MICP改性水泥土在地基加固中的應用研究

吳建彬，謝永雄，2，李亞杰

（1、桂林理工大學土木與建筑工程學院 廣西桂林 541004；2、廣西巖土力學與工程重點實驗室 廣西桂林 541004）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，環境問題日益凸顯，因此環境友好型材料及技術對當前環境有著天然的優勢，而微生物誘導碳酸鹽沉淀技術（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）由于其具有良好的環境效益，成為了當下研究的熱點［1］。

MICP 是通過自然界中可以自身產生脲酶的細菌來分解周圍環境中的碳源，產生的碳酸根離子與鈣源物質發生生物礦化反應，形成具有膠結作用的礦化產物的過程。這種礦化產物膠結強度高，有良好的環境友好性，在土體加固、混凝土裂縫修復、抗滲、重金屬污染治理等方面進行了廣泛的研究［2］。目前MICP 技術在地基加固方面開展的研究逐漸增多，如朱同宇等人［3］運用MICP 技術對黃泛區粉土進行處理可以提高其抗壓強度以及改善其滲透性；彭劼等人［4］將有機質黏土進行MICP 處理，極大地提高了土體的無側限抗壓強度；程瑤佳等人［5］通過MICP 技術處理黃土顯著改善了力學性質；余夢等人［6］利用巴氏芽孢八疊球菌對膨脹土進行MICP 室內試驗，降低了膨脹土的滲透系數，提高其膨脹力，土體的強度有顯著的提高。實驗證明，MICP 由于其可以有效加固土體且能耗小，同時可以減少溫室氣體的排放，降低環境污染，是一種有較好發展前景的先進技術。

1 MICP在改性水泥土中應用的技術研究

1.1 MICP的作用機理

MICP 中常見的使用方式是利用巴氏芽孢桿菌進行尿素水解，水解產物與土壤中的鈣離子結合形成碳酸鈣晶體。巴氏芽孢桿菌是一種嗜堿性細菌，能以尿素為能源通過微生物自身的新陳代謝產生大量的高活性脲酶，它能在酸性、堿性、含鹽量高等惡劣環境下保持較強的生物活性且脲酶產量高。脲酶能將尿素水解生成NH4+以及CO32-，之后將提供鈣離子的鈣鹽溶液灌入土壤中，由于微生物細胞壁表面通常帶有大量負電荷，該細胞壁結構的特殊性使微生物能夠吸附溶液中的Ca2+。微生物在活動中將尿素水解產生的CO32-運輸到細胞表面與吸附而來的Ca2+結合形成碳酸鈣晶體如圖1所示［7］，反應方程式為：

圖1 微生物誘導方解石沉積示意圖Fig.1 Schematics of Microbial Induced Calcite Precipitation

在該反應中，巴氏芽孢桿菌主要作用在兩個方面：①提供脲酶以完成尿素水解；②提供碳酸鈣晶體沉淀所需要的成核位點。碳酸鈣晶體不僅會將土顆粒之間的縫隙填充，減小孔隙體積以及孔徑尺寸；還改善了土顆粒的內部聯接和空間結構，在土顆粒之間充當橋梁作用，將微小土粒連接起來形成整體，增強土顆粒間的粘聚力，從而提高土體的抗剪強度［8］。

沉淀生成的碳酸鈣晶體在土顆粒表面的附著既不均勻也不集中分布，而一般會在接觸點的附近形成沉淀，如圖2 所示［9］。這是由于微生物容易吸附在較小表面處，顆粒-顆粒相互接觸的附近區域存在較高濃度的微生物導致碳酸鈣較多的沉積在此區域，此外沉積產生的碳酸鈣晶體在隨著溶液流過孔喉時會吸附滯留在該區域附近，因此導致該區域沉積產生的碳酸鈣較多［10］。

圖2 碳酸鈣在土體孔隙中的分布狀態Fig.2 Illustration of Calcite Distribution Alternatives within Pore Space

