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解读微生物岩土技术的应用过程

2020-06-23 442 上传者：管理员

摘要：岩土体中存在着大量的微生物，这些微生物的活动对岩土的物理、力学性质有一定的影响。最近十年岩土工程界的一个关注话题即微生物岩土技术，它是一种利用微生物反应加以控制和利用，来解决岩土工程相关问题的方法。本文从实际应用的角度出发，介绍微生物岩土技术处理领域包括岩土体加固、防渗堵漏、砂土液化防治、污染土处理和混凝土修复。

关键词：
岩土工程
工程力学性质
微生物
微生物岩土技术
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1、引言

1.1 研究背景

随着世界范围内的人口增长和社会进步，对建筑用地的需求不断增大。在中国，每年新增城市人口超过约1000万，需要更多的基础设施建设来满足人们的生产生活需求，而建设用地资源十分有限，这就需要对不能满足工程需求的土地加以改良(固化)。目前的地基改良方法包括土壤置换、注浆化学加固、压实机械加固、排水固结、钢筋或土工合成材料加固和电渗加固[1]。其中最常用的通过添加污染性较强的化学材料进行灌浆来加固土体[2]。因此，迫切需要一个更加稳定和环境友好的土壤稳定技术来克服化学处理的不利影响[3]。

1.2 研究目的

在天然环境里，表层和深层土体中存在着大量的微生物[4]。在接近地表的土层中，每千克土体中微生物的数量大约是109至1012个;在2～30m的深度，土体里微生物的数量下降约1011～106个每千克[5,6]。而这些微生物的活动除了对动植物生命体本身产生影响外，还对土体的力学性能和工程特性产生重要影响。例如它们在土体中繁殖、生长和运移、并促成很多生物化学作用的发生[7]，包括矿化无机物[3]、产生分泌物[8]、降解有机质等。近十年来，和微生物相关的岩土工程问题得到越来越多的关注。本文中，将微生物过程用于解决岩土工程问题的技术，称为微生物岩土技术[4]。微生物岩土技术创新性地利用丰厚的自然微生物资源改变岩土微观结构与组成，进而提高其工程力学性质，如强度、刚度和渗透性等[9]，可用于岩土体加固、防渗堵漏、砂土液化防治、重金属污染土治理、混凝土裂缝修复等多领域。本文将对微生物岩土技术的应用进行介绍。

2、微生物过程

微生物按结构、组成可分为3大类型，即原核细菌型(细菌、支原体、衣原体、螺旋体、放线菌)、真核细菌型(真菌)和非细菌型物(病毒)[10]。细菌是土壤中主要的微生物，细菌大小在0.5～3.0μm，而孢子的大小只有0.2μm。而按照一般土的分类，直径小于2μm的矿物称为黏土矿物。在黏土等细粒土中，微生物活动会受到土的空隙大小的影响。微生物和土矿物尺寸对比如图1所示[4]。由此可见，微生物岩土技术处理对象大部分是砂土、砾土等粗粒土。

图1 微生物和土颗粒的尺寸对比[4]

3、微生物岩土技术的应用研究

3.1 岩土体加固

大多数专家在微生物岩土技术通常采用微生物诱导碳酸钙沉淀的方法(microbially induced carbonate precipitation，简称MICP)进行土体加固处理。MICP是一种自然驱动的生物技术，它利用微生物的新陈代谢来制造原位胶凝剂，即碳酸钙沉淀[11]。大多数研究集中采用尿素水解反应完成MICP过程。以巴氏芽孢杆菌为主的产脲酶菌，在其新陈代谢活动中分泌脲酶，水解环境中的尿素产生NH3和CO2,

并使得反应体系呈碱性，在外界Ca2+的存在条件下析出碳酸钙晶体[12](式(1))。碳酸钙晶体逐渐增长，会吸附在土颗粒的表面形成包裹以及在土颗粒之间形成搭桥，从而对土体形成了胶结和孔隙填充的作用[13]。由此，土体的力学性能强度、刚度增强，进而达到土体加固的目的。

图2显示的是采用生物水泥固化的砂土的单轴抗压强度和碳酸钙含量的关系[14]。由图2可见，碳酸钙含量越多，单轴抗压强度越大。碳酸钙含量在5%～25%之间时，试样的强度值大约是在几百kPa至几个MPa之间，这一范围的强度足以满足大多数工程应用的需要。Li Changming等[15]表明，经MICP处理的生物试样强度(UCS)高于10%水泥处理试样的无侧限抗压强度(900kPa)，远远高于石灰处理试样的无侧限抗压强度(约140kPa)。

