微生物诱导碳酸钙沉淀在土体改良中的应用

范冬梅 FAN Dong-mei；何玉龙 HE Yu-long；刘冬梅 LIU Dong-mei；朱词 ZHU Ci；薛萍 XUE Ping；薛海兵 XUE Hai-bing

（①江苏商贸职业学院，南通 226000；②中冶华天南京工程技术有限公司，南京 210000）

0 引言

目前土体加固技术一直采用的是传统的土体改良方法，如排水固结，化学注浆等方法，这些传统的处理方式成本较高，消耗能源较大，同时还易污染环境。所以亟需研究一种新型环保绿色高效的胶凝材料来加固土体[1]。研究发现，在自然界中存在一些产脲酶细菌微生物，通过给其提供氮源和Ca2+的营养液，能够快速矿化出有良好胶结作用的碳酸钙晶体[2]，用尿素水解生成碳酸钙沉淀的机制简单，短时间可以产生大量CO32-，因此成为了微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）的常用方法。

尿素水解产生碳酸钙沉淀是一个复杂的生物矿化过程，这一过程会受到外界多种因素的影响。因此国内外学者从各个方面开展了对微生物矿化机制的研究。比如在尿素水解过程中，细菌的种类和产脲酶能力、钙离子浓度和温度对细菌的脲酶活性有所影响。在细菌的种类和产脲酶能力方面，赵茜[3]利用菌液和纯脲酶试剂进行了对比试验，发现菌液的脲酶活性更强，对砂土的矿化效果更好。Park 等[4]利用4 种不同的尿素水解类细菌进行MICP矿化反应，发现巴氏芽孢杆菌的产脲酶能力较强。通过改变钙离子的浓度，研究者[5]发现脲酶活性随着Ca2+浓度的增加会降低。在0.50～0.75M 钙离子浓度水平下，脲酶活性随着浓度的增加有一定提升。温度对细菌生长繁殖也有重要影响，Whiffin 等[6]认为尿素水解细菌的最适宜温度为30℃。

胶结液浓度、钙源和添加剂是影响固化土内部碳酸钙产量和抗压强度的重要因素。Ng 等[7]发现在0.5mol/L 和0.25mol/L 胶结液浓度下，0.5mol/L 胶结液生成的碳酸钙含量更多。在钙源方面，目前大多数研究都以氯化钙作为钙源[8-9]，Abo-El-Enein 等[10]研究了氯化钙、硝酸钙和醋酸钙固化砂土后强度的变化，通过对比试验发现氯化钙固化砂土的抗压强度最高，为1.2MPa。醋酸钙和硝酸钙的强度分别为1MPa 和0.45MPa。在添加剂方面，骆晓伟[11]在砂土固化试验中加入了0.2%的玄武岩纤维后，固化后砂土强度比原始强度2.6MPa 提高了1 个MPa。

近年来，学者们利用MICP 技术对各种类型的不良土体进行了固化改良且效果显著。研究发现土体本身的颗粒粒径、孔隙大小、渗透性和矿物成分等因素也会影响MICP的加固效果[11]。本文通过对文献的调研，归纳总结了利用MICP 对各种类型土固化的效果，得到了各类土加固后无侧限抗压强度和渗透性大小变化。首先介绍了尿素水解MICP 加固土体的原理，其次系统归纳了MICP 加固各类土的研究成果，最后对加固效果进行了讨论分析，以期为固化更多不良土体的技术和应用研究提供参考。

1 尿素水解MICP 的原理

1.1 巴氏芽孢杆菌

微生物矿化过程需要细菌自身分泌大量脲酶来分解尿素生成碳酸根[12]。其中巴氏芽孢杆菌是利用较多的细菌（Bacillus pasteurli）。巴氏芽孢杆菌环境适应性强，其细胞形状呈杆状，长为2～3μm，适宜的温度为15～37℃[13]。该细菌在尿素作用下可产生较多有诱导矿化能力的蛋白酶。

