微生物矿化作用改善岩土材料性能的影响因素

微生物矿化作用改善岩土材料性能的影响因素

摘要：现如今，我国的综合国力在快速的发展，社会在不断的进步，基于微生

物诱导碳酸钙沉淀作用（MICP）的土体改性技术近年来在岩土工程领域引起了人

们的广泛关注。该技术在改善岩土材料的强度、刚度、抗液化、抗侵蚀及抗渗透

性等性能的同时，还能维持土体良好的透气性和透水性，改善植物的生长环境。

由于微生物矿化作用涉及一系列生物化学和离子化学反应，固化过程中的反应步

骤较多，因此，MICP固化效果受许多因素的制约与影响。基于大量文献资料，系统总结了细菌种类、菌液浓度、温度、pH值、胶结液配比及土的性质等关键因素对微生物改善岩土材料性能的影响，讨论了这些影响因素的优化方式和未来的研

究方向，主要得到了以下几点结论：菌种类型、菌液浓度、温度、pH、胶结液性

质会从微观上影响碳酸钙的晶体类型、形貌和尺寸，进而在宏观层面影响岩土体

的胶结效果；菌液浓度尽可能高、温度在20～40℃间、pH值在7.0～9.5左右、

胶结液浓度在1mol/L以内的因素条件对微生物加固岩土体具有较好的效果。上述范围内的低温、较高的pH值、低浓度胶结液有助于提高土体的抗渗性，而高温、较低的pH值以及中高浓度胶结液有助于提高土体的强度；MICP加固土体的有效

粒径范围为10～1000μm，相对密度越大、级配越好则加固效果越好。分步灌浆法、多浓度相灌注法及电渗灌浆法有助于提高土体固化均匀性，0.042(mol/L)/h以下的注浆速度有利于提高胶结液利用率，砂土试样的灌浆压力一般在10～30kPa