图2 单轴压缩强度和生物水泥含量的关系[4](图片改编自文献[14])

有关数据表明，生物水泥试样的强度值相当于或者略高于水泥试样[14]。钱春香等[6]表明，声波震荡75分钟后，生物方解石、生物磷酸钙、生物磷酸钡和化学方解石的水泥最终产出量分别为4.31±0.61g/m2、0.09±0.04g/m2、0.93±0.12g/m2和0.26±0.13g/m2，这意味着界面相互作用的强度生物水泥类最高。同时，在产沙量条件相似的情况下，生物水泥类的界面强度高于化学水泥。Montoya[16]等表明，当生物水泥含量较高时，地基对地震加速度有放大作用;程晓辉[17]等表明，生物水泥加固的地基土对地震加速度是放大还是抑制，和加速度的频率有关。

李明东等[18]表示，微生物加固砂土是一种新型土体加固技术，利用微生物诱导生成的碳酸钙胶结土颗粒，能将砂土的无侧限抗压强度提高到1MPa以上，且碳排放低。利用微生物对砂桩进行加固，桩体强度提高后可防止鼓胀、扩散问题，且仍具有较好的透水性可促进桩周淤泥固结，最后微生物加固砂桩与固结桩周淤泥形成复合地基，大幅提高地基性能。ZhaoyuWang[19]等表明采用MICP方法减轻和防止沙漠化是可行的，砂顶表面有一定强度的硬砂层，能够抵抗开裂和风蚀，控制粉尘的扩散。硬砂层的硬度和强度随MICP处理次数的增加而增加。

有研究者对低渗透性土进行了研究，结果表明微生物加固法同样能改善黏土和粉土的力学性质[20]。

3.2 岩土体防渗堵漏

渗流对岩土结构的稳定性和环境安全有着重要的影响。据报道，渗流引起的内部侵蚀是大坝第二大最常见的破坏模式，占所有堤坝倒塌的46%[21]。因此，渗流控制是水库、土坝、隧洞等地下工程等基础设施的关键设计和施工过程[22]，也对渗流控制提出了各种解决方案，如水泥灌浆、化学灌浆或浆液截流墙[23,24]。

微生物岩土技术另一项应用领域是岩土体防渗堵漏。微生物岩土过程包括微生物矿化碳酸钙过程、微生物产气泡过程以及微生物膜，它们都可用于岩土体防渗[4]。MICP进行土壤防渗堵塞相比于传统方法有几个优点，生物灌浆材料在溶液中黏度低，因此比水泥或化学灌浆更容易渗透[25]、更环保[13]。何稼[4]等表明砂土中碳酸钙含量达到大约15%时，其渗透系数较未处理的砂土低两个数量级;图中右下角的几个数据点是在砂土的表层生成了一层碳酸钙硬壳层的情形，土体变成了几乎完全不透水。然而，MICP方法也有其不足之处。其中一个主要问题是产生高浓度的副产物氯化铵可能对环境，特别是地下水有害。

另一种技术是在土壤孔隙中使用微生物产生的生物膜和胞外聚合物(EPS)[26]。生物膜通过在颗粒表面的粘附和积累，可以引起孔隙体积堵塞，导致渗透率显著降低[27]。试验数据表明，经过微生物膜处理的砂土，其渗透系数从约10-4降至约10-6m/s[28]。C.J.Proto[27]等表明，经过2～3周的养分处理后，生物膜可以将饱和砂土的渗透性降低100倍以上。然而，生物膜和EPS的耐久性是一个值得关注的问题。此外，由于需要形成大量的生物量以及宏观层面的生物膜，这种方法要实现土壤渗透率的显著降低可能相对缓慢[29,30]。

CHUJ[30]等表明采用微生物气泡法将饱和砂土的饱和度降至82%，其渗透系数从10.4×10-4降至3.2×10-4m/s。采用MICP等微生物过程的生物注浆法，可以用做岩石裂隙灌浆，用来在岩石开挖中起到止水作用，或阻隔岩石裂隙中的污染物、封存物迁移[31,32,33]。

3.3 污染土处理

大多数重金属(如铜、镍、锌)自然存在于土壤、岩石、水和生物群中，浓度较低，足以为生命系统提供必需的营养，但含量过低，不会造成毒性[34]。自工业革命以来，重金属通过工业废水和垃圾填埋场浸出、采矿活动、农业中化肥和杀虫剂的使用、废物和化石燃料的燃烧以及城市废物处理，已成为环境中一种严重的普遍污染物[35]。在世界各地碳氢化合物(主要是石油)对土壤的污染都很普遍。土壤的油污染可以通过改变土体的行为和改变土体的工程性质来对土木工程基础设施的安全产生不利影响[36]，包括土体强度和刚度的损失、过大的总沉降和差异沉降，以及导致现有基础和结构出现严重裂缝[37]。

