微生物誘導(dǎo)CaCO3加固土體的影響因素和應(yīng)用進展★

談劉鑫，陶 磊，王 淼，陳 陽

(1.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048；2.陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024)

在道路、管道、房屋等工程建設(shè)中，經(jīng)常會遇到不良土體，如欠固結(jié)土、膨脹土、濕陷性黃土、可液化土等，對上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴重威脅?，F(xiàn)有的地基處理技術(shù)主要有物理加固和化學(xué)加固，其中物理加固包括換填、夯實、預(yù)壓等?；瘜W(xué)加固通常采用水泥、石灰或化學(xué)物質(zhì)對土壤進行灌漿[1]，可明顯改善土體的強度和穩(wěn)定性，但同時易對周邊的植被和環(huán)境造成損害。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣(MICP)已逐漸成為一項新的巖土工程技術(shù)。與傳統(tǒng)的水泥灌漿相比，微生物誘發(fā)的碳酸鈣膠結(jié)沉淀不但能改善土壤的強度、穩(wěn)定性，還能滿足保護環(huán)境、綠色發(fā)展的要求。同時，碳酸鈣在自然界中分布最為廣泛，性能穩(wěn)定，強度和耐用性都較高[2]。本文擬從微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的反應(yīng)機理、影響因素、技術(shù)應(yīng)用幾個方面梳理近年來該領(lǐng)域國內(nèi)外的研究進展。

1 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀

1.1 反應(yīng)機理

1.2 碳酸鈣沉淀含量的影響因素

1.2.1 鈣源

Ca2+是MICP生物化學(xué)反應(yīng)的重要物質(zhì)，不同的鈣源在微生物作用下產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀量存在差異。De等[8]通過對不同鈣源條件下的碳酸鈣的形成進行了研究，發(fā)現(xiàn)鈣源對碳酸鈣的結(jié)晶形態(tài)有明顯的影響，而對混凝土的抗?jié)B性則沒有明顯的影響。Achal等[9]對氯化鈣、乙酸鈣、硝酸鈣、氧化鈣進行了研究，結(jié)果表明：在同樣培養(yǎng)條件下，加入氯化鈣的細菌反應(yīng)活性較高，碳酸鈣的產(chǎn)量最高；李成杰等[10]在MICP中添加了氯化鈣、乙酸鈣、乳酸鈣和葡萄糖酸鈣，發(fā)現(xiàn)不同的鈣源可以產(chǎn)生不同的晶型碳酸鈣，其中以氯化鈣為鈣源時，得到了最穩(wěn)定的碳酸鈣結(jié)晶；明道貴等[11]以風(fēng)積沙為試驗材料，以0.05 mol/L的氯化鈣、醋酸鈣、無水乳酸鈣為鈣源，對膠結(jié)樣品中碳酸鈣的分布進行了研究，以氯化鈣和乙酸鈣作為鈣源，其效果有明顯差別，以氯化鈣為鈣源，其無側(cè)限壓縮強度是乙酸鈣的1.7倍。研究表明，與其他鈣源相比，氯化鈣在MICP反應(yīng)中的沉積量大、強度高、滲透率低，有利于改善土體效果。

1.2.2 溫度

通常，溫度升高可使化學(xué)反應(yīng)加速進行，對酶的催化反應(yīng)也不例外。溫度很低時，酶的催化反應(yīng)速率很低，當(dāng)溫度升高時，酶的催化速率會相應(yīng)升高，但當(dāng)溫度超過酶的最適存活溫度，酶的催化效應(yīng)反而會降低，生成物的產(chǎn)量隨之減少。研究表明脲酶的最適溫度是在45 ℃左右，此時最容易將尿素分解成氨。因此，不同溫度作用下微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀膠結(jié)不同，對土體的加固效果不同。Whiffin等[12]通過對溫度對細菌單體脲酶活性的影響的研究提出30 ℃是尿素水解類細菌最適宜的培養(yǎng)溫度。趙茜[13]通過研究不同溫度對細菌活性和脲酶水解MICP過程的影響發(fā)現(xiàn):當(dāng)溫度升高時，酶的活性隨之顯著提高，并且當(dāng)溫度超過30 ℃，此時脲酶活性增加更加迅速；孔繁浩等[14]通過定量分析研究了環(huán)境溫度對于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣生成量的影響規(guī)律，認為：溶液環(huán)境下，在溫度為14 ℃～36 ℃的環(huán)境下，碳酸鈣生成量隨著溫度的升高呈上升趨勢。進一步揭示了溫度對巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的影響；彭劼[15]利用尿素水解菌ATCC 11 859，在10 ℃,20 ℃,30 ℃的環(huán)境下分別進行了MICP的一維砂柱加固試驗，通過計算加固形成的砂樣無側(cè)限抗壓強度，溫度較低的環(huán)境下，砂柱中碳酸鈣含量的檢測數(shù)量越多，環(huán)境溫度越高，砂柱中生成的碳酸鈣含量越低。

