李日升

（1、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州 510500；2、廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

由于城市建設(shè)的需求，越來越多工程項目需要在不良的土體上進行建設(shè)，在建設(shè)前期通常需要進行地基加固。傳統(tǒng)的加固方法往往需要大型的機械和大量的水泥［1］，這將產(chǎn)生高昂的工程成本和釋放大量的溫室氣體，不符合生態(tài)文明建設(shè)的要求。近年來，一種利用微生物的代謝活動誘導(dǎo)生成碳酸鈣晶體礦物進行土體固化的方法憑借其綠色、對環(huán)境友好的特性［2］，成為近年來巖土工程領(lǐng)域的研究熱點，這種方法被稱為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Microbial Induced Carbonate Precipitation，簡稱MICP）。

實現(xiàn)MICP 的代謝活動有多種，包括尿素水解［3］、反硝化作用［4］、硫酸鹽還原［5］、三價鐵還原［6］等，其中使用最多的是尿素水解機制。利用微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣沉淀可填充土體孔隙和膠結(jié)土顆粒，進而可改善土的滲透性［7］、強度和剛度［8］等性質(zhì)。越來越多的學者證明MICP 技術(shù)可用于改善砂土地基的抗液化能力［9］、進行地基加固處理［10］、抑制沙漠的風沙和揚塵［11］、修復(fù)被重金屬污染的土壤［12］、修復(fù)水泥基材料的微裂縫［13］、提高邊坡的抗侵蝕能力［14］等。MICP 固化土體的原料來源廣、對環(huán)境影響小且成本相對較低，是一種可持續(xù)發(fā)展的土體加固方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

但MICP 固化土體是一個復(fù)雜的生物地球化學過程［15］，固化效果的影響因素較多，既受到生物原料、細菌類型、菌液濃度等生物因素影響，也受化學溶液、環(huán)境因素、巖土性質(zhì)等非生物因素的影響和限制。因此了解MICP 固化土體的影響因素將有助于在實際應(yīng)用選取最佳條件，提高生物固化的改善幅度。由于尿素水解機制是MICP中研究最多、應(yīng)用最廣泛的生物代謝機制，本文將介紹尿素水解機制誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的基本原理，并從生物因素和非生物因素兩方面對其固化土體的影響因素進行綜述，同時分析其中的影響機理，為巖土工程工作者優(yōu)化MICP固化技術(shù)提供一定參考。

1 尿素水解機制

通過微生物的尿素水解活動誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的機制是：①尿素被微生物的脲酶催化水解，生成碳酸根離子（CO32-）和副產(chǎn)物銨離子（NH4+），同時提高了溶液的pH 值，形成堿性環(huán)境；②微生物的表面作為鈣離子（Ca2+）吸附［16］、礦物晶體成核的重要部位［17］，促進了碳酸鈣晶體成核和生長并加快了沉淀速率［18］，生成大量具有一定強度和穩(wěn)定性的碳酸鈣沉淀，以上過程如下式所示。

尿素水解反應(yīng)簡單高效且含脲酶細菌廣泛存在于土壤中［19］，生物原料易獲取。一般只需準備含脲酶的溶液、尿素和鈣源即可反應(yīng)生成碳酸鈣實現(xiàn)土體加固。

2 生物因素

2.1 生物原料

用于尿素水解的生物原料可以是含脲酶的完整細菌，如巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina Pasteurii），也可以是從細菌或刀豆等植物分離提純的脲酶。其中，直接利用游離的純脲酶催化尿素水解從而誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的過程被稱為酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Enzyme Induced Calcite Precipitation），簡稱EICP［20］。EICP 可通過滲流分布在孔隙更小的土中實現(xiàn)誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀，能克服MICP 應(yīng)用中的幾何相容性問題改善土體性質(zhì)，因此應(yīng)用范圍更廣。但同等條件下，MICP與EICP的固化效果有所差異。

