微生物注漿修復混凝土結構在海洋工程中的應用研究

蔡 鑫，徐 贊，曹 鑫，何曼佳，賈述祥

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

0 前 言

隨著我國海洋開發的不斷深入，以海底隧道、跨海大橋和海上人工島為代表的海洋工程建設得到了飛速發展。在享受發展福利的同時，這類工程建設對海洋生態環境會造成負面影響。以跨海大橋為例，其修筑在海床上的橋墩基礎部分對海床的占用是永久性的，因此，會對該區域的海洋底棲生物生存環境造成永久性的破壞[1]。海洋工程施工過程中會使海水中懸浮物質含量大大增加，這些懸浮顆粒會影響魚類的正常生存。

現有的研究表明，海水會對鋼筋混凝土結構會造成損傷：海水中含有大量的Cl-離子等，由于混凝土結構長期浸泡在海水中，其堿骨料會與酸根離子反應從而造成混凝土的裂縫、剝落和強度降低等損傷，并進一步腐蝕鋼筋，從而降低結構的承載力和使用性能，任由其發展將會對海洋工程結構的安全和正常運行使用造成威脅[2]。

傳統的鋼筋混凝土結構修復手段急需改進與提高。目前混凝土結構的修復較多采用水泥漿修復和化學注漿修復。水泥注漿法是將漿液注入病害位置以達到修復效果，但水泥漿液會使周圍水體形成一定范圍的堿性環境，在海洋中會造成嚴重的污染，危害區域的生態平衡[3]。

現有一種微生物誘導碳酸鈣沉淀(MICP Microbially Induced Calcite Precipitation)技術，其原理是利用自然界的一些無害微生物，通過為其提供氮源、營養鹽以及適當的培養條件來誘導碳酸鈣沉積。國內外學者的研究證明，MICP技術修復混凝土損傷具有良好效果，在混凝土結構病害處迅速生成大量的碳酸鈣結晶，使其被填充加固[4]。

1 海洋工程發展現狀

海洋工程在目前正快速發展，我國與世界各國緊密合作進行海洋的開發利用，在進一步完善和可持續發展利用海洋工作資源的同時也要減少工程建設帶來的破壞。在我國，在建和以已建成的跨海大橋、海上人工島、海港港碼頭和海底隧道工程體量巨大，為我國海洋經濟發展提供了強大推力，是海洋經濟飛速發展背景下不可或缺的重要組分。但在這類海洋工程的建設中不可避免地會與海洋生態保護存在矛盾與沖突點。如何協調好二者間的關系是推進工程技術進步的關鍵。

2 MICP的原理

微生物誘導碳酸鈣沉積(MICP)是自然界普遍存在的一種生物誘導的礦化作用，其原理是利用某些特定的微生物，通過為其提供適當的培養條件，促使微生物誘導Ca2+沉積生成碳酸鈣晶體(見圖1)。

圖1 微生物誘導碳酸鈣沉淀示意圖

(1)

(2)

用于修復混凝土裂縫時，生成的碳酸鈣沉淀物會附著在填充的物質上，對破損、開裂部位建立新的粘結關系，并在粘結處形成一定強度，從而阻止結構病害的進一步發展，達到對混凝土結構的修復效果。

3 MICP應用于土木工程研究現狀

MICP法是近新興起的一種用于土體加固和圬工結構修補的注漿技術，大量的專家學者在推動MICP應用于土木工程的進程中做了大量的理論與實驗研究。模型實驗方面，程曉輝研究MICP法在液化砂土地基處理中有效性，動三軸試驗結果表明：MICP固化砂樣UCS強度在0.3～2 MPa，相對于常規的化學注漿加固地基，固化砂樣的抗壓強度提升明顯，且固化時間控制降低；通過室內的模型振動臺模型試驗：在地震等級為強震的作用下，運用微生物灌漿與碎石樁擋墻加固的松砂地基能抵御在地震中地基的抗液化性能，碳酸鈣在土顆粒孔隙中的分布狀態(見圖2)。

