MICP固化土體影響因素研究進展

趙蒙 鄧瑞 譚博仁 張旭 楊美林

摘 要：利用微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術加固土體近年來越來越受到研究者的關注，但關于溫度、顆粒粒徑和濃度等因素對MICP固化土壤的影響的相關研究規律總結尚不充分.為了進一步提高MICP技術固化土體的效率，從對各種影響因素的試驗研究出發，總結了3種影響因素在微生物固化土體反應進程中的相關結論.發現提高菌液濃度能增大碳酸鈣產量，而濃度過高會抑制脲酶活性，對固化效果產生反作用；應用MICP技術的溫度為30 ℃時，菌液活性與碳酸鈣產量等方面達到最佳；選用顆粒級配良好的土體試樣能較大程度提高改良土體的強度，加固效果更好，有效粒徑范圍為10～1 000 μm，但顆粒級配的影響程度研究尚不夠深入，需要進一步加以研究.

關鍵詞：濃度;溫度;顆粒粒徑;MICP

中圖分類號：TU472

文獻標志碼：A

文章編號：1004－5422（2023）03－0307－05DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.03.013

0 引 言

微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術固化土體的方法作為一種新型的土體加固與修復技術，比傳統的固化土體技術具有更經濟、簡單、綠色的特點，因此逐漸受到研究者的重視.目前，國內外研究者對MICP技術固化土體效果的各種影響因素已經進行了大量的試驗研究，比如濃度、環境溫度和顆粒粒徑等因素對脲酶活性、碳酸鈣（CaCO3）生成量、CaCO3晶體形態，以及土體試樣的強度等方面的具體影響，能在一定程度上推進MICP技術在土體固化領域的應用.研究人員通過對不同濃度、不同溫度和不同顆粒粒徑的土體顆粒級配分別進行試驗，主要測試了固化后試樣的無側限抗壓強度、滲透系數、孔隙率、CaCO3沉淀量等改良土體性質的主要影響參數.然而，對于這些主要影響因素的試驗研究目前尚沒有統一的規律總結，本文通過結合相關的研究成果，深入分析了各個試驗對不同因素的研究，較為統一地總結了濃度、環境溫度和顆粒級配對MICP固化土體的影響，對于MICP固化土體的研究具有一定意義，為以后研究MICP技術的參數變量提供參考依據.

1 MICP作用機制

MICP固化土體首先是把微生物（例如巴氏芽孢桿菌）注入土體，然后微生物依附于土體生長繁殖，微生物代謝作用會產生大量的負離子使細胞表面帶負電荷，從而能夠吸附Ca2+，經過代謝作用后產生脲酶，同時脲酶水解尿素后會產生NH+和CO2-3，在NH+營造的堿性環境下CO2-3和Ca2+相結合生成CaCO3（見圖1），當CaCO3沉積到一定的程度后，與土顆粒相結合形成一個整體，以此改變土體的物理性質和化學性質，最終實現土體固化的目的（見圖2）［1］.

2 濃 度

濃度是影響MICP技術固化土體應用的重要因素之一，這里主要包括菌液濃度和膠結液濃度，膠結液主要為尿素和Ca2+源的混合液，通過改變配比研究膠結液對MICP固化土體的影響.不同物質的濃度對CaCO3生成量、晶體形貌、穩定性與脲酶活性等方面具有較大影響.

2.1 菌液濃度

李娜等［2］通過微生物灌漿試驗研究不同菌液濃度對固化砂土的影響，設置不同的菌液濃度進行灌漿試驗，結果發現，隨著菌液濃度的增加，菌液的活性有了明顯升高，砂柱抗壓強度逐漸提髙，滲透系數逐漸減小，菌液濃度在5～15 mol/L時，結晶體生長比較充分，微生物結晶體包裹更好，加固的效果達到最優.菌液濃度密切影響著脲酶的濃度，而相同濃度的脲酶溶液和巴氏芽孢桿菌菌液，在反應過程中反應速率前者更高，一定程度上是由于菌液生成脲酶用于反應需要一定時間，但進行CaCO3沉淀的過程中，隨著反應的進行，細菌的催化效果逐漸優于脲酶溶液.趙茜［3］在其他條件不變的情況下，通過增大菌液濃度或脲酶濃度，發現能有效提高尿素水解的速率，進而提高CaCO3的生成量.一般情況下，菌液濃度的取值越大，微生物固化土體的效果越好，但要考慮到工程的實用性，對于不同的工程要求，菌液濃度應該有所差異.李彬瑜［4］對砂土的研究結果表明，當對滲透性有較高需求時，則菌液濃度的OD600值取1.5左右最佳；若對砂土強度有較高的需求時，那么菌液濃度OD600值最好取2左右.

