微生物誘導(dǎo)固化技術(shù)研究進(jìn)展

王恒星 繆林昌 孫瀟昊 吳林玉

摘? ?要：微生物誘導(dǎo)固化（Microbial induced carbonate precipitation，MICP）技術(shù)因其環(huán)境友好性已成為近些年研究的熱點(diǎn). 本文對(duì)MICP的固化機(jī)理進(jìn)行了介紹，闡述了細(xì)菌、成核位點(diǎn)和生物膜對(duì)MICP礦化反應(yīng)的影響，并對(duì)相關(guān)理論模型進(jìn)行了總結(jié)，包括該技術(shù)涉及到的溶液的傳輸與分布、尿素水解速率和孔隙模型等. 通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，基于MICP具有良好的流動(dòng)性并且可以生成具有膠結(jié)性沉淀的特點(diǎn)，MICP能夠在砂土固化、地基改良、防滲封堵、混凝土修復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮出良好的改善效果，具有廣闊的應(yīng)用前景. 最后，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)MICP當(dāng)前研究的問題以及未來的研究方向進(jìn)行了討論與展望.

關(guān)鍵詞：微生物固化技術(shù);理論模型;砂土固化;地基改良;防滲封堵;混凝土修復(fù)

中圖分類號(hào)：TU443? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674—2974（2021）01—0070—12

Abstract： Microbially induced carbonate precipitation （MICP） has become a research hot spot due to its environmental friendliness in recent years. This paper introduces the mechanism of MICP， and expounds the influence of bacteria， nucleation microdots and Extracellular Polymeric Substances （EPS） on the reaction of MICP. Similarly， the relevant theoretical models involved in this technology are summarized， including the model of solution transmission and distribution， the model of urea hydrolysis rate and the model of pore. In addition， through summarizing the relevant literature， it is found that， based on MICP better fluidity and cemented precipitation， MICP can play a good improvement effect in broadly application fields， such as sand solidification， foundation improvement， anti-seepage plugging， concrete repair. Finally， the current research problems and future research directions of MICP are discussed and prospected based on the current research results.

Key words：microbially induced carbonate precipitation;theoretical model;sand solidification; foundation improvement;anti-seepage plugging;concrete repairing

近年來為滿足快速工業(yè)化和日益增長的城市化需求，受人類活動(dòng)影響，環(huán)境惡化加劇，因此綠色、天然環(huán)保的材料受到重視. 微生物誘導(dǎo)固化MICP （Microbially induced carbonate precipitation）技術(shù)由于其獨(dú)特的環(huán)境友好性，成為了當(dāng)下研究的熱點(diǎn)[1-3].

自然界中存在著大量微生物，其對(duì)地基、礦物、地質(zhì)及地下工程等往往會(huì)起到潛移默化的影響. 傳統(tǒng)工程中人們往往更多地關(guān)注宏觀構(gòu)造物，對(duì)微生物的認(rèn)識(shí)不足且缺乏案例，從而忽略了微生物對(duì)工程的影響. MICP的實(shí)質(zhì)是利用自然界中某類細(xì)菌，其新陳代謝可產(chǎn)生分解尿素的脲酶，尿素分解后產(chǎn)生的碳酸根離子與自然界游離的金屬陽離子結(jié)合生成膠凝晶體的過程[4]. MICP技術(shù)的應(yīng)用對(duì)生產(chǎn)能耗、生產(chǎn)成本要求低，同時(shí)能減少溫室氣體排放. MICP技術(shù)可提高土的地質(zhì)特性，因此可利用其作為一種替代地質(zhì)加固技術(shù).

近些年來，和微生物活動(dòng)相關(guān)的工程問題得到了越來越多的關(guān)注，巖土工程與材料學(xué)的研究學(xué)者采用微生物固化技術(shù)為混凝土材料修復(fù)和砂土固化等工程問題開辟了新的研究方向. 本文針對(duì)微生物固化技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)資料，對(duì)其反應(yīng)機(jī)理、理論研究、固化應(yīng)用及當(dāng)下面臨的問題進(jìn)行相關(guān)的總結(jié)和評(píng)述.

1? ?微生物加固技術(shù)

MICP是利用微生物將自然界的化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沉淀礦物的方法[5]. 礦物析出在地質(zhì)沉積中廣泛存在，但在正常情況下進(jìn)行得非常緩慢，需要很長的地質(zhì)演化過程，然而MICP技術(shù)可以依賴微生物的新陳代謝或代謝產(chǎn)物加速反應(yīng)，在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的具有膠結(jié)性的礦物質(zhì)[6].

