MICP固化土体影响因素研究进展

赵蒙 邓瑞 谭博仁 张旭 杨美林

摘 要：利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术加固土体近年来越来越受到研究者的关注，但关于温度、颗粒粒径和浓度等因素对MICP固化土壤的影响的相关研究规律总结尚不充分.为了进一步提高MICP技术固化土体的效率，从对各种影响因素的试验研究出发，总结了3种影响因素在微生物固化土体反应进程中的相关结论.发现提高菌液浓度能增大碳酸钙产量，而浓度过高会抑制脲酶活性，对固化效果产生反作用；应用MICP技术的温度为30 ℃时，菌液活性与碳酸钙产量等方面达到最佳；选用颗粒级配良好的土体试样能较大程度提高改良土体的强度，加固效果更好，有效粒径范围为10～1 000 μm，但颗粒级配的影响程度研究尚不够深入，需要进一步加以研究.

关键词：浓度;温度;颗粒粒径;MICP

中图分类号：TU472

文献标志码：A

文章编号：1004－5422（2023）03－0307－05DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.03.013

0 引 言

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术固化土体的方法作为一种新型的土体加固与修复技术，比传统的固化土体技术具有更经济、简单、绿色的特点，因此逐渐受到研究者的重视.目前，国内外研究者对MICP技术固化土体效果的各种影响因素已经进行了大量的试验研究，比如浓度、环境温度和颗粒粒径等因素对脲酶活性、碳酸钙（CaCO3）生成量、CaCO3晶体形态，以及土体试样的强度等方面的具体影响，能在一定程度上推进MICP技术在土体固化领域的应用.研究人员通过对不同浓度、不同温度和不同颗粒粒径的土体颗粒级配分别进行试验，主要测试了固化后试样的无侧限抗压强度、渗透系数、孔隙率、CaCO3沉淀量等改良土体性质的主要影响参数.然而，对于这些主要影响因素的试验研究目前尚没有统一的规律总结，本文通过结合相关的研究成果，深入分析了各个试验对不同因素的研究，较为统一地总结了浓度、环境温度和颗粒级配对MICP固化土体的影响，对于MICP固化土体的研究具有一定意义，为以后研究MICP技术的参数变量提供参考依据.

1 MICP作用机制

MICP固化土体首先是把微生物（例如巴氏芽孢杆菌）注入土体，然后微生物依附于土体生长繁殖，微生物代谢作用会产生大量的负离子使细胞表面带负电荷，从而能够吸附Ca2+，经过代谢作用后产生脲酶，同时脲酶水解尿素后会产生NH+和CO2-3，在NH+营造的碱性环境下CO2-3和Ca2+相结合生成CaCO3（见图1），当CaCO3沉积到一定的程度后，与土颗粒相结合形成一个整体，以此改变土体的物理性质和化学性质，最终实现土体固化的目的（见图2）［1］.

2 浓 度

浓度是影响MICP技术固化土体应用的重要因素之一，这里主要包括菌液浓度和胶结液浓度，胶结液主要为尿素和Ca2+源的混合液，通过改变配比研究胶结液对MICP固化土体的影响.不同物质的濃度对CaCO3生成量、晶体形貌、稳定性与脲酶活性等方面具有较大影响.

2.1 菌液浓度

李娜等［2］通过微生物灌浆试验研究不同菌液浓度对固化砂土的影响，设置不同的菌液浓度进行灌浆试验，结果发现，随着菌液浓度的增加，菌液的活性有了明显升高，砂柱抗压强度逐渐提髙，渗透系数逐渐减小，菌液浓度在5～15 mol/L时，结晶体生长比较充分，微生物结晶体包裹更好，加固的效果达到最优.菌液浓度密切影响着脲酶的浓度，而相同浓度的脲酶溶液和巴氏芽孢杆菌菌液，在反应过程中反应速率前者更高，一定程度上是由于菌液生成脲酶用于反应需要一定时间，但进行CaCO3沉淀的过程中，随着反应的进行，细菌的催化效果逐渐优于脲酶溶液.赵茜［3］在其他条件不变的情况下，通过增大菌液浓度或脲酶浓度，发现能有效提高尿素水解的速率，进而提高CaCO3的生成量.一般情况下，菌液浓度的取值越大，微生物固化土体的效果越好，但要考虑到工程的实用性，对于不同的工程要求，菌液浓度应该有所差异.李彬瑜［4］对砂土的研究结果表明，当对渗透性有较高需求时，则菌液浓度的OD600值取1.5左右最佳；若对砂土强度有较高的需求时，那么菌液浓度OD600值最好取2左右.