綜上所述，不同溫度作用下，細菌的活性受到不同程度的影響。溫度變化，細菌活性隨之改變，溶液中消耗鈣離子的數(shù)量改變，生成碳酸鈣沉淀含量相應(yīng)減少或增多，土體改善效果也在不斷變化。

1.2.3 pH值

pH值是影響MICP中細菌活性的重要因素之一。微生物的生存條件都會受到pH的影響，pH值較高或較低會使酶的活性喪失，從而無法正常參與生物化學(xué)反應(yīng)，有利于酶的最佳活性在一定的pH范圍內(nèi)。Whiffin等研究發(fā)現(xiàn)微生物溶液的pH值在6.0～8.5之間酶活性最佳，并且在此范圍內(nèi)對脲酶活性影響可以忽略不計。王緒民等[16]通過控制不同的pH值進行膠結(jié)砂土試驗，實驗結(jié)果表明產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀量在pH為7時方解石平均產(chǎn)量明顯較低，而pH在8和9時方解石平均產(chǎn)量較高且兩者較接近；趙茜分別對比pH值在6,7,8,9,10,11的情況下細菌數(shù)量和脲酶活性,實驗研究表明，pH值在6～9時，酶的活性最高,pH值在10,11時，酶的活性隨之減少。

環(huán)境pH值對巴氏芽孢桿菌的生長繁殖有一定影響,巴氏芽孢桿菌在弱堿環(huán)境下的耐受性較強。在MICP過程中，尿素水解不斷生成氨氣，使得溶液環(huán)境的pH值不斷上升，細菌對酸堿較強的適應(yīng)性有利于其在實際工程中的應(yīng)用。

1.2.4 其他影響因素

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀生成量不僅與鈣源、溫度和pH值有關(guān)，而且研究發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣的生成量與顆粒粒徑、固化方式以及注漿方法等多種因素相關(guān)。崔明娟等[17]選用3種不同顆粒粒徑范圍的砂土進行微生物固化處理，從宏觀角度分析顆粒粒徑對微生物固化效果的影響，結(jié)論得出砂土顆粒粒徑對微生物固化試樣的無側(cè)限抗壓強度有顯著影響，顆粒間孔隙較大易被碳酸鈣晶體填充密實；梁仕華等[18]采用4種不同的固化方式來固化砂土，對固化后的砂柱進行觀測與試驗，得出采用一定速度的分步灌漿方式，可使砂土的固化效果要優(yōu)于浸泡方式的固化效果；張繼生等[19]分析探討了低濃度細菌分次注入和高濃度細菌一次注入這兩種不同的注漿方法對MICP技術(shù)固化效率的影響，研究結(jié)果得出相同細菌濃度下，低濃度細菌分次注入所形成的固化砂柱其CaCO3分布更為均勻，且強度更高，而高濃度得出的效果次之；張海麗等[20]分析比較了連續(xù)運行和間斷運行兩中不同膠結(jié)方式下MICP膠結(jié)砂柱的差異性，得出通過連續(xù)運行膠結(jié)方式得到了完整的砂柱，而間斷運行膠結(jié)方式得到了局部的砂柱，故連續(xù)運行的膠結(jié)方式更適合與實際的應(yīng)用。

2 MICP技術(shù)的應(yīng)用

2.1 防滲封堵

實際工程應(yīng)用中，土體不是完全適宜施工的條件，工程中會出現(xiàn)各種土體問題，例如土體滲水，地基會因流土或管涌導(dǎo)致強度和穩(wěn)定性降低，甚至導(dǎo)致建筑物的開裂與傾塌。滲漏水治理方案是滲漏治理施工的先決條件，施工中通常采用灌漿的方法，利用化學(xué)材料灌漿填充土體顆?？紫叮_到防滲、堵漏、補強、加固的目的[21]。然而采用化學(xué)灌漿的材料大部分屬于有毒物質(zhì)，對周圍植物和環(huán)境造成破壞，不利于綠色環(huán)保的理念。故近年來微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)廣泛應(yīng)用于解決土體滲漏的工程問題中。

