MICP加固砂土方法對比研究

張錦程 李俊 肖鵬 劉漢龍 吳煥然

摘要：微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術是新興的巖土工程綠色加固技術，在散粒土加固方面具有良好的應用前景。MICP加固砂土的均勻性和力學表現是目前存在的重要問題，為優化MICP加固方法，改善加固后砂土的綜合表現，開展MICP加固砂土方法對比試驗研究。詳細介紹了傳統兩相法、pH法及溫控法MICP加固方案，利用傳統兩相法、pH法及溫控法開展砂柱試樣的MICP加固試驗，從加固試樣的碳酸鈣分布均勻性、反應液中鈣離子利用率及加固試樣的無側限抗壓強度等3個方面對比分析3種MICP加固方法的綜合表現。結果表明：在試驗條件下，傳統兩相法在3方面均表現最差；pH法和溫控法整體表現較好，其中溫控法反應液利用率較高，在高加固程度時強度略高，綜合表現最優。

關鍵詞：微生物加固；無側限抗壓強度；反應液利用率；溫控法

中圖分類號：TU441???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：2096-6717（2023）06-0151-07

Comparative study on MICP-treatment schemes for sands

ZHANG Jingcheng1， LI Jun2a， XIAO Peng2a，2b，3， LIU Hanlong2a，2b， WU Huanran2a，2b

（1. Geohazard Prevention Center of Chongqing， Chongqing 400015， P. R. China； 2a. School of Civil Engineering； 2b. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area， Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China； 3.Chongqing Railway Investment Group Co. Ltd.， Chongqing 400023， P. R. China）

Abstract： Microbially induced calcium carbonate precipitation （MICP） is a new green ground improvement technique in geotechnical engineering and has a promising prospect in reinforcing granular soils. The uniformity and the mechanical performance of MICP-treated sands are important issues in the MICP method. To optimize the MICP-treatment scheme and improve the overall performance of MICP-treated sands， a comparative experimental study on different MICP-treatment schemes for sands was carried out. Firstly， the MICP-treatment schemes， including the conventional two-phase method， the pH method and the temperature-controlled method， were introduced in detail. Then， a series of MICP-treatment experiments on sand columns were conducted， following the three different schemes， respectively. Finally， the three different schemes were compared in terms of the distribution of CaCO3 in the post-treatment specimens， the utilization rate of reaction solutions and the unconfined compressive strength of the post-treatment specimens. Under the testing conditions in this paper， the conventional two-phase method has the worst performance in the three aspects; the pH method and the temperature-controlled method generally perform well; in comparison with the pH method， the temperature-controlled method has a higher utilization rate of reaction solutions and a higher strength under high-treatment conditions; the temperature-controlled method has the best overall performance.

Keywords： microbial reinforcement； unconfined compressive strength； utilization rate of reaction solution； temperature-controlled method

微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術是近年來提出的一種新型加固技術，其原理是利用微生物的新陳代謝活動，通過生化反應生成碳酸鈣，碳酸鈣晶體沉積在砂顆粒間的孔隙中，可產生粒間膠結、孔隙填充效應，從而改善砂土的物理力學性能[1]，如強度[2-3]、滲透性[4]等。由于MICP技術具有環境相容性好、施工簡便等優點，目前已被廣泛用于多個領域，如島礁地基加固[5]、堤壩防滲[6]、文物修復[7]、沙漠治理[8]、重金屬污染防治[9-10]和揚塵治理[11]等。

