广州大学土木工程学院 广东广州 510623
摘要：微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）在岩土工程中引起了广泛的关注。已发现MICP能够改善土壤强度，刚度，抗液化性，抗侵蚀性等土体性能，同时保持良好的渗透性。MICP过程涉及一系列生化反应，这些生化反应受许多因素（内在和外部）影响。本文概述了细菌种类、细菌浓度、温度、pH、胶结溶液的组成和浓度、土壤性质以及灌浆方式等因素对MICP过程的影响。
关键词：微生物加固 土体性能 影响因素
1引言
随着全球人口的增长和城市化，需要建设越来越多的基础设施。在此过程中，经常会遇到一些工程性能较差的土壤，必须对其进行改良以满足施工要求。近年来，随着土木工程、微生物学、地球化学等学科的交叉研究与不断发展，微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术成为了一项新型的加固土体技术[1]，该项技术最早是由澳大利亚的Whiffin[2]提出，已引起国内外学者的广泛关注。参与的微生物包括反硝化细菌，硫酸盐还原细菌，氧化细菌和产生脲酶的细菌，产生脲酶的细菌因其成本低，引发胶结作用的效率高，可控的反应过程而备受学者关注和研究。微生物分泌的脲酶参与尿素水解，产生CO32−，与添加到周围环境中的Ca2+结合生成大量碳酸钙晶体，粘结粒状颗粒并填充土工材料的内部孔隙和裂缝。其反应式如下：
CO（NH2）2+2H2O→2NH4++CO32- （1）
Ca2++CO32-→CaCO3（s） （2）
现有研究表明，MICP技术能有效提高砂土的强度、刚度以及抗液化性能等[3]。MICP作为一种新型的地基加固处理方式，相对于传统的地基处理方式，例如物理夯实、水泥浆等化学处理方式，具有成本低、耗能小、对环境影响小等特点，因此，这种地基加固方式在学术界引起了广泛的关注，并且在土木工程、材料工程等领域有了广泛的应用，例如混凝土自修复、荒漠风积沙固化、古建筑修复、地基加固等。微生物诱导碳酸钙沉淀的过程受很多因素影响，例如细菌种类，细菌浓度，温度，pH，胶结溶液的组成和浓度等等诸多因素，将在下文进行阐述。
2 微生物的种类和细菌浓度
微生物芽孢杆菌和孢子菌的种类和菌株是经MICP处理的岩土技术中使用的主要菌株。由于细胞外有机基团和脲酶化学组成的不同，不同菌株的细菌分泌的碳酸钙晶体的类型，大小，形状和产率也不同，这使得岩土材料的胶结作用不同。球形和方解石状的碳酸钙非常适合固化岩土材料。文石晶体具有良好的胶结效果。大尺寸的碳酸钙晶体更适合于固结粗粒土，并且适合于提高岩土材料的强度，而小尺寸的方解石更适合于固结细粒的土壤并降低土壤的渗透性。细菌溶液的浓度会影响碳酸钙的外观，大小和数量。通常，细菌溶液的浓度越高，对土壤的固结作用越好。建议在工程应用中使用较高浓度的细菌溶液。
3 温度和PH
MICP的最佳温度为20至40°C。在此范围内，较低的温度将增加碳酸钙晶体的粒度，并产生碳酸钙在颗粒之间的相对均匀的分布，这有助于提高胶合试样的强度。在较高温度下，碳酸钙颗粒较小，但产率较高。固结样品的强度较低，但抗风蚀和吸水能力较强。
pH值对细菌分泌的碳酸钙的晶型没有明显影响，但对晶体外观有一定影响。最适合孢子菌和芽孢杆菌生长的pH值在9以上。尽管降低pH值会降低碳酸根离子的浓度和碳酸钙形成的速度，但如果使用得当，它有助于增加碳酸钙晶体的尺寸，从而改善MICP的固化效果。在7-8的pH范围内，土壤强度的增加最为显著。
4 胶结液浓度和组成
氯化钙是实验中最常用的钙源。它与细菌生长，脲酶活性，碳酸钙产量，晶体类型和形态兼容。乙酸钙在提高土壤强度方面非常有效，这使其成为将来分析的新的钙源。少于1 mol /L的胶结溶液对改善岩土性能具有良好的效果。0.25 mol / L的浓度对提高渗透性和长期稳定性有很好的作用，但是反应时间更长。当胶结溶液浓度增加到0.5 mol / L时，碳酸钙含量和无侧限抗压强度的相对较高。适当增加尿素与钙离子的浓度比（例如1.2∶1）可以提高碳酸钙的矿化效率和尿素酶的活性。
5 土壤性质
土中丰富的矿物质会导致碳酸钙沉积。富含方解石的土壤最有利于碳酸钙的微生物沉积，在MICP中最有效的粒径为10至1000 μm。具有最高的碳酸钙沉积效率的粒径为约100μm，但是关于达到最高强度的最佳粒径尚无明确结论。指定的土壤特性（例如更高的密度和更好的粒度分布）通常有助于改善胶结效果。
6 灌浆方式
灌浆技术对于MICP固化方法的现场施工至关重要。MICP加固的不均匀性是最具挑战性的因素之一，它限制了在现场应用中大规模使用MICP。通过使用不同的灌浆方法，有可能改变MICP处理后碳酸钙沉淀的均匀性和分布，从而改变MICP处理土壤的强度和渗透性。最简单的灌浆方法是将细菌和胶结溶液的混合物注入土壤中。但是，这种方法很可能导致在注入点附近沉淀碳酸钙晶体并随时间分布不均匀，经过MICP处理后的土壤强度在空间分布的高度也不均匀。有学者提出了一种两阶段灌浆方法。首先，将细菌溶液注入并在土壤样本中保留一段时间。然后，注入胶结溶液。这种注浆方法可以减少注入过程中碳酸钙的堵塞，并改善土壤样品中碳酸钙的均匀性。还有一种多浓度相联合灌浆的方法：在早期注入低浓度的胶结溶液，在后期注入高浓度的胶结溶液。与单浓度灌浆法相比，多浓度相联合灌浆法能获得更高的土壤强度，减少灌浆量。
7 结论
本文总结了MICP过程中加固效果受砂土性质、菌液的浓度、胶结液浓度、培养温度、pH 值以及灌浆方式等因素的影响，从而影响砂柱的胶结情况及试样最终的强度。这对之后在工程实践中探究MICP固化土体有重要意义。
参考文献：
[1]李明东，张振东，李驰.微生物矿化碳酸钙改良土体的进展望与工程应用技术设计[J].土木工程学报，2016，49（10）：80-87.
[2]WHIFFIN V S.Microbial CaCO3 precipitation for the production of biocement[D].Perth：Murdoch University，2004.
[3]刘汉龙，肖鹏，肖杨，楚剑.微生物岩土技术及其应用研究新进展[J].土木与环境工程学报（中英文），2019，41（01）：1-14.