效礦化細菌，研究在極端環境下，如高溫高壓、低溫甚至厭氧環境下微生物的礦化機理，馴化細菌適應各種惡劣環境，提高細菌的耐受性。3)MICP技術在巖土工程領域具有廣闊的應用前景，但目前此技術在國內外的研究中還不夠成熟，且在堤壩和邊坡的實際工程應用尚鮮有，還需要不斷地進行室內和現場試驗進行完善。