微生物誘導碳酸鈣沉淀在土體改良中的應用

范冬梅 FAN Dong-mei；何玉龍 HE Yu-long；劉冬梅 LIU Dong-mei；朱詞 ZHU Ci；薛萍 XUE Ping；薛海兵 XUE Hai-bing

（①江蘇商貿職業學院，南通 226000；②中冶華天南京工程技術有限公司，南京 210000）

0 引言

目前土體加固技術一直采用的是傳統的土體改良方法，如排水固結，化學注漿等方法，這些傳統的處理方式成本較高，消耗能源較大，同時還易污染環境。所以亟需研究一種新型環保綠色高效的膠凝材料來加固土體[1]。研究發現，在自然界中存在一些產脲酶細菌微生物，通過給其提供氮源和Ca2+的營養液，能夠快速礦化出有良好膠結作用的碳酸鈣晶體[2]，用尿素水解生成碳酸鈣沉淀的機制簡單，短時間可以產生大量CO32-，因此成為了微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）的常用方法。

尿素水解產生碳酸鈣沉淀是一個復雜的生物礦化過程，這一過程會受到外界多種因素的影響。因此國內外學者從各個方面開展了對微生物礦化機制的研究。比如在尿素水解過程中，細菌的種類和產脲酶能力、鈣離子濃度和溫度對細菌的脲酶活性有所影響。在細菌的種類和產脲酶能力方面，趙茜[3]利用菌液和純脲酶試劑進行了對比試驗，發現菌液的脲酶活性更強，對砂土的礦化效果更好。Park 等[4]利用4 種不同的尿素水解類細菌進行MICP礦化反應，發現巴氏芽孢桿菌的產脲酶能力較強。通過改變鈣離子的濃度，研究者[5]發現脲酶活性隨著Ca2+濃度的增加會降低。在0.50～0.75M 鈣離子濃度水平下，脲酶活性隨著濃度的增加有一定提升。溫度對細菌生長繁殖也有重要影響，Whiffin 等[6]認為尿素水解細菌的最適宜溫度為30℃。

膠結液濃度、鈣源和添加劑是影響固化土內部碳酸鈣產量和抗壓強度的重要因素。Ng 等[7]發現在0.5mol/L 和0.25mol/L 膠結液濃度下，0.5mol/L 膠結液生成的碳酸鈣含量更多。在鈣源方面，目前大多數研究都以氯化鈣作為鈣源[8-9]，Abo-El-Enein 等[10]研究了氯化鈣、硝酸鈣和醋酸鈣固化砂土后強度的變化，通過對比試驗發現氯化鈣固化砂土的抗壓強度最高，為1.2MPa。醋酸鈣和硝酸鈣的強度分別為1MPa 和0.45MPa。在添加劑方面，駱曉偉[11]在砂土固化試驗中加入了0.2%的玄武巖纖維后，固化后砂土強度比原始強度2.6MPa 提高了1 個MPa。

近年來，學者們利用MICP 技術對各種類型的不良土體進行了固化改良且效果顯著。研究發現土體本身的顆粒粒徑、孔隙大小、滲透性和礦物成分等因素也會影響MICP的加固效果[11]。本文通過對文獻的調研，歸納總結了利用MICP 對各種類型土固化的效果，得到了各類土加固后無側限抗壓強度和滲透性大小變化。首先介紹了尿素水解MICP 加固土體的原理，其次系統歸納了MICP 加固各類土的研究成果，最后對加固效果進行了討論分析，以期為固化更多不良土體的技術和應用研究提供參考。

1 尿素水解MICP 的原理

1.1 巴氏芽孢桿菌

微生物礦化過程需要細菌自身分泌大量脲酶來分解尿素生成碳酸根[12]。其中巴氏芽孢桿菌是利用較多的細菌（Bacillus pasteurli）。巴氏芽孢桿菌環境適應性強，其細胞形狀呈桿狀，長為2～3μm，適宜的溫度為15～37℃[13]。該細菌在尿素作用下可產生較多有誘導礦化能力的蛋白酶。