MICP技術在室內試驗及現場應用中均取得了一定的效果，但仍面臨一些挑戰。其中，MICP加固砂土的均勻性和力學性能是當前制約MICP技術推廣應用的一個重要問題。目前，較常見的MICP加固砂柱試樣方法為兩相法，已有許多學者利用兩相法開展了MICP加固砂土相關試驗研究。Whiffin[12]最早提出利用巴氏芽孢八疊球菌（Sporosarcina pasteurii）進行砂土固化，但利用該方法得到的試樣均勻性很差，灌漿口易出現堵塞現象。為了得到更加均勻的加固試樣，學者們進行了許多嘗試，如采用不同的灌漿手段[13]、添加固定劑[14]、改變注漿壓力[15]等。Cheng等[16]研究發現，由于巴氏芽孢桿菌為嗜堿菌，低pH值環境會抑制細菌的活性，細菌新陳代謝緩慢，溶液中脲酶含量低，此時將反應液和菌液混合，不會立刻產生碳酸鈣沉淀。Cheng等[16]基于此提出了低pH值環境下的一相注漿方法，即“pH法”，利用該方法得到的混合液最長可以實現35 min不產生碳酸鈣絮凝。Van Paassen[17]發現，當溫度低于10 ℃時，細菌溶液基本不產生水解反應，脲酶活性基本為零；當溫度在10～45 ℃范圍時，脲酶活性隨溫度的升高而線性增長，這為提高固化試樣的均勻性提供了新思路。基于脲酶活性隨溫度的變化，Xiao等[18-19]提出了溫控MICP加固方案，即“溫控法”，并探究了溫控法加固石英砂試樣的靜力學特性；Xiao等[20]還探究了溫控法加固鈣質砂試樣的動力學特性。目前，采用傳統兩相法、pH法和溫控法等單一方法進行砂土MICP加固的研究較多，但鮮有學者聚焦于多種方法加固砂土效果的橫向對比。

為進一步分析各MICP加固砂土方法的特點，為MICP加固方案的比選設計提供參考，筆者選擇傳統兩相法、pH法和溫控法3種典型MICP加固方法開展對比試驗研究。首先詳細介紹傳統兩相法、pH法和溫控法MICP加固砂柱試樣的加固過程；然后設計試驗方案，分別采用3種方法開展MICP加固砂柱試驗；最后系統地比較固化試樣的碳酸鈣分布均勻性、反應液利用率和無側限抗壓強度等指標，對比分析3種MICP加固方法的綜合表現。

1 試驗材料、試樣制備與試驗方案

1.1 試驗材料

為了得到MICP過程生成的碳酸鈣含量，分析MICP加固效率與均勻性，需要對試樣進行酸洗處理，所用試驗材料不能與鹽酸發生反應，故試驗所用材料為石英砂，其主要成分為二氧化硅，相對密度為2.79。試驗用砂主要物理參數如表1所示。

1.2 試樣制備

試驗所用試樣為直徑40 mm、高度80 mm的砂柱，相對密實度為80%。試驗所用菌株為購買于中國普通微生物菌種保藏管理中心的巴氏芽孢八疊球菌（Sporosarcina pasteurii），細菌編號1.3687。試驗所用反應液（CS）由尿素溶液與氯化鈣溶液按體積比1：1配成，反應液中二者濃度均為0.5 mol/L；菌液（BS）濃度量級為～107 cells/mL。

1.2.1 兩相法MICP加固

兩相法MICP注漿系統及加固過程如圖1所示。利用兩相法加固砂柱試樣的具體步驟為：1）打開閥門V1、V5、V6，開啟蠕動泵，從試樣底端泵入足量去離子水，使試樣飽和，試樣飽和后關閉所有閥門；2）打開閥門V3、V5、V6，以0.67 mL/min的速度從試樣底端緩慢注入60 mL菌液（約1.2VP，VP為試樣孔隙體積），菌液灌注結束后關閉所有閥門和蠕動泵，靜置6 h，使菌液充分附著于砂土顆粒上；3）打開閥門V2、V4、V7和蠕動泵，以0.67 mL/min的速度從試樣頂端灌入100 mL反應液（約2VP），注漿結束后關閉所有閥門和蠕動泵，保持試樣在26 ℃環境下靜置養護12 h，以使反應充分，此為完成一次MICP加固；4）按上述方法完成試驗計劃加固次數后，從試樣頂端泵入超過250 mL去離子水（大于5VP）清洗砂柱，以除掉殘留在試樣內部的反應液；5）將試樣靜置6 h后，放到110 ℃烘箱中烘24 h，烘干后放置于干燥密封袋中，留待取用。

