MICP改性水泥土在地基加固中的应用研究

吴建彬，谢永雄，2，李亚杰

（1、桂林理工大学土木与建筑工程学院 广西桂林 541004；2、广西岩土力学与工程重点实验室 广西桂林 541004）

0 引言

随着我国经济的快速发展，环境问题日益凸显，因此环境友好型材料及技术对当前环境有着天然的优势，而微生物诱导碳酸盐沉淀技术（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）由于其具有良好的环境效益，成为了当下研究的热点［1］。

MICP 是通过自然界中可以自身产生脲酶的细菌来分解周围环境中的碳源，产生的碳酸根离子与钙源物质发生生物矿化反应，形成具有胶结作用的矿化产物的过程。这种矿化产物胶结强度高，有良好的环境友好性，在土体加固、混凝土裂缝修复、抗渗、重金属污染治理等方面进行了广泛的研究［2］。目前MICP 技术在地基加固方面开展的研究逐渐增多，如朱同宇等人［3］运用MICP 技术对黄泛区粉土进行处理可以提高其抗压强度以及改善其渗透性；彭劼等人［4］将有机质黏土进行MICP 处理，极大地提高了土体的无侧限抗压强度；程瑶佳等人［5］通过MICP 技术处理黄土显著改善了力学性质；余梦等人［6］利用巴氏芽孢八叠球菌对膨胀土进行MICP 室内试验，降低了膨胀土的渗透系数，提高其膨胀力，土体的强度有显著的提高。实验证明，MICP 由于其可以有效加固土体且能耗小，同时可以减少温室气体的排放，降低环境污染，是一种有较好发展前景的先进技术。

1 MICP在改性水泥土中应用的技术研究

1.1 MICP的作用机理

MICP 中常见的使用方式是利用巴氏芽孢杆菌进行尿素水解，水解产物与土壤中的钙离子结合形成碳酸钙晶体。巴氏芽孢杆菌是一种嗜碱性细菌，能以尿素为能源通过微生物自身的新陈代谢产生大量的高活性脲酶，它能在酸性、碱性、含盐量高等恶劣环境下保持较强的生物活性且脲酶产量高。脲酶能将尿素水解生成NH4+以及CO32-，之后将提供钙离子的钙盐溶液灌入土壤中，由于微生物细胞壁表面通常带有大量负电荷，该细胞壁结构的特殊性使微生物能够吸附溶液中的Ca2+。微生物在活动中将尿素水解产生的CO32-运输到细胞表面与吸附而来的Ca2+结合形成碳酸钙晶体如图1所示［7］，反应方程式为：

图1 微生物诱导方解石沉积示意图Fig.1 Schematics of Microbial Induced Calcite Precipitation

在该反应中，巴氏芽孢杆菌主要作用在两个方面：①提供脲酶以完成尿素水解；②提供碳酸钙晶体沉淀所需要的成核位点。碳酸钙晶体不仅会将土颗粒之间的缝隙填充，减小孔隙体积以及孔径尺寸；还改善了土颗粒的内部联接和空间结构，在土颗粒之间充当桥梁作用，将微小土粒连接起来形成整体，增强土颗粒间的粘聚力，从而提高土体的抗剪强度［8］。

沉淀生成的碳酸钙晶体在土颗粒表面的附着既不均匀也不集中分布，而一般会在接触点的附近形成沉淀，如图2 所示［9］。这是由于微生物容易吸附在较小表面处，颗粒-颗粒相互接触的附近区域存在较高浓度的微生物导致碳酸钙较多的沉积在此区域，此外沉积产生的碳酸钙晶体在随着溶液流过孔喉时会吸附滞留在该区域附近，因此导致该区域沉积产生的碳酸钙较多［10］。

图2 碳酸钙在土体孔隙中的分布状态Fig.2 Illustration of Calcite Distribution Alternatives within Pore Space