2.2 胶结液浓度

不同的Ca2+浓度对CaCO3晶体沉淀、沉淀的效率与晶体的质量有较大的影响.李成杰等［5］将不同浓度的氯化钙（CaCl2）溶液与一定浓度尿素溶液反应诱导CaCO3沉积，研究结果表明，随着CaCl2溶液浓度逐渐增加，CaCO3晶体的质量先上升后下降，且CaCl2溶液浓度越高，CaCO3晶体质量越少［5］.但Ca2+作为生成CaCO3的原料，对脲酶的活性有一定的限制作用.赵茜［3］研究Ca2+浓度的影响程度时，设置0～2.00 mol/L浓度的CaCl2和尿素混合液各13.5 mL，尿素浓度为2.00 mol/L，加入细菌溶液反应0.5 h后，可以发现，随着CaCl2溶液浓度的增加，脲酶的活性逐渐降低，表明了高浓度的CaCl2溶液对脲酶活性有明显的抑制作用.与此同时，Ca2+浓度对反应后生成的CaCl2晶型有一定的影响，王瑞兴等［6］利用硝酸钙（Ca（NO3）2）进行CaCO3沉积，研究结果表明，Ca2+浓度由2mol/L降至1mol/L时，CaCl2晶体仍为方解石晶型，而颗粒形状由规则球形变为直径为10 μm左右的花簇形，尺寸变大，但结晶度有一定的提高.胡其志等［7］利用反硝化微生物进行微生物固化砂土的试验，研究结果表明，在Ca2+浓度为0.25mol/L时，Ca2+∶NO2-∶NO3-比例为1∶2∶2时的胶结液MICP灌浆效果最佳，Ca2+溶液浓度相同时，氮（N）源含量增加，能有效提高试样的强度参数.徐柳笛［8］在进行微生物固化淤泥质软土的试验中，使用体积比为1∶1的尿素和氯化钙溶液配置胶结液，研究结果显示，过高浓度的胶结液会对脲酶活性产生抑制作用，不利于MICP反应的进行，使用拌和法进行试验时，在菌液浓度为0.9 mol/L时，胶结液浓度在1～1.5mol/L时最佳.赵茜［3］发现，在一定范围内，尿素浓度的增加可以明显提高脲酶活性，将MICP应用于固化土体时，可以适当提高尿素浓度，来增强细菌的脲酶活性.

利用MICP固化土体时，增大菌液浓度能提高菌液活性，提高水解尿素的速率，增大CaCO3生成量，在进行胶结液的配置时，应该选取较为适中的Ca2+浓度，较高的Ca2+浓度会对脲酶活性产生明显的抑制作用；在有效范围内（低于1.6 mol/L）选择最大的尿素浓度，可以此提高脲酶的活性.

3 温 度

环境温度的变化对细菌的生长、繁殖和生命活动有极大的影响，间接影响到CaCO3生成的含量、晶型与晶体大小等，从而对微生物固化土体的效果产生直接影响.

赵茜［3］在进行微生物加固黏土的机制研究时，在20～35℃的温度区间内进行菌液培养，温度对巴氏芽孢杆菌的生成量有较显著的影响，并确定30 ℃为最佳培养温度；同时研究了不同温度下脲酶的活性，试验结果与已有研究一致，纯脲酶溶液的最适温度为50 ℃.张银峰等［9］通过研究不同温度下的细菌浓度和活性，也确定了30 ℃培养温度下的菌液活性和浓度最高.

已有研究表明，温度对微生物诱导CaCO3的沉积量有所影响.彭劼等［10］在低温下进行微生物诱导CaCO3沉积固化土壤试验时，设置10、14、18、21和25 ℃的温度梯度进行了MICP试管试验和MICP砂柱试验，通过研究发现，在一般的土壤环境下（10～25 ℃），温度越高，CaCO3沉淀速率越快，生成的CaCO3量越多.Nemati等［11］的研究表明，CaCO3的生成速度在温度从20 ℃提高到40 ℃时，显著增加.赵晓婉等［12］通过MICP水溶液试验和MICP注浆砂柱试验对不同稳定温度下微生物诱导CaCO3生成量进行测试，研究结果表明，在一定温度范围内，巴氏芽孢杆菌的活性都是随温度先增后减，但是不同的稳定温度下细菌活性峰值、峰值出现的时间与衰减的速率都不相同，温度越高，2组试验最终的CaCO3生成量都降低.