圖2 碳酸鈣在土顆粒孔隙中的示意圖

趙茜利用巴氏芽孢桿菌催化尿素水解進行MICP加固土壤的一系列研究。首先通過分析研究這一過程涉及到的化學反應，篩選對MICP影響較為明顯的因素，主要有：脲酶活性，尿素濃度，鈣離子濃度和pH值。通過實驗分析了上述因素和養護條件對MICP固化土壤的影響，給出了適宜條件參數。最后，通過使用一種新型的模具，對比了細菌和人工提取脲酶MICP固化土壤的效果，發現細菌的固化效果明顯優于人工提取脲酶。王亞奇等通過微生物誘導碳酸鈣沉積方法、環氧膠法和聚合物水泥法三種不同加固方法混凝土中的對帶裂縫加固，并通過實驗來測試修補后混凝土的相關力學性能和常規環境下的耐久性能分析。實驗的結果分析，MICP加固法修補后的混凝土可達到一般混凝土力學性能約70%的強度，實際加固的結果比環氧膠液、聚合物水泥材料方法略差；在工程耐久性方面MICP修補液與環氧膠液、聚合物水泥效果相接近。錢春香等通過裂縫儀、電鏡和熱重分析方法分別對存在混凝土裂縫的微生物自修復對比研究。分析結果表明：在混凝土裂縫修補后，混凝土裂縫在微生物礦化產生的碳酸鈣凝膠修復，實際效果較好，其中最大填充裂縫寬度約1 mm。在實驗中微生物礦化產生碳酸鈣分布于裂縫開口處較多，同時在裂縫深度增加時碳酸鈣量逐漸減少。

現場試驗方面，2010年代爾夫特理工大學的學者首次將MICP法用于加固地基土的現場試驗，并取得了良好的加固效果；在國內，楊鉆將微生物注漿用于加固劣化古建磚石砌體，模擬其常見裂縫、缺失、空鼓的病害，并進行了現場試驗，結果表明MICP法對劣化磚石砌體有良好的加固效果。

4 MICP應用于海洋工程研究現狀

MICP應用于海洋工程是一個新興方向，目前國內外只有少數學者對此進行了研究分析，且多是通過模型試驗和基礎研究論證MICP應用與海洋工程的可行性。

徐宏殷等對MICP應用于圍海造陸工程進行了初步研究，在實驗室內對圍海造陸圍堰中的表層地基鋪設黑砂加固處理進行了模擬，實驗顯示MICP法可達到快速加固的效果，10 cm砂柱的無側限抗壓強度達到1.91 MPa，能滿足工程要求，并大大節約用砂量。唐陽等對MICP珊瑚礁生態修復技術進行了試驗研究，研究結果表明：MICP技術對珊瑚砂基質有良好的膠結加固效果，用于為珊瑚生長提供海床的基底具有可行性。劉璐等設計了將MICP應用于加固堤壩表層的模型實驗，將配制好的菌液噴灑在堤壩模型表面，待自然固化后進行沖刷試驗。試驗結果表明：未經處理的堤壩模型在15 s內被沖刷破壞，而使用MICP法處理過后的堤壩模型在10 cm/s流速下可長時間抵抗沖刷。對模型切樣進行物理力學特性的試驗研究。試樣的密度由初始的1.6 g/cm3提高至2.1 g/cm3；無側限抗壓強度高達9 MPa；滲透系數從初始的4×104m/s降低至7.2×107m/s；試樣中生成的碳酸鈣含量占試樣重量的18%左右。由此說明了微生物注漿技術在加固堤壩表層方面具有巨大的潛在價值。

5 結 論

1)MICP法修復海洋工程混凝土結構能達到強度要求，修復部分的耐久性與水泥注漿修復、化學注漿修復效果相當，且MICP法具有環保、低能耗的優點。

2)綜合修復效果、環保性能等各方面來看，MICP注漿應用于海洋工程混凝土修復具有可行性。

3)在海水環境下進行微生物注漿會削弱微生物活性從而降低修復效果，因此，現有的注漿手段仍有待創新。

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