MICP技术在工程应用中的研究进展

贺小青

(西安交通工程学院土木工程学院，陕西 西安 710300)

1 概述

随着全球各地城市化进程的快速发展，大片的土地被开发利用，更多的钢筋混凝土建筑拔地而起，绿色环保的施工技术已成为当今基建工程急需攻克的一个重难点。在众多新型施工技术的研究中，越来越多的人关注到微生物矿化碳酸钙的研究，这种技术的原理是利用自然界中可以通过其自身生命代谢活动产生的脲酶的细菌来分解周围环境中的碳源，再和钙源物质发生生物矿化反应，生成致密的具有胶结作用的碳酸钙沉淀，矿化机理如式(1)所示[1]，这种胶结物自然无公害，胶结强度高，可以较好的代替现在市面上传统的胶结建筑材料，如环氧树脂、聚氨酯、水泥等，有效避免了对环境的化学侵蚀。从21世纪初提出这门技术的概念，至今仍在不断完善中，研究方向包括细菌的选择和培养，矿化过程中温度、酸碱、液体浓度、注射速率等条件变化对胶结强度的影响等[2]，目前在一定实验条件下可以较稳定的实现这门技术，将其主要应用于固化土体、修复混凝土裂缝、抗渗建筑材料、治理重金属或放射性金属四个方面，如图1所示。

(1)

2 工程应用研究进展

2.1 固化土体

微生物固化土体(主要是砂土)的原理是通过在松散土体孔隙中注入矿化菌、常用碳源(尿素)和钙源(氯化钙)，给定一定时间让其充分发生生物矿化作用，可形成具有胶结土粒作用的碳酸钙沉淀，重复固化多次，当生成的碳酸钙含量足够时，就会将松散土体连结在一起变成具有一定强度的固化体，固化过程如图2所示[3]。被固化后的土体，其强度会得到极大的提升，Van Paasse等通过对100 m3的砂土连续16 d采用微生物诱导碳酸钙加固技术固化，结果表明即使固化体的强度不均匀，部分固化后的土体无侧限抗压强度可达12 MPa。DeJong等采用此方法固化小型砂柱模型，发现固化后的土体其抗剪强度是未固化土体的1.7倍。固化后的土体其刚度显著增加，也称固化土体为微生物水泥，Van Paasse试验中采用弯曲元测试固化后的砂体得到的平均剪切波速为300 m/s，较松散砂土其刚度大大提高。固化次数较少的土体仍能保持较好的渗透性，有利于工程排水，这是因为固化过程中碳酸钙沉淀大多覆盖在土粒接触面附近，而对于孔隙较大的地方不会沉淀，砂体内部孔隙仍具有一定的联通性，原因也被Rong等通过对固化后砂土进行XCT测试观察计算其孔隙率变化而证明。微生物固化砂土也是防止饱和砂土产生振动液化的一个有效措施，程晓辉等对饱和砂进行微生物诱导碳酸钙技术固化后，做动三轴不排水抗剪试验，其承载力极大的提高，能抵御7.8级以下地震，没有液化现象。在此基础上，微生物固化技术可用于特殊岩土工程环境中，如方祥位等将该技术用于固化海洋珊瑚砂，通过对固化影响因素进行多组正交试验，采用最优固化条件制作微生物珊瑚砂桩，进行单桩复合地基模型试验，试验发现在桩间土相对密度较低的情况下，地基承载力可提高1倍，褥垫层厚度较薄时，复合地基承载力提高1.2倍。闫玥等对吹填土表层砂垫层进行微生物固化处理，形成生物水泥硬壳层，固化后的地基承载力提高约8倍[4]。除此之外，还有关于如活性炭、纤维、橡胶等添加剂对微生物固化土体的研究，如陈筠等发现活性炭可以固定微生物，提高红黏土土粒接触面碳酸钙沉淀量，增加其抗剪强度[5]。

