苗晨曦， 李亞梅， 鄭俊杰， 黃 杰

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

隨著城市人口的急劇增加，民用基礎(chǔ)設(shè)施的相對不足逐漸成為尖銳的社會問題。然而，基礎(chǔ)設(shè)施的新建或擴(kuò)建很大程度上會受限于其下地基土的工程性質(zhì)。同時，諸如全球變暖所引起的海平面上升此類環(huán)境問題也在逐漸壓縮人類的生存空間。水泥作為一種常用的土木工程材料大量用于地基處理中，其生產(chǎn)過程中會伴隨著大量礦石燃料的燃燒即溫室氣體的釋放，全球每年有總投資超過60億美元的40000多個地基處理項目展開，行業(yè)內(nèi)對新的、可持續(xù)發(fā)展的土壤加固方法的需求日益迫切[1]。因此，通過技術(shù)創(chuàng)新來實現(xiàn)土壤改性過程中的環(huán)境友好及經(jīng)濟(jì)節(jié)約應(yīng)該作為一種社會需求引起國內(nèi)外研究者的關(guān)注。

當(dāng)前大量的地基處理技術(shù)是利用大型機(jī)械及人工材料，其在機(jī)械作業(yè)及材料生產(chǎn)過程中都需要動力的持續(xù)供應(yīng)。化學(xué)注漿法中除了硅酸鈉外的所有化學(xué)漿體都是有毒的，因此其所帶來的環(huán)境隱患令人擔(dān)憂[2]。此外，當(dāng)前所有的注漿方法執(zhí)行力較差，即未必能按設(shè)計目的在場地產(chǎn)生較理想的處理效果。一般來說，化學(xué)處理方法只在灌漿點(diǎn)附近1～2 m范圍內(nèi)有效，考慮到諸多不確定性只能選擇偏保守的設(shè)計。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，學(xué)科間交叉在處理一些前沿問題上展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競爭力，利用微生物可以在多孔介質(zhì)中生長、運(yùn)移和繁殖等特性進(jìn)行土體改性，不僅是全新的理論突破和技術(shù)創(chuàng)新，而且對生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展將帶來深遠(yuǎn)的影響[3]。許朝陽研究表明，微生物與周圍環(huán)境介質(zhì)間相互作用可以極大改善土體強(qiáng)度、剛度和滲透性等宏觀力學(xué)性質(zhì)[4]。周芳琴等探討了由于環(huán)境因素變化誘發(fā)的微生物對壩基巖土體工程性質(zhì)的影響[5]。Fischer[6]等發(fā)現(xiàn)巴氏芽胞桿菌(Bacillus Pasteurii)在砂土中可較快析出具有膠結(jié)作用的碳酸鈣沉淀。錢春香等通過為成巖微生物提供充分適宜的活化反應(yīng)條件，利用其酶化作用沉積出的碳酸鈣短時間內(nèi)將散體材料膠結(jié)起來[7]。DeJong[8]等通過固結(jié)不排水三軸剪切試驗發(fā)現(xiàn)微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積(MICP)可以顯著提高砂土的剪切剛度和極限承載力，且砂土試件剪切破壞時有明顯的應(yīng)變軟化行為。張莉等利用微生物代謝產(chǎn)物對粉土進(jìn)行工程改性，滲透試驗及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗表明相應(yīng)工程指標(biāo)均得到顯著改善[9]。

1 微生物改性土體簡介

1.1 微生物改性理論基礎(chǔ)

廣義來說，微生物改性指的是通過微生物生命活動及其代謝產(chǎn)物誘發(fā)或控制土體中一系列化學(xué)反應(yīng)從而改善土體工程性質(zhì)。同微生物降解污染物類似，微生物改性土體涉及到的理、化、生反應(yīng)包括無機(jī)物的沉積(生物礦化)、有機(jī)物沉積(生物膜的形成)及氣體的產(chǎn)生。在充分適宜的活化反應(yīng)條件下，微生物將指數(shù)級改變諸如滲透性、剛度、抗壓能力、抗剪能力、變形模量等土體力學(xué)性質(zhì)[10]。微生物對顆粒材料性質(zhì)的影響主要取決于微生物在顆粒間自由移動的能力及單位體積內(nèi)顆粒的接觸數(shù)目。因此，微生物與散體材料孔隙結(jié)構(gòu)尺寸之間必須滿足幾何相容性。雖然沉積無機(jī)物的積累會在一定程度上限制微生物在多孔介質(zhì)中的自由遷移，但研究表明生物礦化仍然對多數(shù)土體改性具有適用性。利用生物膜改性僅僅是在砂土等松散的粒狀材料得到過成功應(yīng)用[11]。鑒于生化反應(yīng)乃是整個改性體系的核心，下面介紹幾個常見的礦化過程(主要為碳酸鹽沉積)所伴隨的主要化學(xué)反應(yīng)。

