微生物水泥力學性能和耐久性的可持續應用研究進展

王冰霞 胡 靜 王 璐 張 磊

（1蘭州理工大學土木工程學院，甘肅蘭州 730050；2蘭州石化公司研究院地理信息所，甘肅 蘭州 730060）

1 引言

目前應用較廣的建筑固結材料有硅酸鈉、聚氨酯、環氧樹脂、水泥等，這些材料大部分有毒，環境隱患令人擔憂！水泥是土木工程中廣泛應用最廣的膠結材料，但生產過程需要燃燒大量礦石，能耗較高，且排放的CO2導致溫室效應、污染環境等問題。因此，急需尋找環境友好型的建筑材料以滿足土木工程的需要[1]。

與傳統膠結材料相比，微生物水泥是廣泛存在于自然界且環境友好型的建筑材料，是微生物通過其新陳代謝，與周圍環境介質之間發生不斷酶化作用，形成膠結物質碳酸鈣的過程。長期以來，微生物膠結體的力學性能和耐久性優劣爭議較大，本文通過揭示微生物礦化作用，論述了微生物作用后的力學性能和耐久性研究工作及成果，分析比較了微生物膠結體力學性能和耐久性的優劣，不僅為微生物水泥試件的耐久性和力學性能設計提供參考，且促進工程應用價值。制控制，微生物新陳代謝的部分產物和外界環境的離子或混合物發生物理化學反應，造成后續代謝副產物礦物沉積。以碳酸鹽為產物的微生物過程，被稱為微生物誘導碳酸鹽沉（microbially induced carbonate precipitation，MICP）。

MICP目前研究較多的是尿素水解過程[3]。尿素首先在微生物代謝產物尿酶的作用下發生水解反應生成氨基甲酸鹽和氨氣，氨基甲酸鹽水解產生氨氣和碳酸，（1）和（2）式產物發生（3）和（4）式的電離平衡，造成環境堿性升高，碳酸氫根離子遷移，最終形成碳酸根離子，如式（5）。特殊結構的微生物細胞壁使微生物表面帶有負離子基團，并不停吸附鄰近溶液中的鈣離子，使其齊集在微生物細胞外表面，同時在脲酶的作用下，將已經擴散到細胞內的尿素分子分解出碳酸根離子運送到細胞表面，且以細胞為晶核，在細菌周圍形成碳酸鈣沉淀，如式（6）。

2 微生物礦化及膠結過程

微生物礦化作用無時無刻地發生著。特定的物理化學條件下，在生物的特定部位和生物有機質的影響或控制下，溶液中的離子轉變為固相礦物的作用，稱之為生物礦化作用[2]，是一種有機與無機、固相與液相之間的物理化學過程，受熱力學、動力學和生物學等因素控制。而控制生物礦化作用的方向和過程是通過生物設置礦化位、調節微環境、提供有機基質、搬運離子、建立飽和溶液等來實現的。

微生物礦化機制主要有生物控制和生物誘導，前者與外界環境無關，微生物高度控制礦物顆粒的形核與生長過程；而細菌作用下的碳酸鈣沉積一般認為是誘導機

MICP技術常以膠結材料的微生物水泥和表面涂層的生物沉積兩種形式而廣泛應用。微生物吸附在土顆粒的表面，碳酸鈣結晶在微生物細胞表面形成和生長，會吸附在土顆粒的表面形成包裹及在土顆粒之間形成搭橋，最終將砂土顆粒膠結成整體。土顆粒孔隙中微生物誘導形成的方解石可能出現兩種極端狀態[3]，一種是在土顆粒周圍形成等厚度的方解石，另一種是僅在土顆粒相互的位置形成方解石，前者土顆粒之間的膠結作用較弱，對土體的性質改善較不明顯，后者使得方解石全部用于土顆粒間的膠結，對土體的工程性質較為有利。方解石沉積在孔隙中的分布狀態介于兩種極端狀態之間。由于砂土的膠結作用，使得砂土顆粒的性能發生變化，如力學性能和耐久性等的提高。

3 力學性能

微生物水泥作為環保、性價比較高的新型建筑材料，具有優異的力學性能，表現出較高的強度[4]，其原因主要為微生物新陳代謝產生的酶促進碳酸鈣在顆粒間沉淀，導致顆粒間孔結構發生變化。強度提高的程度與微生物種類及生物量、生成碳酸鈣晶體的含量和形態、孔隙結構及孔隙率、膠結作用形成的粘聚力等因素有關。