研究表明MICP 處理比EICP 處理的改善幅度更大。ZHAO等人［21］發(fā)現(xiàn)，利用巴氏芽孢桿菌進行MICP處理的樣品與利用植物脲酶進行EICP 處理的樣品相比，MICP 達到相似強度的耗時更短，另外在相似的脲酶活性下，MICP處理后樣品的無側(cè)限抗壓強度（UCS）幾乎是EICP 樣品的5 倍。這主要因為完整細菌的細胞膜表面存在多個帶負電的基團，溶液中的Ca2+等陽離子將由于靜電作用吸附在細菌表面，形成局部的高Ca2+濃度，促進了碳酸鈣的過飽和沉淀［22］。此外，帶負電的細胞膜有助于穩(wěn)定表面新生的礦物顆粒，減小了晶核形成的自由能壘［23］，提供了碳酸鈣沉淀的成核位置。因此，完整細菌的參與提高了碳酸鈣晶體的生成速率和沉淀量［24］，而使用游離的脲酶將缺少成核位置降低了沉淀的生成速率和沉淀量。另外，有無完整細菌的參與也影響了碳酸鈣沉淀的晶型和晶體尺寸。WEN 等人［25］發(fā)現(xiàn)在相似的脲酶活性下，MICP 生成碳酸鈣沉淀的晶型以尺寸較大的球霰石為主，部分球霰石隨時間推移轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐?，而EICP 中碳酸鈣晶型以方解石為主，晶體大小均勻且普遍較小。綜上所述，采用不同的生物原料將對碳酸鈣的生成速率、生成量、晶型和晶體尺寸造成影響，進而影響固化土工程性質(zhì)的改善幅度。

2.2 細菌類型

土中大部分細菌均含有脲酶，被用于MICP 研究的菌株有巨大芽孢桿菌（Bacillus Megaterium）、巴氏芽孢桿菌或稱巴氏芽孢八疊球菌（Sporosarcina Pasteurii）、蠟狀芽孢桿菌（Bacillus Cereus）、蘇云金芽孢桿菌（Bacillus Thuringiensis）、球形芽孢桿菌（Bacillus Sphaericus）等［26-27］。不同的菌株具有不同的脲酶活性，這將影響尿素分解速率進而影響MICP 的沉淀速率。MICP 研究中，一般用單位時間內(nèi)尿素水解的速率表示脲酶活性，單位為U/mL 或mmol/（L·min），指菌液整體的脲酶活性。DHAMI 等人［26］在相同的條件下對比了同一分離地不同細菌的脲酶活性，發(fā)現(xiàn)巨大芽孢桿菌整體脲酶活性最大（690 U/mL），其次分別為蘇云金芽孢桿菌（620 U/mL）、蠟狀芽孢桿菌（587 U/mL），且不同細菌的碳酸鈣沉淀量與脲酶活性的大小次序基本一致。不過整體脲酶活性的結(jié)果除了受細菌類型的影響，還與測試時的菌液濃度、測試方法等多種因素有關(guān)。不同研究的整體脲酶活性結(jié)果相差較大，如MICP 研究中常用的巴氏芽孢桿菌的整體脲酶活性在11～550 U/mL 之間均有報道［28-30］，因此難以利用文獻數(shù)據(jù)對不同菌種的酶活性進行對比分析。為了便于比較不同細菌的酶活性特性，有學者研究了游離脲酶和全細胞參與時尿素水解反應(yīng)的酶動力學常數(shù)，包括米氏常數(shù)Km和最大反應(yīng)速度Vmax，匯總結(jié)果如表1所示。

表1 不同研究中的脲酶動力學常數(shù)匯總Tab.1 Summary of Urease Kinetic Constants in Different Studies

其中，米氏常數(shù)Km一般只與酶的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)環(huán)境有關(guān)，與酶濃度無關(guān)，可用來表示酶與底物的親和力。在MICP 研究中，Km越小，表明脲酶與尿素的親和力越大，即不需要很高的尿素濃度便可達到最大反應(yīng)速度Vmax。如表1所示，不同細菌類型之間的脲酶動力學常數(shù)存在差異，比如HAMMES等人［33］從不同細菌提取脲酶的研究中發(fā)現(xiàn)巴氏芽孢桿菌的脲酶Km比Bacillus psychrophilus 的略大，GRADDY 等人［27］在全細胞參與反應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)巴氏芽孢桿菌Km比Sporosarcina Soli大5倍。不過即使是同一菌種，不同的細菌來源和實驗環(huán)境仍會導(dǎo)致Km和Vmax存在少許差異。可見不同的細菌類型和細菌來源將導(dǎo)致脲酶與尿素的親和力存在差異，Km更高的菌種在應(yīng)用中可能需要更高的尿素濃度，以達到最大反應(yīng)速度，否則將影響沉淀速率。