1.1? ?固化機(jī)理

MICP的反應(yīng)原理主要有四種，分別是尿素分解反應(yīng)、反硝化反應(yīng)、反硫化反應(yīng)、碳氧化反應(yīng). 其中尿素分解反應(yīng)是最直接也是最容易控制的方式[7-8].? 目前關(guān)于微生物礦化技術(shù)的應(yīng)用大多數(shù)是采用尿素類細(xì)菌，該類細(xì)菌在自然界中分布廣泛[9-10]. 具體的原理是通過細(xì)菌自身產(chǎn)生脲酶，該類酶可以分解尿素生成碳酸根離子[見式（1）]，而生成的碳酸根離子再與自然界游離的金屬陽離子結(jié)合生成具有膠結(jié)性的沉淀物質(zhì)[見式（2）]，鈣離子對(duì)細(xì)菌細(xì)胞的吸引力導(dǎo)致細(xì)胞局部發(fā)生超飽和，從而導(dǎo)致碳酸鈣在細(xì)菌細(xì)胞表面的沉淀[11]，碳酸鈣晶體形成過程如圖1所示. 這類細(xì)菌最具代表性的就是巴氏芽孢桿菌（Bacillus pasteurli）[12]. 除此之外，國內(nèi)外也有研究學(xué)者采用尿素小球菌（Microc-oceus ureae）、變形桿菌、沙門氏菌、大腸桿菌和葡萄球菌[13]等進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用. 這類細(xì)菌的共同點(diǎn)在于能產(chǎn)生脲酶.

脲酶（又稱尿素酶）如圖2所示，屬于酰胺水解酶和磷酸三酯酶[15]，是高分子量的含鎳金屬酶[16]，具有絕對(duì)專一性，能夠特異性地催化尿素水解，釋放出氨和二氧化碳.

巴氏芽孢桿菌的孢子具有較高的脲酶活性，由于其能夠產(chǎn)生大量脲酶，且能在高堿性環(huán)境和高鈣離子濃度下生存，因此常被選作生物催化劑[18-19]. Ferris等[20]首次采用巴士芽孢桿菌生成脲酶，進(jìn)行新型降滲，開拓了微生物礦化技術(shù)在生物巖土工程中的應(yīng)用前景，他們利用生成的碳酸鈣沉淀礦物作為堵塞和固化劑. 之后該想法激發(fā)了大量對(duì)MICP土壤改良技術(shù)的應(yīng)用研究[21].

1.2? ?影響因素

MICP是一個(gè)生物化學(xué)過程，通常由幾個(gè)因素決定：鈣離子的濃度、溶解無機(jī)碳的濃度、pH值和可用的成核位點(diǎn)[22]. 其誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀以3種多晶形式存在[11，23]，通常最穩(wěn)定的為方解石[24]. 自然界中有很多微生物都有在堿性環(huán)境中誘導(dǎo)方解石析出的能力[25-26]，可誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀的主要微生物有光合微生物（例如藍(lán)藻和藍(lán)藻微藻）、硫酸鹽還原菌、某些參與氮循環(huán)的微生物[27].

1.2.1? ?細(xì)菌

細(xì)菌是非常重要的因素. 在混凝土裂縫修復(fù)的研究中，由于裂縫中存在高堿性等不良環(huán)境，為了使選擇的細(xì)菌能正常存活，芽孢類細(xì)菌成為較好的選擇[28]. 巴氏芽孢八疊球菌的產(chǎn)脲酶量可以達(dá)到微生物細(xì)胞干重的1%[29]，具有較高的產(chǎn)脲酶能力[30]. 麻強(qiáng)[31]研究得到試驗(yàn)中脲酶活性的大小不僅與細(xì)菌濃度有關(guān)，還受到細(xì)菌分泌脲酶的速率與數(shù)量的影響. Rivadeneyra等[32]則研究發(fā)現(xiàn)不同微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣具有不同的晶體結(jié)構(gòu). 這可能是由于微生物種類不同造成的[33-34]，也可能是由外界環(huán)境不同造成的[35]. Park等[36]利用4種不同的尿素水解類細(xì)菌進(jìn)行MICP反應(yīng)，最終發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)產(chǎn)生的礦物成分均為方解石，但晶體結(jié)晶模式存在差異.

1.2.2? ?成核位點(diǎn)

碳酸鈣的膠結(jié)作用與細(xì)菌的分布密切相關(guān)，當(dāng)土顆粒的表面附著大量細(xì)菌時(shí)，能生成較多的具有膠結(jié)性能的碳酸鈣晶體. 細(xì)菌在孔隙材料中的附著能力受眾多因素影響，如孔隙材料形態(tài)、表面質(zhì)地、礦物成分，以及細(xì)菌本身的親水性等[14]. 其次，細(xì)菌細(xì)胞表層帶負(fù)電荷，尿素水解過程中溶液pH值逐漸增大，這都有利于帶正電荷的鈣離子附著在細(xì)胞表面，因此碳酸鈣結(jié)晶在細(xì)菌細(xì)胞表面形成并不斷聚集[37-38].

1.2.3? ?生物膜

尿素分解類微生物礦化反應(yīng)不僅與尿素水解速率相關(guān)，還會(huì)受到細(xì)胞膜通透性等因素的影響[39]. 微生物分泌的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）是一種常見微生物反應(yīng)產(chǎn)物[40]. 這種反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)附著在孔隙材料的表面和內(nèi)部，該胞外聚合物會(huì)對(duì)細(xì)菌具有保護(hù)作用[41]. 當(dāng)大量細(xì)菌和胞外聚合物形成一個(gè)整體時(shí)可形成微生物膜，并降低試樣的滲透性[42-45]. 常見的能夠分泌胞外聚合物的微生物為有氧或兼氧型的異養(yǎng)細(xì)菌[46]. 也有部分學(xué)者對(duì)胞外聚合物的生成和降解及其影響因素進(jìn)行了大量研究. 在大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，胞外聚合物的生成使得孔隙材料的滲透性一般降低約 2～4個(gè)數(shù)量級(jí)[44，46]. 王瑞興[47]研究發(fā)現(xiàn)碳酸鈣生成大約發(fā)生在菌液與膠凝液混合后30 min，最終碳酸鈣晶體直徑可達(dá)到10～20 nm.

