吳建彬，謝永雄，2，李亞杰

（1、桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院 廣西桂林 541004；2、廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西桂林 541004）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，因此環(huán)境友好型材料及技術(shù)對(duì)當(dāng)前環(huán)境有著天然的優(yōu)勢(shì)，而微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）由于其具有良好的環(huán)境效益，成為了當(dāng)下研究的熱點(diǎn)［1］。

MICP 是通過(guò)自然界中可以自身產(chǎn)生脲酶的細(xì)菌來(lái)分解周圍環(huán)境中的碳源，產(chǎn)生的碳酸根離子與鈣源物質(zhì)發(fā)生生物礦化反應(yīng)，形成具有膠結(jié)作用的礦化產(chǎn)物的過(guò)程。這種礦化產(chǎn)物膠結(jié)強(qiáng)度高，有良好的環(huán)境友好性，在土體加固、混凝土裂縫修復(fù)、抗?jié)B、重金屬污染治理等方面進(jìn)行了廣泛的研究［2］。目前MICP 技術(shù)在地基加固方面開(kāi)展的研究逐漸增多，如朱同宇等人［3］運(yùn)用MICP 技術(shù)對(duì)黃泛區(qū)粉土進(jìn)行處理可以提高其抗壓強(qiáng)度以及改善其滲透性；彭劼等人［4］將有機(jī)質(zhì)黏土進(jìn)行MICP 處理，極大地提高了土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；程瑤佳等人［5］通過(guò)MICP 技術(shù)處理黃土顯著改善了力學(xué)性質(zhì)；余夢(mèng)等人［6］利用巴氏芽孢八疊球菌對(duì)膨脹土進(jìn)行MICP 室內(nèi)試驗(yàn)，降低了膨脹土的滲透系數(shù)，提高其膨脹力，土體的強(qiáng)度有顯著的提高。實(shí)驗(yàn)證明，MICP 由于其可以有效加固土體且能耗小，同時(shí)可以減少溫室氣體的排放，降低環(huán)境污染，是一種有較好發(fā)展前景的先進(jìn)技術(shù)。

1 MICP在改性水泥土中應(yīng)用的技術(shù)研究

1.1 MICP的作用機(jī)理

MICP 中常見(jiàn)的使用方式是利用巴氏芽孢桿菌進(jìn)行尿素水解，水解產(chǎn)物與土壤中的鈣離子結(jié)合形成碳酸鈣晶體。巴氏芽孢桿菌是一種嗜堿性細(xì)菌，能以尿素為能源通過(guò)微生物自身的新陳代謝產(chǎn)生大量的高活性脲酶，它能在酸性、堿性、含鹽量高等惡劣環(huán)境下保持較強(qiáng)的生物活性且脲酶產(chǎn)量高。脲酶能將尿素水解生成NH4+以及CO32-，之后將提供鈣離子的鈣鹽溶液灌入土壤中，由于微生物細(xì)胞壁表面通常帶有大量負(fù)電荷，該細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的特殊性使微生物能夠吸附溶液中的Ca2+。微生物在活動(dòng)中將尿素水解產(chǎn)生的CO32-運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞表面與吸附而來(lái)的Ca2+結(jié)合形成碳酸鈣晶體如圖1所示［7］，反應(yīng)方程式為：

圖1 微生物誘導(dǎo)方解石沉積示意圖Fig.1 Schematics of Microbial Induced Calcite Precipitation

在該反應(yīng)中，巴氏芽孢桿菌主要作用在兩個(gè)方面：①提供脲酶以完成尿素水解；②提供碳酸鈣晶體沉淀所需要的成核位點(diǎn)。碳酸鈣晶體不僅會(huì)將土顆粒之間的縫隙填充，減小孔隙體積以及孔徑尺寸；還改善了土顆粒的內(nèi)部聯(lián)接和空間結(jié)構(gòu)，在土顆粒之間充當(dāng)橋梁作用，將微小土粒連接起來(lái)形成整體，增強(qiáng)土顆粒間的粘聚力，從而提高土體的抗剪強(qiáng)度［8］。