荣辉等人［11］分别采用X 射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）以及红外光谱（IR）对微生物水泥基材的微观结构进行研究，实验表明，MICP 技术形成的碳酸钙可以将松散颗粒胶结在一起，而化学方法形成的碳酸钙不能将松散颗粒胶结在一起；IR 结果表明，MICP 技术形成的碳酸钙在微生物的作用下与松散颗粒之间发生了分子间氢键的相互作用，并在该作用下将松散砂土颗粒胶结在一起形成整体。

曾庆杰等人［12］采用巴氏芽孢杆菌以及细菌悬浊液∶尿素∶钙源溶液体积比=2∶1∶1的处理液对花岗岩残积土运用MICP 技术制作改性水泥土，通过对不同水泥掺量、钙离子浓度和钙源种类加固后的试件进行无侧限抗压强度试验，对比研究发现MICP 技术可以明显增强以花岗岩残积土为基材的水泥土强度、刚度和韧性等工程性质，且韧性的提升与钙离子浓度和钙源种类有关。宋树祥等人［13］同样采用MICP 技术对花岗岩残积土进行处理，处理结果与传统改良方式相比能保持较好的水稳性且更加绿色环保。为改善广州南沙区水泥土的力学性质，李日升等人［14］对土样运用MICP 技术，通过离子浓度监测、XRD、SEM 和压汞实验研究了细菌对水泥土微观结构的影响，研究对比发现菌液组水泥土在第7 d、14 d、28 d 的抗压强度分别比空白对照组高91.3%、53.4%、45.3%，改性水泥土早期强度得到改善。岳建伟等人［15-16］采用糯米浆对MICP 技术进行改良，对粉土进行改良MICP 技术处理，通过土的直接快剪试验和无侧限抗压强度试验研究其碳酸钙产量以及Ca2+转化率，试验结果发现，MICP 技术可提高土体约30%粘聚力，而改良MICP 技术在提高土体粘聚力的基础上提高了土体的内摩擦角，且钙离子转化率比MICP 技术高，转化率为90%。吴亚明等人［17］利用分离式霍普金森压杆试验装置对MICP 技术改性水泥土进行冲击压缩试验，试验结果显示，在冲击荷载作用下MICP 技术能够增大水泥土的弹性模量，增强其韧性。

实验研究表明，通过改变MICP 胶结液成分、钙源种类以及浓度大小等，不仅可以改善水泥土的力学性能，提高水泥土的强度、刚度和韧性等工程性质。

1.2 现场试验效果评价

为了验证MICP 改性水泥土在地基加固应用的工程实效，部分学者进行了大规模的现场试验。在渗漏治理方面，张越等人［18］针对济南某小区地下车库钢筋混凝土外墙渗漏水的情况，对裂缝墙体迎水面回填土层应用MICP 技术后，经微观实验X 射线衍射、电镜扫描等检测后对比发现土层裂缝中覆盖有一层碳酸钙膜，实践证明利用MICP 技术极大地降低迎水面回填土的孔隙率，有效提高了土层的防渗抗渗能力。在改善砂土液化方面，程晓辉等人［19］对加固液化砂土以及模型地基进行标准动三轴及小型振动台试验，试验结果证明MICP 技术可提高砂土的抗液化性。在地基加固方面，刘汉龙等人［20］对人工吹填岛礁钙质砂地基现场进行微生物加固试验，试验结果表明经过3～4 次MICP 技术处理后地基表面强度开始提升；经过9 次MICP 技术处理后，地基表面强度超过10 MPa，最高可达20 MPa，地基加固深度达70 cm，无侧限抗压强度最高可达821 kPa。袁翔等人［21］对巴东组第三段软弱夹层土体采用MICP 技术进行加固，结果显示经MICP 技术加固处理后土体的抗剪强度和抗压强度均有明显提高，改善了岩土体的工程地质性质。