1.2 尿素水解过程

尿素水解MICP 过程中，首先是在培养基中培养出脲酶活性较高的巴氏芽孢杆菌，然后加入尿素-CaCl2胶结液进行反应。芽孢杆菌表面带有负电荷，会不断吸收溶液中的Ca2+，使其积聚在细胞表面。与此同时，尿素在脲酶的作用下水解生成NH4+和HCO3-，Ca2+和HCO3-结合生成碳酸钙沉淀。这样以细胞为晶核，碳酸钙结晶会在细菌周围大量析出并包裹细菌，致使营养物质难以向细菌传递，最终导致细菌逐渐死亡[14]。微生物矿化过程的反应方程式为：

在整个矿化反应过程中，巴氏芽孢杆菌发挥了三方面作用：一是产出脲酶水解尿素；二是促使胶结液中的Ca2+聚集在细菌表面；三是为碳酸钙晶体提供结晶位点。碳酸钙结晶形成过程[15]如图1 所示。

图1 微生物诱导生成碳酸钙沉淀示意图

图2 不同饱和度砂土中的孔隙溶液分布示意图[22]

1.3 加固土体的机理

首先在土体中注入巴氏芽孢杆菌，然后注入尿素-CaCl2胶结液，让其进行充分的生物化学反应，之后就会在土颗粒表面以及土粒的孔隙处产生碳酸钙结晶，连接松散的土壤颗粒，提高土壤的强度。碳酸钙沉淀与土颗粒间的胶结作用有三种形式[16]：①覆膜作用，碳酸钙覆盖在土颗粒表面，仅增大了土颗粒的表面积和粗糙度；②黏结作用，碳酸钙晶体附着在土颗粒接触点附近，连接起相接触的土颗粒；③桥接作用，碳酸钙在砂颗粒孔隙间逐渐生长沉积，直至将不相连的砂颗粒连接起来。黏结作用和桥接作用的碳酸钙能最大程度提高土体的强度和结构性。

2 MICP 技术进行土体加固改良

2.1 土的分类

以岩土工程勘察规范[17]中土的分类，按照颗粒级配和塑性指数可以将土分为四类土，如表1 所示。此外还研究了两种特殊土，分别是盐渍土和黄土。

表1 各类土的分类[17]

表2 岩土体渗透性分级表[21]

2.2 加固碎石土

碎石土由于粗颗粒间孔隙较大，微生物诱导生成的碳酸钙沉淀难以填充胶结该孔隙，所以有关碎石土的矿化试验研究较少。对碎石矿化试验的研究中，有学者[18]提出填充质量25%的砂能得到最大的试样强度。矿化后碎石土的无侧限抗压强度为339kPa，碳酸钙含量为5.9%。之后孙潇昊[19]采用了填充体积25%的砂发现碎石土强度增大到418kPa，碳酸钙含量提高了1%。由此可见，填充砂粒可以提高碎石的矿化效果。

2.3 加固砂土

由于砂土粒径和孔隙大小适中，固化效果一般较为理想。但砂土的类别不同，各自加固的效果也会有一定的区别，本文分析了石英砂，非饱和砂和钙质砂固化后的效果。

对石英砂进行矿化试验[20]，加固后砂样的无侧限抗压强度增大到2.84MPa，初始渗透系数为1×10-1cm/s，在第3～4d 渗透系数显著下降，7d 后降到7×10-5cm/s。由水利水电工程地质勘察规范中岩土体渗透性的分级可知，矿化后砂柱的透水性由强透水转变为微透水[21]。颗粒粒径适中时，土体内部相对不会很密实也不会很松散，细菌和胶凝液就能在较大空间中自由运移扩散，在充分反应后产生大量碳酸钙结晶黏结松散土颗粒。

砂土的饱和度也是影响固化效果的主要因素。对非饱和砂土固化后进行了饱和度和强度之间的研究，试验表明[22]，非饱和砂土平均无侧限抗压强度为19.7MPa，明显高于饱和砂土强度值15.1MPa。

