论文部分内容阅读
摘 要：微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术近年来受到了广泛关注和应用，其中，以尿素为底物，利用巴氏芽孢杆菌等所产成脲酶催化的尿素水解反应，由于其反应副产物少、原理简单、材料易得、易于控制等优点，已进行较多试验研究。本文综合现有文献，从沉淀效率（以碳酸钙产率为指标）和胶结效果（以无侧限抗压强度为指标）两方面，对反应影响因素进行了探究。
关键词：MICP；巴氏芽孢杆菌；影响因素
1 引言
随着城市快速发展，可用建筑土地日渐缩减，原位加固技术成为关注重点之一。MICP技术可用于混凝土裂缝、古建筑的修复、软弱土层加固及污染土处理等众多领域，且具备扰动性小、污染性小、可塑性高等优点。
作为一种多学科交叉的新型土体加固技术，细菌诱导碳酸盐沉淀胶结砂土的强度也受到多方面因素的影响。从固结机理出发，本文将其分为沉淀效率和胶结效果两个方面，其中，以是否有微生物参与为标准，又可将碳酸盐沉淀的过程，分为化学反应和生物反应两部分，化学反应主要受到胶结溶液（尿素和钙源溶液）浓度及钙源种类的影响，生物反应中脲酶活性最为关键。胶结作用效果则与土体孔隙率和灌浆方式有关。
2 MICP原理简介
MICP技术主要是利用生物矿化，即微生物活动中生产一些结晶和非结晶的无机化合物的过程，产出的无机化合物填充和胶结岩土材料。其功能类似水泥，故又称为生物水泥。根据矿化过程作用微生物的不同，MICP可分为尿素水解过程、反硝化过程及硫还原过程等，其中，以尿素水解过程原理最为简单、易于控制，故得到了最为广泛的实践与应用。
以尿素水解为核心的固结过程主要分为两步，第一步是微生物参与的生物反应，即尿素水解过程。细菌产生的脲酶催化尿素水解，在碱性环境中生成铵根离子和碳酸根。化学方程式如下：
第二步是化学反应，可溶性溶液（如CaCI2、Ca（NO3）2）中的钙离子因细胞壁表面所带的负电荷吸附于尿素水解细胞上，并与水解产生的碳酸根离子结合，形成碳酸钙晶体的结晶核，反应方程式如下：
随着反应进行，碳酸钙晶体逐渐累积，在土颗粒之间起到填充和胶结的作用，改变土体性质。
3 沉淀效率影响因素
MICP过程中变量很多，包括细菌浓度、尿素浓度、反应温度、PH值、钙源种类、钙离子浓度等。在本文将尿素和钙源溶液的混合液统称为胶结溶液，且默认两者比值为1：1。
合适的浓度对于沉淀效率的高低至关重要。哈尔滨工业大学的王博和中国地质大学的赵茜分别利用巴氏生孢八叠球菌和巴氏芽孢杆菌对此均进行了研究，并得出了相似的结论。当尿钙浓度在0—1.5M时，碳酸钙产率随着浓度的增加不断增长，并且产率均保持在80%以上，超过1.5M后，碳酸钙产率大幅降低，王博认为此时尿素浓度的增加已经不能抵消钙离子对细菌活性的抑制。为取得最高的碳酸钙产率，可以将胶结溶液浓度取在0.25—1.5M之间。
东南大学的孙潇昊等人对钙源种类的影响也进行了探究，控制PH值为6，胶结溶液分为为0.3M和0.5M，钙源溶液分别为氯化钙和醋酸钙，加入0.5M胶结溶液的碳酸钙产率均大于相应胶结溶液浓度为0.3M的对照，其中醋酸钙的沉淀诱导效率均远高于氯化钙，后续实验同样固结效果良好。
4 胶结砂土作用效果影响因素
4.1 孔隙率和孔隙比
将固化砂土与岩石进行类比，如果说碳酸钙的沉淀效率决定了它的物理性质，那么胶结作用效果就取决于它的结构性。影响结构性的因素很多，颗粒粒径大小、颗粒级配、压实度等，本文将这些统一归为孔隙率和孔隙比。
细菌是生物颗粒，大小在0.5—5μm之间，一方面，砂土中孔隙要足够大，在反应过程中能够使得化学物质充分接触、通过，例如MICP反应很难在粉土和粘土中进行，扬州大学周锋的研究表明，在自然重力作用灌浆下，生物诱导物仅能在表层5～7cm范围内起到填充固结的效果，而另一方面，孔隙也不能太大，使得生成的碳酸钙结晶只能起到填充作用，而无法胶结土颗粒形成结构，增加土体强度。