Ghosh等人[5]研究表明，通過希瓦氏菌處理的砂漿試件在7天和28天后抗壓強度分別增加了17%和25%。Ramakrishnan等人[4]研究了經培養液中擴大培養嗜堿好氧菌細菌巴氏芽孢桿菌（Bacillus pasteurii），并補充尿素和CaCl2，澆筑形成微生物膠結立方體試件的28天后抗壓強度。經菌液處理的試件有較高抗壓強度（65MPa），而未經菌液處理的試件僅有55MPa。Jonkers和Schlangen[6]等人研究了用巴氏細菌形成的微生物膠結體，結果表明：經微生物膠結的試件和沒有微生物膠結的試件抗拉強度基本相同。進一步研究表明，采用假單胞菌（Bacillus pseudofirmus）和芽孢桿菌（Bacillus cohnii）專性嗜堿芽孢桿菌和科氏芽孢桿菌的混合菌液處理的試件抗壓強度增加了10%。Achal等人[7～9]采用工業副產品母糖乳液（LML）和玉米漿（CSL）為營養源研究了砂漿試件的抗壓強度，以LML和CSL培養基的巴氏桿菌的微生物水泥膠結體在28天時強度分別增加17%和35%。另有研究表明：經節桿菌（Arthrobacter crystallopoietes）處理的微生物膠結體強度增加較明顯[10]。Afifudin 等人[11]研究表明：摻有枯草芽孢桿菌的微生物水泥的抗壓強度比普通水泥的抗壓強度高28%。細菌加入膠結材料后，吸收膠結材料和周圍的營養物質并開始生長，碳酸鈣沉積在細胞表面和水泥沙漿基質中。一旦基質中的微孔被堵塞，阻礙細菌細胞所需的營養和氧氣的流動。最后細胞死亡或轉變成內子孢，并充當有機纖維的作用[12]。微生物沉淀法能否使強度增加取決于基質中是否有足夠數量的有機物質的存在，基質中有機物質取決于微生物的生物量。總之，抗壓強度的增加主要取決于膠凝材料內部孔的整合和微生物沉淀后的產物。

抗壓強度的增加與微生物沉積后的產物有什么關系？研究發現砂柱強度與方解石含量有著密切關系，并存在有線性增加關系[13]。但也有實驗表明方解石含量增加，砂柱的強度并不增加。有學者研究[14]表明MICP微生物誘導碳酸鈣沉積導致土體性質的不同[30]，究其原因主要是碳酸鈣在顆粒間分布不均的造成的。較多學者研究了不同成型工藝對微生物沉淀碳酸鈣均勻性的影響，以提高其性能。崔明娟等人[15]研究化學處理方式對微生物固化砂土強度影響時發現，化學處理方式對試樣的無側限抗壓強度和割線彈性模量有顯著影響。采用高/低濃度相結合的化學處理方式，可在較少灌漿次數條件下獲得較高無側限抗壓強度和割線彈性模量的試樣；化學處理方式對試樣強度的影響主要體現在碳酸鈣分布是否均勻，并非碳酸鈣含量的多少。高/低濃度相結合的化學處理方式可使微生物誘導產生的碳酸鈣較為均勻地分布在試樣中。TOBLER[16]和Barkouki[17]等人研究了分段灌漿和并行灌漿、間歇灌漿和連續灌漿時都表明，分段灌漿和間歇灌漿的碳酸鈣沉積較均勻。錢春香和榮輝等人[18]研究了成型工藝對松散顆粒的強度、方解石含量等的影響表明，最佳的成型工藝為泵送注射成型工藝；進一步研究也表明：在相同位置處采用相同方向制備的微生物水泥砂柱，抗壓強度優于不同方法澆筑的不同方向的試件，形成整體砂柱澆筑次數少，但不均勻[13]。

Chou等人[19]研究表明，通過微生物膠結后的砂體，抗剪強度得到了顯著提高，Li等人[20]研究了不同程度下砂柱的固結排水剪切特性，發現抗剪強度的增加主要依賴于膠結作用下形成的黏聚力。

4 耐久性

4.1 抗滲性

混凝土的抗滲性主要包括氣體分子，氯離子和水分子的擴散。是表征混凝土耐久性的基本參數之一。孔隙率和孔隙特征是影響混凝土抗滲性主要因素。孔隙率和連通孔越少，抗滲性將越好，混凝土中的滲水通道主要來自膠凝材料中多余的水分蒸發而留下的氣孔，水泥漿泌水所產生的毛細管孔道、內部的微裂以及施工振搗不密實產生的蜂窩、孔洞等。當混凝土受壓力水作用時，水從其中的孔隙或組成材料本身中通過，若水流孔隙是連續的則造成混凝土的滲漏。