1.2 尿素水解過程

尿素水解MICP 過程中，首先是在培養基中培養出脲酶活性較高的巴氏芽孢桿菌，然后加入尿素-CaCl2膠結液進行反應。芽孢桿菌表面帶有負電荷，會不斷吸收溶液中的Ca2+，使其積聚在細胞表面。與此同時，尿素在脲酶的作用下水解生成NH4+和HCO3-，Ca2+和HCO3-結合生成碳酸鈣沉淀。這樣以細胞為晶核，碳酸鈣結晶會在細菌周圍大量析出并包裹細菌，致使營養物質難以向細菌傳遞，最終導致細菌逐漸死亡[14]。微生物礦化過程的反應方程式為：

在整個礦化反應過程中，巴氏芽孢桿菌發揮了三方面作用：一是產出脲酶水解尿素；二是促使膠結液中的Ca2+聚集在細菌表面；三是為碳酸鈣晶體提供結晶位點。碳酸鈣結晶形成過程[15]如圖1 所示。

圖1 微生物誘導生成碳酸鈣沉淀示意圖

圖2 不同飽和度砂土中的孔隙溶液分布示意圖[22]

1.3 加固土體的機理

首先在土體中注入巴氏芽孢桿菌，然后注入尿素-CaCl2膠結液，讓其進行充分的生物化學反應，之后就會在土顆粒表面以及土粒的孔隙處產生碳酸鈣結晶，連接松散的土壤顆粒，提高土壤的強度。碳酸鈣沉淀與土顆粒間的膠結作用有三種形式[16]：①覆膜作用，碳酸鈣覆蓋在土顆粒表面，僅增大了土顆粒的表面積和粗糙度；②黏結作用，碳酸鈣晶體附著在土顆粒接觸點附近，連接起相接觸的土顆粒；③橋接作用，碳酸鈣在砂顆粒孔隙間逐漸生長沉積，直至將不相連的砂顆粒連接起來。黏結作用和橋接作用的碳酸鈣能最大程度提高土體的強度和結構性。

2 MICP 技術進行土體加固改良

2.1 土的分類

以巖土工程勘察規范[17]中土的分類，按照顆粒級配和塑性指數可以將土分為四類土，如表1 所示。此外還研究了兩種特殊土，分別是鹽漬土和黃土。

表1 各類土的分類[17]

表2 巖土體滲透性分級表[21]

2.2 加固碎石土

碎石土由于粗顆粒間孔隙較大，微生物誘導生成的碳酸鈣沉淀難以填充膠結該孔隙，所以有關碎石土的礦化試驗研究較少。對碎石礦化試驗的研究中，有學者[18]提出填充質量25%的砂能得到最大的試樣強度。礦化后碎石土的無側限抗壓強度為339kPa，碳酸鈣含量為5.9%。之后孫瀟昊[19]采用了填充體積25%的砂發現碎石土強度增大到418kPa，碳酸鈣含量提高了1%。由此可見，填充砂粒可以提高碎石的礦化效果。

2.3 加固砂土

由于砂土粒徑和孔隙大小適中，固化效果一般較為理想。但砂土的類別不同，各自加固的效果也會有一定的區別，本文分析了石英砂，非飽和砂和鈣質砂固化后的效果。

對石英砂進行礦化試驗[20]，加固后砂樣的無側限抗壓強度增大到2.84MPa，初始滲透系數為1×10-1cm/s，在第3～4d 滲透系數顯著下降，7d 后降到7×10-5cm/s。由水利水電工程地質勘察規范中巖土體滲透性的分級可知，礦化后砂柱的透水性由強透水轉變為微透水[21]。顆粒粒徑適中時，土體內部相對不會很密實也不會很松散，細菌和膠凝液就能在較大空間中自由運移擴散，在充分反應后產生大量碳酸鈣結晶黏結松散土顆粒。

砂土的飽和度也是影響固化效果的主要因素。對非飽和砂土固化后進行了飽和度和強度之間的研究，試驗表明[22]，非飽和砂土平均無側限抗壓強度為19.7MPa，明顯高于飽和砂土強度值15.1MPa。