2? ?理論模型研究

由于MICP涉及復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)和水動(dòng)力過程，更需要通過理論研究了解MICP機(jī)制. 國內(nèi)外研究學(xué)者主要針對(duì)MICP的尿素分解速率、菌種傳輸運(yùn)輸分布特性、碳酸鈣結(jié)晶過程及礦化后孔隙模型特性的變化開展了研究.

2.1? ?尿素分解速率

關(guān)于尿素分解速率的理論計(jì)算研究，需要注意多個(gè)因素的影響，例如：尿素濃度、pH值、鈣離子濃度、溫度、微生物生長繁殖、微生物衰落、碳酸鈣沉淀包裹等. Wijngaarden等[48]針對(duì)不同因素對(duì)細(xì)菌脲酶活性的影響進(jìn)行了研究，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，如式（3）所示. Hommel等[49]則考慮更復(fù)雜的微生物生長模型，對(duì)尿素分解速率公式進(jìn)行了修正，得到的新的尿素分解速率公式更適合于MICP模型研究.

式中：Curea為尿素濃度;r為尿素分解速率;r0為尿素分解速率的最大值;Km，urea為半飽和常數(shù);pHLL和pHUL為水解速率降低50%時(shí)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)pH值;C Ca2+為鈣離子濃度;T為試驗(yàn)溫度;T0為基準(zhǔn)溫度;Q10為升高10 ℃時(shí)脲酶活性的變化值;td為時(shí)間常數(shù)（即脲酶活性降低為初始63%對(duì)應(yīng)的時(shí)間）;Sd為碳酸鈣的特征衰減濃度.

2.2? ?菌種運(yùn)輸、分布特性

當(dāng)MICP技術(shù)采用灌注等工藝時(shí)，還需要考慮細(xì)菌的懸浮、運(yùn)輸、附著、解附著等與對(duì)流擴(kuò)散相關(guān)的性質(zhì). 除此之外，還需要考慮孔隙結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，即滲透性、孔隙率、模型尺寸以及生物膜生長等，這些參數(shù)都會(huì)影響細(xì)菌的分布，并最終影響MICP產(chǎn)生的碳酸鈣的分布.

為了研究生物膜和孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系，Peszynska等[41]使用玻璃珠代替砂土顆粒，并利用3D成像技術(shù)獲取生物膜填充后混合物的孔隙尺寸與幾何形狀，探究生物膜對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響與灌注速率對(duì)生物膜增長的影響，結(jié)果表明生物膜會(huì)減小滲流的橫截面積，使局部流速增大，而這將進(jìn)一步導(dǎo)致生物膜更容易滯留在變小的局部區(qū)域. Van Paassen等[50]采用擴(kuò)散-吸附方程研究灌注過程中細(xì)菌的運(yùn)輸、沉淀與附著. 在其研究中利用附著和解附著的形式建立了一個(gè)整體的微分方程來研究懸浮液細(xì)菌、暫時(shí)附著細(xì)菌和永久附著細(xì)菌三者的數(shù)量變化.

2.3? ?碳酸鈣沉淀及膠結(jié)性能研究

MICP技術(shù)固化砂柱或土體的強(qiáng)度提升的關(guān)鍵在于生成的碳酸鈣的膠結(jié)作用. 但在研究固化試樣強(qiáng)度時(shí)，有研究得到固化后試樣的破壞形式主要為兩種，碳酸鈣與砂顆粒連接處斷裂和碳酸鈣內(nèi)部斷裂. 為確定固化后強(qiáng)度的關(guān)鍵影響因素，Wang等[51]采用SEM掃描觀察破壞后的試樣形態(tài)，最終得到破壞界面大部分位于碳酸鈣內(nèi)部，即主要是生成的碳酸鈣內(nèi)部出現(xiàn)斷裂. Wang等[52]還參考渥太華砂的孔隙分布，利用二甲基硅氧烷（PDMS）制備多孔介質(zhì)模型. 試驗(yàn)時(shí)，顆粒內(nèi)表面被等離子體處理成帶負(fù)電荷的親水性表面來模擬砂土顆粒性質(zhì). 試驗(yàn)中先后灌注菌液、固定液與膠凝液，并通過顯微鏡觀察細(xì)菌的分布特征與碳酸鈣的沉淀形式. 圖3為 二維多孔介質(zhì)模型[53].

