微生物诱导CaCO3加固土体的影响因素和应用进展★

谈刘鑫，陶 磊，王 淼，陈 阳

(1.西安理工大学，陕西 西安 710048；2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024)

在道路、管道、房屋等工程建设中，经常会遇到不良土体，如欠固结土、膨胀土、湿陷性黄土、可液化土等，对上部结构的稳定性造成严重威胁。现有的地基处理技术主要有物理加固和化学加固，其中物理加固包括换填、夯实、预压等。化学加固通常采用水泥、石灰或化学物质对土壤进行灌浆[1]，可明显改善土体的强度和稳定性，但同时易对周边的植被和环境造成损害。微生物诱导碳酸钙(MICP)已逐渐成为一项新的岩土工程技术。与传统的水泥灌浆相比，微生物诱发的碳酸钙胶结沉淀不但能改善土壤的强度、稳定性，还能满足保护环境、绿色发展的要求。同时，碳酸钙在自然界中分布最为广泛，性能稳定，强度和耐用性都较高[2]。本文拟从微生物诱导碳酸钙沉淀的反应机理、影响因素、技术应用几个方面梳理近年来该领域国内外的研究进展。

1 微生物诱导碳酸钙沉淀

1.1 反应机理

1.2 碳酸钙沉淀含量的影响因素

1.2.1 钙源

Ca2+是MICP生物化学反应的重要物质，不同的钙源在微生物作用下产生的碳酸钙沉淀量存在差异。De等[8]通过对不同钙源条件下的碳酸钙的形成进行了研究，发现钙源对碳酸钙的结晶形态有明显的影响，而对混凝土的抗渗性则没有明显的影响。Achal等[9]对氯化钙、乙酸钙、硝酸钙、氧化钙进行了研究，结果表明：在同样培养条件下，加入氯化钙的细菌反应活性较高，碳酸钙的产量最高；李成杰等[10]在MICP中添加了氯化钙、乙酸钙、乳酸钙和葡萄糖酸钙，发现不同的钙源可以产生不同的晶型碳酸钙，其中以氯化钙为钙源时，得到了最稳定的碳酸钙结晶；明道贵等[11]以风积沙为试验材料，以0.05 mol/L的氯化钙、醋酸钙、无水乳酸钙为钙源，对胶结样品中碳酸钙的分布进行了研究，以氯化钙和乙酸钙作为钙源，其效果有明显差别，以氯化钙为钙源，其无侧限压缩强度是乙酸钙的1.7倍。研究表明，与其他钙源相比，氯化钙在MICP反应中的沉积量大、强度高、渗透率低，有利于改善土体效果。

1.2.2 温度

通常，温度升高可使化学反应加速进行，对酶的催化反应也不例外。温度很低时，酶的催化反应速率很低，当温度升高时，酶的催化速率会相应升高，但当温度超过酶的最适存活温度，酶的催化效应反而会降低，生成物的产量随之减少。研究表明脲酶的最适温度是在45 ℃左右，此时最容易将尿素分解成氨。因此，不同温度作用下微生物诱导碳酸钙沉淀胶结不同，对土体的加固效果不同。Whiffin等[12]通过对温度对细菌单体脲酶活性的影响的研究提出30 ℃是尿素水解类细菌最适宜的培养温度。赵茜[13]通过研究不同温度对细菌活性和脲酶水解MICP过程的影响发现:当温度升高时，酶的活性随之显著提高，并且当温度超过30 ℃，此时脲酶活性增加更加迅速；孔繁浩等[14]通过定量分析研究了环境温度对于微生物诱导碳酸钙生成量的影响规律，认为：溶液环境下，在温度为14 ℃～36 ℃的环境下，碳酸钙生成量随着温度的升高呈上升趋势。进一步揭示了温度对巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉积的影响；彭劼[15]利用尿素水解菌ATCC 11 859，在10 ℃,20 ℃,30 ℃的环境下分别进行了MICP的一维砂柱加固试验，通过计算加固形成的砂样无侧限抗压强度，温度较低的环境下，砂柱中碳酸钙含量的检测数量越多，环境温度越高，砂柱中生成的碳酸钙含量越低。

