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发布时间：2019-09-11 17:31所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
[摘要]微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)加固土体是近年来发展起来的新兴技术。系统总结了MICP技术的作用机理、影响加固效果因素及国内外学者对MICP技术的研究与应用情况。研究表明，MICP技术具有灌浆压力
[摘要]微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)加固土体是近年来发展起来的新兴技术。系统总结了MICP技术的作用机理、影响加固效果因素及国内外学者对MICP技术的研究与应用情况。研究表明，MICP技术具有灌浆压力小、环境友好等特点，而且能显著提高土体强度并改善砂土的孔隙结构和渗透性。针对MICP技术的研究大多局限于室内，虽然近几年其在实际工程应用有了较大的发展，但工程应用仍显不足，仍需进行深入探讨与研究。
[关键词]微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP);加固土体;影响因素;砂土;工程应用
0引言
伴随着城市发展和人口增加，基础设施的短缺已逐渐成为一个不容忽视的社会问题。然而，在基础设施的新建或扩建过程中，经常会遇到一些不能满足工程要求的土体。这个时候，必须土体加固。目前，大多数方法是通过机械能或人工材料进行土体的物理加固，但在机械施工和材料的生产过程中会消耗大量的能量。
其中，常用的土体加固方法是用水泥、石灰或化学材料进行注浆。该技术在国内已有近50年的使用历史，是工程中较为成熟的地基处理加固技术。其目的是通过将浆体注入土的孔隙中或与土混合搅拌，达成增强土的强度与降低渗透性[1]。但由于胶结颗粒粒径较大，水泥灌浆往往只适用于高压下的小型灌浆。此外，若使用水泥、石灰等传统胶结材料，会使土壤呈碱性，从而对地下水和周围植被[2]造成不利影响。
至于化学注浆材料，其具有粒径小、注浆速度快、凝结硬化率高、浆体粘度低等优点，但胶凝效果不如水泥材料。除此以外，大多数化学灌浆材料(聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸酯、酚醛树脂等)都是有毒的。因此，研究新型的土体加固方法对节能、环保、提高经济效益具有重要意义。近年来，随着微生物学、地球化学、土木工程等学科交叉研究的不断发展，一种新的技术即微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)逐渐应用于如多孔介质材料的堵漏[3-4]石材和水泥基材料表面裂缝缺陷的修复[5-6]等领域。
微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)指的是将特定微生物(如脲酶菌、反硝化菌等)注入砂土中，并为之提供丰富的钙源和氮源养分，使其快速沉淀出方解石型碳酸钙结晶[7]。与化学灌浆材料相比，具有更好的环保和耐久性。与水泥相比，微生物菌液的粘滞性较低，注浆过程中所需压力较小，使得微生物能够对砂土进行大范围、远距离加固。因此，与传统的方法相比，MICP更加环保具有更广阔的前景。本文总结了近年来岩土工程中微生物诱导沉积碳酸钙的研究进展，并论述了微生物矿化胶结机理、影响因素、研究与应用进展及未来展望。
1微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)
1.1MICP种类
微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)是自然界广泛存在的一种生物诱导矿化作用。目前，常用的微生物加固地基的措施有:尿素水解、反硝化、硫酸盐还原与铁盐还原。尿素水解MICP是通过特定的微生物在环境条件下生成可以水解尿素的脲酶，该脲酶可水解尿素为NH4+和CO32-，CO32-与培养液中的Ca2+结合生成碳酸钙沉淀。此时生成的碳酸钙沉淀即为生物水泥，达到加强土体强度的效果。
反硝化细菌的作用是将亚硝酸盐或者硝酸盐还原成氮气并生成二氧化碳，然后溶液中的碳酸根离子与钙离子结合形成碳酸钙沉淀。原位地基灌浆的过程中使用反硝化细菌进行注浆，能够同时实现治理污水和地基加固。硫酸盐还原菌将硫酸根离子还原为硫化氢并生成CO32-，碳酸根与钙离子结合形成碳酸钙。硫酸盐还原菌除了可以除了提升土体强度还可以用于石质结构表面的清理[8]。