2.4? ?MICP礦化模型研究

參考靜態(tài)吸附-脫附-反應(yīng)體系，通過碳酸鈣沉積改變砂土孔隙率和滲透系數(shù)進(jìn)行時(shí)間迭代，研究MICP固化砂土過程中碳酸鈣隨時(shí)間與空間變化的模型[54]. 陳婷婷等[55]根據(jù)楊鉆的一維模型，進(jìn)一步探究了不同灌漿速率下碳酸鈣生成量、膠凝液濃度、初始細(xì)菌脲酶活性與灌注距離的關(guān)系. Fauriel等[56]通過對(duì)液相與固相的質(zhì)量守恒、混合物線性動(dòng)量守恒和各組分質(zhì)量守恒的宏觀表示，采用連續(xù)介質(zhì)的方法，得到了生物化學(xué)-水-力學(xué)模型的數(shù)學(xué)公式，進(jìn)而描述MICP灌注固化在飽和、可變形的多孔介質(zhì)的注入、分布和反應(yīng)過程. 整個(gè)模型主要包括4個(gè)部分：生物學(xué)、化學(xué)、水力學(xué)、力學(xué)部分，各部分的關(guān)系如圖4所示.

在MICP固化砂土的研究中，由于砂柱為孔隙結(jié)構(gòu)，因此，有研究學(xué)者對(duì)于孔隙尺寸、孔隙形態(tài)等對(duì)MICP的影響進(jìn)行了研究. 整個(gè)孔隙結(jié)構(gòu)大致為孔體和孔喉連接的形式，這不僅影響細(xì)菌在砂土中擴(kuò)散，而且影響碳酸鈣的沉積與膠結(jié)性能. Yoon等[57]利用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型建立圓柱孔隙結(jié)構(gòu)，研究了碳酸鈣在孔隙中沉淀對(duì)孔隙率、滲透性的影響. Qin等[58]首先建立了不同形狀條件下生物膜增長模式與溶質(zhì)運(yùn)移模型，并得到了水相與生物膜之間質(zhì)量交換的半經(jīng)驗(yàn)公式. 在此基礎(chǔ)上，Qin等[59]又根據(jù)MICP的特點(diǎn)，建立了整體二維孔隙模型模擬顆?？紫墩鎸?shí)分布，并研究砂土孔隙尺寸對(duì)MICP固化效果的影響.

3? ?MICP固化技術(shù)應(yīng)用

MICP技術(shù)是一種膠結(jié)松散顆粒從而形成結(jié)構(gòu)材料的新方法[60]. 研究表明，MICP技術(shù)可提高土壤強(qiáng)度、剛度與密實(shí)度，并減小土壤與混凝土裂縫的滲透性[61-62]. 因此，國內(nèi)外研究學(xué)者采用此技術(shù)進(jìn)行很多領(lǐng)域的應(yīng)用.

3.1? ?砂土固化

3.1.1? ?整體性

MICP技術(shù)可在土顆粒之間形成具有膠結(jié)性的物質(zhì)，從而提高土體的整體性，改善了土體內(nèi)部的物理、力學(xué)性質(zhì)，起到加固的效果. Reddy等[63]直接將砂與細(xì)菌混合培養(yǎng)再注入砂柱中，然后將含有營養(yǎng)物質(zhì)、尿素和鈣源的膠凝液以一定的速率灌注，得到固化砂柱.

生成的碳酸鈣分布不均勻是影響MICP固化整體性的一個(gè)問題[9]. 分析原因發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌細(xì)胞表面帶負(fù)電荷，細(xì)菌細(xì)胞之間的靜電力作用使得它們相互排斥，而這種負(fù)電荷卻會(huì)吸引溶液中的Ca2+，從而出現(xiàn)電荷中和并聚集成團(tuán). 聚集后的團(tuán)粒會(huì)封堵砂土顆?？紫?，這不利于后續(xù)液體的傳輸，從而導(dǎo)致砂柱各處碳酸鈣生成量不均勻.

大多數(shù)MICP固化室內(nèi)試驗(yàn)都注意到碳酸鹽沉淀存在分布不均，且主要是灌注點(diǎn)的封堵問題[4]. Cheng等[64]試圖解決灌注點(diǎn)封堵和處理土壤樣品的均勻性問題，他們提出了一種新的脲酶活性材料（bioslurry），最終發(fā)現(xiàn)碳酸鈣含量分布的均勻性得到了改善. Cheng等[65]還提出了采用單相低pH值注入法來代替現(xiàn)有的使用較多的多次灌注法. 結(jié)果表明，采用單相低pH值注入法既可防止灌注扣表面封堵的發(fā)生，又可減少氨氣的產(chǎn)生. Omoregie等[66]研究發(fā)現(xiàn)相比于菌液與砂土預(yù)先混合的形式，不混合能得到更好的固化效果，采用1 mol/L的尿素和氯化鈣混合液與菌液緩慢灌注的方式有助于碳酸鈣的均勻分布. Al Qabany等[67]發(fā)現(xiàn)較低膠凝液濃度減緩了空隙的堵塞，方解石的分布更加均勻，從而使固化效果得到提升.

3.1.2? ?改善土體力學(xué)性質(zhì)

由于MICP技術(shù)能在潮濕的環(huán)境中析出具有膠結(jié)性的物質(zhì)，因而可改變土體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)及顆粒間的相互作用方式，進(jìn)而改變土體的一些力學(xué)性質(zhì).