4.1.1 滲水性

MICP已證明可以大幅度降低膠凝材料和其他建筑材料的透水性[21]。早在1993年，利用微生物來源的碳酸鈣修復圖阿爾的Saint Médard教堂時發現，在不影響審美外觀的情況下，石材的吸水率可以降低五倍[22]，對水泥砂漿試件進行了類似的試驗，結果表明，球形芽孢桿菌可以促進微生物沉積。Muynck等人[23]報道了砂漿試件表面上沉積的方解石層的吸水率可以減少65%～90%。通過球形芽孢桿菌的微生物沉積對混凝土縫進行修復，試驗結果表明：混凝土滲透性顯著減少。進一步研究表明，活化微生物量、砂漿試件表面或多孔基體內沉積的碳酸鹽晶體導致砂漿試件的滲透性降低；該課題組[40]認為生物沉積是具有阻孔特性的雙組分涂層系統。細菌本身堵塞毛孔，在膠結物表面形成生物薄膜，以生物膜作為底物形成碳酸鹽涂層。

另有研究表明[24]：在表面沉積的碳酸鈣晶體層能降低水滲透性。經巴氏芽孢球疊桿菌微生物處理的150mm×150mm×150mm的混凝土試件，側面的滲透性比頂部的高，頂部的透水性比未經微生物處理的試件約低4倍，而側面的透水性則約低2.5倍，其原因是重力輔助沉積和頂部孔隙關閉，方解石沉淀形成了一個更密實的界面區，引起微生物水泥較低的透水性。

4.1.2 氯離子滲透性

氯離子在鋼筋混凝土中擴散，引起鋼筋腐蝕。氯離子引起的腐蝕是影響建筑結構長期性能惡化的主要因素之一。在混凝土的強堿環境中，鋼筋表面形成鈍化膜，可以防止其腐蝕。然而，由于環境的影響，比如碳化，混凝土的堿性能被中和，氯化物和鋼筋接觸，腐蝕的風險增加。MICP可以阻塞毛孔，阻礙氯離子的滲透。

MICP用于水泥基材料和石灰石的表面防護時發現，表面沉積的碳酸鈣層可以削弱氯離子侵蝕和碳化、吸水率等[25]。Muynck 等人[26]的研究結果也表明經微生物處理試件的吸水率和氣體的滲透性下降，微生物活化數量在很大程度上有助于水泥砂漿的氣體滲透率下降，所形成的30～50μm碳酸鹽層使抗碳化能力增加[23]。該課題組[23]進一步通過加速遷移測試了氯離子滲透率，發現經MICP微生物處理試件的氯離子遷移系數比未處理樣品降低10%～40%，經微生物處理試件對氯離子遷移阻力增加，比未經微生物處理的砂漿試件、丙烯酸涂料等的氯離子的滲透率低。Achal 等人[24]通過快速氯離子滲透試驗（RCPT）測量了經微生物S.pasteurii處理圓柱形混凝土試件中的氯離子滲透性，并與未處理的試件進行比較，結果表明未處理的試件中的平均電荷是3177C，而經微生物處理試件中平均電荷為1019C～1185C。根據ASTM C1202-05，MICP可以使氯離子滲透率從“中”降到“低”。然而，大多數MICP過程中用到氯鹽，引入氯離子，加速鋼筋腐蝕，且氯化鈣作為鈣源在微生物礦化過程中產生大量的氨氣。Xu等人[27]比較了以乳酸鈣和谷氨酸鈣為鈣源的微生物B. cohnii誘導碳酸鈣沉積的能力，研究發現利用谷氨酸鈣得到較大且厚的碳酸鈣層。以乳酸鈣作為藻類芽孢桿菌的鈣源，在裂紋表面產生20～80μm的CaCO。硝酸鈣也成功用于S.pasteurii的鈣源[29]。Achal和Pan[30]報道了以氯化鈣、氧化鈣、醋酸鈣和硝酸鈣為鈣源的芽孢桿菌脲酶活性的測定以及對碳酸鈣沉積的影響，其脲酶活性分別是 432Uml-1、418Uml-1、401Uml-1、389Uml-1，為氯化鈣鈣源的替換、MICP技術提高氯離子抗滲性提供了依據。

4.2 抗侵蝕性

碳酸鈣抗侵蝕性是表征材料抵抗風力、水流、酸堿鹽溶液等物理或化學侵蝕作用的性能，它是評價固化土體耐久性的重要指標。微生物誘導碳酸鈣沉積可以在表面形成碳酸鈣層，或沉積在顆粒間，改變了孔隙結構，阻止外界有害物質的入侵。多數學者研究發現，經過微生物處理后的試樣，其抗侵蝕能力有很大提高。利用微生物膠結表層的砂體抵抗侵蝕破壞的現場試驗研究是由Gomez等人[31]率先開展的，其對現場松散尾礦砂利用菌液和膠結溶液進行表面膠結加固，最終形成了2.5cm厚的堅硬膠結層，經測試表明，有效加固深度達到28cm，較好地提高了松散礦砂的抗侵蝕能力。另有利用微生物灌漿加固5：1的砂：高嶺土混合土樣，并對其進行滲流侵蝕試驗[32]中也表明：經微生物處理后土體的臨界水力梯度和剪應力得到明顯提高，而相同水力條件下的內部侵蝕量明顯減少。