铁盐还原菌的作用是还原Fe3+为Fe2+，Fe2+和溶液中的阳离子结合形成氢氧化合物或者碳酸盐，达到胶结的效果。铁盐还原菌不仅可以降低土体渗透性与提高抗液化的能力[9]，还可以去除被污水污染土层中的磷酸盐[10]。由于尿素水解反应体系的自由能最低，反应机制简单且过程易于控制，能够在短时间内产生大量的碳酸根离子，所以尿素参与的水解过程成为现在试验中最常用的微生物矿化加固方法。
1.2尿素水解MICP机理
尿素水解的MICP大都基于一种高产脲酶的巴氏芽孢杆菌，能以尿素为能源，通过自身新陈代谢产生大量的高活性脲酶，将尿素水解生成NH4+和CO32-。细菌细胞壁的特殊结构使得细菌表面通常带有负电荷，并不断吸附周围溶液中的Ca2+，使其聚集在细菌细胞外表面，并以细胞为晶核，在细菌周围析出碳酸钙结晶。随着碳酸钙晶体数量不断增多，细胞逐渐被包裹，使得细菌代谢活动所需的营养物质难以传输利用，最后导致细菌逐渐死亡。
反应方程式为：Ca2++Cell→Cell-Ca2+NH2-CO-NH2+2H2O2NH+4+CO2-3CO2-3+Cell-Ca2+→Cell-CaCO2由于上述过程中脲酶水解尿素产生了NH4+，使得环境pH值升高，脲酶表现出对尿素更高的活性和更强的亲和力，这也促进了碳酸钙晶体的形成。而且在整个生物矿化过程中，巴氏芽孢杆菌基本不产生毒性物质或其他副产物，而且有一个较高的细胞比表面积，这些优势都使得巴氏芽孢杆菌具备了实际应用的能力[7]。
2MICP加固土体技术
2.1加固机理
近年来的研究发现，通过利用MICP技术向砂土中灌注菌液以及尿素和CaCl2的营养液，可快速析出方解石凝胶，并将松散砂颗粒胶结成为整体。微生物胶结砂颗粒的过程为首先带有负电荷的微生物吸附在砂颗粒表面，然后以孔隙溶液中的尿素及可溶性钙盐为营养源，通过微生物诱导方解石沉积作用，便会在砂颗粒间形成胶结物质——方解石，方解石凝胶在砂粒间充当桥梁作用，最终将松散砂颗粒胶结成为具有一定力学性能的整体。
2.2影响加固效果因素
近年来的研究表明土的性质、培养环境、加固工法与样品尺寸都会对微生物加固土的效果产生影响。杨钻[11]通过试验得到不同粒径级配的填充颗粒对砂浆强度有显著的影响，单一级配的砂土对微生物砂浆的影响规律不显著。级配良好的填充颗粒强度明显优于级配不良的砂土。张优龙等[12]发现微生物加固的效果与土的性质有关;Stocks-FischerS等[13]发现，相比于其他土体，巴氏芽孢杆菌更易在砂土中活动生成碳酸钙;周东、杜静等[14-15]发现，微生物作用于黏土是利用代谢产物改变土颗粒表面的电荷电性。
作用于膨胀土时，通过代谢产物减小结合水膜的厚度，会减小黏聚力并增大内摩擦角，达到提高土体强度的效果;许朝阳等[16]发现多糖粘胶菌对提高粉土强度有显著的效果。赵茜[17]经试验研究得出：菌液和脲酶的浓度会影响尿素水解的过程，而脲酶的活性与尿素浓度呈正相关关系。AIQabanyA、OkwadhaGDO等[18-19]发现脲酶的活性同时受微生物的种类、微生物溶液的浓度、营养液中尿素浓度、Ca2+浓度、温度和pH值影响。彭劼等[20]发现不同反应时间内温度对于MICP的影响不同。
赵茜[17]在试验研究中发现，使用浸泡的方法能较好地改善加固过程中均匀性的问题。金炜枫等[21]研究发现在加固过程中利用超声波的振动可以改善被加固土体均匀性。RongH等[22]认为固定注射速率及非连续注浆方式可获得强度较高的试样。沈吉云[23]发现加固小尺寸试样需高浓度的菌液，在对大尺度砂柱进行加固时菌液的浓度则不宜过高，否则会造成加固不均匀。
3MICP加固土体研究与应用进展
3.1研究进展
澳大利亚默多克大学的Whiffin博士在2004年[24]率先提出采用微生物沉淀碳酸钙技术胶结松散砂颗粒，以提高砂土的强度和刚度等宏观力学性质。2006年Harkes等[25]提出了一种分步灌浆方法。2011年Bar'kouki等[26]发现间歇式灌浆方式更有利于获得均匀分布的碳酸钙沉积。2012年Tobler等[27]研究发现同时注入菌液和胶结溶液会使碳酸钙分布不均匀，循环注射更有利于分布均匀性的提高。
2012年Qian等[22]研究表明采用低流速注入菌液，高流速注入尿素/氯化钙胶结溶液，可以避免碳酸钙在注射口堵塞。2014年Zhao等[28]实验表明，微生物砂体强度随菌液浓度、胶结液浓度以及反应时间的增加而显著提高。同年荣辉[29]通过多次循环灌注菌液和胶结溶液成功胶结出抗压强度7.8MPa的0.5m砂柱与3MPa尺寸为0.5m×0.5m×0.5m的砂基。