2.2 膠結液濃度

不同的Ca2+濃度對CaCO3晶體沉淀、沉淀的效率與晶體的質量有較大的影響.李成杰等［5］將不同濃度的氯化鈣（CaCl2）溶液與一定濃度尿素溶液反應誘導CaCO3沉積，研究結果表明，隨著CaCl2溶液濃度逐漸增加，CaCO3晶體的質量先上升后下降，且CaCl2溶液濃度越高，CaCO3晶體質量越少［5］.但Ca2+作為生成CaCO3的原料，對脲酶的活性有一定的限制作用.趙茜［3］研究Ca2+濃度的影響程度時，設置0～2.00 mol/L濃度的CaCl2和尿素混合液各13.5 mL，尿素濃度為2.00 mol/L，加入細菌溶液反應0.5 h后，可以發現，隨著CaCl2溶液濃度的增加，脲酶的活性逐漸降低，表明了高濃度的CaCl2溶液對脲酶活性有明顯的抑制作用.與此同時，Ca2+濃度對反應后生成的CaCl2晶型有一定的影響，王瑞興等［6］利用硝酸鈣（Ca（NO3）2）進行CaCO3沉積，研究結果表明，Ca2+濃度由2mol/L降至1mol/L時，CaCl2晶體仍為方解石晶型，而顆粒形狀由規則球形變為直徑為10 μm左右的花簇形，尺寸變大，但結晶度有一定的提高.胡其志等［7］利用反硝化微生物進行微生物固化砂土的試驗，研究結果表明，在Ca2+濃度為0.25mol/L時，Ca2+∶NO2-∶NO3-比例為1∶2∶2時的膠結液MICP灌漿效果最佳，Ca2+溶液濃度相同時，氮（N）源含量增加，能有效提高試樣的強度參數.徐柳笛［8］在進行微生物固化淤泥質軟土的試驗中，使用體積比為1∶1的尿素和氯化鈣溶液配置膠結液，研究結果顯示，過高濃度的膠結液會對脲酶活性產生抑制作用，不利于MICP反應的進行，使用拌和法進行試驗時，在菌液濃度為0.9 mol/L時，膠結液濃度在1～1.5mol/L時最佳.趙茜［3］發現，在一定范圍內，尿素濃度的增加可以明顯提高脲酶活性，將MICP應用于固化土體時，可以適當提高尿素濃度，來增強細菌的脲酶活性.

利用MICP固化土體時，增大菌液濃度能提高菌液活性，提高水解尿素的速率，增大CaCO3生成量，在進行膠結液的配置時，應該選取較為適中的Ca2+濃度，較高的Ca2+濃度會對脲酶活性產生明顯的抑制作用；在有效范圍內（低于1.6 mol/L）選擇最大的尿素濃度，可以此提高脲酶的活性.

3 溫 度

環境溫度的變化對細菌的生長、繁殖和生命活動有極大的影響，間接影響到CaCO3生成的含量、晶型與晶體大小等，從而對微生物固化土體的效果產生直接影響.

趙茜［3］在進行微生物加固黏土的機制研究時，在20～35℃的溫度區間內進行菌液培養，溫度對巴氏芽孢桿菌的生成量有較顯著的影響，并確定30 ℃為最佳培養溫度；同時研究了不同溫度下脲酶的活性，試驗結果與已有研究一致，純脲酶溶液的最適溫度為50 ℃.張銀峰等［9］通過研究不同溫度下的細菌濃度和活性，也確定了30 ℃培養溫度下的菌液活性和濃度最高.