1.2.2 pH法MICP加固

pH法MICP注漿系統及加固過程如圖2所示。利用pH法加固砂柱試樣的具體步驟為：1）打開閥門V1、V4、V5，開啟蠕動泵，從試樣底端泵入足量去離子水，直至試樣飽和，試樣飽和后關閉所有閥門；2）按體積比1：5分別準備好菌液和反應液，用濃度為1 mol/L的鹽酸溶液將菌液的pH值調節至4.0左右，隨后將兩種溶液一同加入錐形瓶并攪拌，分6次共得到混合液（MS）120 mL；3）打開閥門V2、V3、V6和蠕動泵，以0.67 mL/min的速度從試樣頂端緩慢灌入120 mL混合液（約2.4VP），使混合液充滿試樣孔隙，灌漿完成后關閉所有閥門和蠕動泵，保持試樣在26 ℃環境下靜置養護12 h，以使反應充分，此為完成一次MICP加固；4）完成所有加固次數后，從試樣頂部泵送超過250 mL去離子水（超過5VP）清洗砂柱，以除掉殘留在試樣內部的反應液；5）將試樣靜置6 h后，放到110 ℃烘箱中烘24 h，烘干后放置于干燥密封袋中，留待取用。

1.2.3 溫控法MICP 加固

溫控法MICP注漿系統及加固過程如圖3所示。利用溫控法加固砂柱試樣的具體步驟為：1）打開閥門V1、V3、V4，開啟蠕動泵，泵入足量去離子水，直至試樣飽和，試樣飽和后關閉所有閥門；2）將溫度為4 ℃的菌液和反應液從冰箱取出，按體積比1：5將菌液和反應液混合，得到20 mL混合液，然后將混合液放入4 ℃恒溫水浴鍋中；3）打開閥門V2、V3、V4并開啟蠕動泵，以0.67 mL/min的速度泵入混合液，直至恒溫水浴鍋中的混合液消耗完全；4）重復步驟2）、3），至累計泵完120 mL混合液（約2.4VP），灌漿完成后關閉所有閥門和蠕動泵，保持砂柱試樣在26 ℃環境下靜置養護12 h，以使反應充分，此為完成一次MICP加固；5）完成所有加固次數后，從試樣頂部泵送超過250 mL去離子水（大于5VP）清洗砂柱，以除掉殘留在試樣內部的反應液；6）將試樣靜置6 h后，放到110 ℃烘箱中烘24 h，烘干后放置于干燥密封袋中，留待取用。

1.3 試驗方案

為對比不同MICP加固方法的加固效果，分別利用兩相法、pH法、溫控法3種方法對砂柱進行MICP加固試驗，得到不同加固方法、不同加固次數下MICP加固砂柱試樣的碳酸鈣生成量和無側限抗壓強度，對比分析不同工況下砂柱試樣的均勻性、反應液利用率及砂柱試樣的無側限抗壓強度。利用兩相法、pH法和溫控法進行MICP加固砂柱試樣的具體工況如表2所示。

2 結果與討論

2.1 試樣均勻性

為研究MICP加固生成的碳酸鈣沿砂柱軸向分布的均勻性，分別在距試樣頂端不同距離處截取高度約0.5 cm的試樣進行酸洗，通過酸洗前后的質量差得到試樣不同位置的碳酸鈣含量，碳酸鈣含量計算如式（1）所示。