張帥等[68]采用飽和灌漿法和非飽和入滲法分別處理砂土，發(fā)現(xiàn)均可使砂土膠結(jié)在一起，并具有無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但采用入滲固化的最終抗壓強(qiáng)度要高于灌注固化. Rowshanbakht等[69]發(fā)現(xiàn)細(xì)菌利用率隨菌液灌注量減小而減小，隨試樣初始相對(duì)密度增加而增加，碳酸鈣生成量隨初始相對(duì)密度增加而下降，但最終無側(cè)限抗壓強(qiáng)度卻上升. Zamani等[70]研究發(fā)現(xiàn)固化后的砂柱剛度顯著提高是因?yàn)镸ICP技術(shù)將細(xì)顆粒膠結(jié)成團(tuán)粒，而團(tuán)粒又將粗顆粒的孔隙填充，這種現(xiàn)象優(yōu)化了顆粒間的荷載傳遞路徑，因此減小了整體應(yīng)變，增大了剛度. 景天宇等[71]利用MICP技術(shù)對(duì)黃河泥沙進(jìn)行了加固，發(fā)現(xiàn)可提升泥沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度. 謝約翰等[72]采用MICP技術(shù)對(duì)黏性土進(jìn)行改性處理，以改善其水穩(wěn)性與抗侵蝕能力，通過崩解試驗(yàn)和粒度分析試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MICP改性土的崩解速率和崩解度均小于未處理土，且土的細(xì)顆粒含量減少、粗顆粒含量增加，同時(shí)生成的碳酸鈣在土顆粒之間形成有效的膠結(jié)，極大地增加了土顆粒的強(qiáng)度，提高了土體的水穩(wěn)性. Rizvi等[73]利用MICP對(duì)砂土進(jìn)行加固，進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，并提出了利用粗、中、細(xì)3種格狀單元法，對(duì)砂柱的破壞形式進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明生物礦化作用有助于增加粒狀介質(zhì)的內(nèi)聚力和摩擦角，且不連續(xù)非線性格網(wǎng)單元方法可準(zhǔn)確擬合生物膠結(jié)砂的中尺度斷裂現(xiàn)象，破壞時(shí)對(duì)角斜向剪切裂紋很少，如圖5所示.

3.2? ?地基改良

MICP可用于改良地基，由于可生成具有膠結(jié)性的物質(zhì)，因此MICP對(duì)不良地基特別是滲透性強(qiáng)大的砂性土層具有明顯的改良作用. 地基中本身就存在大量的微生物，利用土中的微生物進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)環(huán)境幾乎沒有危害. 同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)地基土幾乎沒有擾動(dòng)，對(duì)地基土上層的建筑物沒有影響，是一種理想的地基改良手段.

3.2.1? ?地基加固

Gomez等[74]利用MICP對(duì)某一礦區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)固化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)MICP處理過后的場(chǎng)地產(chǎn)生明顯的固化層，表面灌入阻力明顯提升，生成的碳酸鈣量隨著深度的增加而降低. Paassen[75]利用MICP技術(shù)進(jìn)行微生物地基加固，成功地處理了100 m2的場(chǎng)地，并在12 d內(nèi)固化了40 m3的砂土. 雖然2個(gè)試驗(yàn)中地基的平均強(qiáng)度獲得了顯著提高，但在砂層中觀察到了不同的力學(xué)性能. 原因可能是受到了流場(chǎng)、細(xì)菌分布、試劑供應(yīng)和結(jié)晶過程的影響. Suer等[76]則采用MICP技術(shù)研究了膠結(jié)片狀巖石和基巖的可行性. 結(jié)果表明，生物灌漿工藝比噴射灌漿工藝成本低，且環(huán)境影響小. 同時(shí)生物灌漿還消耗更少的水，產(chǎn)生更少的垃圾填埋. Saneiyan等[77]利用MICP過程中電導(dǎo)率與橫波波速的變化，通過地球物理成像技術(shù)得到固化區(qū)域的發(fā)展過程，如圖6所示.

3.2.2? ?防塵固沙

利用MICP加固技術(shù)，還能對(duì)荒漠地區(qū)或城市施工工地等細(xì)顆粒進(jìn)行表層固化，起到防塵固沙的作用，可以從源頭上解決沙塵污染問題，凈化空氣.

Zhan等[78]利用MICP技術(shù)將粉塵膠結(jié)起來，通過X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和差示掃描量熱-熱重分析（DSC-TG）方法分析了樣品的特定組成、形態(tài)和熱分解特性. 試驗(yàn)結(jié)果表明，利用微生物礦化產(chǎn)生的方解石可令疏松的斷塵顆粒結(jié)合并形成固結(jié)層，具有良好的抗風(fēng)蝕作用. 蔣耀東[79]利用MICP技術(shù)研究出脲酶、微生物新型抑塵劑，并以江蘇省南京、蘇州、南通等城市街道揚(yáng)塵作為對(duì)象開展試驗(yàn)，結(jié)果表明脲酶、微生物抑塵劑的抑塵效果非常明顯，抑塵效率可達(dá)到79%，且新型的生物抑制劑對(duì)PM1.0、PM2.5、PM10具有較好的控制效果. 李馳等[80]利用MICP技術(shù)對(duì)內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠地區(qū)進(jìn)行了表層覆膜固化試驗(yàn)，通過對(duì)表層覆膜的貫入試驗(yàn)以及長期的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)利用MICP技術(shù)可在沙漠表面形成一層穩(wěn)定強(qiáng)度和厚度的保護(hù)膜，這層保護(hù)膜隨著時(shí)間推移會(huì)有一定的剝落，但相較于未覆膜，其防風(fēng)固沙效果還是非常明顯的，如圖7所示.