通過試驗觀察到，在非飽和的情況下雖然生成的碳酸鈣含量不多，但碳酸鈣沉淀大多是在砂顆粒連接處，起到了膠結最好的兩種形式黏結和橋接作用，從而提高了土體的整體強度和結構性[23]；而在飽和土樣中碳酸鈣沉淀大部分附著在砂顆粒表面，只起到覆膜作用，故獲得的強度較小[24]。經研究發現[22]，對于承載強度較弱的砂土可以減小飽和度來提高固化后的強度；飽和土樣雖然固化后強度低，但是延性得到較大提升，可以應用于地震等地區的砂土固化。

鈣質砂存在于熱帶海洋環境里，其主要成分為碳酸鈣，具有顆粒易碎、地基承載力較低等特性[25]，對鈣質砂進行MICP 固化處理，無側限抗壓強度最高能達到14MPa。滲透系數從最初的4×10-2cm/s 降低到結束后的3×10-4cm/s，滲透性降低了2 個數量級[26]。而標準石英砂微生物固化后滲透性可以降低4 個數量級，說明鈣質砂在固化后仍然具有較好的滲透性。

2.4 加固粉土

粉土的顆粒細小且孔隙狹窄，微生物很難在土體孔隙中自由運動，進而難以達到良好的固化效果[27]。有試驗表明，利用微生物固化砂土的無側限抗壓強度能達到10MPa以上[20]，但加固粉土難以超過200kPa。如何改良粉土提高其強度成為了學者們研究的熱點問題。對粉土進行礦化處理，Rebata 等[28]認為利用MICP 技術對粒徑在0.05～0.4mm的土體加固，能得到最佳的礦化效果。因為微生物難以在粒徑太小的土顆粒間活動，而土體的粒徑太大則需要大量的碳酸鈣結晶進行膠結才能提高強度。基于此，保證試驗中粒徑范圍在0.05～0.4mm 的顆粒含量占35%[29]，固化后無側限抗壓強度為80kPa，較未處理的粉土強度提高了60%。

2.5 加固黏性土

黏性土的孔隙直徑小于0.3μm，而微生物的細胞直徑一般在0.5～3μm，此時細菌很難在黏性土中遷移和擴散，進而影響MICP 的礦化效果[30]。黏性土在經歷長期風化作用后，淺表層0～30cm 處的孔隙直徑變大，大于0.4μm 的孔隙體積分數為66.7%[31]。此時利用MICP 對黏性土淺表層進行加固，可以得到較好的固化效果。本文分析了黏土中有機質黏土和砂質黏性紫色土固化后的效果。

對有機質黏土進行MICP 加固，降低土體中的有機質含量與增強碳酸鈣膠結作用是改善加固效果的關鍵，有機質含量會影響土體的物理力學性質，降低土壤的強度和滲透性[32]，同時影響了碳酸鈣與土體的膠結效果。有研究[33]針對有機質含量6.55%的黏土，采用壓力灌漿方法，可以將土中可溶性有機質沖走，處理后試樣有機質含量降低了4%，無側限抗壓強度達到了270.4kPa，較未處理時的強度57.5kPa 提高了370%。黏土原滲透系數為7.5×10-5cm/s，固化后下降了1 個數量級。

砂質黏性紫色土的土顆粒大小介于砂土和粉土之間[34]，進行MICP 固化處理后，發現試樣下部強度最高，隨著固化次數的增加，上部試樣的強度變為最高。在固化后，無側限抗壓強度達到了194.898kPa，提高了77%。在滲透性方面，紫色黏性土的初始滲透性為6×10-4cm/s，經過固化后變為5×10-6cm/s，下降了2 個數量級[35]。主要原因是前期滲透性好，漿液滲透到底部形成碳酸鈣沉積。在4～5 次固化后土體下降了1 個數量級。固化后期滲透性變差，菌液和膠結液難以滲入土體內部，在經過7～8 次固化后形成頂部碳酸鈣硬殼，滲透性再下降了1 個數量級。