圖4分別給出了3種不同MICP加固方法加固的砂柱試樣中碳酸鈣含量隨距試樣頂端距離的變化規律。由圖4（a）可以看出，采用兩相法加固的砂柱試樣，其碳酸鈣含量隨距試樣頂端距離的增大而逐漸減小；MICP加固程度越高，其內部生成的碳酸鈣越多，不同區域的碳酸鈣含量差異也越大。對于試樣A4，其頂部與底部的碳酸鈣含量差異最明顯，頂部接近底部的2倍，其分布表現出明顯的不均勻性。從圖4（b）可以看出，采用pH法加固的砂柱試樣MICP加固程度對碳酸鈣含量分布的影響較小。同時，碳酸鈣含量隨距試樣頂部距離的增大略微減小，試樣底部的加固效果略次于頂部，這表明pH法加固得到的砂柱試樣總體較均勻。從圖4（c）可以看出，采用溫控法加固的砂柱試樣，其碳酸鈣含量分布規律和隨加固程度的變化規律與pH法加固的試樣基本一致，試樣底部（遠離注漿口一端）的加固效果較頂部（靠近注漿口一端）略差，其中試樣C3底部的碳酸鈣含量為頂部的91%。

2.2 反應液利用率

反應液利用率是指MICP加固過程中實際生成碳酸鈣的物質的量與反應液所含鈣離子物質的量的比值。反應液利用率反映了MICP過程中細菌對化學物質的利用效率，對評價加固方法和控制試驗成本具有重要意義。

圖5給出了不同MICP加固方法和不同加固程度下砂柱試樣反應液利用率和均值。從圖中可以看出，兩相法的反應液利用率明顯低于另外兩種方法，其平均反應液利用率僅為47.3%，而pH法和溫控法的反應液利用率比較接近，平均分別為63.5%、67.4%，可以看出，溫控法比pH法略高。同時，隨著MICP加固程度的提高，兩相法的反應液利用率有一定的降低趨勢；而隨著MICP加固程度的提高，pH法和溫控法反應液利用率變化不明顯。表明在整個試驗過程中，與兩相法相比，pH法和溫控法始終保持著較高和較穩定的反應液利用率。因此，根據試驗結果，為減少浪費，得到更高的反應效率，推薦使用溫控法進行MICP加固。

2.3 無側限抗壓強度

為比較3種MICP加固方法的加固效果，并保證數據的可比性，分別取碳酸鈣含量較接近的兩組試樣進行無側限抗壓強度對比分析，其中1組包括砂柱試樣A3、B2和C2，2組包括砂柱試樣A4、B3和C3，兩組試樣的無側限抗壓強度對比如圖6所示。

從第1組結果可以看出，兩相法加固的試樣A3碳酸鈣含量最高，pH法和溫控法加固的試樣B2、C2碳酸鈣含量分別為試樣A3的81.0%、86%；但后兩者無側限抗壓強度分別為試樣A3的100.6%、111.0%；同樣地，在第2組中，pH法和溫控法加固試樣B3、C3的碳酸鈣含量分別為兩相法加固試樣A4的90.8%、95.4%；而前兩者的無側限抗壓強度分別為兩相法加固試樣的94.0%、113.2%。結果表明，當碳酸鈣含量相同時，與其他兩種方法相比，砂柱試樣兩相法加固的無側限抗壓強度明顯較低。同時，對比第1組、第2組中利用pH法和溫控法加固的試樣，試樣B2、B3的碳酸鈣含量分別為試樣C2、C3的94%、95.1%，而無側限抗壓強度分別為試樣C2、C3的90.7%、83.1%；結果表明，在相同碳酸鈣含量下，MICP加固程度較低時，pH法和溫控法加固砂柱試樣的無側限抗壓強度差別不大；而MICP加固程度較高時，溫控法加固砂柱試樣的無側限抗壓強度較pH法略高。

