微生物注浆修复混凝土结构在海洋工程中的应用研究

蔡 鑫，徐 赞，曹 鑫，何曼佳，贾述祥

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

0 前 言

随着我国海洋开发的不断深入，以海底隧道、跨海大桥和海上人工岛为代表的海洋工程建设得到了飞速发展。在享受发展福利的同时，这类工程建设对海洋生态环境会造成负面影响。以跨海大桥为例，其修筑在海床上的桥墩基础部分对海床的占用是永久性的，因此，会对该区域的海洋底栖生物生存环境造成永久性的破坏[1]。海洋工程施工过程中会使海水中悬浮物质含量大大增加，这些悬浮颗粒会影响鱼类的正常生存。

现有的研究表明，海水会对钢筋混凝土结构会造成损伤：海水中含有大量的Cl-离子等，由于混凝土结构长期浸泡在海水中，其碱骨料会与酸根离子反应从而造成混凝土的裂缝、剥落和强度降低等损伤，并进一步腐蚀钢筋，从而降低结构的承载力和使用性能，任由其发展将会对海洋工程结构的安全和正常运行使用造成威胁[2]。

传统的钢筋混凝土结构修复手段急需改进与提高。目前混凝土结构的修复较多采用水泥浆修复和化学注浆修复。水泥注浆法是将浆液注入病害位置以达到修复效果，但水泥浆液会使周围水体形成一定范围的碱性环境，在海洋中会造成严重的污染，危害区域的生态平衡[3]。

现有一种微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP Microbially Induced Calcite Precipitation)技术，其原理是利用自然界的一些无害微生物，通过为其提供氮源、营养盐以及适当的培养条件来诱导碳酸钙沉积。国内外学者的研究证明，MICP技术修复混凝土损伤具有良好效果，在混凝土结构病害处迅速生成大量的碳酸钙结晶，使其被填充加固[4]。

1 海洋工程发展现状

海洋工程在目前正快速发展，我国与世界各国紧密合作进行海洋的开发利用，在进一步完善和可持续发展利用海洋工作资源的同时也要减少工程建设带来的破坏。在我国，在建和以已建成的跨海大桥、海上人工岛、海港港码头和海底隧道工程体量巨大，为我国海洋经济发展提供了强大推力，是海洋经济飞速发展背景下不可或缺的重要组分。但在这类海洋工程的建设中不可避免地会与海洋生态保护存在矛盾与冲突点。如何协调好二者间的关系是推进工程技术进步的关键。

2 MICP的原理

微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)是自然界普遍存在的一种生物诱导的矿化作用，其原理是利用某些特定的微生物，通过为其提供适当的培养条件，促使微生物诱导Ca2+沉积生成碳酸钙晶体(见图1)。

图1 微生物诱导碳酸钙沉淀示意图

(1)

(2)

用于修复混凝土裂缝时，生成的碳酸钙沉淀物会附着在填充的物质上，对破损、开裂部位建立新的粘结关系，并在粘结处形成一定强度，从而阻止结构病害的进一步发展，达到对混凝土结构的修复效果。

3 MICP应用于土木工程研究现状

MICP法是近新兴起的一种用于土体加固和圬工结构修补的注浆技术，大量的专家学者在推动MICP应用于土木工程的进程中做了大量的理论与实验研究。模型实验方面，程晓辉研究MICP法在液化砂土地基处理中有效性，动三轴试验结果表明：MICP固化砂样UCS强度在0.3～2 MPa，相对于常规的化学注浆加固地基，固化砂样的抗压强度提升明显，且固化时间控制降低；通过室内的模型振动台模型试验：在地震等级为强震的作用下，运用微生物灌浆与碎石桩挡墙加固的松砂地基能抵御在地震中地基的抗液化性能，碳酸钙在土颗粒孔隙中的分布状态(见图2)。