沉淀生成的碳酸鈣晶體在土顆粒表面的附著既不均勻也不集中分布，而一般會(huì)在接觸點(diǎn)的附近形成沉淀，如圖2 所示［9］。這是由于微生物容易吸附在較小表面處，顆粒-顆粒相互接觸的附近區(qū)域存在較高濃度的微生物導(dǎo)致碳酸鈣較多的沉積在此區(qū)域，此外沉積產(chǎn)生的碳酸鈣晶體在隨著溶液流過(guò)孔喉時(shí)會(huì)吸附滯留在該區(qū)域附近，因此導(dǎo)致該區(qū)域沉積產(chǎn)生的碳酸鈣較多［10］。

圖2 碳酸鈣在土體孔隙中的分布狀態(tài)Fig.2 Illustration of Calcite Distribution Alternatives within Pore Space

榮輝等人［11］分別采用X 射線衍射（XRD）、透射電鏡（TEM）以及紅外光譜（IR）對(duì)微生物水泥基材的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)表明，MICP 技術(shù)形成的碳酸鈣可以將松散顆粒膠結(jié)在一起，而化學(xué)方法形成的碳酸鈣不能將松散顆粒膠結(jié)在一起；IR 結(jié)果表明，MICP 技術(shù)形成的碳酸鈣在微生物的作用下與松散顆粒之間發(fā)生了分子間氫鍵的相互作用，并在該作用下將松散砂土顆粒膠結(jié)在一起形成整體。

曾慶杰等人［12］采用巴氏芽孢桿菌以及細(xì)菌懸濁液∶尿素∶鈣源溶液體積比=2∶1∶1的處理液對(duì)花崗巖殘積土運(yùn)用MICP 技術(shù)制作改性水泥土，通過(guò)對(duì)不同水泥摻量、鈣離子濃度和鈣源種類加固后的試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)MICP 技術(shù)可以明顯增強(qiáng)以花崗巖殘積土為基材的水泥土強(qiáng)度、剛度和韌性等工程性質(zhì)，且韌性的提升與鈣離子濃度和鈣源種類有關(guān)。宋樹(shù)祥等人［13］同樣采用MICP 技術(shù)對(duì)花崗巖殘積土進(jìn)行處理，處理結(jié)果與傳統(tǒng)改良方式相比能保持較好的水穩(wěn)性且更加綠色環(huán)保。為改善廣州南沙區(qū)水泥土的力學(xué)性質(zhì)，李日升等人［14］對(duì)土樣運(yùn)用MICP 技術(shù)，通過(guò)離子濃度監(jiān)測(cè)、XRD、SEM 和壓汞實(shí)驗(yàn)研究了細(xì)菌對(duì)水泥土微觀結(jié)構(gòu)的影響，研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)菌液組水泥土在第7 d、14 d、28 d 的抗壓強(qiáng)度分別比空白對(duì)照組高91.3%、53.4%、45.3%，改性水泥土早期強(qiáng)度得到改善。岳建偉等人［15-16］采用糯米漿對(duì)MICP 技術(shù)進(jìn)行改良，對(duì)粉土進(jìn)行改良MICP 技術(shù)處理，通過(guò)土的直接快剪試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究其碳酸鈣產(chǎn)量以及Ca2+轉(zhuǎn)化率，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MICP 技術(shù)可提高土體約30%粘聚力，而改良MICP 技術(shù)在提高土體粘聚力的基礎(chǔ)上提高了土體的內(nèi)摩擦角，且鈣離子轉(zhuǎn)化率比MICP 技術(shù)高，轉(zhuǎn)化率為90%。吳亞明等人［17］利用分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置對(duì)MICP 技術(shù)改性水泥土進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在沖擊荷載作用下MICP 技術(shù)能夠增大水泥土的彈性模量，增強(qiáng)其韌性。