3.2.3? ?抗液化

松散的飽和砂土在遭受地震波或振動(dòng)時(shí)，會(huì)使內(nèi)部的孔隙水壓力上升、有效應(yīng)力減小，使地基發(fā)生破壞，對(duì)上覆結(jié)構(gòu)和人員造成損傷. MICP技術(shù)可以改變可液化砂土的內(nèi)部形式，提高顆粒間的膠結(jié)性，降低內(nèi)部孔隙水壓力，起到抗液化的效果.

Burbank等[81]在潛在可液化的飽和土中，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥乐械哪蛩胤纸忸愇⑸镞M(jìn)行了富集，再添加尿素和CaCl2在原位生成CaCO3沉淀對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行加固，現(xiàn)場(chǎng)土體較加固前的抗液化性提高. Xiao等[82]研究了MICP對(duì)鈣質(zhì)砂的抗液化性能，通過循環(huán)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MICP處理過后的鈣質(zhì)砂與清潔的鈣質(zhì)砂相比，內(nèi)部孔隙水壓力更加穩(wěn)定，并且壓縮變形顯著降低，可明顯改善鈣質(zhì)砂的液化潛力. Xiao等[83]對(duì)經(jīng)MICP處理的砂樣和未經(jīng)處理的砂樣進(jìn)行了不排水三軸剪切試驗(yàn)（CTS），對(duì)超靜孔隙壓力產(chǎn)生、軸向應(yīng)變的演變以及液化的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行了比較，定量分析了循環(huán)響應(yīng)的改善，結(jié)果表明，MICP處理可將液化破壞機(jī)理從流動(dòng)破壞變?yōu)橹芷谛粤鲃?dòng)，并可顯著改變超靜孔隙壓力生成. SEM圖像表明，CaCO3晶體的生成改變了砂粒的特性，從而影響了砂土的動(dòng)力學(xué)行為和抗液化性. 同時(shí)將MICP處理的試件與只進(jìn)行機(jī)械壓密的試件進(jìn)行了對(duì)比，顯示MICP處理后比機(jī)械壓密的砂土具有更高的改善循環(huán)阻力的效率，如圖8所示.

一些研究表明[84]，在飽和砂土中適當(dāng)摻入一些氣體，使其略微不飽和，可大大降低飽和砂土的液化能力. He等[85]利用反硝化細(xì)菌對(duì)飽和砂土進(jìn)行抗液化處理，發(fā)現(xiàn)處理過后的砂土內(nèi)部孔隙水壓力較之前下降非常明顯，這是由于反硝化細(xì)菌通過新陳代謝可以產(chǎn)生氮?dú)猓∟2），且氮?dú)庀鄬?duì)穩(wěn)定、不易溶于水，因此可改變砂土內(nèi)部的飽和度，從而降低砂土的潛在液化能力.

3.3? ?抗?jié)B、封堵

MICP技術(shù)生成的碳酸鈣能夠?qū)⒐袒嚇拥目紫哆M(jìn)行填充，從而減小滲透性，達(dá)到了封堵的目的. 此外，固化過程中微生物會(huì)不斷地產(chǎn)生胞外聚合物，也會(huì)對(duì)滲透性有所影響[86]. 在工程中，提高土石壩的抗?jié)B能力，對(duì)污染區(qū)域的土體進(jìn)行有效的封堵和隔離，提高石油的采收率等等，都可利用MICP的封堵性能而得以實(shí)現(xiàn).

Stocks-Fischer等[5]研究發(fā)現(xiàn)在低速情況下灌注菌液和膠凝液會(huì)造成灌注點(diǎn)的完全封堵. Achal等[87]采用巴氏芽孢桿菌進(jìn)行砂土固化試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)40%的方解石沉積在砂土中，導(dǎo)致了砂柱的孔隙率和滲透性的降低. Gao等[88]基于MICP技術(shù)對(duì)砂質(zhì)土進(jìn)行改良，以控制在砂質(zhì)土壤基礎(chǔ)上灌溉渠道和水庫的滲水問題，結(jié)果表明砂土經(jīng)過生物處理后，表面形成10 ～ 20 mm的硬殼，利用滲透儀進(jìn)行滲透測(cè)試發(fā)現(xiàn)其滲透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未經(jīng)處理的土壤. Stabnikov等[89]使用耐鹽、耐堿性芽孢桿菌來密封砂襯砌的模型池，利用MICP技術(shù)通過對(duì)模型池表面砂進(jìn)行連續(xù)滲濾處理，在砂襯表面形成了一層致密的鈣化層，從而顯著降低了滲透率. Cuthbert等[90]利用MICP技術(shù)，采用灌注法對(duì)地下深25 m、面積為4 m2的裂隙進(jìn)行了封堵，并提出一種新型的數(shù)值模型，將細(xì)菌和溶質(zhì)的反應(yīng)傳輸特性與流體耦合. 結(jié)果表明，MICP現(xiàn)場(chǎng)灌注試驗(yàn)?zāi)苡行У亟档土芽p的滲透性，如圖9所示，且數(shù)值模型也很好地模擬了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù). Phillips等[91]自制了一種中尺度高壓容器，用于模擬高溫、高壓環(huán)境，并利用該容器探究了在相關(guān)壓力下，MICP技術(shù)降低壓裂巖心滲透性的問題，試驗(yàn)結(jié)果表明，MICP處理過后的巖心試樣滲透性降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這表明在高壓條件下，MICP可用于降低裂縫滲透性. 同時(shí)Phillips等[92]還對(duì)油田地區(qū)地下340.8 m的砂層巖裂隙進(jìn)行了封堵，結(jié)果表明經(jīng)過灌注處理后，裂縫較處理前能承受的壓力更大，且裂縫再次壓裂需要的壓力更大. 多氯聯(lián)苯（PCB）是威脅環(huán)境和人類健康的其他頑固污染物，當(dāng)設(shè)備中含有多氯聯(lián)苯的機(jī)油泄漏時(shí)，多氯聯(lián)苯會(huì)污染混凝土表面. Okwadha等[93]利用MICP技術(shù)來密封受PCB污染的混凝土，將表面含有油的PCB封閉起來，試驗(yàn)結(jié)果表明封層滲透率降低了1～5個(gè)數(shù)量級(jí)，且沒有觀察到通過MICP涂層的浸出.

