基于MICP技术的再生骨料改性研究综述

李宗源，崔皓楠，程海丽

（北方工业大学 土木工程学院，北京100144）

伴随着我国经济水平的快速发展，城市化进程不断加快，大规模的改造、拆迁是城市焕发活力的必由之路，但与之相伴的是大量建筑垃圾的产生。调查显示，2020年底，我国建筑垃圾总量预计突破30 亿t，但这些建筑垃圾资源化处置率仅为10%[1]。建筑垃圾最常见的处理方式是掩埋或异地堆放，这些处理方式在污染环境、占用土地的同时，也造成了大量的资源浪费，将建筑垃圾重新加工成再生骨料用于混凝土的生产是建筑垃圾有效利用的重要途径之一[2]。然而，再生骨料由于破碎过程中的损伤及表面砂浆的附着，存在孔隙率高、吸水性大、强度低、表面开裂等缺陷[3]，且砂浆-骨料过渡区界面孔隙率高强度低，导致再生骨料与天然骨料的性能存在差异[4]。 如何去除或者提高表面附着砂浆的强度成为再生骨料改性技术关键。目前，再生骨料的改性主要有物理改性和化学改性两种方式。

物理改性指使用破碎、研磨等手段去除再生骨料表面附着的砂浆，达到提高再生骨料强度的目的。目前主要使用的方法有立式偏心轮研磨法[5]、卧式研磨法[6]、加热研磨法[7]及颗粒整形强化法[8]。化学改性指采用化学浆液浸渍、CO2强化等处理方式，强化或去除其表面附着的砂浆，提高再生骨料的性能。如，程海丽[9]等采用不同浓度的水玻璃溶液浸渍再生骨料，探究再生骨料强化的最优试验条件。蒲云辉[10]等使用高浓度CO2加速再生骨料内部的碳化反应，试验结果表明，CO2处理后再生骨料的物理性能、力学性能等均得到显著改善。

然而，物理改性会不可避免地对再生骨料造成二次伤害，化学改性大多使用化学浆液封堵再生骨料表面裂缝，且部分化学试剂对人体及环境有害。所以，基于微生物矿化的再生骨料强化成为再生骨料改性研究的热点。

1 微生物矿化沉积技术概述

微生物矿化沉积（Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP）技术是指自然环境中的某些微生物在特定的环境中能通过自身新陈代谢生成碳酸钙沉淀，选择性地修复介质中的孔隙，改善多孔材料的性能，修复混凝土表面裂缝[11]。

1973年，Boquet[12]等研究发现在特定的环境下，微生物通过自身的矿化沉积作用，可作为成核点不断生成方解石晶体，最终成为碳酸钙沉淀填充周围孔隙，修复混凝土裂缝。后续的研究中，Bang[13]，Wwitor[14]等人在此基础上，通过大量试验探究微生物种类、载体数量及类别、营养液配比等因素对MICP 技术修复混凝土裂缝的影响。Dick[15]等使用MICP 技术修复石灰石表面缺陷，试验结果表明，MICP 技术可有效改善石灰石表面吸水率，这一试验结果进一步促进了MICP 技术用于再生骨料的强化改性。

邱继申[16]等的研究表明，合理控制试验温度、pH值等试验条件可提高MICP 技术对再生骨料的强化效果，朱亚光[4]等人通过使用多种类型的微生物处理再生骨料，综合分析微生物矿化对再生骨料性能的影响。对于强化后再生骨料的应用，徐培蓁[17]、王瑜玲[18]等人使用强化后的再生骨料配制砂浆，通过纳米压痕试验和抗压与抗折强度试验，系统研究了MICP 强化后的再生骨料对砂浆性能的影响。

2 微生物矿化沉积对再生骨料物理力学性能的影响

物理力学性能是影响再生骨料综合性能和实际应用的重要指标，也是决定再生骨料混凝土性能的关键因素，因此，从表观密度、吸水率和压碎指标3 个方面，分析MICP 技术对再生骨料物理力学性能的影响。

2.1 对表观密度的影响

再生骨料表观密度的变化可以反映MICP 技术处理后骨料表面碳酸钙晶体的生成数量，从一定程度表征MICP 技术对再生骨料的强化效果。

郝小虎[19]等选用多种钙源配置浓度不同的胶结液，使用真空浸渍吸附法改性再生骨料，分析不同钙源与Ca2+浓度对改性后再生骨料性能的影响。试验结果表明，微生物矿化改性后的再生骨料表观密度有明显提高，其中，氯化钙为钙源时表观密度提高最为显著，为2 563 kg/m3，高于规范《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14658—2001）中的要求；另外，MICP 技术处理后再生骨料的表观密度随着Ca2+浓度的增加呈现先增大后减小的趋势，当Ca2+浓度为0.7 mol/L 时获得最大值，说明Ca2+浓度过高会影响微生物正常新陈代谢，降低碳酸钙的沉积数量。