王瑞兴等［6］设置了5、25和50 ℃的温度梯度进行微生物沉积CaCO3试验反应研究（见表1），利用X射线衍射试验和电镜扫描观察沉积物，发现不同温度下生成的CaCO3晶体晶型和晶体形貌都不相同，稳定性也有一定的差异.彭劼等［13］设置了不同的温度梯度进行一维砂柱加固试验、细胞活性试验及MICP水溶液试验，试验结果表明（见图3），水溶液中Ca2+消耗量随时间的变化趋势和细菌活性的变化趋势一致.CaCO3的最终沉积量较小的原因主要是较高温度下细菌活性衰减较快.骆晓伟［14］通过研究发现，随着温度升高，CaCO3晶体逐渐减小，试样抗渗性、无侧限抗压强度、CaCO3含量与孔隙填充量均先增大后减小.最佳抗渗性、孔隙填充量和最高CaCO3含量对应温度均为30 ℃.由于温度对CaCO3晶体尺寸的作用，最佳强度对应温度为20～30 ℃.CaCO3含量越高，试样抗渗性和无侧限抗压强度越高.

在细菌的培养阶段，巴氏芽孢杆菌的生成量和菌液活性在30 ℃达到最高，且在30 ℃时CaCO3的生成率较高、形状规则、结晶稳定、分布均匀.因此，在进行MICP技术固化土体的研究时，最佳选择试验温度应在30 ℃左右.

4 顆粒粒径

土体的颗粒级配也是影响微生物固化效果的重要指标之一.一方面，土体颗粒要足够大，以确保反应中的化学物质能顺利通过颗粒间隙与细菌接触；另一方面，土体颗粒又需要足够小，才能使生成的CaCO3晶体能包裹土体颗粒并相互粘连在一起.但目前的MICP研究中，很多研究人员只是通过改变外部环境来对CaCO3的生成、稳定性和分布是否均匀进行研究，关于砂土颗粒自身的粒径及颗粒级配对MICP固化砂土的影响研究却很少.

崔明娟等［15］在利用MICP进行微生物固化试验时，为确定粒径大小对砂土的性能影响，选用了3种不同颗粒粒径范围的砂土，并基于无侧限抗压强度试验、孔隙体积测量和电镜扫描测试，研究结果表明，颗粒粒径较小的砂土，颗粒间孔隙更容易被CaCO3晶体填充密实，同时获得较大比例的有效CaCO3晶体，固化试样的“结构性”较强，无侧限抗压强度较高.靳贵晓等［16］对崩解性软岩残积土颗粒进行试验研究，选用了4种不同的粒径范围，研究结果表明，颗粒级配对胶结效果有较大的影响，颗粒级配良好的土体颗粒更有利于菌体的附着和CaCO3的沉积，同时CaCO3生成量直接影响到孔隙率大小和无侧限抗压强度的大小.申振龙［17］采用3种粒径的砂子进行了砂土的胶结试验，发现粒径较小的砂柱其上部CaCO3含量较高，而粒径较大的砂柱其下部CaCO3含量较高.