榮輝等人［11］分別采用X 射線衍射（XRD）、透射電鏡（TEM）以及紅外光譜（IR）對微生物水泥基材的微觀結構進行研究，實驗表明，MICP 技術形成的碳酸鈣可以將松散顆粒膠結在一起，而化學方法形成的碳酸鈣不能將松散顆粒膠結在一起；IR 結果表明，MICP 技術形成的碳酸鈣在微生物的作用下與松散顆粒之間發生了分子間氫鍵的相互作用，并在該作用下將松散砂土顆粒膠結在一起形成整體。

曾慶杰等人［12］采用巴氏芽孢桿菌以及細菌懸濁液∶尿素∶鈣源溶液體積比=2∶1∶1的處理液對花崗巖殘積土運用MICP 技術制作改性水泥土，通過對不同水泥摻量、鈣離子濃度和鈣源種類加固后的試件進行無側限抗壓強度試驗，對比研究發現MICP 技術可以明顯增強以花崗巖殘積土為基材的水泥土強度、剛度和韌性等工程性質，且韌性的提升與鈣離子濃度和鈣源種類有關。宋樹祥等人［13］同樣采用MICP 技術對花崗巖殘積土進行處理，處理結果與傳統改良方式相比能保持較好的水穩性且更加綠色環保。為改善廣州南沙區水泥土的力學性質，李日升等人［14］對土樣運用MICP 技術，通過離子濃度監測、XRD、SEM 和壓汞實驗研究了細菌對水泥土微觀結構的影響，研究對比發現菌液組水泥土在第7 d、14 d、28 d 的抗壓強度分別比空白對照組高91.3%、53.4%、45.3%，改性水泥土早期強度得到改善。岳建偉等人［15-16］采用糯米漿對MICP 技術進行改良，對粉土進行改良MICP 技術處理，通過土的直接快剪試驗和無側限抗壓強度試驗研究其碳酸鈣產量以及Ca2+轉化率，試驗結果發現，MICP 技術可提高土體約30%粘聚力，而改良MICP 技術在提高土體粘聚力的基礎上提高了土體的內摩擦角，且鈣離子轉化率比MICP 技術高，轉化率為90%。吳亞明等人［17］利用分離式霍普金森壓桿試驗裝置對MICP 技術改性水泥土進行沖擊壓縮試驗，試驗結果顯示，在沖擊荷載作用下MICP 技術能夠增大水泥土的彈性模量，增強其韌性。

實驗研究表明，通過改變MICP 膠結液成分、鈣源種類以及濃度大小等，不僅可以改善水泥土的力學性能，提高水泥土的強度、剛度和韌性等工程性質。

1.2 現場試驗效果評價

為了驗證MICP 改性水泥土在地基加固應用的工程實效，部分學者進行了大規模的現場試驗。在滲漏治理方面，張越等人［18］針對濟南某小區地下車庫鋼筋混凝土外墻滲漏水的情況，對裂縫墻體迎水面回填土層應用MICP 技術后，經微觀實驗X 射線衍射、電鏡掃描等檢測后對比發現土層裂縫中覆蓋有一層碳酸鈣膜，實踐證明利用MICP 技術極大地降低迎水面回填土的孔隙率，有效提高了土層的防滲抗滲能力。在改善砂土液化方面，程曉輝等人［19］對加固液化砂土以及模型地基進行標準動三軸及小型振動臺試驗，試驗結果證明MICP 技術可提高砂土的抗液化性。在地基加固方面，劉漢龍等人［20］對人工吹填島礁鈣質砂地基現場進行微生物加固試驗，試驗結果表明經過3～4 次MICP 技術處理后地基表面強度開始提升；經過9 次MICP 技術處理后，地基表面強度超過10 MPa，最高可達20 MPa，地基加固深度達70 cm，無側限抗壓強度最高可達821 kPa。袁翔等人［21］對巴東組第三段軟弱夾層土體采用MICP 技術進行加固，結果顯示經MICP 技術加固處理后土體的抗剪強度和抗壓強度均有明顯提高，改善了巖土體的工程地質性質。