已有研究表明，溫度對微生物誘導CaCO3的沉積量有所影響.彭劼等［10］在低溫下進行微生物誘導CaCO3沉積固化土壤試驗時，設置10、14、18、21和25 ℃的溫度梯度進行了MICP試管試驗和MICP砂柱試驗，通過研究發現，在一般的土壤環境下（10～25 ℃），溫度越高，CaCO3沉淀速率越快，生成的CaCO3量越多.Nemati等［11］的研究表明，CaCO3的生成速度在溫度從20 ℃提高到40 ℃時，顯著增加.趙曉婉等［12］通過MICP水溶液試驗和MICP注漿砂柱試驗對不同穩定溫度下微生物誘導CaCO3生成量進行測試，研究結果表明，在一定溫度范圍內，巴氏芽孢桿菌的活性都是隨溫度先增后減，但是不同的穩定溫度下細菌活性峰值、峰值出現的時間與衰減的速率都不相同，溫度越高，2組試驗最終的CaCO3生成量都降低.

王瑞興等［6］設置了5、25和50 ℃的溫度梯度進行微生物沉積CaCO3試驗反應研究（見表1），利用X射線衍射試驗和電鏡掃描觀察沉積物，發現不同溫度下生成的CaCO3晶體晶型和晶體形貌都不相同，穩定性也有一定的差異.彭劼等［13］設置了不同的溫度梯度進行一維砂柱加固試驗、細胞活性試驗及MICP水溶液試驗，試驗結果表明（見圖3），水溶液中Ca2+消耗量隨時間的變化趨勢和細菌活性的變化趨勢一致.CaCO3的最終沉積量較小的原因主要是較高溫度下細菌活性衰減較快.駱曉偉［14］通過研究發現，隨著溫度升高，CaCO3晶體逐漸減小，試樣抗滲性、無側限抗壓強度、CaCO3含量與孔隙填充量均先增大后減小.最佳抗滲性、孔隙填充量和最高CaCO3含量對應溫度均為30 ℃.由于溫度對CaCO3晶體尺寸的作用，最佳強度對應溫度為20～30 ℃.CaCO3含量越高，試樣抗滲性和無側限抗壓強度越高.

在細菌的培養階段，巴氏芽孢桿菌的生成量和菌液活性在30 ℃達到最高，且在30 ℃時CaCO3的生成率較高、形狀規則、結晶穩定、分布均勻.因此，在進行MICP技術固化土體的研究時，最佳選擇試驗溫度應在30 ℃左右.

4 顆粒粒徑

土體的顆粒級配也是影響微生物固化效果的重要指標之一.一方面，土體顆粒要足夠大，以確保反應中的化學物質能順利通過顆粒間隙與細菌接觸；另一方面，土體顆粒又需要足夠小，才能使生成的CaCO3晶體能包裹土體顆粒并相互粘連在一起.但目前的MICP研究中，很多研究人員只是通過改變外部環境來對CaCO3的生成、穩定性和分布是否均勻進行研究，關于砂土顆粒自身的粒徑及顆粒級配對MICP固化砂土的影響研究卻很少.

崔明娟等［15］在利用MICP進行微生物固化試驗時，為確定粒徑大小對砂土的性能影響，選用了3種不同顆粒粒徑范圍的砂土，并基于無側限抗壓強度試驗、孔隙體積測量和電鏡掃描測試，研究結果表明，顆粒粒徑較小的砂土，顆粒間孔隙更容易被CaCO3晶體填充密實，同時獲得較大比例的有效CaCO3晶體，固化試樣的“結構性”較強，無側限抗壓強度較高.靳貴曉等［16］對崩解性軟巖殘積土顆粒進行試驗研究，選用了4種不同的粒徑范圍，研究結果表明，顆粒級配對膠結效果有較大的影響，顆粒級配良好的土體顆粒更有利于菌體的附著和CaCO3的沉積，同時CaCO3生成量直接影響到孔隙率大小和無側限抗壓強度的大小.申振龍［17］采用3種粒徑的砂子進行了砂土的膠結試驗，發現粒徑較小的砂柱其上部CaCO3含量較高，而粒徑較大的砂柱其下部CaCO3含量較高.