图2 碳酸钙在土颗粒孔隙中的示意图

赵茜利用巴氏芽孢杆菌催化尿素水解进行MICP加固土壤的一系列研究。首先通过分析研究这一过程涉及到的化学反应，筛选对MICP影响较为明显的因素，主要有：脲酶活性，尿素浓度，钙离子浓度和pH值。通过实验分析了上述因素和养护条件对MICP固化土壤的影响，给出了适宜条件参数。最后，通过使用一种新型的模具，对比了细菌和人工提取脲酶MICP固化土壤的效果，发现细菌的固化效果明显优于人工提取脲酶。王亚奇等通过微生物诱导碳酸钙沉积方法、环氧胶法和聚合物水泥法三种不同加固方法混凝土中的对带裂缝加固，并通过实验来测试修补后混凝土的相关力学性能和常规环境下的耐久性能分析。实验的结果分析，MICP加固法修补后的混凝土可达到一般混凝土力学性能约70%的强度，实际加固的结果比环氧胶液、聚合物水泥材料方法略差；在工程耐久性方面MICP修补液与环氧胶液、聚合物水泥效果相接近。钱春香等通过裂缝仪、电镜和热重分析方法分别对存在混凝土裂缝的微生物自修复对比研究。分析结果表明：在混凝土裂缝修补后，混凝土裂缝在微生物矿化产生的碳酸钙凝胶修复，实际效果较好，其中最大填充裂缝宽度约1 mm。在实验中微生物矿化产生碳酸钙分布于裂缝开口处较多，同时在裂缝深度增加时碳酸钙量逐渐减少。

现场试验方面，2010年代尔夫特理工大学的学者首次将MICP法用于加固地基土的现场试验，并取得了良好的加固效果；在国内，杨钻将微生物注浆用于加固劣化古建砖石砌体，模拟其常见裂缝、缺失、空鼓的病害，并进行了现场试验，结果表明MICP法对劣化砖石砌体有良好的加固效果。

4 MICP应用于海洋工程研究现状

MICP应用于海洋工程是一个新兴方向，目前国内外只有少数学者对此进行了研究分析，且多是通过模型试验和基础研究论证MICP应用与海洋工程的可行性。

徐宏殷等对MICP应用于围海造陆工程进行了初步研究，在实验室内对围海造陆围堰中的表层地基铺设黑砂加固处理进行了模拟，实验显示MICP法可达到快速加固的效果，10 cm砂柱的无侧限抗压强度达到1.91 MPa，能满足工程要求，并大大节约用砂量。唐阳等对MICP珊瑚礁生态修复技术进行了试验研究，研究结果表明：MICP技术对珊瑚砂基质有良好的胶结加固效果，用于为珊瑚生长提供海床的基底具有可行性。刘璐等设计了将MICP应用于加固堤坝表层的模型实验，将配制好的菌液喷洒在堤坝模型表面，待自然固化后进行冲刷试验。试验结果表明：未经处理的堤坝模型在15 s内被冲刷破坏，而使用MICP法处理过后的堤坝模型在10 cm/s流速下可长时间抵抗冲刷。对模型切样进行物理力学特性的试验研究。试样的密度由初始的1.6 g/cm3提高至2.1 g/cm3；无侧限抗压强度高达9 MPa；渗透系数从初始的4×104m/s降低至7.2×107m/s；试样中生成的碳酸钙含量占试样重量的18%左右。由此说明了微生物注浆技术在加固堤坝表层方面具有巨大的潜在价值。

5 结 论

1)MICP法修复海洋工程混凝土结构能达到强度要求，修复部分的耐久性与水泥注浆修复、化学注浆修复效果相当，且MICP法具有环保、低能耗的优点。

2)综合修复效果、环保性能等各方面来看，MICP注浆应用于海洋工程混凝土修复具有可行性。

3)在海水环境下进行微生物注浆会削弱微生物活性从而降低修复效果，因此，现有的注浆手段仍有待创新。

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