工程實踐證明，MICP 技術在滲透治理、改善砂土液化、重金屬處理、遺跡保護、沙漠化治理等等方面具有顯著的效果。

1.3 MICP改性水泥土的影響因素

1.3.1 溫度

不同的溫度環境會對碳酸鈣的沉積產生較大的影響，則對改性水泥土力學性能的影響也不盡相同。據研究發現：在10～25 ℃內，微生物的脲酶活性隨著溫度的升高而升高［22］，在30～60 ℃范圍內微生物脲酶活性較高，在70 ℃時脲酶活性達到最大。而且溫度的改變會影響碳酸鈣晶體形貌、類型。王瑞興等人［23］在環境30 ℃條件下培養微生物，分別置于5 ℃、50 ℃和常溫條件下進行碳酸鈣沉積實驗，對實驗所得樣品進行X 射線衍射分析和掃描電子顯微鏡觀測發現在不同環境溫度下MICP 產生的碳酸鈣晶體形貌以及類型不同且隨溫度升高晶形穩定性越差。

1.3.2 脲酶活性

一般來說，脲酶活性與菌液濃度成正比，菌液的濃度越高脲酶活性越高。但脲酶活性高并不代表著微生物膠結強度高。由MICP 作用機理可知，微生物除了提供脲酶，還提供碳酸鈣晶體沉積所需要的成核位點。因此菌液濃度低時，微生物提供的碳酸鈣晶體成核位點較少，晶體主要進行生長，導致生成的晶體空間占有量大而數量少。彭劼等人［24］研究在海水環境下MICP 技術加固土體的效果，試驗發現在海水環境下加固的土體強度低于淡水環境加加固的土體強度。這是因為在海水環境下，微生物失水導致細胞內環境失衡，其生物活性降低，但在該環境下土體的無側限抗壓強度隨時間增長而不斷增加。

1.3.3 pH值

尿素水解會產生NH4+，NH4+會在水中進一步水解生成OH-，為碳酸鈣的沉淀提供了所需要的堿性環境。王瑞興等人［23］在pH值為7～9的條件下使用MICP技術，經XRD分析，沉淀物質不變仍為方解石，但顆粒的形貌發生明顯改變。在不同的pH 值環境下，土體對細菌的吸附能力會受到影響，進一步影響土體中細菌分布的均勻程度，同時影響MICP 技術誘導產生的碳酸鈣沉淀的分布均勻性。WHIFFIN 等人［25］將巴氏芽孢八疊球菌在不同pH 值條件下培養，待其生長后接種到pH 值為7，尿素濃度為25 mol/L 的標準測試液中，在溫度條件為25 ℃下培養5 h 后測量菌液的脲酶活性即單位尿素分解速率，得到菌液的脲酶活性在pH值為7～8之間最大的結論，這個結果稍低于該菌種的最適生長pH 值。上述結果表明，pH 值會影響菌種生長、活性以及沉淀產物的形貌，同時影響土體的對細菌的吸附能力。

1.3.4 鈣源種類及Ca2+濃度

在脲酶活性相同的情況下，碳酸鈣沉淀效率與鈣源種類以及Ca2+濃度有關，不同的鈣源種類會影響其產物的成分，不同的Ca2+濃度會影響MICP 技術的效率。李成杰等人［26］對UPB1 菌采用不同的鈣源以及Ca2+濃度進行MICP，試驗結果顯示，以CaCl2為鈣源誘導生成的CaCO3（方解石）熱力學性質最穩，呈菱面體型。在Ca2+濃度為0.10～0.25 mol/L 時，碳酸鈣沉淀效率較高。當Ca2+濃度為0.25 mol/L 時，微生物誘導碳酸鈣沉淀的效率最高，當Ca2+濃度超過0.25 mol/L 時，碳酸鈣沉淀效率開始下降。王瑞興等人［23］將鈣離子濃度由2 mol/L 降至1 mol/L 摻入土體中，采用XRD 進行分析發現CaCO3晶型不變，而顆粒的空間占有量變大，且結晶度有所提高；將Ca2+源替換為Ca（NO3）2時，沉積出的CaCO3晶型為方解石和球霰石2 種；將Ca2+源替換為Ca（OH）2時，由于Ca（OH）2溶解度較小而結晶析出成為沉積物的主要成分。