微生物岩土技术也可用于污染土处理。采用MICP方法，重金属离子和碳酸根结合，形成不可溶解的沉淀，使得重金属污染物不再扩散。在实验研究中，不同的实验室处理过程显示铜、镍、锌、钴、镉等重金属离子的去除率达到50%～99%，效果较好[38-41。FUJITAY[42等做了一个被金属锶-90污染场地的现场试验研究。实验采用注射可溶糖浆和尿素的方法，一方面加速地下细菌的繁殖生长，一方面促进重金属的固化沉积。处理溶液从注射井进行注射，同时在相隔几米远的抽取井进行抽取，并循环到注射井。实验观察到了重金属碳酸盐的沉积，并且反应速率满足了工程的需要。与常用的两相注射法MICP处理方法不同，成亮[3]等提出的新方法是将溶于尿素的细菌絮凝体与受油污染的土壤预混合，用于细菌导入和固定。这种新的MICP方法成功地产生了高达1200KPa的无侧限抗压强度，从而提供了在石油泄漏地区稳定受污染土壤的潜力。

3.4 砂土液化防治

饱和松砂地基在地震等周期性荷载作用下易液化，松砂边坡在降雨或地下水位上升过程中易出现“静态”液化，这些可能造成路基沉陷、滑坡、地下管道及隧道的上浮等与液化相关的工程灾害。MICP通过向松散砂土地基中低压输送微生物以及营养盐，最终在砂土孔隙中产生碳酸钙胶凝土体，改良地基力学性能[17]。

在海洋工程中，钙质砂通常被用作建筑物和防波堤的基础材料，以及路堤或航道的回填材料[43]。XiaoPeng[44]等通过循环三轴试验程序，分析了MICP对固井液含量、有效围压和循环应力比(CSR)的影响。表明采用MICP处理可显著提高洁净钙质砂的液化性能.此外，一些研究表明，生物胶结技术具有显著的潜力，可以在已开发的场地上以被动、非破坏性的方式有效地减缓液化[16,45,46,47]。

有研究者表明，相比MICP法的砂土液化处理，微生物气泡法操作更简单且成本低[4]。室内试验结果表明，将饱和松砂的饱和度降低几个百分点，其不排水抗剪强度，不论是在动力还是静力荷载下，均能得到显著的提高[50,51,52]。

3.5 混凝土修复

混凝土结构的开裂一直是困扰土木工程的难题，它不仅造成混凝土承载能力和耐久性能的降低，更有可能发生恶性扩展，导致重大安全事故和人员伤亡。近年来，微生物修复材料已被应用于地质工程和土木工程领域，如岩土性能改良、历史文物建筑加固保护等[53]。Hill[54]等将微生物及培养基接种到破碎岩石中，经矿化沉积形成生物膜的堵塞作用致使水力渗透系数下降超过3个数量级．Tinao等[55,56]利用从海贝壳中提取的有机质大分子以及一种产碳酸盐细菌在石头孔隙中诱导碳酸钙沉积，并根据孔隙尺寸、结构强度及其颜色变化评定微生物生物诱导方解石沉积的有效性，以便加固风化石质建筑物。

有研究者表明将有矿化沉积能力的微生物掺加到混凝土中，从而制备出实现裂缝自感知、自修复的微生物自修复混凝土。目前采用的自修复路线需利用空气和水分，因此裂缝修复深度主要集中在裂缝表面。

4、总结与展望

微生物岩土技术在近十年内取得了快速的进展，其应用广泛，本文中对相关应用研究进行了介绍。包含岩土体加固、防渗堵漏、污染土处理、砂土液化防治以及混凝土修复，并且表明在进行微生物岩土技术处理后，改良效果明显。

微生物岩土技术拥有大量的研究成果，然而还存在一些问题和困难。比如，微生物岩土技术产生的环境问题，反硝化过程中的副产物氨气，是一种带有刺激性气味的气体;又或是微生物反硝化过程中的中间产物亚硝酸根NO2-是一种有毒物质。微生物反应的影响因素很多，比如pH值、营养液浓度、实验时不可控制的反应过程等，这些都需要后期进行研究制定相关规范。需指出的是，微生物岩土技术进行了较多室内研究，但是离大面积工程应用还有一段距离。微生物岩土技术这条研究道路任重而道远，仍需砥砺前行。

参考文献：

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