MICP技術(shù)在工程應(yīng)用中的研究進(jìn)展

賀小青

(西安交通工程學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

1 概述

隨著全球各地城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，大片的土地被開發(fā)利用，更多的鋼筋混凝土建筑拔地而起，綠色環(huán)保的施工技術(shù)已成為當(dāng)今基建工程急需攻克的一個(gè)重難點(diǎn)。在眾多新型施工技術(shù)的研究中，越來越多的人關(guān)注到微生物礦化碳酸鈣的研究，這種技術(shù)的原理是利用自然界中可以通過其自身生命代謝活動(dòng)產(chǎn)生的脲酶的細(xì)菌來分解周圍環(huán)境中的碳源，再和鈣源物質(zhì)發(fā)生生物礦化反應(yīng)，生成致密的具有膠結(jié)作用的碳酸鈣沉淀，礦化機(jī)理如式(1)所示[1]，這種膠結(jié)物自然無公害，膠結(jié)強(qiáng)度高，可以較好的代替現(xiàn)在市面上傳統(tǒng)的膠結(jié)建筑材料，如環(huán)氧樹脂、聚氨酯、水泥等，有效避免了對(duì)環(huán)境的化學(xué)侵蝕。從21世紀(jì)初提出這門技術(shù)的概念，至今仍在不斷完善中，研究方向包括細(xì)菌的選擇和培養(yǎng)，礦化過程中溫度、酸堿、液體濃度、注射速率等條件變化對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度的影響等[2]，目前在一定實(shí)驗(yàn)條件下可以較穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)這門技術(shù)，將其主要應(yīng)用于固化土體、修復(fù)混凝土裂縫、抗?jié)B建筑材料、治理重金屬或放射性金屬四個(gè)方面，如圖1所示。

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2 工程應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1 固化土體

微生物固化土體(主要是砂土)的原理是通過在松散土體孔隙中注入礦化菌、常用碳源(尿素)和鈣源(氯化鈣)，給定一定時(shí)間讓其充分發(fā)生生物礦化作用，可形成具有膠結(jié)土粒作用的碳酸鈣沉淀，重復(fù)固化多次，當(dāng)生成的碳酸鈣含量足夠時(shí)，就會(huì)將松散土體連結(jié)在一起變成具有一定強(qiáng)度的固化體，固化過程如圖2所示[3]。被固化后的土體，其強(qiáng)度會(huì)得到極大的提升，Van Paasse等通過對(duì)100 m3的砂土連續(xù)16 d采用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣加固技術(shù)固化，結(jié)果表明即使固化體的強(qiáng)度不均勻，部分固化后的土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)12 MPa。DeJong等采用此方法固化小型砂柱模型，發(fā)現(xiàn)固化后的土體其抗剪強(qiáng)度是未固化土體的1.7倍。固化后的土體其剛度顯著增加，也稱固化土體為微生物水泥，Van Paasse試驗(yàn)中采用彎曲元測試固化后的砂體得到的平均剪切波速為300 m/s，較松散砂土其剛度大大提高。固化次數(shù)較少的土體仍能保持較好的滲透性，有利于工程排水，這是因?yàn)楣袒^程中碳酸鈣沉淀大多覆蓋在土粒接觸面附近，而對(duì)于孔隙較大的地方不會(huì)沉淀，砂體內(nèi)部孔隙仍具有一定的聯(lián)通性，原因也被Rong等通過對(duì)固化后砂土進(jìn)行XCT測試觀察計(jì)算其孔隙率變化而證明。微生物固化砂土也是防止飽和砂土產(chǎn)生振動(dòng)液化的一個(gè)有效措施，程曉輝等對(duì)飽和砂進(jìn)行微生物誘導(dǎo)碳酸鈣技術(shù)固化后，做動(dòng)三軸不排水抗剪試驗(yàn)，其承載力極大的提高，能抵御7.8級(jí)以下地震，沒有液化現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，微生物固化技術(shù)可用于特殊巖土工程環(huán)境中，如方祥位等將該技術(shù)用于固化海洋珊瑚砂，通過對(duì)固化影響因素進(jìn)行多組正交試驗(yàn)，采用最優(yōu)固化條件制作微生物珊瑚砂樁，進(jìn)行單樁復(fù)合地基模型試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在樁間土相對(duì)密度較低的情況下，地基承載力可提高1倍，褥墊層厚度較薄時(shí)，復(fù)合地基承載力提高1.2倍。閆玥等對(duì)吹填土表層砂墊層進(jìn)行微生物固化處理，形成生物水泥硬殼層，固化后的地基承載力提高約8倍[4]。除此之外，還有關(guān)于如活性炭、纖維、橡膠等添加劑對(duì)微生物固化土體的研究，如陳筠等發(fā)現(xiàn)活性炭可以固定微生物，提高紅黏土土粒接觸面碳酸鈣沉淀量，增加其抗剪強(qiáng)度[5]。