2.4 討論

從加固試樣中碳酸鈣分布均勻性、反應液利用率及加固試樣的無側限抗壓強度3個方面對溫控法、傳統兩相法和pH法3種MICP加固方法進行對比。在試驗條件下，傳統兩相法加固試樣中碳酸鈣分布最不均勻，而pH法和溫控法均勻性整體較好。就反應液利用率而言，pH法和溫控法顯著高于兩相法，而溫控法又略高于pH法。取碳酸鈣含量相近的加固后試樣進行比較發現，相同含量的碳酸鈣在兩相法加固試樣中產生的強度明顯低于其他兩種方法，即加固效率較低；對于pH法和溫控法，低加固程度時，兩者加固效率相近，而高加固程度時，溫控法加固效率略高于pH法。因此，在試驗條件下，pH法和溫控法表現顯著優于兩相法，而溫控法綜合表現最優。

溫控法和pH法均采用一相注漿，使得菌液和反應液在MICP反應前能夠充分混合均勻，加固過程比兩相法更加簡便。與pH法相比，溫控法加固過程中無須添加額外化學試劑，且采用的4 ℃低溫環境對細菌活性的抑制作用是可逆的。此外，在兩相法、pH法中，試樣豎直放置[12]，模擬從頂部注漿的工況；而溫控法中，試樣水平放置[18-19]，模擬漿液水平流動為主的工況；試驗結果一定程度上反映了注漿過程對加固效果的影響。需要注意的是，試驗仍存在局限，如只使用一種石英砂作為試驗材料，3種加固方法在不同級配、不同礦物成分的砂土中的應用效果仍需進行更多試驗研究；僅針對實驗室加固砂柱情況進行研究，3種加固方法在現場應用中的表現仍需更多試驗研究。

3 結論

詳細闡述了使用兩相法、pH法和溫控法進行砂柱試樣MICP加固的過程，通過對比試驗，探究3種加固方法在碳酸鈣分布均勻性、反應液利用率和無側限抗壓強度方面的表現，發現溫控法在試驗條件下綜合表現最優。兩相法加固砂柱試樣中碳酸鈣含量隨距注漿口距離和加固程度變化較大、試樣內部均勻性較差，pH法和溫控法加固試樣的均勻性整體較好。溫控法的反應液利用率最高，pH法次之，兩相法最低；兩相法反應液利用率隨MICP加固次數的增加逐漸降低，而pH法和溫控法的反應液利用率變化較小。取碳酸鈣含量相近的試樣比較無側限抗壓強度，發現兩相法的加固效率明顯低于pH法和溫控法；在加固程度較低時，pH法和溫控法的加固效率相近，而加固程度較高時，溫控法的加固效率略高于pH法。

參考文獻

[1]? 劉漢龍， 肖鵬， 肖楊， 等. 微生物巖土技術及其應用研究新進展[J]. 土木與環境工程學報（中英文）， 2019， 41（1）： 1-14.

LIU H L， XIAO P， XIAO Y， et al. State-of-the-art review of biogeotechnology and its engineering applications [J]. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2019， 41（1）： 1-14. （in Chinese）

[2]? HARKES M P， VAN PAASSEN L A， BOOSTER J L， et al. Fixation and distribution of bacterial activity in sand to induce carbonate precipitation for ground reinforcement [J]. Ecological Engineering， 2010， 36（2）： 112-117.

[3]? LIU L， LIU H L， STUEDLEIN A W， et al. Strength， stiffness， and microstructure characteristics of biocemented calcareous sand [J]. Canadian Geotechnical Journal， 2019， 56（10）： 1502-1513.

[4]? STABNIKOV V， NAEIMI M， IVANOV V， et al. Formation of water-impermeable crust on sand surface using biocement [J]. Cement and Concrete Research， 2011， 41（11）： 1143-1149.

[5]? 劉漢龍， 馬國梁， 肖楊， 等. 微生物加固島礁地基現場試驗研究[J]. 地基處理， 2019， 1（1）： 26-31.