2.3 菌液濃度

通常在MICP 固化土體中使用較高的菌液濃度會有較高的碳酸鈣沉淀量，從而有更好的改善性能。NG等人［35］分別用濃度為1×106、1×107、1×108CFU·mL-1的巨大芽孢桿菌菌液對殘積土進行MICP 加固，發(fā)現(xiàn)更高的菌液濃度將生成更多碳酸鈣，使試樣的UCS 值更大且滲透系數(shù)更小。這主要是由于菌液濃度對尿素水解速率影響顯著。

越來越多學者發(fā)現(xiàn)，隨著菌液濃度的增加，尿素水解的速率增加［36］。LAUCHNOR 等人［34］發(fā)現(xiàn)在1×107～2×108CFU/mL 的細胞濃度范圍內(nèi)，尿素水解速率與細胞濃度成線性增加關(guān)系。這是因為酶動力學常數(shù)中的最大反應(yīng)速度Vmax與酶濃度成正比，細菌內(nèi)包含脲酶，當菌液濃度增加時酶濃度也隨之增加，因此尿素水解的最大反應(yīng)速度Vmax也增大。此外，由于細菌的細胞膜充當成核位置，因此菌液濃度的增加，直接增加了成核位置的數(shù)量。GAT 等人［37］的實驗證明，更大的細菌密度將提供更多的碳酸鈣成核位置，從而促進碳酸鈣沉淀的速率。在相同的時間內(nèi)更高的水解速率將生成更多碳酸鈣沉淀填充土體孔隙，從而更好的改善土體性能。

不過，更快的尿素水解速率將導(dǎo)致生成的碳酸鈣晶體數(shù)量更多而尺寸更?。?8］。WEN 等人［25］在相同的MICP 反應(yīng)時間下，觀察到不同的細菌濃度（光學密度OD600：0.1～1.0）的碳酸鈣晶體尺寸隨著細菌濃度的增加而減小，且晶體顆粒數(shù)量變多，如圖1所示。晶體數(shù)量和形狀的變化也可能對強度、滲透性等宏觀的土工性質(zhì)造成影響。

圖1 不同細菌濃度下CaCO3晶體的SEM圖像［25］Fig.1 SEM Image of CaCO3 Crystal at Different Bacteria Concentrations ［25］

3 非生物因素

3.1 膠結(jié)溶液

基于尿素水解的MICP 中，除了需要添加包含脲酶的生物原料，往往還須添加鈣源和尿素作為化學原料。一般把Ca2+和尿素的混合溶液稱為膠結(jié)溶液或膠結(jié)劑，不同研究中膠結(jié)溶液的配制往往存在差異，如采用不同的鈣源、不同的濃度及不同的尿素和Ca2+的比例。以上不同的溶液配制將影響碳酸鈣的沉淀速率和形態(tài)，從而影響實際應(yīng)用的膠結(jié)效果，具體影響如下：

3.1.1 成分

配制膠結(jié)溶液時可選擇不同的鈣源和添加其他化學劑，以改善膠結(jié)效果。在過去的研究中，用于MICP 的鈣源種類繁多，包括氯化鈣、醋酸鈣、硝酸鈣、乳酸鈣、葡萄糖酸鈣等［39］，使用不同的鈣源將影響宏觀的膠結(jié)性質(zhì)。梁仕華等人［40］基于滲透試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗的結(jié)果，對比了不同鈣源對膠結(jié)砂土的影響，發(fā)現(xiàn)硝酸鈣固化的試樣具有最大的碳酸鈣生成量、最高的抗壓強度（2.844 MPa）和最低的滲透性，醋酸鈣、氯化鈣和乳酸鈣的固化效果分別次之。PAN 等人［41］也發(fā)現(xiàn)硝酸鈣為鈣源的試樣抗剪強度最高，但其次是氯化鈣和醋酸鈣。以上研究表明使用硝酸鈣比使用氯化鈣的固化效果更好。

不同鈣源對宏觀性質(zhì)的影響可能與沉淀微觀結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，不少學者發(fā)現(xiàn)不同鈣源對碳酸鈣晶體的形態(tài)有較大影響［40，42］。使用氯化鈣和硝酸鈣進行MICP 一般生成熱力學性質(zhì)最穩(wěn)定的菱形碳酸鈣沉淀，即方解石［43］，如圖2?和圖2?所示。

圖2 使用不同鈣源生成的CaCO3晶體形貌［43，45］Fig.2 Morphology of CaCO3 Crystals Produced by Different Calcium Sources ［43，45］