Rebata-landa（2007）得到了一条砂土粒径与固话样品中碳酸钙含量关系图，当颗粒约为 100 μm 时，碳酸钙含量达到最大值。华中科技大学的崔明娟等人针对颗粒粒径对微生物固化砂土强度影响也进行了试验研究，他们使用了三种粒径范围不同的砂土，分别为1.25～2.5mm，0.5～1.25mm和0.04～0.5mm，进行固化实验，结果表明，颗粒粒径对固化砂土的无侧限抗压强度有显著影响，对孔隙率和碳酸钙含量影响不大。他们还指出，对于颗粒粒径较小（颗粒级配良好）的砂土，颗粒间孔隙易被碳酸钙晶体填充密实，获得较大比例有效碳酸钙，结构性较强，无侧限抗压强度较高。
关于MICP反应适宜的最佳孔隙率、孔隙比的资料目前较为欠缺，虽有针对不同参数，如粒径大小，颗粒级配等的研究，但结论较为模糊，尚无一个较为明确、统一的标准，将来可考虑进一步探索。
4.2 灌浆方式
除孔隙率孔隙比外，固化砂土的结构性还受到灌浆方式的影响。目前常用的灌浆方式有注射法、浇灌法（滴灌法）和浸泡法。注射法应用最广，但易出现MICP分布不均的问题，可以考虑采用上文中多濃度营养盐处理的方式解决。浸泡法固结均匀，但条件较为苛刻，工程应用存在困难。滴灌法多用于混凝土裂缝填堵，浇灌法适用于污染土处理或液化砂土处理。
5 展望
到目前为止，实验室条件下的MICP技术已存在一定量的试验研究。但不同的灌浆方法要和不同的胶结溶液、菌液浓度和土体性质相配合，才能够达到最好的效果，这是未来的研究方向。另外，沙土介质中微生物诱导封堵试验研究也可作为MICP技术工程实践的重要参考，清华大学的张贺超等人指出，此领域目前理论研究滞后于实际应用。在MICP中是否应将多菌种混合、或诱导新品种，创新灌浆方式。怎样提高固结效率，怎样更多的进行工程实践、推广，都是下一步应该考虑的。
参考文献：
[1]陈晓翰，李安起，王琴。微生物灌浆封堵混凝土竖向裂缝的试验研究。山东建筑大学硕士学位论文，2015.4。
[2]孔繁浩，赵志峰。溶液环境下微生物诱导碳酸钙沉积影响因素研究。林业工程学报，2017，2（4）：146—151。
[3]沈吉云，程晓辉。微生物成因土工材料实验及应用研究。清华大学工学硕士学位论文，2009.5。
作者简介：
王琨戈（1997年5月-），女，汉，河南省郑州市，身份证号：410105199705160026，本科学生，城市地下空间工程
白振超（1996年1月-），男，汉，河南省郑州市中牟县身份证号：410122199601309814，本科学生，城市地下空间工程
关键词：MICP；巴氏芽孢杆菌；影响因素
1 引言
随着城市快速发展，可用建筑土地日渐缩减，原位加固技术成为关注重点之一。MICP技术可用于混凝土裂缝、古建筑的修复、软弱土层加固及污染土处理等众多领域，且具备扰动性小、污染性小、可塑性高等优点。
作为一种多学科交叉的新型土体加固技术，细菌诱导碳酸盐沉淀胶结砂土的强度也受到多方面因素的影响。从固结机理出发，本文将其分为沉淀效率和胶结效果两个方面，其中，以是否有微生物参与为标准，又可将碳酸盐沉淀的过程，分为化学反应和生物反应两部分，化学反应主要受到胶结溶液（尿素和钙源溶液）浓度及钙源种类的影响，生物反应中脲酶活性最为关键。胶结作用效果则与土体孔隙率和灌浆方式有关。
2 MICP原理简介
MICP技术主要是利用生物矿化，即微生物活动中生产一些结晶和非结晶的无机化合物的过程，产出的无机化合物填充和胶结岩土材料。其功能类似水泥，故又称为生物水泥。根据矿化过程作用微生物的不同，MICP可分为尿素水解过程、反硝化过程及硫还原过程等，其中，以尿素水解过程原理最为简单、易于控制，故得到了最为广泛的实践与应用。
以尿素水解为核心的固结过程主要分为两步，第一步是微生物参与的生物反应，即尿素水解过程。细菌产生的脲酶催化尿素水解，在碱性环境中生成铵根离子和碳酸根。化学方程式如下：
第二步是化学反应，可溶性溶液（如CaCI2、Ca（NO3）2）中的钙离子因细胞壁表面所带的负电荷吸附于尿素水解细胞上，并与水解产生的碳酸根离子结合，形成碳酸钙晶体的结晶核，反应方程式如下：
随着反应进行，碳酸钙晶体逐渐累积，在土颗粒之间起到填充和胶结的作用，改变土体性质。
3 沉淀效率影响因素
MICP过程中变量很多，包括细菌浓度、尿素浓度、反应温度、PH值、钙源种类、钙离子浓度等。在本文将尿素和钙源溶液的混合液统称为胶结溶液，且默认两者比值为1：1。