通过试验观察到，在非饱和的情况下虽然生成的碳酸钙含量不多，但碳酸钙沉淀大多是在砂颗粒连接处，起到了胶结最好的两种形式黏结和桥接作用，从而提高了土体的整体强度和结构性[23]；而在饱和土样中碳酸钙沉淀大部分附着在砂颗粒表面，只起到覆膜作用，故获得的强度较小[24]。经研究发现[22]，对于承载强度较弱的砂土可以减小饱和度来提高固化后的强度；饱和土样虽然固化后强度低，但是延性得到较大提升，可以应用于地震等地区的砂土固化。

钙质砂存在于热带海洋环境里，其主要成分为碳酸钙，具有颗粒易碎、地基承载力较低等特性[25]，对钙质砂进行MICP 固化处理，无侧限抗压强度最高能达到14MPa。渗透系数从最初的4×10-2cm/s 降低到结束后的3×10-4cm/s，渗透性降低了2 个数量级[26]。而标准石英砂微生物固化后渗透性可以降低4 个数量级，说明钙质砂在固化后仍然具有较好的渗透性。

2.4 加固粉土

粉土的颗粒细小且孔隙狭窄，微生物很难在土体孔隙中自由运动，进而难以达到良好的固化效果[27]。有试验表明，利用微生物固化砂土的无侧限抗压强度能达到10MPa以上[20]，但加固粉土难以超过200kPa。如何改良粉土提高其强度成为了学者们研究的热点问题。对粉土进行矿化处理，Rebata 等[28]认为利用MICP 技术对粒径在0.05～0.4mm的土体加固，能得到最佳的矿化效果。因为微生物难以在粒径太小的土颗粒间活动，而土体的粒径太大则需要大量的碳酸钙结晶进行胶结才能提高强度。基于此，保证试验中粒径范围在0.05～0.4mm 的颗粒含量占35%[29]，固化后无侧限抗压强度为80kPa，较未处理的粉土强度提高了60%。

2.5 加固黏性土

黏性土的孔隙直径小于0.3μm，而微生物的细胞直径一般在0.5～3μm，此时细菌很难在黏性土中迁移和扩散，进而影响MICP 的矿化效果[30]。黏性土在经历长期风化作用后，浅表层0～30cm 处的孔隙直径变大，大于0.4μm 的孔隙体积分数为66.7%[31]。此时利用MICP 对黏性土浅表层进行加固，可以得到较好的固化效果。本文分析了黏土中有机质黏土和砂质黏性紫色土固化后的效果。

对有机质黏土进行MICP 加固，降低土体中的有机质含量与增强碳酸钙胶结作用是改善加固效果的关键，有机质含量会影响土体的物理力学性质，降低土壤的强度和渗透性[32]，同时影响了碳酸钙与土体的胶结效果。有研究[33]针对有机质含量6.55%的黏土，采用压力灌浆方法，可以将土中可溶性有机质冲走，处理后试样有机质含量降低了4%，无侧限抗压强度达到了270.4kPa，较未处理时的强度57.5kPa 提高了370%。黏土原渗透系数为7.5×10-5cm/s，固化后下降了1 个数量级。

砂质黏性紫色土的土颗粒大小介于砂土和粉土之间[34]，进行MICP 固化处理后，发现试样下部强度最高，随着固化次数的增加，上部试样的强度变为最高。在固化后，无侧限抗压强度达到了194.898kPa，提高了77%。在渗透性方面，紫色黏性土的初始渗透性为6×10-4cm/s，经过固化后变为5×10-6cm/s，下降了2 个数量级[35]。主要原因是前期渗透性好，浆液渗透到底部形成碳酸钙沉积。在4～5 次固化后土体下降了1 个数量级。固化后期渗透性变差，菌液和胶结液难以渗入土体内部，在经过7～8 次固化后形成顶部碳酸钙硬壳，渗透性再下降了1 个数量级。