實(shí)驗(yàn)研究表明，通過(guò)改變MICP 膠結(jié)液成分、鈣源種類以及濃度大小等，不僅可以改善水泥土的力學(xué)性能，提高水泥土的強(qiáng)度、剛度和韌性等工程性質(zhì)。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證MICP 改性水泥土在地基加固應(yīng)用的工程實(shí)效，部分學(xué)者進(jìn)行了大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在滲漏治理方面，張?jiān)降热耍?8］針對(duì)濟(jì)南某小區(qū)地下車庫(kù)鋼筋混凝土外墻滲漏水的情況，對(duì)裂縫墻體迎水面回填土層應(yīng)用MICP 技術(shù)后，經(jīng)微觀實(shí)驗(yàn)X 射線衍射、電鏡掃描等檢測(cè)后對(duì)比發(fā)現(xiàn)土層裂縫中覆蓋有一層碳酸鈣膜，實(shí)踐證明利用MICP 技術(shù)極大地降低迎水面回填土的孔隙率，有效提高了土層的防滲抗?jié)B能力。在改善砂土液化方面，程曉輝等人［19］對(duì)加固液化砂土以及模型地基進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)三軸及小型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明MICP 技術(shù)可提高砂土的抗液化性。在地基加固方面，劉漢龍等人［20］對(duì)人工吹填島礁鈣質(zhì)砂地基現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行微生物加固試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)3～4 次MICP 技術(shù)處理后地基表面強(qiáng)度開(kāi)始提升；經(jīng)過(guò)9 次MICP 技術(shù)處理后，地基表面強(qiáng)度超過(guò)10 MPa，最高可達(dá)20 MPa，地基加固深度達(dá)70 cm，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)821 kPa。袁翔等人［21］對(duì)巴東組第三段軟弱夾層土體采用MICP 技術(shù)進(jìn)行加固，結(jié)果顯示經(jīng)MICP 技術(shù)加固處理后土體的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有明顯提高，改善了巖土體的工程地質(zhì)性質(zhì)。

工程實(shí)踐證明，MICP 技術(shù)在滲透治理、改善砂土液化、重金屬處理、遺跡保護(hù)、沙漠化治理等等方面具有顯著的效果。

1.3 MICP改性水泥土的影響因素

1.3.1 溫度

不同的溫度環(huán)境會(huì)對(duì)碳酸鈣的沉積產(chǎn)生較大的影響，則對(duì)改性水泥土力學(xué)性能的影響也不盡相同。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)：在10～25 ℃內(nèi)，微生物的脲酶活性隨著溫度的升高而升高［22］，在30～60 ℃范圍內(nèi)微生物脲酶活性較高，在70 ℃時(shí)脲酶活性達(dá)到最大。而且溫度的改變會(huì)影響碳酸鈣晶體形貌、類型。王瑞興等人［23］在環(huán)境30 ℃條件下培養(yǎng)微生物，分別置于5 ℃、50 ℃和常溫條件下進(jìn)行碳酸鈣沉積實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)所得樣品進(jìn)行X 射線衍射分析和掃描電子顯微鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在不同環(huán)境溫度下MICP 產(chǎn)生的碳酸鈣晶體形貌以及類型不同且隨溫度升高晶形穩(wěn)定性越差。

1.3.2 脲酶活性

一般來(lái)說(shuō)，脲酶活性與菌液濃度成正比，菌液的濃度越高脲酶活性越高。但脲酶活性高并不代表著微生物膠結(jié)強(qiáng)度高。由MICP 作用機(jī)理可知，微生物除了提供脲酶，還提供碳酸鈣晶體沉積所需要的成核位點(diǎn)。因此菌液濃度低時(shí)，微生物提供的碳酸鈣晶體成核位點(diǎn)較少，晶體主要進(jìn)行生長(zhǎng)，導(dǎo)致生成的晶體空間占有量大而數(shù)量少。彭劼等人［24］研究在海水環(huán)境下MICP 技術(shù)加固土體的效果，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在海水環(huán)境下加固的土體強(qiáng)度低于淡水環(huán)境加加固的土體強(qiáng)度。這是因?yàn)樵诤Ｋh(huán)境下，微生物失水導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)環(huán)境失衡，其生物活性降低，但在該環(huán)境下土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)而不斷增加。