使用醋酸鈣作為鈣源將導(dǎo)致萵苣狀或片狀的球霰石形成［41，43］，如圖2?所示，也有學者觀察到針狀的文石形成［44-45］，如圖2?所示。而使用乳酸鈣和葡萄糖酸鈣則形成球形的球霰石［42-43］，如圖2?和圖2?所示。球霰石是碳酸鈣沉淀中的一種亞穩(wěn)形態(tài)，易轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐?。與方解石和文石相比，球霰石具有更高的溶解度和低密度［46］。碳酸鈣多晶型對固化土體的效果有重要意義，因為不同的晶型有不同的穩(wěn)定性和耐久性［47］。不過鈣源對碳酸鈣晶體的形狀和宏觀巖土性質(zhì)影響的具體機制仍不明確，仍需深入研究鈣源對反應(yīng)速度、化學環(huán)境等影響以揭示影響機理。

除了選擇不同的鈣源，還有學者通過在膠結(jié)溶液添加其他化學物質(zhì)，得到了更好的固化效果。比如，榮輝等人［48］往膠結(jié)溶液中添加了氯化鎂，使Mg2+濃度為2.5 M，膠結(jié)處理后的試樣比未添加氯化鎂的試樣孔隙率更低且抗壓強度更高。WANG 等人［49］往膠結(jié)溶液加入質(zhì)量分數(shù)為7.5%的聚乙烯醇（PVA），與傳統(tǒng)的膠結(jié)溶液相比，使用PVA改性的膠結(jié)溶液將生成更多碳酸鈣，且使砂柱的UCS 值大于傳統(tǒng)膠結(jié)溶液試樣的2倍。上述研究是通過添加其他的化學物質(zhì)改變沉淀的礦物類型或晶體形狀，形成更均勻、更致密的沉淀從而提高固化效果，這為改善MICP 效果提高了新的研究思路。

3.1.2 濃度

膠結(jié)溶液的濃度對MICP 效果影響較明顯，可根據(jù)膠結(jié)溶液中的尿素和Ca2+的摩爾濃度比值是否為1，分為等濃度比和不等濃度比的膠結(jié)溶液。

使用等濃度比膠結(jié)溶液固化土體時，若最終添加的物質(zhì)的量相同，則膠結(jié)溶液濃度越低，晶體大小和分布位置越均勻。相反的，濃度越高則晶體分布位置越不均勻，且晶體尺寸相差越大［50］。這種由膠結(jié)溶液濃度造成的沉淀模式差異，將影響樣品的抗壓強度和滲透性。在相同的碳酸鈣含量下，較低的膠結(jié)溶液濃度（0.1～0.25 M）由于更均勻的碳酸鈣分布位置，將擁有更高的UCS 值，但滲透性會比高濃度處理的樣品更高［51］。若添加的體積量相同但等比膠結(jié)溶液的濃度不同，濃度越高則生成的碳酸鈣越多，試樣的性質(zhì)越好［21］。不過ZHAO 等人［21］發(fā)現(xiàn)使用高濃度的等比膠結(jié)溶液進行MICP 固化時，大部分Ca2+未能充分沉淀，試樣UCS 值的增加幅度隨濃度的增加逐漸減小，沉淀轉(zhuǎn)化效率較低。CUTHBERT 等人［38］發(fā)現(xiàn)較高的等比膠結(jié)溶液濃度將有更快的尿素水解速率，快速生長的碳酸鈣晶體將很快包裹住細菌使尿素水解反應(yīng)受到抑制，最終導(dǎo)致原料不能充分反應(yīng)。若要獲得最大的轉(zhuǎn)化效率以充分沉淀膠結(jié)溶液中的Ca2+，他們建議使用較低濃度的等比膠結(jié)溶液（如0.05或0.1 M）。

除了使用等濃度比的膠結(jié)溶液，也有學者使用不等濃度比的膠結(jié)溶液進行MICP 加固，他們發(fā)現(xiàn)使用更高脲鈣比（尿素與Ca2+的濃度比）的膠結(jié)溶液將有更好的固化效果。SHAHROKHI-SHAHRAKI 等人［52］發(fā)現(xiàn)樣品的剛度和UCS 值隨膠結(jié)溶液的脲鈣比的增大而升高。這是因為過量的尿素將提高脲酶的活性，且尿素分解使溶液pH 值的上升促進了碳酸鈣的沉淀［53］。此外，使用高脲鈣比膠結(jié)溶液生成的CO32-將比Ca2+多，因此Ca2+與CO32-的離子積更容易超過碳酸鈣的溶度積Ksp生成碳酸鈣沉淀，促進了Ca2+的充分沉淀從而獲得更好的膠結(jié)效果。