3.2应用进展
微生物矿化技术在20世纪90年代开始应用于工程技术中，并取得了不错的效果。1992年多伦多大学的FerrisF等[30]公布了利用微生物成矿的技术降低地基土孔隙率的专利。这一技术应用于石油开采可以达到提高原油开采效率的目的。2001年，美国南达科他矿业技术大学的Stocks-FischerS，GollapudiUK等[13，31]发现用巴氏芽孢杆菌修补的混凝土裂缝可以恢复混凝土80%的抗压强度。2009年VanPassenLA等[32]对1100m3的砂柱进行加固，测得砂土单轴抗压强度最高可以达到12MPa。
2010年，StabnikovV等[33]首次将微生物灌浆加固技术运用于砂土加固，加固的砂土为地下3m～20m范围内100m3的土体，加固结束后砂砾胶结体中方解石含量高达6%，保障了后续水平钻孔和管道铺设时砂砾层的稳定性。国内很多学者对微生物加固不良土体提出了许多思路:庄妍等[34]于2012年提出的一种微生物加固江河岸堤生态护坡技术。胡俊等[35]于2016年提出盾构隧道端头微生物加固结构及其施工方法。同年，胡俊等提出[36]含有加热装置的微生物土系统，通过加热使微生物诱导生成碳酸钙的效率大大提高，为微生物加固土体应用于实际工程中提供了可能。
4结语
微生物矿化形成的方解石凝胶能够将松散砂颗粒胶结成为整体，显著提高了土体强度并改善了砂土的孔隙结构和渗透性。而且微生物的矿化技术具有良好的环境适应性，符合国家的可持续发展战略，反应的程度可控，可以进行大规模远距离的工程应用，因此引起了越来越多的学者的关注。微生物矿化这一技术在近年来也广泛的应用于工程实践中，并取得了良好的工程效果。对现有的微生物加固技术做了相关总结并对未来的发展作以下的展望:
(1)MICP种类有多种，微生物矿化作用使用不同微生物会有不同的矿化机理。但基于尿素水解的微生物诱导方解石沉积在自然环境中是普遍存在的，机制简单、易于控制且效率高，成为试验中最常用的微生物矿化加固方法。
(2)土的性质、培养环境、加固工法与样品尺寸都会对微生物加固土的效果产生影响。但这些研究基本上是针对室内试验，现场实际情况还需继续探讨。
(3)目前已有很多学者针对砂体内方解石分布不均问题提出了一些优化方法，而关于MICP固化砂体的耐久性(抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性等)研究还明显不足。近几十年来，微生物矿化技术在实际工程应用有了较大的发展，但是与传统的土体加固方法加固相比，工程应用仍然稍显不足。推动MICP的广泛应用尚任重道远。
参考文献
[1]Chuj,IvanovV,NaeimiM,etal.DevelopmentofmicrobialgeotechnologyinSingapore[C]//ProceedingsofGeofrontiers2011:AdvancesinGeotechnicalEngineering.Dallas:ASCE,2011:4070-4078.
[2]SherwoodP.Soilstabilizationwithcementandlime:Stateoftheartreview[M].London:HerMajesty’sStationeryOffice,1993.
[3]KantzasA,StehmeierL,MarentetteDF.Anovelmethodofsandconsolidationthroughbacteriogenicmineralplugging[C]//AnnualTechnicalMeeting.Calgary:PetroleumSocietyofCanada,1992.
[4]FerrisFG,StehmeierLG,KantzasA,etal.Bacteriogenicmineralplugging[J].JournalofCanadianPetroleumTechnology,1996,35(8):56-61.
[5]RamachandranSK,RamakrishnanV,BangSS.Remediationofconcreteusingmicroorganisms[J].ACIMaterialsJournal,2001,98(1):3-9.
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