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(jì)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(yán)重威脅。現(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(shí)、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(jìn)行灌漿[1]，可明顯改善土體的強(qiáng)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(qiáng)度、穩(wěn)定性，還能滿足保護(hù)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(qiáng)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(jī)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(jìn)展。

1 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀

1.1 反應(yīng)機(jī)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(yàn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(xì)菌單體脲酶活性的影響的研究提出30 ℃是尿素水解類細(xì)菌最適宜的培養(yǎng)溫度。趙茜[13]通過研究不同溫度對細(xì)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(rèn)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(jìn)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(jìn)行了MICP的一維砂柱加固試驗(yàn)，通過計算加固形成的砂樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(xì)菌的活性受到不同程度的影響。溫度變化，細(xì)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(xì)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(jìn)行膠結(jié)砂土試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(xì)菌數(shù)量和脲酶活性,實(shí)驗(yàn)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(qiáng)。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(xì)菌對酸堿較強(qiáng)的適應(yīng)性有利于其在實(shí)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(jìn)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(qiáng)度有顯著影響，顆粒間孔隙較大易被碳酸鈣晶體填充密實(shí)；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(jìn)行觀測與試驗(yàn)，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(xì)菌分次注入和高濃度細(xì)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(xì)菌濃度下，低濃度細(xì)菌分次注入所形成的固化砂柱其CaCO3分布更為均勻，且強(qiáng)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(yùn)行和間斷運(yùn)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(yùn)行膠結(jié)方式得到了完整的砂柱，而間斷運(yùn)行膠結(jié)方式得到了局部的砂柱，故連續(xù)運(yùn)行的膠結(jié)方式更適合與實(shí)際的應(yīng)用。

2 MICP技術(shù)的應(yīng)用

2.1 防滲封堵

實(shí)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(qiáng)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?，達(dá)到防滲、堵漏、補(bǔ)強(qiáng)、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(shí)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(jìn)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(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，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(qiáng)，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(dá)20 mm～30 mm，水槽試驗(yàn)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(hù)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(shí)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(yàn)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(yàn)得出試樣表面碳酸鈣礦化沉積、形成薄層，并達(dá)到了保護(hù)目的；Tittelboom等[27]利用MICP技術(shù)對帶有裂縫的混凝土構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)行了微生物修復(fù)裂縫混凝土的現(xiàn)場試驗(yàn)，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(dá)到了較好的防滲封堵效果；錢春香等進(jìn)行了MICP技術(shù)修復(fù)后裂隙構(gòu)建的強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與未修復(fù)的裂縫構(gòu)件相比，養(yǎng)護(hù)28 d的裂隙修復(fù)構(gòu)件抗壓強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，降低滲透性能。崔芮[29]進(jìn)行了MICP技術(shù)處理重塑泥巖的試驗(yàn)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(jìn)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(dá)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(jìn)一步探討。2)要進(jìn)一步發(fā)掘新的高效礦化細(xì)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(jī)理，馴化細(xì)菌適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，提高細(xì)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(shí)際工程應(yīng)用尚鮮有，還需要不斷地進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行完善。