抗酸雨侵蝕方面，酸性介質中混凝土結構試件的耐久性極易受化學腐蝕而破壞鋼筋。而微生物誘導沉積的碳酸鈣層作為混凝土試件保護層，可以有效防止腐蝕。Nele DE BELIE等人[25]研究混凝土地下水管道生物硫酸鹽侵蝕時發現，具有高度中和能力的材料可以限制生物腐蝕發生。Qian[29]等人制備了不同PH的H2SO4溶液，測試經B.pasteurii引誘方解石沉積層為30mm厚的水泥砂漿試塊的耐酸性，研究結果表明：在微生物脲酶作用下沉積在試塊上的方解石層很大程度上提高了試塊表面抗滲性，增強了抵抗酸攻擊的能力。為研究經生物礦化處理的鋼筋混凝土梁的耐腐蝕能力，Achal等人[33]制備經芽孢桿菌沉淀方解石層后的鋼筋混凝土試件，模擬比較了經微生物處理的試件與未經微生物處理試件的腐蝕情況。后者前2天內電流迅速從17.5mA增加到40mA，第7天末已升高到180mA，而在同樣測試時間段內，經微生物處理的試件，僅產生約85mA電流；未經微生物處理的樣品在36h內，出現了0.3mm 寬的裂縫，經過微生物處理的樣品，7天后才觀察到同樣結果，試驗結果表明MICP沉淀技術可顯著延長結構的使用壽命。腐蝕電流密度（icorr）測量也表明：MICP對減少鋼筋混凝土試件中的腐蝕電流起著重要作用。經微生物處理的試件，腐蝕電流密度變化僅在14.78～20.03mA/m2之間變化，未經微生物處理的試件，有著明顯的較高腐蝕電流密度（60.83mA/m2）。以線性極化電阻（LPR）為依據，未經微生物處理的線性極化電阻為3942Ωm2，而經微生物處理的試件僅11890Ωm2，從而推斷出方解石的形成可能有助于保護鈍化膜，抑制腐蝕。然而，Cheng等人[34]的研究結果表明經微生物處理的試樣，經過不同PH值酸雨灌注后，微生物固化砂體的抗酸雨侵蝕能力較差，強度降低高達40%。因此，對于微生物處理的試樣，其抗酸性是否提高，有待于進一步研究。

Cheng[34]和榮輝[35]等人研究了經MICP膠結試樣的抗凍融和抗沖刷性，研究結果表明，經MICP膠結的試樣表現出較好的抗凍性和抗沖刷性。抗風蝕性能方面，Bang等人[36]研究發現，將菌液及膠結溶液均勻噴灑于砂土表面可形成具有一定硬度的膠結薄層，從而有效提高固化土體的抗風蝕性能。

微生物碳酸鈣沉淀技術由于其獨特的優點而被廣大土木研究者青睞。也為土體重金屬污染處理等帶來了福音。

5 結論與展望

微生物膠結體耐久性和力學性能方面仍舊有較多的問題，有待于進一步研究：

1）細菌的有害性和施工條件所限，微生物技術目前仍處于室內研究階段，用于室外工程的力學性能和耐久性較少，故應大力宣傳，消除大家對此種技術的疑慮；MICP技術大多以尿素水解為主，尿素水解產物除了碳酸鈣之外 ，還產生氨氣，具有刺鼻的味道，氨氣的處理方式有待于進一步研究；反硝化細菌礦化生成碳酸鈣來加固砂土體，反硝化最終產物為N2氣，對環境有保護作用，但是反硝化細菌生長緩慢且活性低，反應過程較為漫長，中間產物亞硝酸根NO是一種有毒的物質，如果處理不當，會對環境以及人體健康造成危害，故實際應用中有待于進一步論證研究；且大多使用環境適應能力強的巴氏芽孢桿菌和巴氏芽疊球菌菌種，故開發極端環境條件下的微生物菌種和從砂土中提取原位菌種迫在眉睫；

2）現有研究應用較多的鈣源為氯化鈣，但是氯離子對混凝土有腐蝕作用，使用過程中的利弊也需更深一步論證；

3）MICP技術主要在影響碳酸鈣的生成量及形態的影響、強度變化等方面研究較多，且碳酸鈣的生成量及形態可能是多種因素的綜合影響結果，大多只考慮單一因素影響，對交叉因素影響研究不多；MICP技術引起的抗滲性、抗腐蝕性等方面研究較少。

微生物技術涉及多學科交叉，需要在微生物、土木、環境、材料、化工和機械工程等領域的研究人員協同下進行更深的基礎應用型研究工作，使具有潛在應用價值的MICP技術在土木工程領域中的可持續應用得以提升。