3.4? ?混凝土修復(fù)

傳統(tǒng)的混凝土裂縫修復(fù)方法包括灌注環(huán)氧樹脂或水泥漿，但是這類方法會(huì)導(dǎo)致熱膨脹、環(huán)境和健康危害[94-95]. 利用MICP方法進(jìn)行裂縫修復(fù)時(shí)可有效避免上述問題，可采用細(xì)菌作為混凝土自愈劑，特別是使用耐堿性細(xì)菌（嗜堿芽孢桿菌和科氏芽孢桿菌[96]）.

Jonkers等[97-98]還通過研究得到采用好氧細(xì)菌進(jìn)行MICP裂縫修復(fù)，主要是好氧細(xì)菌能通過自身的呼吸作用誘導(dǎo)碳酸鈣方解石的形成. 潘慶峰[99]同樣采用從土壤中提取得到的兼性好氧細(xì)菌進(jìn)行裂縫修復(fù)研究，選用的細(xì)菌具有較強(qiáng)的耐堿能力. 研究結(jié)果表明，一開始培養(yǎng)液中的pH值不斷增大，之后當(dāng)加入一定濃度的底物后，培養(yǎng)液的pH值反而急劇降低，最終溶液呈酸性. Ramakrishnan等[100]研究添加磷酸鈉緩沖液和生理鹽水對(duì)力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加磷酸鈉緩沖液對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響與菌液濃度密切相關(guān)，而添加生理鹽水會(huì)顯著降低混凝土強(qiáng)度.

由于裂縫的高堿性環(huán)境，細(xì)菌數(shù)量隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加逐漸減少. 因此需要選擇一種合適的載體，保護(hù)微生物免受裂縫高堿性的侵害，并為微生物提供足夠的生存空間. Jonkers[101]采用陶粒來固載細(xì)菌，最終該方法極大地延長了細(xì)菌的存活時(shí)間，可將其存活期延長至6個(gè)月以上. Wang等[102]采用硅藻土作為細(xì)菌載體對(duì)水泥漿中細(xì)菌脲酶活性和裂縫自修復(fù)效果進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果顯示當(dāng)硅藻土用量與細(xì)菌用量比為3 ∶ 5時(shí)，細(xì)菌具有最高的脲酶活性，此時(shí)能完全修復(fù)寬度為0.15～0.17 mm 的裂縫. Wang等[103]還采用聚氨酯和硅凝膠作為微生物載體進(jìn)行裂縫自修復(fù)試驗(yàn). 結(jié)果表明，采用固載方式修復(fù)的混凝土裂縫滲透性降低了約3個(gè)數(shù)量級(jí). 此外，Yang等[104]研究發(fā)現(xiàn)，混凝土中加入微生物膠囊，能提高混凝土的抗裂性能以及疲勞荷載下的韌性. Wiktor等[105]選用多孔輕質(zhì)骨料固載細(xì)菌修復(fù)寬度為50 μm～1 mm的裂縫，結(jié)果表明采用固載修復(fù)使得MICP修復(fù)的效率提高，浸沒在水中100 d后，最大修復(fù)寬度可達(dá)470 μm，如圖10所示，證明MICP在潮濕環(huán)境中具有提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的潛力.

錢春香等[106]考慮到混凝土裂縫中高堿性環(huán)境對(duì)MICP技術(shù)的不利影響，使用嗜堿芽孢桿菌，對(duì)不同修復(fù)齡期下，自修復(fù)混凝土裂縫的自修復(fù)效果進(jìn)行了研究. Van Tittelboom等[107]以滲透系數(shù)、超聲波無損檢測(cè)以及肉眼觀察裂縫填充情況等手段，對(duì)比分析了傳統(tǒng)混凝土裂縫修復(fù)技術(shù)與MICP技術(shù)的修復(fù)效果. 陳懷成等[108]為了提高水泥基材料早期裂縫的自修復(fù)效果，采用了一種具有礦化作用的碳酸酐酶微生物. 利用滲水法和圖像處理技術(shù)研究了該微生物修復(fù)劑對(duì)不同裂縫寬度、不同開裂齡期下水泥凈漿裂縫的修復(fù)情況. Zhang等[109]采用膨脹珍珠巖作為細(xì)菌載體并將珍珠巖填充入裂縫并量化研究裂縫.