合适的浓度对于沉淀效率的高低至关重要。哈尔滨工业大学的王博和中国地质大学的赵茜分别利用巴氏生孢八叠球菌和巴氏芽孢杆菌对此均进行了研究，并得出了相似的结论。当尿钙浓度在0—1.5M时，碳酸钙产率随着浓度的增加不断增长，并且产率均保持在80%以上，超过1.5M后，碳酸钙产率大幅降低，王博认为此时尿素浓度的增加已经不能抵消钙离子对细菌活性的抑制。为取得最高的碳酸钙产率，可以将胶结溶液浓度取在0.25—1.5M之间。
东南大学的孙潇昊等人对钙源种类的影响也进行了探究，控制PH值为6，胶结溶液分为为0.3M和0.5M，钙源溶液分别为氯化钙和醋酸钙，加入0.5M胶结溶液的碳酸钙产率均大于相应胶结溶液浓度为0.3M的对照，其中醋酸钙的沉淀诱导效率均远高于氯化钙，后续实验同样固结效果良好。
4 胶结砂土作用效果影响因素
4.1 孔隙率和孔隙比
将固化砂土与岩石进行类比，如果说碳酸钙的沉淀效率决定了它的物理性质，那么胶结作用效果就取决于它的结构性。影响结构性的因素很多，颗粒粒径大小、颗粒级配、压实度等，本文将这些统一归为孔隙率和孔隙比。
细菌是生物颗粒，大小在0.5—5μm之间，一方面，砂土中孔隙要足够大，在反应过程中能够使得化学物质充分接触、通过，例如MICP反应很难在粉土和粘土中进行，扬州大学周锋的研究表明，在自然重力作用灌浆下，生物诱导物仅能在表层5～7cm范围内起到填充固结的效果，而另一方面，孔隙也不能太大，使得生成的碳酸钙结晶只能起到填充作用，而无法胶结土颗粒形成结构，增加土体强度。
Rebata-landa（2007）得到了一条砂土粒径与固话样品中碳酸钙含量关系图，当颗粒约为 100 μm 时，碳酸钙含量达到最大值。华中科技大学的崔明娟等人针对颗粒粒径对微生物固化砂土强度影响也进行了试验研究，他们使用了三种粒径范围不同的砂土，分别为1.25～2.5mm，0.5～1.25mm和0.04～0.5mm，进行固化实验，结果表明，颗粒粒径对固化砂土的无侧限抗压强度有显著影响，对孔隙率和碳酸钙含量影响不大。他们还指出，对于颗粒粒径较小（颗粒级配良好）的砂土，颗粒间孔隙易被碳酸钙晶体填充密实，获得较大比例有效碳酸钙，结构性较强，无侧限抗压强度较高。
关于MICP反应适宜的最佳孔隙率、孔隙比的资料目前较为欠缺，虽有针对不同参数，如粒径大小，颗粒级配等的研究，但结论较为模糊，尚无一个较为明确、统一的标准，将来可考虑进一步探索。
4.2 灌浆方式
除孔隙率孔隙比外，固化砂土的结构性还受到灌浆方式的影响。目前常用的灌浆方式有注射法、浇灌法（滴灌法）和浸泡法。注射法应用最广，但易出现MICP分布不均的问题，可以考虑采用上文中多濃度营养盐处理的方式解决。浸泡法固结均匀，但条件较为苛刻，工程应用存在困难。滴灌法多用于混凝土裂缝填堵，浇灌法适用于污染土处理或液化砂土处理。
5 展望
到目前为止，实验室条件下的MICP技术已存在一定量的试验研究。但不同的灌浆方法要和不同的胶结溶液、菌液浓度和土体性质相配合，才能够达到最好的效果，这是未来的研究方向。另外，沙土介质中微生物诱导封堵试验研究也可作为MICP技术工程实践的重要参考，清华大学的张贺超等人指出，此领域目前理论研究滞后于实际应用。在MICP中是否应将多菌种混合、或诱导新品种，创新灌浆方式。怎样提高固结效率，怎样更多的进行工程实践、推广，都是下一步应该考虑的。
参考文献：
[1]陈晓翰，李安起，王琴。微生物灌浆封堵混凝土竖向裂缝的试验研究。山东建筑大学硕士学位论文，2015.4。
[2]孔繁浩，赵志峰。溶液环境下微生物诱导碳酸钙沉积影响因素研究。林业工程学报，2017，2（4）：146—151。
[3]沈吉云，程晓辉。微生物成因土工材料实验及应用研究。清华大学工学硕士学位论文，2009.5。
作者简介：
王琨戈（1997年5月-），女，汉，河南省郑州市，身份证号：410105199705160026，本科学生，城市地下空间工程
白振超（1996年1月-），男，汉，河南省郑州市中牟县身份证号：410122199601309814，本科学生，城市地下空间工程