工程实践证明，MICP 技术在渗透治理、改善砂土液化、重金属处理、遗迹保护、沙漠化治理等等方面具有显著的效果。

1.3 MICP改性水泥土的影响因素

1.3.1 温度

不同的温度环境会对碳酸钙的沉积产生较大的影响，则对改性水泥土力学性能的影响也不尽相同。据研究发现：在10～25 ℃内，微生物的脲酶活性随着温度的升高而升高［22］，在30～60 ℃范围内微生物脲酶活性较高，在70 ℃时脲酶活性达到最大。而且温度的改变会影响碳酸钙晶体形貌、类型。王瑞兴等人［23］在环境30 ℃条件下培养微生物，分别置于5 ℃、50 ℃和常温条件下进行碳酸钙沉积实验，对实验所得样品进行X 射线衍射分析和扫描电子显微镜观测发现在不同环境温度下MICP 产生的碳酸钙晶体形貌以及类型不同且随温度升高晶形稳定性越差。

1.3.2 脲酶活性

一般来说，脲酶活性与菌液浓度成正比，菌液的浓度越高脲酶活性越高。但脲酶活性高并不代表着微生物胶结强度高。由MICP 作用机理可知，微生物除了提供脲酶，还提供碳酸钙晶体沉积所需要的成核位点。因此菌液浓度低时，微生物提供的碳酸钙晶体成核位点较少，晶体主要进行生长，导致生成的晶体空间占有量大而数量少。彭劼等人［24］研究在海水环境下MICP 技术加固土体的效果，试验发现在海水环境下加固的土体强度低于淡水环境加加固的土体强度。这是因为在海水环境下，微生物失水导致细胞内环境失衡，其生物活性降低，但在该环境下土体的无侧限抗压强度随时间增长而不断增加。

1.3.3 pH值

尿素水解会产生NH4+，NH4+会在水中进一步水解生成OH-，为碳酸钙的沉淀提供了所需要的碱性环境。王瑞兴等人［23］在pH值为7～9的条件下使用MICP技术，经XRD分析，沉淀物质不变仍为方解石，但颗粒的形貌发生明显改变。在不同的pH 值环境下，土体对细菌的吸附能力会受到影响，进一步影响土体中细菌分布的均匀程度，同时影响MICP 技术诱导产生的碳酸钙沉淀的分布均匀性。WHIFFIN 等人［25］将巴氏芽孢八叠球菌在不同pH 值条件下培养，待其生长后接种到pH 值为7，尿素浓度为25 mol/L 的标准测试液中，在温度条件为25 ℃下培养5 h 后测量菌液的脲酶活性即单位尿素分解速率，得到菌液的脲酶活性在pH值为7～8之间最大的结论，这个结果稍低于该菌种的最适生长pH 值。上述结果表明，pH 值会影响菌种生长、活性以及沉淀产物的形貌，同时影响土体的对细菌的吸附能力。

1.3.4 钙源种类及Ca2+浓度

在脲酶活性相同的情况下，碳酸钙沉淀效率与钙源种类以及Ca2+浓度有关，不同的钙源种类会影响其产物的成分，不同的Ca2+浓度会影响MICP 技术的效率。李成杰等人［26］对UPB1 菌采用不同的钙源以及Ca2+浓度进行MICP，试验结果显示，以CaCl2为钙源诱导生成的CaCO3（方解石）热力学性质最稳，呈菱面体型。在Ca2+浓度为0.10～0.25 mol/L 时，碳酸钙沉淀效率较高。当Ca2+浓度为0.25 mol/L 时，微生物诱导碳酸钙沉淀的效率最高，当Ca2+浓度超过0.25 mol/L 时，碳酸钙沉淀效率开始下降。王瑞兴等人［23］将钙离子浓度由2 mol/L 降至1 mol/L 掺入土体中，采用XRD 进行分析发现CaCO3晶型不变，而颗粒的空间占有量变大，且结晶度有所提高；将Ca2+源替换为Ca（NO3）2时，沉积出的CaCO3晶型为方解石和球霰石2 种；将Ca2+源替换为Ca（OH）2时，由于Ca（OH）2溶解度较小而结晶析出成为沉积物的主要成分。