2.2 修復(fù)混凝土裂縫

傳統(tǒng)修復(fù)混凝土裂縫主要有灌漿法、表面處理法、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法、填充法等幾種方法，均有不同程度的限制，如表面封閉法只修復(fù)混凝土材料的表面，內(nèi)部裂縫的存在仍影響混凝土材料的正常使用；灌漿法常用流動(dòng)性較好的化學(xué)有機(jī)材料，一般有毒性且與水泥材料相容性差；結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法施工技術(shù)復(fù)雜，所需成本較高，對(duì)于大體積混凝土修復(fù)不使用。微生物礦化碳酸鈣技術(shù)可以較好的彌補(bǔ)以上不足，因其具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，綠色環(huán)保，生成碳酸鈣致密且強(qiáng)度高，如圖3所示[6]，與水泥基材料的相容性較高，施工技術(shù)相對(duì)簡單且成本低。該技術(shù)目前有3種形式可以達(dá)到修復(fù)混凝土裂縫的目的，分別是表面碳酸鈣覆膜、灌漿碳酸鈣填充、自修復(fù)混凝土。表面碳酸鈣覆膜是在混凝土的表面按照一定的微生物誘導(dǎo)碳酸鈣技術(shù)生成致密的碳酸鈣薄膜，將產(chǎn)生的裂縫封堵，主要用于防滲防水。灌漿碳酸鈣填充是將微生物、礦化試劑按照一定的施工方案填充到裂縫中不斷生產(chǎn)碳酸鈣進(jìn)行填充裂縫，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小裂縫的修補(bǔ)。自修復(fù)混凝土是將微生物和礦化試劑利用某些載體固定預(yù)埋在混凝土中，當(dāng)其開裂時(shí)，內(nèi)部發(fā)生微生物礦化反應(yīng)生成鈦酸鈣自主修復(fù)裂縫。如錢春香等通過噴涂、浸泡、涂刷等不同方法對(duì)有裂縫存在的水泥凈漿試塊進(jìn)行微生物礦化，試驗(yàn)表明涂刷法生成的碳酸鈣薄膜更有利于封堵裂縫；比利時(shí)根特大學(xué)的De Belie等將硅凝膠結(jié)合微生物礦化碳酸鈣共同修復(fù)0.3 mm裂縫成功，與化學(xué)灌漿修復(fù)效果等同；錢春香等采用陶粒作為固定細(xì)菌的材料預(yù)埋在混凝土中，能夠?yàn)榧?xì)菌提供更好的生長環(huán)境，當(dāng)發(fā)生混凝土產(chǎn)生裂縫后自主修復(fù)效果比爐渣細(xì)菌載體更好。

2.3 抗?jié)B建筑材料

傳統(tǒng)的防滲材料如復(fù)合土工膜易老化，混凝土抗拉強(qiáng)度低容易開裂，化學(xué)灌漿材料一般具有毒性且成本高[7]。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣可生成或薄或厚的微生物水泥材料，其質(zhì)地密實(shí)，抗?jié)B能力強(qiáng)，且具有水泥一般的強(qiáng)度，可以用來表面覆蓋有裂縫的混凝土，可以用來固化軟黏土，還可以用來灌漿提高土體的抗滑穩(wěn)定性，綠色環(huán)保。目前研究最多的是利用MICP技術(shù)在混凝土表面覆膜，通過溶液浸泡、噴涂和涂刷固載的形式，在混凝土表面不斷緩慢的沉積出碳酸鈣顆粒從而達(dá)到表面防護(hù)的作用。也有將MICP膠結(jié)的過程直接發(fā)生在黏土層或者砂土層表面，在交界面的膠結(jié)性達(dá)到最佳效果，致密的碳酸鈣沉淀的滲透系數(shù)約為2.42×10-5，防滲效果相當(dāng)于粉土或黏土混合物，如圖4所示。

2.4 治理重金屬或放射性金屬

MICP技術(shù)也可以用于治理重金屬或放射性金屬污染土。采用MICP法，在碳酸鹽礦化菌的參與下，可以將鎳(Ni)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鈷(Co)、鋅(Zn)、鎘(Cd)等重金屬離子與碳酸根結(jié)合，形成難溶沉淀，從而達(dá)到控制重金屬離子污染的目的。研究表明該技術(shù)可以有效去除50%～99%的重金屬離子。目前實(shí)驗(yàn)室利用MICP技術(shù)主要研究處理土壤中的重金屬和處理礦山中的廢水，來達(dá)到修復(fù)生態(tài)環(huán)境的目的[8]。

3 結(jié)論與展望

1)本文對(duì)碳酸鈣沉積技術(shù)(MICP)在工程應(yīng)用，尤其是巖土工程中的應(yīng)用進(jìn)行了一些總結(jié)，包括固化土體、修復(fù)混凝土裂縫、防止?jié)B漏、處治污染土方面，體現(xiàn)了該技術(shù)在綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重要性，可作為未來環(huán)保型施工技術(shù)手段和工程材料。2)目前該技術(shù)的研究仍處于初級(jí)階段，限于實(shí)驗(yàn)室研究，在實(shí)際施工過程中難以嚴(yán)格的控制反應(yīng)條件，技術(shù)效果難以確定，而且對(duì)于大量微生物礦化菌是否會(huì)影響到生態(tài)平衡還是有待研究的課題。在今后可以先將此技術(shù)在小范圍和小規(guī)模的工程中應(yīng)用，從而根據(jù)應(yīng)用情況不斷的彌補(bǔ)技術(shù)缺陷，直至形成一套可實(shí)際施工操作的技術(shù)流程。