1.3.5 土的種類

在相同碳酸鈣含量下，不同種類的土體顆粒在MICP 處理后獲得的膠結強度是不同的，這可能是由于土體自身的性質不同所導致的。由于微生物自身具有一定的空間占有量無法在土體中的狹隘空間中運動和生存，因此容易導致膠結程度不均勻。MAHAWISH 等人［27］發現相比于采用顆粒級配差的骨料組成砂土，采用顆粒級配較好的砂土在進行加固后具有最大的無側限抗壓強度。此外，經研究發現：MICP技術還可以改善黃土、有機質黏土、膨脹土、粉土等土體的力學性能，提高其土體強度。

2 MICP 改性水泥土在地基加固應用中的關鍵技術問題

MICP 技術改性水泥土在地基加固、抗滲透、抗液化、重金屬處理、遺跡保護、沙漠化治理等方面取得了較好的研究成果，但在地基加固應用中仍存在一些關鍵性技術問題：

⑴工程成本。工程成本是所有工程都需關注的重點，成本問題不僅意味著工程的進度，還意味著工程的質量。已有的研究表明MICP 技術在菌種培養以及培養所需的礦化液配置等方面均需要較高的成本支出，研究如何將廉價的工業副產物代替其礦化液部分材料，降低其使用成本同時提高其生產效率可成為一種研究方向。

⑵強度均勻性。強度是工程質量的關鍵影響因素，當構筑物強度不均勻時，整體結構的可靠性難以保證。通過研究人員的實驗研究，微生物技術已經被多方驗證可以對土體進行有效加固，但目前仍存在大范圍加固土體后其強度不均勻的明顯問題，而問題本質是由于微生物分布不均勻導致沉淀出的碳酸鈣在土體內部分布不均勻，如何有效改善微生物在土體中的分布情況是一大難點。

⑶環境污染。隨著全球環境問題的日益凸顯，工程實際中的環境問題愈發重要，成為考核標準的一項重點?；谀蛩厮獾腗ICP 技術在應用過程中會產生NH4+，其在堿性條件下會轉化為氨氣（NH3）且氨氣屬于可揮發氣體，易進入周圍空氣中對人體健康造成嚴重危害，因此，MICP 技術產生的氨氣帶來環境污染也是亟需解決的問題。

⑷脆性破壞問題。為確保結構的可靠性，工程構造物的破壞形式以塑性破壞為主，而MICP 技術改性水泥土的破壞性質一般呈現脆性破壞。為解決這個問題，可嘗試在土體中加入纖維或其它加筋材料以提高改性水泥土的韌性，以滿足工程需求。

⑸結構耐久性。在進行工程設計時需對工程本身的耐久性進行考慮，目前MICP 技術的試驗研究大多數以短期試驗為主，在長期使用的耐久性方面試驗較少，對MICP 技術改性水泥土長期作用的效果缺乏實驗依據，因此MICP 技術改性水泥土在應用于工程實際前需對其耐久性進行大量試驗，證明其耐久性符合工程要求。

⑹工程環境的約束問題。我國幅員遼闊，其中不乏一些極端環境，隨著相關科研的不斷推進，MICP技術也在不斷發展，其逐漸被用于更加復雜、極端環境中，這些環境存在新的因素約束或影響MICP 技術的工程效果。如何根據現場環境設計、改進MICP 技術需要進一步的研究說明。

3 結論

綜上所述，MICP 技術改性水泥土與傳統的地基加固技術相比在地基加固中的有著廣泛的應用前景，基于尿素水解的MICP 技術具有施工干擾小、施工較為簡單、環境友好等優勢。MICP 技術改性水泥土在地基加固、抗滲處理、沙漠化治理、重金屬治理等大范圍工程實踐中展現其優越性。然而，從目前的技術發展來看，MICP 技術改性水泥土在實際工程項目中仍然面臨著成本高、強度不均勻、環境污染、脆性破壞及耐久性等關鍵技術問題，不同的工程環境存在不同的因素約束或影響MICP 技術的實際工程效果，這也是未來MICP 技術改性水泥土的研究重點和核心技術發展的突破方向。