尹黎阳等［18］总结国内外学者研究结果得出，MICP 加固土体的有效粒径范围为 10～1 000 μm，相对密度越大，级配越好，则加固效果越好.但很多研究学者对颗粒级配影响MICP的试验结论尚不统一，具体的粒径影响固化机制还需要进一步研究.李捷等［19］利用珊瑚砂进行微生物固化试验以探究颗粒粒径对固化效果的影响时，通过不同的粒径级配分析细菌对试样的吸附性、砂试样的渗透性和强度的影响，研究表明，粒径级配和孔隙比共同影响固化土体的效果，较适中的孔隙比能更好地保证砂颗粒和细菌的黏着性和渗透性达到最优平衡，孔隙比高的级配良好试样颗粒间CaCO3黏结较少，孔隙比低的级配不良试样颗粒表面CaCO3覆盖包裹较好，颗粒间CaCO3分布更连续均匀，渗透系数较低，抗压强度较高.在研究微生物矿化岩土的作用机制时，一般利用拌和法进行试验，董帅等［20］选用3种不同颗粒粒径范围的砂土进行微生物拌和渗滤固化，并基于无侧限抗压强度试验，以及CaCO3含量、崩解率与吸水率的测试，对颗粒粒径、渗滤次数及拌和配比对微生物固化效果的影响进行分析，结果表明，试样砂粒径越小，拌和后产生的CaCO3含量越高，拌和配比为2∶8，粒径为0.3～0.6 mm时，试样的固化效果较好，抗压强度最高可达1.86 MPa，试样的CaCO3含量和抗压强度随渗滤次数增加呈非线性增长，随粒径增大强度上限呈上升趋势.

通过分析颗粒粒径对微生物固化土体的影响，可以得出，MICP固化土体有效的粒径范围为10～1 000 μm，且颗粒级配良好、孔隙比适中，生成的CaCO3强度更高、结构更稳定，土体的胶结性更好，能较大程度提高无侧限抗压强度等改良土体性能.但实际在各种土体试验中，由于环境与试验参数的不同，众多国内外研究者的结论并不统一，颗粒级配作为影响MICP固化土体的重要指标之一需继续通过分领域分类别的研究.

5 讨 论

温度对于细菌培养、菌液活性、生成CaCO3的速率和含量，以及后期CaCO3和土体颗粒的粘结都有较大的影响.对于菌液活性、细菌生成量和CaCO3生成量，均在30 ℃左右较佳，但温度对活性衰减速率也有一定的影响，从而间接影响到CaCO3最终生成量，因此在这方面仍需进一步研究.

一般情况下，菌液浓度越高，菌液活性也越高，水解尿素的速率更高.而胶结液中的浓度过高会抑制脲酶活性，使CaCO3的生成量降低，CaCO3的形态和稳定性较差，胶结液的配置中尿素可以适当提高，以此增加脲酶活性.

颗粒级配良好的砂土生成的CaCO3更加致密，且可以提供更多“有效沉积钙”的生成位置，固化后砂柱的“结构性”更强，强度特性更好，CaCO3更均匀.颗粒级配良好的砂土无侧限抗压强度和干密度更大，渗透系数和含水率更小.但由于不同试验环境中的复杂状况，国内外学者对于该因素的影响情况还没有一个统一的定论，颗粒粒径的具体影响还需分类别继续进行研究.

微生物固化土壤技术因其工期短、能耗小、造价低且绿色环保等优点，具有广泛的应用前景.具体体现在以下方面：1）防风固沙治理沙尘暴，固化山体防治滑坡泥石流等;2）应用于隧道工程、混凝土修复、防水抗渗与复杂地域施工岩土固化等;3）砂土改良、污染土修复、古建筑修复、混凝土修复与抑制飞尘等;4）可应用于软土地基的加固、液化土体的处理与生物封堵等.

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（实习编辑：罗 媛）

Abstract：The soil reinforcement technique by the Microbial Induced CaCO3 Precipitation （MICP） has increasingly attracted attention in recent years.However，the relevant research laws on the effects of factors such as temperature，grain size，and concentration on the MICP are not sufficiently summarized.To further study and enhance the efficiency of MICP technology to solidify soil，the study summarizes several important conclusions drawn in the reaction progress of microbial solidified soil based on experimental research on various influencing factors.The researches indicate that increasing the concentration of bacterial liquid can build up the yield of calcium carbonate，while the excessive concentration of calcium ions will inhibit urease activity and have a counter-effect on the curing effect.When the temperature of the MICP technology is at about 30 ℃，the activity of the bacterial liquid and the yield and morphology of calcium carbonate are the best.The selection of soil specimens with good grain composition can greatly enhance the strength of the improved soil and the reinforcement effect is better，and the effective particle size range is 10～1000 μm，but the study on the influence of the grain composition is not deep enough so that such influence needs to be further studied.

Key words：concentration;temperature;grain size;MICP

基金項目：2022年大学生创新创业训练国家级项目（202211079015）

作者简介：赵 蒙（1988—），女，博士，从事微生物诱导碳酸钙技术研究.E-mail：596698989@qq.com