3.2 pH值

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的過程發(fā)生在溶液環(huán)境，而溶液pH 值將影響MICP 過程中細菌的生長、脲酶活性和沉淀生成等方面。

細菌的生長活性與酶的催化活性均受pH 值的影響。一些細胞物質(zhì)對pH 值比較敏感，如DNA、磷脂和蛋白質(zhì)，因此大多數(shù)細菌在強酸或強堿環(huán)境難以生存。一般細菌在接近中性的環(huán)境有更快的生長速率［54］，而MICP 常用的解脲細菌巴氏芽孢桿菌的最佳生長條件為pH值=9.25［55］。研究表明，游離的脲酶在pH值為7～8之間具有最佳的催化活性［31，55］。LAUCHNOR 等人［34］發(fā)現(xiàn)完整細菌參與的MICP 過程中，由于完整細胞具有自我調(diào)節(jié)的能力，pH值的變化對細胞內(nèi)脲酶的影響有限，在較大的pH值范圍內(nèi)（5～10）均可測到較高脲酶活性。因此在MICP中，應(yīng)注意pH值對細菌生長活性的影響，而在EICP中，應(yīng)注意pH值對脲酶活性的影響。

可通過控制初始pH 值來控制MICP 中沉淀的發(fā)生時間。溶液中H2CO3、和的濃度受pH 值的影響，常溫條件下pH 值＞8 時才開始以的形態(tài)存在，且存在比例隨pH 值的上升而上升［55］。的濃度將決定碳酸鈣是否達到沉淀的條件，因此碳酸鈣沉淀一般在堿性環(huán)境發(fā)生。由于尿素水解過程將導(dǎo)致溶液pH 值上升［56］，因此在MICP 中可設(shè)置初始pH 值較低的膠結(jié)溶液，避免因尿素水解反應(yīng)使溶液pH 值快速上升而導(dǎo)致迅速生成的碳酸鈣沉淀在土體內(nèi)分布不均勻?；谠摍C理，CHENG 等人［57］使用由菌液、膠結(jié)溶液混合而成的低pH 值溶液（pH 值=4）對砂土進行生物固化，使生物絮凝和沉淀時間延遲了35 min，從而避免了MICP 灌漿堵塞的發(fā)生，同時沉淀分布更均勻，提高了MICP的生物固化效果。

此外，pH 值還將影響CaCO3的生成量和尺寸形態(tài)。SEIFAN 等人［58］研究了在恒定pH 值下（9～12）的MICP 過程，發(fā)現(xiàn)CaCO3的生成量隨著pH 值的增加而增加，若使pH值恒定為12，則CaCO3產(chǎn)量為不調(diào)整pH值的MICP 過程的6.4 倍。此外，隨著pH 值的增加，生成的碳酸鈣晶體尺寸減小。如圖3 所示，pH 值=9 時MICP 生成的CaCO3晶體平均尺寸為pH 值=12 時的兩倍，且當pH 值在9～10 時，生成的碳酸鈣晶型主要為球霰石，而當pH 值在11～12 時為方解石［58］。CaCO3晶體尺寸、形態(tài)和分布模式等微觀參數(shù)將對宏觀性質(zhì)造成影響，但具體影響仍需更多的研究。

圖3 不同pH值下生成的CaCO3晶體尺寸及形貌［58］Fig.3 Size and Morphology of CaCO3 Crystals Formed at Different pH ［58］

3.3 溫度

溫度是影響MICP 過程的一個重要環(huán)境因素，因為微生物的生長速率、酶活性和碳酸鈣的沉淀均與溫度有關(guān)。MICP 研究常用的巴氏芽孢桿菌，生長速度和生長穩(wěn)定期的濃度在15～30 ℃范圍內(nèi)隨溫度升高而增加［59］，低溫將抑制細菌的生長和繁殖。一般來說脲酶活性隨著溫度的升高而增強。游離的脲酶在25～60 ℃之間活性隨溫度的增加而線性增加［55］，在70 ℃達到最高活性，在87.5 ℃下40 min脲酶將喪失活性［60］?，F(xiàn)有研究表明，在10～37 ℃范圍內(nèi)，完整的巴氏芽孢桿菌表現(xiàn)出的脲酶活性也隨溫度的升高而增加［59，61］。