尹黎陽等［18］總結國內外學者研究結果得出，MICP 加固土體的有效粒徑范圍為 10～1 000 μm，相對密度越大，級配越好，則加固效果越好.但很多研究學者對顆粒級配影響MICP的試驗結論尚不統一，具體的粒徑影響固化機制還需要進一步研究.李捷等［19］利用珊瑚砂進行微生物固化試驗以探究顆粒粒徑對固化效果的影響時，通過不同的粒徑級配分析細菌對試樣的吸附性、砂試樣的滲透性和強度的影響，研究表明，粒徑級配和孔隙比共同影響固化土體的效果，較適中的孔隙比能更好地保證砂顆粒和細菌的黏著性和滲透性達到最優平衡，孔隙比高的級配良好試樣顆粒間CaCO3黏結較少，孔隙比低的級配不良試樣顆粒表面CaCO3覆蓋包裹較好，顆粒間CaCO3分布更連續均勻，滲透系數較低，抗壓強度較高.在研究微生物礦化巖土的作用機制時，一般利用拌和法進行試驗，董帥等［20］選用3種不同顆粒粒徑范圍的砂土進行微生物拌和滲濾固化，并基于無側限抗壓強度試驗，以及CaCO3含量、崩解率與吸水率的測試，對顆粒粒徑、滲濾次數及拌和配比對微生物固化效果的影響進行分析，結果表明，試樣砂粒徑越小，拌和后產生的CaCO3含量越高，拌和配比為2∶8，粒徑為0.3～0.6 mm時，試樣的固化效果較好，抗壓強度最高可達1.86 MPa，試樣的CaCO3含量和抗壓強度隨滲濾次數增加呈非線性增長，隨粒徑增大強度上限呈上升趨勢.

通過分析顆粒粒徑對微生物固化土體的影響，可以得出，MICP固化土體有效的粒徑范圍為10～1 000 μm，且顆粒級配良好、孔隙比適中，生成的CaCO3強度更高、結構更穩定，土體的膠結性更好，能較大程度提高無側限抗壓強度等改良土體性能.但實際在各種土體試驗中，由于環境與試驗參數的不同，眾多國內外研究者的結論并不統一，顆粒級配作為影響MICP固化土體的重要指標之一需繼續通過分領域分類別的研究.

5 討 論

溫度對于細菌培養、菌液活性、生成CaCO3的速率和含量，以及后期CaCO3和土體顆粒的粘結都有較大的影響.對于菌液活性、細菌生成量和CaCO3生成量，均在30 ℃左右較佳，但溫度對活性衰減速率也有一定的影響，從而間接影響到CaCO3最終生成量，因此在這方面仍需進一步研究.

一般情況下，菌液濃度越高，菌液活性也越高，水解尿素的速率更高.而膠結液中的濃度過高會抑制脲酶活性，使CaCO3的生成量降低，CaCO3的形態和穩定性較差，膠結液的配置中尿素可以適當提高，以此增加脲酶活性.

顆粒級配良好的砂土生成的CaCO3更加致密，且可以提供更多“有效沉積鈣”的生成位置，固化后砂柱的“結構性”更強，強度特性更好，CaCO3更均勻.顆粒級配良好的砂土無側限抗壓強度和干密度更大，滲透系數和含水率更小.但由于不同試驗環境中的復雜狀況，國內外學者對于該因素的影響情況還沒有一個統一的定論，顆粒粒徑的具體影響還需分類別繼續進行研究.

微生物固化土壤技術因其工期短、能耗小、造價低且綠色環保等優點，具有廣泛的應用前景.具體體現在以下方面：1）防風固沙治理沙塵暴，固化山體防治滑坡泥石流等;2）應用于隧道工程、混凝土修復、防水抗滲與復雜地域施工巖土固化等;3）砂土改良、污染土修復、古建筑修復、混凝土修復與抑制飛塵等;4）可應用于軟土地基的加固、液化土體的處理與生物封堵等.

參考文獻：

［1］張茜，葉為民，劉樟榮，等.基于生物誘導碳酸鈣沉淀的土體固化研究進展［J］.巖土力學，2022，43（2）：345-357.

［2］李娜，王麗娟，李凱，等.菌液濃度對微生物灌漿加固砂土效果的影響機理［C］//中國水利學會地基與基礎工程專業委員會第15次全國學術會議論文集.北京：中國水利水電出版社，2019.

［3］趙茜.微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）固化土壤實驗研究［D］.北京：中國地質大學（北京），2014.