2.6 加固特殊土

盐渍土的含盐量超过0.5%并且具有溶陷性和盐胀性的特点。有研究[36]对含氯盐砂土进行了MICP 固化处理，根据规范分别配制含盐量为0%（无盐分土样）、3%（中盐渍土）、6%（强盐渍土）、9%（超盐渍土）的试样进行对比试验。矿化后土体的无侧限抗压强度和渗透系数均有明显提高。其强度值基本在2.88～4.55MPa 之间，无盐试样的强度为4.55MPa，超盐渍土试样的强度为2.88MPa，随着含盐量的增加其强度不断降低。盐渍土的渗透试验表明，未固化的盐渍土渗透系数为1.86×10-3cm/s，加固后无盐分土样渗透系数为7.08×10-5cm/s，含9%氯盐的超盐渍土渗透系数为5.53×10-4cm/s，比未固化的盐渍土渗透性降低了1 个数量级。综上可知，MICP 技术加固盐渍土具有良好效果，巴氏芽孢杆菌对盐分具有一定耐受性[37]，但随着盐分的增加，碳酸钙沉淀速率变慢，生成的碳酸钙含量变少，所以盐分对土体加固效果和力学性能有一定影响。

黄土属于低液限粉质黏土，土体内部孔隙较大，浸湿后有较大沉陷性。由于其强度低，分散性大，压缩性高，透水性大等性质，极易发生水土流失，滑坡和崩塌等工程地质灾害[38]。将菌液与黄土充分拌合后注入胶结液，经过7天的养护，黄土的无侧限抗压强度达到150kPa，与未加固的黄土试样相比，无侧限抗压强度提高了1.5 倍。经试验得到胶凝液的浓度也是影响加固效果的一个重要因素，当加入浓度为1.25mol/L 的胶凝液时，试样无侧限抗压强度达到峰值150kPa，此时碳酸钙在黄土试样孔隙内部充分填充，与黄土颗粒紧密结合，起到了桥接作用，使强度达到了最大值。当浓度达到1.5mol/L 时，由于CaCl2含量过多会抑制脲酶的生成，进而影响碳酸钙沉淀的生成，强度未能达到峰值[39]。

3 分析与讨论

3.1 土体固化前后无侧限抗压强度变化

MICP 矿化过程产生大量碳酸钙沉淀附着在土颗粒表面，胶结松散土颗粒，增大土体的强度并提高土体的整体结构性。从表3 可以看出，MICP 加固砂土后无侧限抗压强度最大，碎石土、黏土、粉土和黄土加固后抗压强度都基本相同。MICP 加固砂土的效果最好，这可能与土体颗粒粒径尺寸有关。有研究表明[28]微生物固化土体的最优粒径范围在0.05～0.4mm，正好处于细砂和中砂的粒径范围0.075～0.5mm 之间。芽孢杆菌细胞直径一般在0.5～3μm 左右[30]，当细菌能够自由通过土颗粒间的孔喉并均匀分布在土体内部时，可以得到较好的固化效果。对于粒径小于0.075mm 的细粒土，细菌在孔隙间难以自由移动，并且小粒径的土体在产生一定量碳酸钙沉淀后，容易堵塞孔隙，导致后期生成的沉淀分布不均匀，固化效果不好；而对于粒径大于2mm 的砾粒土，孔隙较大，生成的碳酸钙结晶大小一般在2～150μm[40]，晶体太小不足以填充较大孔隙；当加固砂土（0.075mm≤粒径d≤2mm）时[16]，孔隙在一定范围内有所增大，利于细菌和胶凝液充分反应并产生碳酸钙沉淀均匀分布在土颗粒之间，此时生成的碳酸钙沉淀能起到桥接和黏接作用，较大提高了土体的强度。