常溫下，細菌濃度和酶活性隨溫度的增加而增加，因此在一般條件下應(yīng)用的MICP 過程，隨著溫度增加CaCO3沉淀速度加快、沉淀轉(zhuǎn)化效率變高［59］。但是有學者發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)的生物固化效果不一定在更高溫度獲得。DE 等人［61］發(fā)現(xiàn)在20 ℃和28 ℃條件下的生物沉積效果比37 ℃時的效果好，生成的CaCO3與原材料結(jié)合更緊密。CHENG 等人［62］分別在4 ℃、25 ℃、50 ℃條件下對砂土進行生物膠結(jié)，在同樣的CaCO3含量下25 ℃試樣的UCS 值最高。發(fā)現(xiàn)25 ℃下生成的碳酸鈣主要分布在砂粒接觸處形成有效的連結(jié)，而50 ℃下的碳酸鈣主要覆蓋在砂粒表面，且25 ℃下晶體尺寸為20～50 μm，約為50 ℃下生成的10 倍。這是因為高溫下的MICP 過程除了具有較高的生物活性，還提高了溶液中的微粒運動速度［63］，從而降低了碳酸鈣沉淀反應(yīng)的活化能壘，加快了CaCO3沉淀的成核速度，導(dǎo)致生成的CaCO3晶體平均尺寸變?。?2］。晶體尺寸的變化和分布模式可能對固化效果造成影響。

3.4 土的性質(zhì)

MICP 的主要應(yīng)用改善土體的物理性質(zhì)，然而粒徑尺寸和礦物類型等土的基本特性將影響膠結(jié)效果，甚至限制MICP的應(yīng)用。

3.4.1 粒徑大小

土的粒徑大小直接影響土顆粒之間的孔隙尺寸。研究表明，沉積土中的孔隙等效直徑為沉積土顆粒等效直徑的0.26～0.37倍［54］，而單個細菌尺寸為0.5～3 μm。在應(yīng)用生物灌漿固化土體時，若土中孔隙尺寸小于細菌尺寸，則細菌將被卡在孔隙口而無法通過滲流分布在土中，無法對較大范圍內(nèi)土體進行均勻加固。因此通過生物灌漿固化土體的適用性由土的粒徑大小決定，這就是微生物和土顆粒之間的幾何相容性問題［2］。REBATA-LANDA［54］發(fā)現(xiàn)只有當生物灌漿處理的土粒徑大于2 μm 時，土體內(nèi)部才有碳酸鈣生成，且生成的碳酸鈣含量與粒徑的對數(shù)值呈正比，而當土的粒徑大于200 μm 時，碳酸鈣含量隨粒徑的增加呈反比例函數(shù)下降。DEJONG 等人［2］稱MICP 處理對粒徑大于或等于25 μm 的土體有效，不過使用生物灌漿加固粒徑較細的粉土時，需要比砂土更多的灌漿次數(shù)和更長的加固時間來增加碳酸鈣沉淀含量才能達到預(yù)期的膠結(jié)程度。AL 等人［50］稱生物膠結(jié)土的最佳粒徑范圍在50～400 μm 之間，因為在粒徑非常細的土中細菌活性減弱不能產(chǎn)生CaCO3來固結(jié)土壤，而對于粒徑較大的土壤則需要生產(chǎn)大量的CaCO3填充孔隙來增加剛度和強度。目前大多學者將MICP 應(yīng)用于砂土加固中，因為砂土的孔隙較大、滲透性較強，菌液及膠結(jié)溶液能輕松通過滲流分布在土體的孔隙中實現(xiàn)加固。不過MICP 能應(yīng)用的粒徑范圍還取決于處理方式，除了傳統(tǒng)的生物灌漿法，還有學者將土與MICP 原料直接進行預(yù)拌［64］、注入低pH 值的生物膠結(jié)溶液［65-66］、結(jié)合電滲［67］等方法成功地擴大了MICP的應(yīng)用范圍。