张京旭[20]等选取巴氏芽胞八叠球菌制作微生物胶结液，采用浸泡法强化再生骨料，并设置清水对照试验，分析浸泡时间不同对再生骨料表观密度的影响。试验结果表明，MICP 浸泡的再生骨料表观密度明显高于对照组，浸泡3 d，7 d，10 d 后，表观密度的增长率分别达到6.8%，9.4%，10.8%。说明MICP 技术处理能有效提高再生骨料表观密度，但随着浸泡时间的增长，胶结液中的菌类活性逐渐降低，强化效果逐渐减弱。朱亚光[21]采用DSM8715 菌种进行了与上述试验相同的研究，试验结果显示，处理后的再生骨料表观密度提高1.2%。两人的试验说明微生物的选取对再生骨料的强化效果有一定的影响，但都对再生骨料的性能有一定改善。

2.2 对吸水率的影响

MICP 技术处理后再生骨料吸水率的变化，反映出微生物矿化生成的碳酸钙对骨料表面孔隙和缺陷的封堵情况，是表征再生骨料性能变化的重要指标之一。

朱亚光[22]等使用DSM8715 菌种和嗜碱芽孢杆菌H4 处理不同粒径（d≤5 mm，5～10 mm，10～20 mm）再生骨料，研究MICP 技术对再生骨料吸水率的影响。试验结果显示，MICP 处理后再生骨料吸水率有明显降低，降低量最高可达到2%，但随着再生骨料粒径的增大，吸水率的降低量逐渐减小，当粒径为10～20 mm时，处理后再生骨料吸水率降低量仅为0.61%。张晓彤[23]的试验也得到了相同的变化规律，表明再生骨料粒径越小，MICP 对骨料表面缝隙和缺陷的封堵效果越好，矿化改性的效果也越好。

郝小虎[24]、张京旭[20]调整了再生骨料使用MICP 技术强化改性的时间，通过对照试验探究MICP 技术矿化改性时间对再生骨料吸水率的影响，两人的试验结果都显示，再生骨料的吸水率随着MICP 技术处理时间的延长而降低，说明MICP 技术处理可有效封堵骨料表面裂缝；但随着处理时间的增长，再生骨料吸水率的降低率逐渐降低，这与表观密度的变化曲线相似，说明随着处理时间的延长，菌类的活性逐渐降低，表面裂缝的修复效率逐渐降低。

2.3 对压碎指标的影响

压碎指标的变化是表征MICP 技术处理后再生骨料强度变化的关键数据，是综合评定再生骨料性能的关键指标之一。

吴延凯[11]在其试验中选用不同微生物对不同粒径再生骨料进行强化，分析其试验结果，不同细菌对再生骨料压碎指标影响差别较大，但总体来说，均使再生骨料压碎指标得到一定程度的改善。随着再生骨料粒径的增加，压碎指标降低率逐渐降低，当粒径≤5 mm 时，压碎指标降低率最高可达26.4%，这一数值在粒径增大为10～20 mm 时只有18.4%，这一趋势与吸水率、表观密度的变化规律基本一致，说明由于菌种活性的降低，过长时间的浸泡，对再生骨料强度的改善效果已不明显。

由于矿化试验选用细菌多为好氧菌，朱亚光[25]等人对MICP 技术浸泡再生骨料工艺进行改进，通过改变浸泡时的覆膜情况以及再生骨料在胶结液中的位置，研究氧气对再生骨料强化效果的影响。试验结果显示，未覆膜处理的再生骨料压碎指标降幅相对于覆膜组平均提高2%，且两组试验中，胶结液中部的再生骨料压碎指标降幅相较于底部和上部分别提高8%和4%，说明氧气的参与强化了微生物对再生骨料的矿化效果，有利于促进再生骨料压碎指标等性能的优化。

3 结语

MICP 技术用于再生骨料改性强化，既健康环保，又可有效利用建筑垃圾，完全符合建筑行业可持续发展的要求，具有广阔的应用价值。对MICP 技术用于再生骨料改性研究进行总结分析，以表观密度、吸水率、压碎指标为考察指标，分析MICP 技术对再生骨料性能的影响，结果显示如下。

（1）MICP 技术处理后的再生骨料各项性能均得到有效改善，说明微生物矿化沉积的碳酸钙对骨料裂缝和缺陷实现了有效的封堵；

（2）随着时间的增加，菌种的活性降低导致再生骨料的强化效率逐渐降低，所以，使菌种维持活性对再生骨料的强化研究至关重要；

（3）目前，基于MICP 技术的再生骨料改性处理时间多在10 d 甚至更长，如何配制强化效率更高的胶结液，降低处理时间，是MICP 技术研究的一个方向。