1.3.3 pH值

尿素水解會(huì)產(chǎn)生NH4+，NH4+會(huì)在水中進(jìn)一步水解生成OH-，為碳酸鈣的沉淀提供了所需要的堿性環(huán)境。王瑞興等人［23］在pH值為7～9的條件下使用MICP技術(shù)，經(jīng)XRD分析，沉淀物質(zhì)不變?nèi)詾榉浇馐?，但顆粒的形貌發(fā)生明顯改變。在不同的pH 值環(huán)境下，土體對(duì)細(xì)菌的吸附能力會(huì)受到影響，進(jìn)一步影響土體中細(xì)菌分布的均勻程度，同時(shí)影響MICP 技術(shù)誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀的分布均勻性。WHIFFIN 等人［25］將巴氏芽孢八疊球菌在不同pH 值條件下培養(yǎng)，待其生長(zhǎng)后接種到pH 值為7，尿素濃度為25 mol/L 的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試液中，在溫度條件為25 ℃下培養(yǎng)5 h 后測(cè)量菌液的脲酶活性即單位尿素分解速率，得到菌液的脲酶活性在pH值為7～8之間最大的結(jié)論，這個(gè)結(jié)果稍低于該菌種的最適生長(zhǎng)pH 值。上述結(jié)果表明，pH 值會(huì)影響菌種生長(zhǎng)、活性以及沉淀產(chǎn)物的形貌，同時(shí)影響土體的對(duì)細(xì)菌的吸附能力。

1.3.4 鈣源種類及Ca2+濃度

在脲酶活性相同的情況下，碳酸鈣沉淀效率與鈣源種類以及Ca2+濃度有關(guān)，不同的鈣源種類會(huì)影響其產(chǎn)物的成分，不同的Ca2+濃度會(huì)影響MICP 技術(shù)的效率。李成杰等人［26］對(duì)UPB1 菌采用不同的鈣源以及Ca2+濃度進(jìn)行MICP，試驗(yàn)結(jié)果顯示，以CaCl2為鈣源誘導(dǎo)生成的CaCO3（方解石）熱力學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)，呈菱面體型。在Ca2+濃度為0.10～0.25 mol/L 時(shí)，碳酸鈣沉淀效率較高。當(dāng)Ca2+濃度為0.25 mol/L 時(shí)，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的效率最高，當(dāng)Ca2+濃度超過(guò)0.25 mol/L 時(shí)，碳酸鈣沉淀效率開(kāi)始下降。王瑞興等人［23］將鈣離子濃度由2 mol/L 降至1 mol/L 摻入土體中，采用XRD 進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)CaCO3晶型不變，而顆粒的空間占有量變大，且結(jié)晶度有所提高；將Ca2+源替換為Ca（NO3）2時(shí)，沉積出的CaCO3晶型為方解石和球霰石2 種；將Ca2+源替換為Ca（OH）2時(shí)，由于Ca（OH）2溶解度較小而結(jié)晶析出成為沉積物的主要成分。

1.3.5 土的種類

在相同碳酸鈣含量下，不同種類的土體顆粒在MICP 處理后獲得的膠結(jié)強(qiáng)度是不同的，這可能是由于土體自身的性質(zhì)不同所導(dǎo)致的。由于微生物自身具有一定的空間占有量無(wú)法在土體中的狹隘空間中運(yùn)動(dòng)和生存，因此容易導(dǎo)致膠結(jié)程度不均勻。MAHAWISH 等人［27］發(fā)現(xiàn)相比于采用顆粒級(jí)配差的骨料組成砂土，采用顆粒級(jí)配較好的砂土在進(jìn)行加固后具有最大的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。此外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：MICP技術(shù)還可以改善黃土、有機(jī)質(zhì)黏土、膨脹土、粉土等土體的力學(xué)性能，提高其土體強(qiáng)度。

2 MICP 改性水泥土在地基加固應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

MICP 技術(shù)改性水泥土在地基加固、抗?jié)B透、抗液化、重金屬處理、遺跡保護(hù)、沙漠化治理等方面取得了較好的研究成果，但在地基加固應(yīng)用中仍存在一些關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題：