MICP技術(shù)產(chǎn)生的碳酸鈣可以填充土體顆粒間的孔隙，從而降低滲透性，實現(xiàn)防滲封堵的目的。大量研究數(shù)據(jù)表明，土體內(nèi)的微生物進行新陳代謝的生物化學(xué)反應(yīng)，可以有效降低土體滲透性。Blauw等[22]利用MICP對滲漏堤壩進行現(xiàn)場試驗，將膠結(jié)液灌注滲漏堤壩，經(jīng)過一段時間后，堤壩的滲漏量減少，防滲效果顯著。Ramakrishnan等研究分析修復(fù)后構(gòu)件的耐久性，結(jié)果顯示修復(fù)后構(gòu)件的抵抗酸堿環(huán)境的能力增強，抗?jié)B性能也顯著提高[23]。劉璐等[24]利用MICP技術(shù)噴灑處理堤壩模型試樣，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)堤壩模型的外部形成一層堅硬的白色碳酸鈣外殼，厚度可達20 mm～30 mm，水槽試驗后膠結(jié)液無法深入模型下層，成功起到了防滲封堵的保護目的。堤壩模型表面碳酸鈣外殼示意圖見圖2。

2.2 裂隙修復(fù)

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀膠結(jié)是一項打破了傳統(tǒng)混凝土修復(fù)技術(shù)的局限性，且優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土修復(fù)的綠色環(huán)保新型技術(shù)。將微生物和營養(yǎng)物質(zhì)填充到裂隙中，微生物礦化作用不斷產(chǎn)生碳酸鈣，填充裂隙，實現(xiàn)對微小裂隙的修復(fù)[25]。1973年至今，研究人員通過不斷地努力，做出大量的試驗研究，利用MICP技術(shù)修復(fù)水泥基材料、文物等，并取得了優(yōu)良的效果。李沛豪等[26]通過微生物修復(fù)加固大理石，試驗得出試樣表面碳酸鈣礦化沉積、形成薄層，并達到了保護目的；Tittelboom等[27]利用MICP技術(shù)對帶有裂縫的混凝土構(gòu)件進行試驗分析，結(jié)果顯示，混凝土構(gòu)件的裂縫中有大量碳酸鈣沉積，修復(fù)后構(gòu)建的滲透性明顯降低。侯宏濤[28]進行了微生物修復(fù)裂縫混凝土的現(xiàn)場試驗，觀察分析微生物灌漿后水平裂縫和豎直裂縫的變化情況，得出修復(fù)后的混凝土裂縫被白色碳酸鈣填充，且達到了較好的防滲封堵效果；錢春香等進行了MICP技術(shù)修復(fù)后裂隙構(gòu)建的強度試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與未修復(fù)的裂縫構(gòu)件相比，養(yǎng)護28 d的裂隙修復(fù)構(gòu)件抗壓強度提高了約80%。MICP技術(shù)修復(fù)混凝土表面裂隙及碳酸鈣覆蓋SEM示意圖如圖3所示。

2.3 土體加固

MICP技術(shù)最早應(yīng)用于多孔介質(zhì)材料，該技術(shù)隨著研究的推廣與發(fā)展，開始應(yīng)用于土體加固方面。由于砂土顆粒大，微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣沉積在砂顆粒間，將松散沙粒膠結(jié)起來，使得砂土地基得到明顯的加固。2004年，Whiffin將MICP技術(shù)應(yīng)用于松散砂粒進行膠結(jié)固化，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可對砂土的力學(xué)特性進行改良；DeJong等采用MICP技術(shù)固化小型砂柱模型，發(fā)現(xiàn)固化后的土體的抗剪強度是未固化土體的1.7倍。隨后將MICP技術(shù)應(yīng)用到顆粒較小的土體中，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)也能很好的提高土體的抗壓強度、抗剪強度，降低滲透性能。崔芮[29]進行了MICP技術(shù)處理重塑泥巖的試驗研究，發(fā)現(xiàn)加固后試樣的膠結(jié)效果顯著，軟化性能能夠得到顯著的提升；程留全[30]從注漿速率、膠結(jié)液濃度等方面進行注漿加固粉土試樣，得出微生物固化后粉土的孔隙填充率最高達到了約60%。

3 展望

1)MICP技術(shù)在應(yīng)用中受到許多因素的影響，除溫度、pH對微生物本身的脲酶活性外，土體顆粒、加固方式等也影響該技術(shù)的工程應(yīng)用，為充分保證該技術(shù)的應(yīng)用局限性，仍需進一步探討。2)要進一步發(fā)掘新的高效礦化細菌，研究在極端環(huán)境下，如高溫高壓、低溫甚至厭氧環(huán)境下微生物的礦化機理，馴化細菌適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，提高細菌的耐受性。3)MICP技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前此技術(shù)在國內(nèi)外的研究中還不夠成熟，且在堤壩和邊坡的實際工程應(yīng)用尚鮮有，還需要不斷地進行室內(nèi)和現(xiàn)場試驗進行完善。