2.6 加固特殊土

鹽漬土的含鹽量超過0.5%并且具有溶陷性和鹽脹性的特點。有研究[36]對含氯鹽砂土進行了MICP 固化處理，根據規范分別配制含鹽量為0%（無鹽分土樣）、3%（中鹽漬土）、6%（強鹽漬土）、9%（超鹽漬土）的試樣進行對比試驗。礦化后土體的無側限抗壓強度和滲透系數均有明顯提高。其強度值基本在2.88～4.55MPa 之間，無鹽試樣的強度為4.55MPa，超鹽漬土試樣的強度為2.88MPa，隨著含鹽量的增加其強度不斷降低。鹽漬土的滲透試驗表明，未固化的鹽漬土滲透系數為1.86×10-3cm/s，加固后無鹽分土樣滲透系數為7.08×10-5cm/s，含9%氯鹽的超鹽漬土滲透系數為5.53×10-4cm/s，比未固化的鹽漬土滲透性降低了1 個數量級。綜上可知，MICP 技術加固鹽漬土具有良好效果，巴氏芽孢桿菌對鹽分具有一定耐受性[37]，但隨著鹽分的增加，碳酸鈣沉淀速率變慢，生成的碳酸鈣含量變少，所以鹽分對土體加固效果和力學性能有一定影響。

黃土屬于低液限粉質黏土，土體內部孔隙較大，浸濕后有較大沉陷性。由于其強度低，分散性大，壓縮性高，透水性大等性質，極易發生水土流失，滑坡和崩塌等工程地質災害[38]。將菌液與黃土充分拌合后注入膠結液，經過7天的養護，黃土的無側限抗壓強度達到150kPa，與未加固的黃土試樣相比，無側限抗壓強度提高了1.5 倍。經試驗得到膠凝液的濃度也是影響加固效果的一個重要因素，當加入濃度為1.25mol/L 的膠凝液時，試樣無側限抗壓強度達到峰值150kPa，此時碳酸鈣在黃土試樣孔隙內部充分填充，與黃土顆粒緊密結合，起到了橋接作用，使強度達到了最大值。當濃度達到1.5mol/L 時，由于CaCl2含量過多會抑制脲酶的生成，進而影響碳酸鈣沉淀的生成，強度未能達到峰值[39]。

3 分析與討論

3.1 土體固化前后無側限抗壓強度變化

MICP 礦化過程產生大量碳酸鈣沉淀附著在土顆粒表面，膠結松散土顆粒，增大土體的強度并提高土體的整體結構性。從表3 可以看出，MICP 加固砂土后無側限抗壓強度最大，碎石土、黏土、粉土和黃土加固后抗壓強度都基本相同。MICP 加固砂土的效果最好，這可能與土體顆粒粒徑尺寸有關。有研究表明[28]微生物固化土體的最優粒徑范圍在0.05～0.4mm，正好處于細砂和中砂的粒徑范圍0.075～0.5mm 之間。芽孢桿菌細胞直徑一般在0.5～3μm 左右[30]，當細菌能夠自由通過土顆粒間的孔喉并均勻分布在土體內部時，可以得到較好的固化效果。對于粒徑小于0.075mm 的細粒土，細菌在孔隙間難以自由移動，并且小粒徑的土體在產生一定量碳酸鈣沉淀后，容易堵塞孔隙，導致后期生成的沉淀分布不均勻，固化效果不好；而對于粒徑大于2mm 的礫粒土，孔隙較大，生成的碳酸鈣結晶大小一般在2～150μm[40]，晶體太小不足以填充較大孔隙；當加固砂土（0.075mm≤粒徑d≤2mm）時[16]，孔隙在一定范圍內有所增大，利于細菌和膠凝液充分反應并產生碳酸鈣沉淀均勻分布在土顆粒之間，此時生成的碳酸鈣沉淀能起到橋接和黏接作用，較大提高了土體的強度。