⑴工程成本。工程成本是所有工程都需關(guān)注的重點(diǎn)，成本問(wèn)題不僅意味著工程的進(jìn)度，還意味著工程的質(zhì)量。已有的研究表明MICP 技術(shù)在菌種培養(yǎng)以及培養(yǎng)所需的礦化液配置等方面均需要較高的成本支出，研究如何將廉價(jià)的工業(yè)副產(chǎn)物代替其礦化液部分材料，降低其使用成本同時(shí)提高其生產(chǎn)效率可成為一種研究方向。

⑵強(qiáng)度均勻性。強(qiáng)度是工程質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，當(dāng)構(gòu)筑物強(qiáng)度不均勻時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的可靠性難以保證。通過(guò)研究人員的實(shí)驗(yàn)研究，微生物技術(shù)已經(jīng)被多方驗(yàn)證可以對(duì)土體進(jìn)行有效加固，但目前仍存在大范圍加固土體后其強(qiáng)度不均勻的明顯問(wèn)題，而問(wèn)題本質(zhì)是由于微生物分布不均勻?qū)е鲁恋沓龅奶妓徕}在土體內(nèi)部分布不均勻，如何有效改善微生物在土體中的分布情況是一大難點(diǎn)。

⑶環(huán)境污染。隨著全球環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯，工程實(shí)際中的環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)重要，成為考核標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)重點(diǎn)?；谀蛩厮獾腗ICP 技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生NH4+，其在堿性條件下會(huì)轉(zhuǎn)化為氨氣（NH3）且氨氣屬于可揮發(fā)氣體，易進(jìn)入周圍空氣中對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害，因此，MICP 技術(shù)產(chǎn)生的氨氣帶來(lái)環(huán)境污染也是亟需解決的問(wèn)題。

⑷脆性破壞問(wèn)題。為確保結(jié)構(gòu)的可靠性，工程構(gòu)造物的破壞形式以塑性破壞為主，而MICP 技術(shù)改性水泥土的破壞性質(zhì)一般呈現(xiàn)脆性破壞。為解決這個(gè)問(wèn)題，可嘗試在土體中加入纖維或其它加筋材料以提高改性水泥土的韌性，以滿足工程需求。

⑸結(jié)構(gòu)耐久性。在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)工程本身的耐久性進(jìn)行考慮，目前MICP 技術(shù)的試驗(yàn)研究大多數(shù)以短期試驗(yàn)為主，在長(zhǎng)期使用的耐久性方面試驗(yàn)較少，對(duì)MICP 技術(shù)改性水泥土長(zhǎng)期作用的效果缺乏實(shí)驗(yàn)依據(jù)，因此MICP 技術(shù)改性水泥土在應(yīng)用于工程實(shí)際前需對(duì)其耐久性進(jìn)行大量試驗(yàn)，證明其耐久性符合工程要求。

⑹工程環(huán)境的約束問(wèn)題。我國(guó)幅員遼闊，其中不乏一些極端環(huán)境，隨著相關(guān)科研的不斷推進(jìn)，MICP技術(shù)也在不斷發(fā)展，其逐漸被用于更加復(fù)雜、極端環(huán)境中，這些環(huán)境存在新的因素約束或影響MICP 技術(shù)的工程效果。如何根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)、改進(jìn)MICP 技術(shù)需要進(jìn)一步的研究說(shuō)明。

3 結(jié)論

綜上所述，MICP 技術(shù)改性水泥土與傳統(tǒng)的地基加固技術(shù)相比在地基加固中的有著廣泛的應(yīng)用前景，基于尿素水解的MICP 技術(shù)具有施工干擾小、施工較為簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。MICP 技術(shù)改性水泥土在地基加固、抗?jié)B處理、沙漠化治理、重金屬治理等大范圍工程實(shí)踐中展現(xiàn)其優(yōu)越性。然而，從目前的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，MICP 技術(shù)改性水泥土在實(shí)際工程項(xiàng)目中仍然面臨著成本高、強(qiáng)度不均勻、環(huán)境污染、脆性破壞及耐久性等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，不同的工程環(huán)境存在不同的因素約束或影響MICP 技術(shù)的實(shí)際工程效果，這也是未來(lái)MICP 技術(shù)改性水泥土的研究重點(diǎn)和核心技術(shù)發(fā)展的突破方向。