3.5? ?其他應(yīng)用

除上述領(lǐng)域，利用MICP技術(shù)還可對(duì)文物古跡進(jìn)行修復(fù)[110]，提高石油和天然氣采收率、增加產(chǎn)能[45]，對(duì)CO2進(jìn)行地質(zhì)封存緩解溫室效應(yīng)，設(shè)置地下隔柵防止鹽水侵入，固化受污染淤泥土便于挖掘，對(duì)一些可回收固體廢棄物進(jìn)行固化用作建筑材料等[111].

4? ?總結(jié)與展望

MICP作為近年來新興的技術(shù)，由于可快速生成具有膠結(jié)性的物質(zhì)從而改良土體內(nèi)部孔隙和力學(xué)性質(zhì)，并且對(duì)原位環(huán)境的影響較小，在現(xiàn)代巖土工程領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力及很高的研究價(jià)值. 本文對(duì)MICP技術(shù)的反應(yīng)原理進(jìn)行了總結(jié)和介紹，并且對(duì)MICP的理論研究進(jìn)行了歸納和總結(jié)，可為后續(xù)研究工作提供一定的理論支持. 對(duì)MICP在工程上的一些潛在應(yīng)用進(jìn)行了一定的歸納和總結(jié)，可為后續(xù)從事MICP研究及應(yīng)用提供借鑒.

雖然當(dāng)下國內(nèi)外學(xué)者對(duì)MICP技術(shù)的研究已取得了許多可喜的成果，但還存在一些不足，從而制約了MICP技術(shù)的進(jìn)一步研究和工程應(yīng)用. 通過分析之前國內(nèi)外的研究資料，建議在今后的研究工作中多注意以下問題：

1）深化理論計(jì)算. MICP過程是一個(gè)極為復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程，但計(jì)算時(shí)為了簡化模型，采用了大量的假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)公式，無法準(zhǔn)確描述固化后砂土孔隙率與強(qiáng)度等變化規(guī)律. 此外，菌液灌注過程中，現(xiàn)有的研究沒有準(zhǔn)確描述顆粒形態(tài)對(duì)菌液灌注的影響，同時(shí)沒有考慮孔隙、孔喉尺寸對(duì)細(xì)菌的過濾、阻擋作用，最終無法準(zhǔn)確描述細(xì)菌分布的不均勻性. 關(guān)于最終固化試驗(yàn)的強(qiáng)度研究，現(xiàn)有的研究只是能通過經(jīng)驗(yàn)公式來描述碳酸鈣生成量與砂土固化強(qiáng)度的關(guān)系，研究沒有考慮碳酸鈣膠結(jié)顆粒機(jī)理、碳酸鈣的位置和孔隙結(jié)構(gòu)的顆粒粒徑與分布的關(guān)系.

2）耐久性. 大多數(shù)研究學(xué)者都只考慮了固化后

的砂柱或土體的強(qiáng)度、剛度和滲透性等力學(xué)性能，關(guān)于固化砂體的耐久性（抗?jié)B性、抗凍性等）研究還明顯不足，尤其是缺乏長期耐久性的研究. MICP多生成CaCO3，會(huì)受到酸雨的侵蝕，不利于固化的長期耐久性.

3）MICP的副產(chǎn)物處理. 在進(jìn)行MICP的研究中，生成碳酸鈣的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高濃度的NH4Cl，會(huì)產(chǎn)生NH3，NH4Cl會(huì)導(dǎo)致地下水污染，而NH3的產(chǎn)生會(huì)影響到大氣環(huán)境，如何限制NH3的外溢，也是后期值得研究的方向.

4）采用MICP技術(shù)修復(fù)混凝土?xí)r，其內(nèi)部的高堿環(huán)境和有限空間不利于細(xì)菌的生長繁殖并抑制其脲酶活性，甚至導(dǎo)致細(xì)菌死亡. 雖然大量國內(nèi)外研究學(xué)者提出采用多孔載體進(jìn)行細(xì)菌固載，防止細(xì)菌與惡劣環(huán)境直接接觸，但這些技術(shù)操作復(fù)雜，且成本較高.

5）經(jīng)濟(jì)性. MICP技術(shù)應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)使用還存在一個(gè)問題是大規(guī)模的細(xì)菌培養(yǎng)，細(xì)菌培養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本占據(jù)總成本的大部分，因此對(duì)當(dāng)?shù)匚⑸镞M(jìn)行原位激活，比添加外源細(xì)菌更加便宜，且有利于當(dāng)?shù)丨h(huán)境的保護(hù).

6）由于MICP技術(shù)主要利用產(chǎn)脲酶細(xì)菌分解尿

素進(jìn)行固化，因此直接采用催化酶作為微生物的替代物也是一種簡單、快捷的方式.

7）MICP技術(shù)還需要更多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來驗(yàn)證其可靠性，為后期的工程推廣提供支持.

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