之间，粉黏土试样的灌浆压力不宜超过110kPa，过高的灌浆压力会破坏土体结构，降低固化效果。

关键词：微生物矿化作用；影响因素；菌种；浓度；温度；pH值；胶结液；

土的性质；灌浆

引言

岩土材料除了在外界荷载下发生破坏，另一种就是在自然环境中各自然因素

交替变换对材料的破坏影响。在内蒙古寒冷地区，气候环境复杂，昼夜温差较大，正负温度交替频繁，岩土材料中水分在冻融的驱动力作用下迁移，引起岩土材料

的物理力学特征的变化，而冻融损伤破坏是寒区岩土工程建设面临的重要问题。

在自然环境中岩土材料在盐溶液中和水溶液中吸水饱后的抗冻性有明显的差异，

不同的盐环境对岩土材料造成的破坏程度不一，ＮａＣｌ溶液和Ｎａ２ＳＯ４溶

液是常见的盐蚀溶液，当与冻融耦合时两种作用相互影响，而盐结晶是导致材料

破坏的主要原因。目前，国内外学者通过以不同化学溶液、硫酸盐和氯盐作为侵

蚀溶液评价水泥、混凝土等建筑材料的耐久性，盐溶液渗入水泥、混凝土建筑物

内部孔隙，与水泥中的水化生成物发生反应，导致混凝土出现开裂和剥蚀现象。

国内外学者对岩土材料的盐冻分析多以盐渍土为主，研究冻结与融化过程中水盐

迁移变化对土体的结构造成的强度和稳定性的破坏影响，而盐冻在其它土类中的

研究甚少。

1概述

生物诱导碳酸钙结晶技术(MICP)是环境友好型技术，与化学灌浆技术相比，

它是通过将特定的微生物注射到需要加固的砂土中，将其与微生物所需要的营养

物质及周围的有机物结合，生成具有较好胶凝作用的生物水泥，于化学灌浆材料，它具有较好的耐久性，且在保证加固强度的基础上使加固后的土体与原砂土有相

似的孔隙率。由于微生物菌液的粘滞性低，在灌浆过程中需要的压力较小，这使

微生物大规模、远距离的加固砂土成为可能，同时避免了使用传统灌浆加固方法

造成的对土层结构的扰动影响。常见的微生物加固方法有浸泡法、滴灌法等，为

了防止先期生成的碳酸钙堵塞土体中的通道，常用的加固方法是将微生物加固需

要的液体分为菌液和培养液，通过调节培养液和菌液的浓度，控制碳酸钙的生成

速率，从而影响最终加固效果。生物水泥一般是指碳酸钙，发现，碳酸钙的沉积

是在(NH4)2CO3和CaSO4的共同作用下形成的，其化学反应方程式为

(NH4)2CO3+CaSO4→CaCO3+(NH4)2SO4。除了可以通过分解含氮有机物释放氨气形成碳酸钙以外，常见的可以成矿的微生物还有还原硝酸盐的微生物。由于微生物

成矿原理已知，故碳酸钙生成速率及生成强度可控;不同于水泥加固，微生物加固

不需要养护，且这一技术可以直接运用于需要加固的基础设施处，大大缩短了加

固的时间。微生物成矿技术可以用于废水处理、土壤中重金属的固定、地震液化

的预防、改善混凝土设施的安全性和耐久性、减缓沿海沿江地区盐水入侵以及盐

碱化的问题、隧道定向加固、荒漠化地区的防风固沙、重大文物古建挽救修复、

混凝土裂缝或者砖石表面的加固修护等。

2细菌种类

细菌的种类在一定程度上影响着碳酸钙的晶型、形貌和沉积速率，而碳酸钙

在晶体类型包括晶体尺寸和样貌在内的形貌特征以及碳酸钙生成量，很大程度上

决定了微生物对岩土材料的胶结效果。因此，研究各类型细菌生成碳酸钙的特性

对摸清不同种细菌对岩土材料的加固特性以及选择合适类型的细菌开展加固工程

具有重要意义。不同类型的细菌诱导生成的碳酸钙首先在晶体类型和形貌上有所

区别。细菌细胞表面由蛋白质和多糖组成的胞外聚合物（extracellularpolymericsubstances，EPS）基质控制着碳酸钙晶体类型、形貌和大小，类型不同的产脲酶细菌所合成的胞外聚合物基质和脲酶在化学组成上有所不同，导致其生成碳酸钙晶体的各项特性也不尽相同。例如，从地衣芽孢杆菌（Bacilluslicheniformis）表面的胞外聚合物基质中发现了一种有机碳官能团，该官能团能够降低周围碳酸钙的饱和度使碳酸钙以球霰石的形式沉积。从一株球形芽

孢杆菌（Bacillussphaericus）菌株中提取出了能够诱导产生方解石的胞外聚合物基质。从现有的一些试验经验上看，碳酸钙晶体类型以方解石为最好，这一晶型的

稳定程度最高，宏观上固化效果也很好。

3微生物加固的应用

微生物矿化技术在上个世纪90年代开始广泛地应用于国内外的工程技术中，并取得了很好的加固效果，其中:公布了利用微生物成矿的技术降低地基土孔隙率

的专利。他们的试验通过将微生物溶液注入砂土内，有效地减小砂土的孔隙率，

这一技术发明的工程背景是在开采石油，该技术应用于石油开采，有效地降低了

油田内地基土的孔隙率，从而控制油田内原油的流动，达到提高原油开采效率的

目的。1993年，经巴斯德试验室的资助，法国巴黎第六大学的一个研究小组在SaintMédarddeThouars教堂的修补工程中使用了微生物矿化技术，由于出色的修

补结果，至今该教堂仍在使用。这一技术也被应用于众多法国建筑中，如波尔多

大教堂和一些19世纪欧斯曼式的建筑。2001年，用微生物矿化技术对混凝土裂

缝进行了修补，并发现采用巴氏芽孢杆菌修补的混凝土裂缝可以恢复混凝土80%

的抗压强度，但是对抗拉强度没有明显改善。

结语

（1）菌液浓度对碳酸钙的样貌、大小、生成量均有影响，一般情况下，较高浓度的菌液对岩土材料的加固效果更好。在MICP改善岩土体性质的工程应用中，推荐选用浓度较高的菌液进行胶结。（2）MICP加固岩土材料性能的最适温度在