1.3.5 土的种类

在相同碳酸钙含量下，不同种类的土体颗粒在MICP 处理后获得的胶结强度是不同的，这可能是由于土体自身的性质不同所导致的。由于微生物自身具有一定的空间占有量无法在土体中的狭隘空间中运动和生存，因此容易导致胶结程度不均匀。MAHAWISH 等人［27］发现相比于采用颗粒级配差的骨料组成砂土，采用颗粒级配较好的砂土在进行加固后具有最大的无侧限抗压强度。此外，经研究发现：MICP技术还可以改善黄土、有机质黏土、膨胀土、粉土等土体的力学性能，提高其土体强度。

2 MICP 改性水泥土在地基加固应用中的关键技术问题

MICP 技术改性水泥土在地基加固、抗渗透、抗液化、重金属处理、遗迹保护、沙漠化治理等方面取得了较好的研究成果，但在地基加固应用中仍存在一些关键性技术问题：

⑴工程成本。工程成本是所有工程都需关注的重点，成本问题不仅意味着工程的进度，还意味着工程的质量。已有的研究表明MICP 技术在菌种培养以及培养所需的矿化液配置等方面均需要较高的成本支出，研究如何将廉价的工业副产物代替其矿化液部分材料，降低其使用成本同时提高其生产效率可成为一种研究方向。

⑵强度均匀性。强度是工程质量的关键影响因素，当构筑物强度不均匀时，整体结构的可靠性难以保证。通过研究人员的实验研究，微生物技术已经被多方验证可以对土体进行有效加固，但目前仍存在大范围加固土体后其强度不均匀的明显问题，而问题本质是由于微生物分布不均匀导致沉淀出的碳酸钙在土体内部分布不均匀，如何有效改善微生物在土体中的分布情况是一大难点。

⑶环境污染。随着全球环境问题的日益凸显，工程实际中的环境问题愈发重要，成为考核标准的一项重点。基于尿素水解的MICP 技术在应用过程中会产生NH4+，其在碱性条件下会转化为氨气（NH3）且氨气属于可挥发气体，易进入周围空气中对人体健康造成严重危害，因此，MICP 技术产生的氨气带来环境污染也是亟需解决的问题。

⑷脆性破坏问题。为确保结构的可靠性，工程构造物的破坏形式以塑性破坏为主，而MICP 技术改性水泥土的破坏性质一般呈现脆性破坏。为解决这个问题，可尝试在土体中加入纤维或其它加筋材料以提高改性水泥土的韧性，以满足工程需求。

⑸结构耐久性。在进行工程设计时需对工程本身的耐久性进行考虑，目前MICP 技术的试验研究大多数以短期试验为主，在长期使用的耐久性方面试验较少，对MICP 技术改性水泥土长期作用的效果缺乏实验依据，因此MICP 技术改性水泥土在应用于工程实际前需对其耐久性进行大量试验，证明其耐久性符合工程要求。

⑹工程环境的约束问题。我国幅员辽阔，其中不乏一些极端环境，随着相关科研的不断推进，MICP技术也在不断发展，其逐渐被用于更加复杂、极端环境中，这些环境存在新的因素约束或影响MICP 技术的工程效果。如何根据现场环境设计、改进MICP 技术需要进一步的研究说明。

3 结论

综上所述，MICP 技术改性水泥土与传统的地基加固技术相比在地基加固中的有着广泛的应用前景，基于尿素水解的MICP 技术具有施工干扰小、施工较为简单、环境友好等优势。MICP 技术改性水泥土在地基加固、抗渗处理、沙漠化治理、重金属治理等大范围工程实践中展现其优越性。然而，从目前的技术发展来看，MICP 技术改性水泥土在实际工程项目中仍然面临着成本高、强度不均匀、环境污染、脆性破坏及耐久性等关键技术问题，不同的工程环境存在不同的因素约束或影响MICP 技术的实际工程效果，这也是未来MICP 技术改性水泥土的研究重点和核心技术发展的突破方向。