在MICP 適用的粒徑范圍內(nèi)，膠結(jié)效果似乎與粒徑大小有關(guān)。CHENG 等人［68］發(fā)現(xiàn)MICP 固化后的細砂樣品，在相似的CaCO3含量下，比粗砂樣品有更高的粘聚力但內(nèi)摩擦角更小。他們稱更小粒徑的土顆粒之間有更多的接觸點，因此在同一CaCO3含量下將有更多CaCO3位于接觸點處成為有效膠結(jié)鍵，使固化更有效。然而TERZIS 等人［8］的報告則顯示在相同的CaCO3含量下，MICP 固化后的中砂試樣比細砂試樣具有更高的無側(cè)限抗壓強度和剛度，他們解釋為在中砂試樣中生成的有效膠結(jié)鍵比細砂的膠結(jié)鍵的尺寸更大，更大的膠結(jié)鍵增加了抗剪力，從而有更好的固化效果。盡管以上學者的結(jié)論并不統(tǒng)一，但可以看出土顆粒接觸點處的膠結(jié)鍵數(shù)量和尺寸大小均受粒徑的影響，從而影響膠結(jié)效果。

3.4.2 礦物類型

盡管MICP 固化的研究廣泛使用了石英砂作為加固對象，但在工程實際中，需要加固的土可能具有復(fù)雜的成分和礦物類型。研究表明，MICP 固化不同礦物類型的土將影響碳酸鈣沉淀速率、分布模式以及晶體形態(tài)。REBATA-LANDA［54］研究了MICP 在云母、方解石和石英3 個不同礦物表面上CaCO3的分布模式，發(fā)現(xiàn)當方解石作為基底時生成的沉淀分布最均勻，而當云母、石英作為基底時CaCO3沉淀較少且分布不均勻，沉淀傾向于單晶生長。MORTENSEN 等人［69］用生物灌漿對石英、方解石、長石和氧化鐵材質(zhì)的砂進行MICP 固化，在固化相同時間后發(fā)現(xiàn)氧化鐵試樣的剪切波速增量最小，而方解石試樣的增量最大，石英和長石試樣的增量相似且處于平均水平，這說明不同礦物類型會對CaCO3沉淀速率有影響。RODRIGUEZNAVARRO 等人［70］的實驗結(jié)果表明MICP 的基底礦物類型是影響CaCO3晶型的主導(dǎo)因素，在方解石上將形成大量連結(jié)緊密的新的方解石晶體，而在硅酸鹽礦物上將形成與基底聯(lián)系不緊密的球狀球霰石，這是因為方解石基底為碳酸鈣沉淀提供了成核生長的位置，且促進了帶負電的細菌在基質(zhì)表面的生長，從而促進了碳酸鈣沉淀。以上由礦物類型造成的沉淀速率、沉淀分布模式及晶體形態(tài)等變化均會對宏觀力學性質(zhì)造成影響，但影響機制仍需進一步研究。

越來越多的學者開始探索MICP 在黏土中的應(yīng)用，而黏土礦物對MICP 過程將有更復(fù)雜的影響：①黏土礦物的存在可能會影響細菌活性和代謝活動。研究表明，黏土礦物的存在會刺激生物膜的形成［71］，同時黏土礦物中的主要元素Al2O3和次要元素Fe（Fe3+）可能存在水解作用，使MICP 處理時溶液環(huán)境處于酸性，從而抑制細菌的脲酶活性［72］，這些生物活性的變化可能對碳酸鈣產(chǎn)量造成影響。②黏土礦物的存在將對MICP 生成的碳酸鈣晶型造成影響。在不同的MICP 固化黏性土的研究中，有學者觀察到棱柱狀［35］的或平行六面體形［73］的方解石晶體，也有學者觀察到球形或橢球形的球霰石晶體［74］。MICP 在黏性土中形成不同形態(tài)的碳酸鈣晶體機制仍不清楚，但不同形態(tài)的碳酸鈣晶體可能會影響加固效果。③黏土礦物會與MICP 處理時的溶液相互作用影響整體的加固效果。LI［64］發(fā)現(xiàn)在相同含水量下添加了CaCl2的黏土強度比無添加的黏土樣低，解釋為黏土顆粒的雙電層厚度由于Ca2+與Na+、K+的離子交換作用而降低，使黏土顆粒更絮凝，同一含水量下添加了Ca2+的黏土中自由水比例增大，從而降低了有效強度。CARDOSO 等人［75］也發(fā)現(xiàn)MICP 處理黏性土時，盡管生成的CaCO3沉淀能填充孔隙稍微降低試樣的壓縮性，但膠結(jié)溶液的化學性質(zhì)（如化學成分、pH 值）和黏土礦物的離子吸附作用將使黏土更易于壓縮變形，導(dǎo)致試樣的整體壓縮性增大。MORALES 等人［76］建議在MICP 固化黏性土時，還需要考慮尿素、生物膜等有機化合物與黏土礦物的相互作用。可以看出，黏土礦物將影響生物活性和生成晶體的晶型，同時MICP 中的生物和膠結(jié)溶液將通過物理化學作用影響?zhàn)ね恋男再|(zhì)。