LIU H L， MA G L， XIAO Y， et al. In situ experimental research on calcareous foundation stabilization using MICP technique on the reclaimed coral reef islands [J]. Chinese Ground Improvement， 2019， 1（1）： 26-31. （in Chinese）

[6]? 談葉飛， 郭張軍， 陳鴻杰， 等. 微生物追蹤固結技術在堤防防滲中的應用[J]. 河海大學學報（自然科學版）， 2018， 46（6）： 521-526.

TAN Y F， GUO Z J， CHEN H J， et al. Study on application of microbial tracing consolidation technology in the seepage prevention of earth bank [J]. Journal of Hohai University （Natural Sciences）， 2018， 46（6）： 521-526. （in Chinese）

[7]? 劉漢龍， 韓紹康， 陳卉麗， 等. 潮濕環境砂巖質石窟巖體微生物加固補配修復方法[J]. 土木與環境工程學報（中英文），2022， 44（6）： 219-220.

LIU H L， HAN S K， CHEN H L， et al. Microbial reinforcement and repair method of sandstone grottoes in humid environment [J]. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2022， 44（6）： 219-220.（in Chinese）

[8]? 李馳， 王碩， 王燕星， 等. 沙漠微生物礦化覆膜及其穩定性的現場試驗研究[J]. 巖土力學， 2019， 40（4）： 1291-1298.

LI C， WANG S， WANG Y X， et al. Field experimental study on stability of bio-mineralization crust in the desert [J]. Rock and Soil Mechanics， 2019， 40（4）： 1291-1298. （in Chinese）

[9]? ACHAL V， PAN X L， ZHANG D Y. Remediation of copper-contaminated soil by Kocuria flava CR1， based on microbially induced calcite precipitation [J]. Ecological Engineering， 2011， 37（10）： 1601-1605.

[10]? 許燕波， 錢春香， 陸兆文. 微生物礦化修復重金屬污染土壤[J]. 環境工程學報， 2013， 7（7）： 2763-2768.

XU Y B， QIAN C X， LU Z W. Remediation of heavy metal contaminated soils by bacteria biomineralization [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering， 2013， 7（7）： 2763-2768. （in Chinese）

[11]? NAEIMI M， CHU J. Comparison of conventional and bio-treated methods as dust suppressants [J]. Environmental Science and Pollution Research， 2017， 24（29）： 23341-23350.

[12]? WHIFFIN V S. Microbial CaCO3 precipitation for the production of biocement [D]. Western Australia： Murdoch University， 2010.

[13]? DEJONG J T， FRITZGES M B， NüSSLEIN K. Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2006， 132（11）： 1381-1392.

[14]? QIAN C X， PAN Q F， WANG R X. Cementation of sand grains based on carbonate precipitation induced by microorganism [J]. Science China Technological Sciences， 2010， 53（8）： 2198-2206.

[15]? CHENG L， SHAHIN M A. Urease active bioslurry： A novel soil improvement approach based on microbially induced carbonate precipitation [J]. Canadian Geotechnical Journal， 2016， 53（9）： 1376-1385.

[16]? CHENG L， SHAHIN M A， CHU J. Soil bio-cementation using a new one-phase low-pH injection method [J]. Acta Geotechnica， 2019， 14（3）： 615-626.

[17]? VAN PAASSEN L A. Biogrout， ground improvement by microbial induced carbonate precipitation [D]. the Netherlands： Delft University of Technology， 2009.

[18]? XIAO Y， WANG Y， DESAI C S， et al. Strength and deformation responses of biocemented sands using a temperature-controlled method [J]. International Journal of Geomechanics， 2019， 19（11）： 04019120.1-04019120.10.

[19]? XIAO Y， WANG Y， WANG S， et al. Homogeneity and mechanical behaviors of sands improved by a temperature-controlled one-phase MICP method [J]. Acta Geotechnica， 2021， 16（5）： 1417-1427.

[20]? XIAO P， LIU H L， STUEDLEIN A W， et al. Effect of relative density and biocementation on cyclic response of calcareous sand [J]. Canadian Geotechnical Journal， 2019， 56： 1849-1862.