2.2 修复混凝土裂缝

传统修复混凝土裂缝主要有灌浆法、表面处理法、结构补强法、填充法等几种方法，均有不同程度的限制，如表面封闭法只修复混凝土材料的表面，内部裂缝的存在仍影响混凝土材料的正常使用；灌浆法常用流动性较好的化学有机材料，一般有毒性且与水泥材料相容性差；结构补强法施工技术复杂，所需成本较高，对于大体积混凝土修复不使用。微生物矿化碳酸钙技术可以较好的弥补以上不足，因其具有较强的流动性，绿色环保，生成碳酸钙致密且强度高，如图3所示[6]，与水泥基材料的相容性较高，施工技术相对简单且成本低。该技术目前有3种形式可以达到修复混凝土裂缝的目的，分别是表面碳酸钙覆膜、灌浆碳酸钙填充、自修复混凝土。表面碳酸钙覆膜是在混凝土的表面按照一定的微生物诱导碳酸钙技术生成致密的碳酸钙薄膜，将产生的裂缝封堵，主要用于防渗防水。灌浆碳酸钙填充是将微生物、矿化试剂按照一定的施工方案填充到裂缝中不断生产碳酸钙进行填充裂缝，实现对微小裂缝的修补。自修复混凝土是将微生物和矿化试剂利用某些载体固定预埋在混凝土中，当其开裂时，内部发生微生物矿化反应生成钛酸钙自主修复裂缝。如钱春香等通过喷涂、浸泡、涂刷等不同方法对有裂缝存在的水泥净浆试块进行微生物矿化，试验表明涂刷法生成的碳酸钙薄膜更有利于封堵裂缝；比利时根特大学的De Belie等将硅凝胶结合微生物矿化碳酸钙共同修复0.3 mm裂缝成功，与化学灌浆修复效果等同；钱春香等采用陶粒作为固定细菌的材料预埋在混凝土中，能够为细菌提供更好的生长环境，当发生混凝土产生裂缝后自主修复效果比炉渣细菌载体更好。

2.3 抗渗建筑材料

传统的防渗材料如复合土工膜易老化，混凝土抗拉强度低容易开裂，化学灌浆材料一般具有毒性且成本高[7]。微生物诱导碳酸钙可生成或薄或厚的微生物水泥材料，其质地密实，抗渗能力强，且具有水泥一般的强度，可以用来表面覆盖有裂缝的混凝土，可以用来固化软黏土，还可以用来灌浆提高土体的抗滑稳定性，绿色环保。目前研究最多的是利用MICP技术在混凝土表面覆膜，通过溶液浸泡、喷涂和涂刷固载的形式，在混凝土表面不断缓慢的沉积出碳酸钙颗粒从而达到表面防护的作用。也有将MICP胶结的过程直接发生在黏土层或者砂土层表面，在交界面的胶结性达到最佳效果，致密的碳酸钙沉淀的渗透系数约为2.42×10-5，防渗效果相当于粉土或黏土混合物，如图4所示。

2.4 治理重金属或放射性金属

MICP技术也可以用于治理重金属或放射性金属污染土。采用MICP法，在碳酸盐矿化菌的参与下，可以将镍(Ni)、铜(Cu)、铅(Pb)、钴(Co)、锌(Zn)、镉(Cd)等重金属离子与碳酸根结合，形成难溶沉淀，从而达到控制重金属离子污染的目的。研究表明该技术可以有效去除50%～99%的重金属离子。目前实验室利用MICP技术主要研究处理土壤中的重金属和处理矿山中的废水，来达到修复生态环境的目的[8]。

3 结论与展望

1)本文对碳酸钙沉积技术(MICP)在工程应用，尤其是岩土工程中的应用进行了一些总结，包括固化土体、修复混凝土裂缝、防止渗漏、处治污染土方面，体现了该技术在绿色可持续发展战略中的重要性，可作为未来环保型施工技术手段和工程材料。2)目前该技术的研究仍处于初级阶段，限于实验室研究，在实际施工过程中难以严格的控制反应条件，技术效果难以确定，而且对于大量微生物矿化菌是否会影响到生态平衡还是有待研究的课题。在今后可以先将此技术在小范围和小规模的工程中应用，从而根据应用情况不断的弥补技术缺陷，直至形成一套可实际施工操作的技术流程。