(1)尿素的水解

NH2—CO—NH2+3H2O→

(OH-的生成提高了PH)

(2)反硝化作用

2CO2+0.8N2+2.8H2O

(H+的消耗提高了PH)

(3)三價鐵還原

8FeCO3(solid)+20H2O

(H+的消耗提高了PH)

(4)硫酸鹽還原

HS-+2H2O+2CO2

(H+的消耗提高了PH)

(1)

(2)

異養(yǎng)型微生物通過代謝碳源(醋酸鹽、葡萄糖、尿素)等獲取生命活動所需能量，其代謝產(chǎn)物二氧化碳(好氧型微生物自身呼吸作用也可產(chǎn)生大量二氧化碳)在水的參與下會按方程(1)發(fā)生反應(yīng)生成碳酸氫根，當(dāng)鈣離子存在時，便會按方程(2)生成碳酸鈣晶體。簡而言之，微生物生命活動可以提高周圍的碳酸氫根濃度并創(chuàng)造堿性環(huán)境從而為無機(jī)礦物的析出沉淀創(chuàng)造過飽和條件。外觀呈絨毛球狀的凝膠狀碳酸鈣可以起到膠結(jié)填充作用，增加顆粒間粘結(jié)力及摩擦嵌擠作用，改善土體緊實程度，從而大幅度提高土體工程性質(zhì)。碳酸鈣晶體的沉積主要由以下四個因素控制，分別為鈣離子濃度、溶解無機(jī)碳濃度、pH條件及有效成核位點(diǎn)的數(shù)量[12]。碳酸鈣沉積過程之所以被稱為生物誘導(dǎo)(induced)過程而不是生物控制(controlled)過程，是因為誘導(dǎo)過程中礦物結(jié)構(gòu)很大程度上取決于環(huán)境條件，成分相同的碳酸鈣有方解石、文石、球霰石三種非水合晶型，其中方解石具有最優(yōu)的熱穩(wěn)定性，周圍環(huán)境條件不同，碳酸鈣結(jié)構(gòu)形式未必相同，而生物控制過程會生成某一指定晶型的晶體[13]。

1.2 幾種MICP方式比選

理論上來說，只要溶液中達(dá)到了碳酸鈣的飽和度，碳酸鈣沉積便會在堿性條件下發(fā)生。也就是說，碳酸鹽析出主要依賴于微生物生命活動產(chǎn)物(二氧化碳、堿性條件)及二價陽離子(Ca2+)的存在，而與參與的微生物種類關(guān)系不大[14]。可供選擇的MICP機(jī)制主要包括：尿素水解、硫酸鹽還原、脂肪酸發(fā)酵、反硝化作用。表1分析總結(jié)了不同機(jī)制下的最終產(chǎn)物及相應(yīng)副作用。

表1 MICP機(jī)制比選

由上表易知，尿素水解參與的MICP盡管作為主流的MICP方式被廣泛研究，但其只有當(dāng)氨氣和氨根離子得到合適處置后才具有適用性。利用反硝化作用來進(jìn)行MICP還有以下優(yōu)勢：