［4］李彬瑜.基于微生物沉積碳酸鈣技術改良砂土微觀結構及滲透性試驗研究［D］.邯鄲：河北工程大學，2021.

［5］李成杰，魏桃員，季斌，等.不同鈣源及Ca2+濃度對MICP的影響［J］.環境科學與技術，2018，41（3）：30-34.

［6］王瑞興，錢春香，王劍云.微生物沉積碳酸鈣研究［J］.東南大學學報（自然科學版），2005，51（S1）：191-195.

［7］胡其志，劉徹德，莊心善.反硝化微生物固化砂土的試驗研究［J］.湖北工業大學學報，2021，36（4）：46-51.

［8］徐柳笛.微生物固化淤泥質軟土影響因素試驗研究［J］.四川建材，2020，46（10）：74-75.

［9］張銀峰，萬曉紅，李娜，等.微生物加固黏土的影響因素與機理分析［J］.中國水利水電科學研究院學報，2021，19（2）：246-254.

［10］彭劼，何想，劉志明，等.低溫條件下微生物誘導碳酸鈣沉積加固土體的試驗研究［J］.巖土工程學報，2016，38（10）：1769-1774.

［11］Nemati M，Voordouw G.Modification of porous media permeability，using calcium carbonate produced enzymatically in situ［J］.Enzyme Microb Tech，2003，33（5）：635-642.

［12］趙曉婉，馮清鵬，李杰，等.不同溫度下微生物誘導碳酸鈣生成量的研究［J］.工業建筑，2019，49（11）：88-92.

［13］彭劼，馮清鵬，孫益成.溫度對微生物誘導碳酸鈣沉積加固砂土的影響研究［J］.巖土工程學報，2018，40（6）：1048-1055.

［14］駱曉偉.基于微生物誘導碳酸鈣沉淀技術（MICP）的砂土固化試驗研究［D］.南京：南京大學，2018.

［15］崔明娟，鄭俊杰，賴漢江.顆粒粒徑對微生物固化砂土強度影響的試驗研究［J］.巖土力學，2016，37（S2）：397-402.

［16］靳貴曉，張瑾璇，許凱，等.顆粒級配對殘積土MICP灌漿效果的影響評價［J］.地下空間與工程學報，2020，16（1）：295-302.

［17］申振龍.砂土內微生物誘導碳酸鈣結晶的檢測方法研究［J］.人民長江，2018，49（18）：86-91.

［18］尹黎陽，唐朝生，謝約翰，等.微生物礦化作用改善巖土材料性能的影響因素［J］.巖土力學，2019，40（7）：2525-2546.

［19］李捷，方祥位，申春妮，等.顆粒級配對珊瑚砂微生物固化影響研究［J］.水利與建筑工程學報，2016，14（6）：7-12.

［20］董帥，徐國賓，楊德鋒.微生物拌和滲濾砂土固化試驗研究［J］.水力發電學報，2021，40（12）：96-105.

（實習編輯：羅 媛）

Abstract：The soil reinforcement technique by the Microbial Induced CaCO3 Precipitation （MICP） has increasingly attracted attention in recent years.However，the relevant research laws on the effects of factors such as temperature，grain size，and concentration on the MICP are not sufficiently summarized.To further study and enhance the efficiency of MICP technology to solidify soil，the study summarizes several important conclusions drawn in the reaction progress of microbial solidified soil based on experimental research on various influencing factors.The researches indicate that increasing the concentration of bacterial liquid can build up the yield of calcium carbonate，while the excessive concentration of calcium ions will inhibit urease activity and have a counter-effect on the curing effect.When the temperature of the MICP technology is at about 30 ℃，the activity of the bacterial liquid and the yield and morphology of calcium carbonate are the best.The selection of soil specimens with good grain composition can greatly enhance the strength of the improved soil and the reinforcement effect is better，and the effective particle size range is 10～1000 μm，but the study on the influence of the grain composition is not deep enough so that such influence needs to be further studied.

Key words：concentration;temperature;grain size;MICP

基金項目：2022年大學生創新創業訓練國家級項目（202211079015）

作者簡介：趙 蒙（1988—），女，博士，從事微生物誘導碳酸鈣技術研究.E-mail：596698989@qq.com