表3 土體固化后的無側限抗壓強度值

3.2 土體固化前后滲透性變化

MICP 礦化能減小礦化土樣的滲透性，滲透特性綜合體現出MICP 對土體粒徑尺寸、孔隙大小、顆粒級配等多方面的要求[41]。如表4 所示，經MICP 固化后各類土滲透性都有不同程度的降低。其中標準石英砂滲透系數降低了4個數量級，效果較為明顯。其他各類土基本只降低1～2 個數量級。由于砂土顆粒較大，且存在豐富和較大的內孔隙，為細菌提供了較多的成核位點，也為碳酸鈣沉淀生成提供了足夠的空間，使碳酸鈣沉淀在土顆粒表面和孔隙之間大量生成，填充孔隙進而減小了滲透系數。同時在微生物不斷礦化過程中會產生胞外聚合物，這種反應物附著在土顆粒表面和內部形成微生物膜，也降低了土樣滲透性，但滲透性的降低主要因素還是在于土樣粒徑和孔隙的大小[42]。從表4 還可以看出，在MICP 加固砂土試驗中，標準石英砂和鈣質砂試樣在固化后的無側限抗壓強度分別為2.84MPa 和14MPa，但固化后鈣質砂滲透系數只降低了2個數量級，石英砂試樣降低了4 個數量級。說明礦化后的強度和滲透性不為正相關，鈣質砂內部生成的碳酸鈣含量少，填充孔隙較少，滲透系數較大，但生成的碳酸鈣沉淀存在于土顆粒的咬合點，仍然可以提高土顆粒的強度。

表4 土體固化后的滲透系數值

從圖3 中砂土、粉土、黏土和鹽漬土的初始滲透系數可以看出，初始滲透性也會影響固化后的滲透性。標準石英砂初始滲透系數為1.0×10-1cm/s，粉土、黏土和鹽漬土初始滲透系數都在10-3～10-5cm/s，經MICP 加固后滲透系數只有標準石英砂降低了4 個數量級，其余只降低1～2 個數量級。當土體自身滲透性較差時，氧氣難以進入土體內部，導致內部細菌缺氧死亡，產生少量脲酶[43]，從而水解尿素能力不足，無法產生大量CO32-，生成的碳酸鈣沉淀較少，減弱了固化效果，降低了滲透性能。

圖3 各類土固化前后滲透系數大小

3.3 土體礦物成分和物理性質對固化效果的影響

土體自身所特有的礦物成分會影響MICP 的固化效果，比如有機質黏土的有機質含量會減弱固化效果；在鹽漬土的研究中，固化后無側限抗壓強度和滲透系數都小于無鹽分土樣的值，說明土樣中氯鹽減弱了MICP 固化效果。土體的物理性質也是影響固化效果的重要因素，對于砂質黏性紫色土，雖然土樣粒徑尺寸與砂土粒徑相差不大，但由于塑性指數Ip＞10，黏土的理化性質影響了固化后土樣無側限抗壓強度和滲透性；砂土的飽和度也影響土樣的無側限抗壓強度值，經MICP 固化后飽和砂的強度小于非飽和砂強度。

4 結論與展望

本文歸納總結了各類土自身的特點以及利用MICP固化土體后的無側限抗壓強度值和滲透系數大小，從土的顆粒粒徑、孔隙大小、滲透性、自身礦物成分和物理性質方面分析了MICP 固化各類土的礦化效果。得到以下結論：

①土的粒徑大小對MICP 固化效果有重要影響。對于粒徑小于0.075mm 的細粒土和粒徑大于2mm 的礫粒土固化效果都較差。對于砂粒土（0.075mm≤粒徑d≤2mm）固化效果最佳，無側限抗壓強度能達到14MPa，滲透系數降低了4 個數量級。

②利用MICP 固化土體后，土體的強度和滲透性不為正相關，雖然生成的碳酸鈣含量較少，滲透系數變化不大，但是碳酸鈣沉淀存在于土顆粒咬合點之間起到了黏結作用和橋接作用，則強度也會很大。

③對于初始滲透系數較大的土顆粒，MICP 固化后滲透性明顯降低；對于初始滲透系數較小的土顆粒，滲透性相對變化較小，只降低了1-2 個數量級。

④土體自身的礦物成分和物理性質會影響MICP 的固化效果，例如土體的有機質含量、含氯鹽量、黏土成分和飽和度大小。因此對土體進行固化改良前，需要對土體自身的性質予以考慮。

綜上所述，目前利用MICP 固化土體的效果較好，但其固化效果受諸多因素的影響，導致實驗過程不能可靠的控制，某些試驗結果難以解釋，有待進一步探討分析礦化的機制原理；同時對于固化后土體的長期強度和耐久性研究還明顯不足。基于此在實際工程中還需要優化MICP 固化方式和工藝以提高固化效果的環境適應性和經濟性。