(1) 反硝化細(xì)菌在土壤中廣泛存在；

(2) 在缺氧條件下反應(yīng)仍可進(jìn)行；

(3) 熱動性能好于尿素分解，反應(yīng)相對于尿素分解更易進(jìn)行；

(4) 碳酸鹽產(chǎn)量較尿素分解更多；

(5) 電子供體能近乎百分百利用，不需要添加潛在毒性的有機(jī)物；

1.3 微觀尺度的改性機(jī)理分析

DeJong[8]等利用電鏡掃描觀察改性后土顆粒間粘結(jié)的特征及程度，并利用X射線衍射分析確定其中起到粘結(jié)劑作用的物質(zhì)化學(xué)成分為方解石晶型碳酸鈣，散體顆粒間通過碳酸鈣的膠結(jié)作用連接成整體。許朝陽等利用電鏡掃描觀測改性后土體骨架顆粒形態(tài)、聯(lián)結(jié)形式和孔隙結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)土顆粒表面及縫隙間均附著有小團(tuán)粒和團(tuán)粒狀凝膠(碳酸鈣晶體)，導(dǎo)致孔隙體積減小，顆粒間接觸面增大[3]。從生化角度來說，帶負(fù)電荷的微生物個體會因為土壤顆粒周圍較高的營養(yǎng)物濃度而吸附在顆粒表面上，同時帶正電的金屬離子又會吸附在微生物細(xì)胞壁上，附著于微生物表面的陽離子會緊接著與陰離子(碳酸根離子)反應(yīng)生成難溶性鹽(圖1)。許朝陽認(rèn)為，土中粘粒等細(xì)顆粒礦物表面帶負(fù)電荷，顆粒周圍吸附著鈉、鉀等低價陽離子，當(dāng)與鈣離子相遇時，土顆粒表面的鈉離子、鉀離子會與鈣離子發(fā)生等當(dāng)量的離子交換，從而減少了土粒表面吸附水膜的厚度，提高了土體穩(wěn)定性。因此，許朝陽將礦化菌改性機(jī)理歸因于碳酸鈣的膠結(jié)作用、填充作用及離子交換作用[4]。DeJong[1]認(rèn)為，盡管改性機(jī)理尚未完全明確，但無非是空間亂向分布的碳酸鈣在顆粒接觸的形成中起到了作用。土體工程性質(zhì)的改善可以理解為是微觀結(jié)構(gòu)變化所引起的宏觀響應(yīng)。

圖1 微生物改性理、化、生化系統(tǒng)示意圖

2 微生物改性土體的應(yīng)用

2.1 生物巖土工程學(xué)現(xiàn)狀

生物巖土工程學(xué)作為巖土工程學(xué)科的一個分支，是指運(yùn)用生物技術(shù)解決巖土工程實際問題。就目前來看，生物巖土工程主要在邊坡失穩(wěn)防護(hù)、壩體防滲、地基土體加固等領(lǐng)域得到了運(yùn)用[16]。生物巖土工程具有投資少、維護(hù)費(fèi)用低以及環(huán)境友好等潛在優(yōu)點(diǎn)。微生物能否在巖土工程中大規(guī)模應(yīng)用主要取決于以下因素：不同環(huán)境工況下合適的微生物的篩選；微生物活化反應(yīng)條件的優(yōu)化；物種安全性；經(jīng)濟(jì)可行性；改性后土體穩(wěn)定性及耐久性。作為新興的巖土工程學(xué)方向，盡管微生物在諸多巖土工程問題處理上都有其應(yīng)用的潛力，但目前的研究及應(yīng)用仍主要集中于生物填充(防滲)及生物膠結(jié)兩個方面。

2.2 生物填充(防滲)

生物填充(防滲)是運(yùn)用微生物方式生成孔隙填充材料從而改善土體的孔隙結(jié)構(gòu)及滲透性，可以用來減少排水溝渠的沖刷，形成灰漿帷幕阻止重金屬及有機(jī)污染物的擴(kuò)散，防止土質(zhì)壩體管涌、降低砂土液化程度等。早期生物填充(防滲)主要利用微生物代謝過程中產(chǎn)物多糖，生物多糖在土顆粒團(tuán)聚及孔隙填充方面的作用眾所周知，且菌體生物量的累積，難溶性生物氣泡也會降低土體滲透性。黃纖維單胞菌種也許比較適合于大規(guī)模填充防滲工程應(yīng)用， 因為此類革蘭氏陽性細(xì)菌即可以承受不同的滲透壓且可以利用成本較低的纖維素生成胞外多糖。目前生物填充(防滲)主要利用土顆粒孔隙間無機(jī)物的沉積，比如碳酸鈣，碳酸鈣可以在填充土壤孔隙的同時黏結(jié)土壤顆粒。生物填充的另一個潛在應(yīng)用領(lǐng)域是混凝土等建筑材料中的裂紋修復(fù)，混凝土中引入這種裂紋自體修復(fù)機(jī)制后必然會有更好的耐久性[17]。然而，以胞外多糖為基礎(chǔ)的生物填充(防滲)需要較長的處理周期才可實現(xiàn)較好的填充防滲效果。此外，微生物與土體孔隙結(jié)構(gòu)尺寸之間的幾何相容性；滲透性降低勢必造成營養(yǎng)素流通受限；殘留毒害產(chǎn)物如何從土體中移除等問題都極大地制約了生物填充技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用。

2.3 生物膠結(jié)