綜上所述，不同的礦物類型與MICP 反應(yīng)過程互相影響作用，產(chǎn)生不同的整體固化效果影響。為了能使MICP 更廣泛地應(yīng)用到工程實際的各種土中，仍需深入探究土的基本特性對MICP固化效果的影響。

4 結(jié)論

⑴含脲酶的細菌或游離脲酶均可作為尿素水解的生物原料，但完整細菌參與的MICP 過程中，呈負電的細胞膜提供了碳酸鈣沉淀成核的位置，提高了沉淀生成速率和生成量，同時影響了晶型和晶體尺寸等微觀性質(zhì)，有更好的固化效果。

⑵不同的細菌類型往往具有不同的脲酶活性和脲酶的動力學常數(shù)Km，說明來自不同細菌的脲酶與尿素的親和力存在差異，這將影響尿素的水解速率進而影響MICP的固化效果。

⑶菌液的濃度與酶動力學常數(shù)中的最大反應(yīng)速度Vmax成正比，同時更大的細菌密度將提供更多碳酸鈣成核位置，因此隨著菌液濃度的增加，尿素水解的速率增加，碳酸鈣沉淀的生成速率也增加，同時也影響了的碳酸鈣晶體數(shù)量和晶體形狀。在實際應(yīng)用中選擇較高的菌液濃度可獲得更好的土體固化性能。

⑷MICP 中氯化鈣和硝酸鈣作為鈣源主要生成方解石，而使用醋酸鈣主要生成球霰石或文石。大多研究表明使用硝酸鈣比使用氯化鈣的固化效果更好。此外，往膠結(jié)溶液添加PVA、鎂離子等其他化學物質(zhì)也可以改善固化效果。若使用等濃度比的膠結(jié)溶液，較高的濃度將有更快的尿素水解速率，但較低濃度（0.1～0.25 M）將有更均勻的晶體尺寸和分布位置，且有更高的沉淀轉(zhuǎn)化效率，能在應(yīng)用中以較低成本達到更高的固化效果。還可通過提高膠結(jié)溶液中的脲鈣比以促進Ca2+更充分的沉淀，獲得更好的膠結(jié)效果。

⑸游離的脲酶在pH 值為7～8 之間具有最佳活性。完整細菌參與的MICP 過程，可在pH 值為5～10時保持較高脲酶活性，且MICP 研究常用的巴氏芽孢桿菌最佳生長條件為pH 值=9.25。碳酸鈣沉淀的生成量隨著pH值的增加而增加，但晶體平均尺寸隨pH值的增加而減小，且晶型由球霰石（pH 值為9～10 時）變?yōu)榉浇馐╬H 值為11～12 時）。應(yīng)用生物灌漿對土體加固時，pH 值較低的膠結(jié)溶液可使沉淀和絮凝的發(fā)生時間延遲35 min，從而改善注入堵塞的問題。

⑹常溫下的細菌濃度和酶活性隨溫度的升高而增加，CaCO3沉淀速度和轉(zhuǎn)化效率也隨溫度升高而提高，但生成的碳酸鈣晶體尺寸將隨之減小，因此最優(yōu)的生物固化效果不一定在高溫下獲得。

⑺微生物和土顆粒之間存在幾何相容性問題，可使用生物灌漿加固的土體粒徑范圍在2～400 μm 之間。土顆粒接觸點處的碳酸鈣膠結(jié)鍵的數(shù)量和尺寸大小受加固土體粒徑的影響，將影響膠結(jié)效果。此外，土中不同的礦物類型對MICP 過程造成影響，如方解石類的土體將促進MICP 的沉淀速率，且沉淀分布位置更均勻。黏土礦物的存在將影響生物活性、脲酶活性以及生成碳酸鈣的晶型，同時也將與MICP 中膠結(jié)溶液發(fā)生物理化學作用，影響整體固化效果。