综上所述，不同温度作用下，细菌的活性受到不同程度的影响。温度变化，细菌活性随之改变，溶液中消耗钙离子的数量改变，生成碳酸钙沉淀含量相应减少或增多，土体改善效果也在不断变化。

1.2.3 pH值

pH值是影响MICP中细菌活性的重要因素之一。微生物的生存条件都会受到pH的影响，pH值较高或较低会使酶的活性丧失，从而无法正常参与生物化学反应，有利于酶的最佳活性在一定的pH范围内。Whiffin等研究发现微生物溶液的pH值在6.0～8.5之间酶活性最佳，并且在此范围内对脲酶活性影响可以忽略不计。王绪民等[16]通过控制不同的pH值进行胶结砂土试验，实验结果表明产生的碳酸钙沉淀量在pH为7时方解石平均产量明显较低，而pH在8和9时方解石平均产量较高且两者较接近；赵茜分别对比pH值在6,7,8,9,10,11的情况下细菌数量和脲酶活性,实验研究表明，pH值在6～9时，酶的活性最高,pH值在10,11时，酶的活性随之减少。

环境pH值对巴氏芽孢杆菌的生长繁殖有一定影响,巴氏芽孢杆菌在弱碱环境下的耐受性较强。在MICP过程中，尿素水解不断生成氨气，使得溶液环境的pH值不断上升，细菌对酸碱较强的适应性有利于其在实际工程中的应用。

1.2.4 其他影响因素

微生物诱导碳酸钙沉淀生成量不仅与钙源、温度和pH值有关，而且研究发现，碳酸钙的生成量与颗粒粒径、固化方式以及注浆方法等多种因素相关。崔明娟等[17]选用3种不同颗粒粒径范围的砂土进行微生物固化处理，从宏观角度分析颗粒粒径对微生物固化效果的影响，结论得出砂土颗粒粒径对微生物固化试样的无侧限抗压强度有显著影响，颗粒间孔隙较大易被碳酸钙晶体填充密实；梁仕华等[18]采用4种不同的固化方式来固化砂土，对固化后的砂柱进行观测与试验，得出采用一定速度的分步灌浆方式，可使砂土的固化效果要优于浸泡方式的固化效果；张继生等[19]分析探讨了低浓度细菌分次注入和高浓度细菌一次注入这两种不同的注浆方法对MICP技术固化效率的影响，研究结果得出相同细菌浓度下，低浓度细菌分次注入所形成的固化砂柱其CaCO3分布更为均匀，且强度更高，而高浓度得出的效果次之；张海丽等[20]分析比较了连续运行和间断运行两中不同胶结方式下MICP胶结砂柱的差异性，得出通过连续运行胶结方式得到了完整的砂柱，而间断运行胶结方式得到了局部的砂柱，故连续运行的胶结方式更适合与实际的应用。

2 MICP技术的应用

2.1 防渗封堵

实际工程应用中，土体不是完全适宜施工的条件，工程中会出现各种土体问题，例如土体渗水，地基会因流土或管涌导致强度和稳定性降低，甚至导致建筑物的开裂与倾塌。渗漏水治理方案是渗漏治理施工的先决条件，施工中通常采用灌浆的方法，利用化学材料灌浆填充土体颗粒孔隙，达到防渗、堵漏、补强、加固的目的[21]。然而采用化学灌浆的材料大部分属于有毒物质，对周围植物和环境造成破坏，不利于绿色环保的理念。故近年来微生物诱导碳酸钙沉淀技术广泛应用于解决土体渗漏的工程问题中。