生物膠結(jié)是利用微生物生命活動及其產(chǎn)物形成顆粒膠結(jié)材料從而提高土體的強(qiáng)度和剛度，可以用來防止土體崩塌，對新開墾場地進(jìn)行土體改性等。生物膠結(jié)和生物連接(biobinding)有所不同，生物連接是微生物本身盤旋纏繞形成網(wǎng)狀體系將顆粒團(tuán)聚起來，Meadows[18]曾利用真菌提高了砂土的抗剪強(qiáng)度。van Paassen[19]等考慮了無機(jī)物場地內(nèi)均勻沉積問題，提出了四條生物膠結(jié)進(jìn)行土體加固的適用性性能評價標(biāo)準(zhǔn)，分別為所加混合物(如碳源)的溶解性；碳酸鈣的生成速率；所需底物的數(shù)量；副產(chǎn)品的種類與數(shù)量。van Paassen認(rèn)為碳酸鈣生成速率必須合理控制以防止過快沉積而阻礙傳輸及過慢沉積導(dǎo)致在指定時間內(nèi)達(dá)不到既定膠結(jié)程度；底物的添加數(shù)量符合反應(yīng)的化學(xué)計量數(shù)為宜；一些影響反應(yīng)效率及膠結(jié)進(jìn)程的毒副產(chǎn)品必須移除。生物膠結(jié)法在現(xiàn)場應(yīng)用時很大的一個問題是由于沉積分布的不均勻性將在平行于注入方向上出現(xiàn)明顯分層(圖2)。生物膠結(jié)的第一次現(xiàn)場試用是在處理砂礫石等粗粒材料上，Visser在鉆孔勘察過程中遇到一層粘結(jié)性較差的砂礫石層，為了防止砂礫石失穩(wěn)塌落填充孔洞，利用生物技術(shù)處理后，獲得了較好的加固效果(圖3)[20]。

圖2 大規(guī)模處理過程中的分層現(xiàn)象

圖3 生物處理后孔洞結(jié)構(gòu)性保持較好

2.4 三種地基處理方法的比較

從處理工藝上來說，可大致將地基處理方法分為機(jī)械壓實法、化學(xué)灌漿法及生物處理法三個大類。土的壓實可通過碾壓和振動來實現(xiàn)，振搗擠密或強(qiáng)夯法可以獲得更好的密實效果。然而，機(jī)械致密法僅僅在10m深度范圍內(nèi)具有較好的實用性和經(jīng)濟(jì)性，化學(xué)灌漿法是將化學(xué)溶液或懸浮液注入到土顆?；驇r石中來改善土(巖)體的力學(xué)性能。將漿體注入土體后，灌注點(diǎn)周圍將形成一個直徑約為0.3～1m(取決于滲透速率)的柱狀加固體。漿體硬化時必須與注漿方法相協(xié)調(diào)，以保證其不會在到達(dá)指定區(qū)域前硬化，可采取低壓灌注和高壓噴射兩種注漿方式。生物處理中灌漿方式同化學(xué)處理方法類似，并具有無毒、造價低、主動修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，但生物處理速度通常較慢，且比較復(fù)雜需要考慮溫度、pH值、營養(yǎng)素含量及擴(kuò)散等外界因素。

3 結(jié) 語

(1)基于生物填充和生物膠結(jié)的土體改性方法可以用于進(jìn)行松軟場地的地基處理，在大規(guī)模現(xiàn)場應(yīng)用中，適宜選擇兼性厭氧型或微量需氧型微生物。

(2)微生物改性土體方法有取代機(jī)械壓實或化學(xué)注漿等傳統(tǒng)地基處理方法的潛力，但仍須微生物學(xué)、化學(xué)、巖土工程學(xué)等學(xué)科間更進(jìn)一步地融會貫通，促進(jìn)此方法在實際工程中得到推廣和應(yīng)用。

(3)微生物改性機(jī)理可以簡單理解為具有填充膠結(jié)作用的碳酸鈣改善了顆粒體系的微觀結(jié)構(gòu)，可以嘗試?yán)眯滦蛿?shù)值方法模擬顆粒間接觸的形成，從而指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用并進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測。

(4)微生物與巖土工程相結(jié)合背景下產(chǎn)生的新型土體加固技術(shù)具有資源豐富，環(huán)境友好，經(jīng)濟(jì)節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)，基于MICP的土體改性技術(shù)具有極大的應(yīng)用前景，同時，在生物技術(shù)與土木工程學(xué)科交叉領(lǐng)域，顯然還存在大量的新型方法等待發(fā)現(xiàn)和探究。

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