表3 土体固化后的无侧限抗压强度值

3.2 土体固化前后渗透性变化

MICP 矿化能减小矿化土样的渗透性，渗透特性综合体现出MICP 对土体粒径尺寸、孔隙大小、颗粒级配等多方面的要求[41]。如表4 所示，经MICP 固化后各类土渗透性都有不同程度的降低。其中标准石英砂渗透系数降低了4个数量级，效果较为明显。其他各类土基本只降低1～2 个数量级。由于砂土颗粒较大，且存在丰富和较大的内孔隙，为细菌提供了较多的成核位点，也为碳酸钙沉淀生成提供了足够的空间，使碳酸钙沉淀在土颗粒表面和孔隙之间大量生成，填充孔隙进而减小了渗透系数。同时在微生物不断矿化过程中会产生胞外聚合物，这种反应物附着在土颗粒表面和内部形成微生物膜，也降低了土样渗透性，但渗透性的降低主要因素还是在于土样粒径和孔隙的大小[42]。从表4 还可以看出，在MICP 加固砂土试验中，标准石英砂和钙质砂试样在固化后的无侧限抗压强度分别为2.84MPa 和14MPa，但固化后钙质砂渗透系数只降低了2个数量级，石英砂试样降低了4 个数量级。说明矿化后的强度和渗透性不为正相关，钙质砂内部生成的碳酸钙含量少，填充孔隙较少，渗透系数较大，但生成的碳酸钙沉淀存在于土颗粒的咬合点，仍然可以提高土颗粒的强度。

表4 土体固化后的渗透系数值

从图3 中砂土、粉土、黏土和盐渍土的初始渗透系数可以看出，初始渗透性也会影响固化后的渗透性。标准石英砂初始渗透系数为1.0×10-1cm/s，粉土、黏土和盐渍土初始渗透系数都在10-3～10-5cm/s，经MICP 加固后渗透系数只有标准石英砂降低了4 个数量级，其余只降低1～2 个数量级。当土体自身渗透性较差时，氧气难以进入土体内部，导致内部细菌缺氧死亡，产生少量脲酶[43]，从而水解尿素能力不足，无法产生大量CO32-，生成的碳酸钙沉淀较少，减弱了固化效果，降低了渗透性能。

图3 各类土固化前后渗透系数大小

3.3 土体矿物成分和物理性质对固化效果的影响

土体自身所特有的矿物成分会影响MICP 的固化效果，比如有机质黏土的有机质含量会减弱固化效果；在盐渍土的研究中，固化后无侧限抗压强度和渗透系数都小于无盐分土样的值，说明土样中氯盐减弱了MICP 固化效果。土体的物理性质也是影响固化效果的重要因素，对于砂质黏性紫色土，虽然土样粒径尺寸与砂土粒径相差不大，但由于塑性指数Ip＞10，黏土的理化性质影响了固化后土样无侧限抗压强度和渗透性；砂土的饱和度也影响土样的无侧限抗压强度值，经MICP 固化后饱和砂的强度小于非饱和砂强度。

4 结论与展望

本文归纳总结了各类土自身的特点以及利用MICP固化土体后的无侧限抗压强度值和渗透系数大小，从土的颗粒粒径、孔隙大小、渗透性、自身矿物成分和物理性质方面分析了MICP 固化各类土的矿化效果。得到以下结论：

①土的粒径大小对MICP 固化效果有重要影响。对于粒径小于0.075mm 的细粒土和粒径大于2mm 的砾粒土固化效果都较差。对于砂粒土（0.075mm≤粒径d≤2mm）固化效果最佳，无侧限抗压强度能达到14MPa，渗透系数降低了4 个数量级。

②利用MICP 固化土体后，土体的强度和渗透性不为正相关，虽然生成的碳酸钙含量较少，渗透系数变化不大，但是碳酸钙沉淀存在于土颗粒咬合点之间起到了黏结作用和桥接作用，则强度也会很大。

③对于初始渗透系数较大的土颗粒，MICP 固化后渗透性明显降低；对于初始渗透系数较小的土颗粒，渗透性相对变化较小，只降低了1-2 个数量级。

④土体自身的矿物成分和物理性质会影响MICP 的固化效果，例如土体的有机质含量、含氯盐量、黏土成分和饱和度大小。因此对土体进行固化改良前，需要对土体自身的性质予以考虑。

综上所述，目前利用MICP 固化土体的效果较好，但其固化效果受诸多因素的影响，导致实验过程不能可靠的控制，某些试验结果难以解释，有待进一步探讨分析矿化的机制原理；同时对于固化后土体的长期强度和耐久性研究还明显不足。基于此在实际工程中还需要优化MICP 固化方式和工艺以提高固化效果的环境适应性和经济性。