MICP技术产生的碳酸钙可以填充土体颗粒间的孔隙，从而降低渗透性，实现防渗封堵的目的。大量研究数据表明，土体内的微生物进行新陈代谢的生物化学反应，可以有效降低土体渗透性。Blauw等[22]利用MICP对渗漏堤坝进行现场试验，将胶结液灌注渗漏堤坝，经过一段时间后，堤坝的渗漏量减少，防渗效果显著。Ramakrishnan等研究分析修复后构件的耐久性，结果显示修复后构件的抵抗酸碱环境的能力增强，抗渗性能也显著提高[23]。刘璐等[24]利用MICP技术喷洒处理堤坝模型试样，研究结果发现堤坝模型的外部形成一层坚硬的白色碳酸钙外壳，厚度可达20 mm～30 mm，水槽试验后胶结液无法深入模型下层，成功起到了防渗封堵的保护目的。堤坝模型表面碳酸钙外壳示意图见图2。

2.2 裂隙修复

微生物诱导碳酸钙沉淀胶结是一项打破了传统混凝土修复技术的局限性，且优于传统混凝土修复的绿色环保新型技术。将微生物和营养物质填充到裂隙中，微生物矿化作用不断产生碳酸钙，填充裂隙，实现对微小裂隙的修复[25]。1973年至今，研究人员通过不断地努力，做出大量的试验研究，利用MICP技术修复水泥基材料、文物等，并取得了优良的效果。李沛豪等[26]通过微生物修复加固大理石，试验得出试样表面碳酸钙矿化沉积、形成薄层，并达到了保护目的；Tittelboom等[27]利用MICP技术对带有裂缝的混凝土构件进行试验分析，结果显示，混凝土构件的裂缝中有大量碳酸钙沉积，修复后构建的渗透性明显降低。侯宏涛[28]进行了微生物修复裂缝混凝土的现场试验，观察分析微生物灌浆后水平裂缝和竖直裂缝的变化情况，得出修复后的混凝土裂缝被白色碳酸钙填充，且达到了较好的防渗封堵效果；钱春香等进行了MICP技术修复后裂隙构建的强度试验，结果发现与未修复的裂缝构件相比，养护28 d的裂隙修复构件抗压强度提高了约80%。MICP技术修复混凝土表面裂隙及碳酸钙覆盖SEM示意图如图3所示。

2.3 土体加固

MICP技术最早应用于多孔介质材料，该技术随着研究的推广与发展，开始应用于土体加固方面。由于砂土颗粒大，微生物诱导生成的碳酸钙沉积在砂颗粒间，将松散沙粒胶结起来，使得砂土地基得到明显的加固。2004年，Whiffin将MICP技术应用于松散砂粒进行胶结固化，发现该技术可对砂土的力学特性进行改良；DeJong等采用MICP技术固化小型砂柱模型，发现固化后的土体的抗剪强度是未固化土体的1.7倍。随后将MICP技术应用到颗粒较小的土体中，发现该技术也能很好的提高土体的抗压强度、抗剪强度，降低渗透性能。崔芮[29]进行了MICP技术处理重塑泥岩的试验研究，发现加固后试样的胶结效果显著，软化性能能够得到显著的提升；程留全[30]从注浆速率、胶结液浓度等方面进行注浆加固粉土试样，得出微生物固化后粉土的孔隙填充率最高达到了约60%。

3 展望

1)MICP技术在应用中受到许多因素的影响，除温度、pH对微生物本身的脲酶活性外，土体颗粒、加固方式等也影响该技术的工程应用，为充分保证该技术的应用局限性，仍需进一步探讨。2)要进一步发掘新的高效矿化细菌，研究在极端环境下，如高温高压、低温甚至厌氧环境下微生物的矿化机理，驯化细菌适应各种恶劣环境，提高细菌的耐受性。3)MICP技术在岩土工程领域具有广阔的应用前景，但目前此技术在国内外的研究中还不够成熟，且在堤坝和边坡的实际工程应用尚鲜有，还需要不断地进行室内和现场试验进行完善。