文献综述
- 研究背景
21世纪初，随着生物技术的发展，微生物技术与建筑工程的结合便有了微生物诱导碳酸钙沉淀，这种微生物成矿技术被称为Microbial Induced Carbonate Precipitation（MICP）技术。微生物矿物学最新的科学研究进展表明，在一定的人为环境和营养条件下，岩土中一些无毒害的天然微生物新陈代谢作用能显著析出多种矿物结晶，如碳酸盐、磷酸盐、氧化物、硫化物、硅华以及胞外聚合物等[1]。微生物矿化技术最早应用于多孔介质材料的堵漏，随后被推广应用到修复石质材料和水泥基材料的表面裂缝缺陷中[2]。自2004年Whiffin博士[3]研究利用微生物产生CaCO3沉积制备微生物水泥开始，国内外学者相继开展研究，从而在国内外掀起了一股利用微生物加固松散砂土颗粒的研究热潮。微生物矿化技术因其环保、施工简便等显著优点在建筑领域迅速发展。
2 MICP技术的发展与研究现状
2.1 微生物固土技术
微生物矿化过程可以生产一些结晶和非结晶的无机化合物，这些微生物过程被称为微生物矿化作用。生产的无机化合物在岩土材料中起到填充和胶结的效果，其功能类似于水泥，叫做生物水泥（biocement）[4]。该“生物水泥”进入到土颗粒之间并将周围颗粒连接，形成一层层致密的保护层并形成一定厚度，改变了土的原始性状，增加了土体的强度。Stocks Fischer等[5]学者发现巴氏芽孢杆菌（Bacillus Pasteurii）在砂土中可较快析出具有胶结作用的碳酸钙沉淀。李明东等[6]发现，利用MICP技术能够将砂土的无侧限抗压强度提高到20MPa以上，渗透系数降低到处理前的1%，剪切波速提高4倍，完全能够胜任岩土工程任务。DeJong J T等[7]于2010年利用微生物注浆技术是通过向原位砂土中，传输菌液（如产脲酶的微生物S.pasteurii）以及尿素和钙源等营养盐，从而使砂土孔隙中，尤其是砂土颗粒之间被 MICP 胶凝填充和胶凝，从而加固软弱砂土地基并提高地基承载力。Okwadha等发现不同微生物浓度、温度、钙离子浓度和环境pH值对尿酶活性具有一定影响，进而影响微生物沉积碳酸钙的晶体形态和数量。
2.2 微生物固化粉土
许朝阳等[8]通过试验发现，将微生物矿化菌和多糖粘胶菌代谢物掺入粉土中, 代谢物与粉土间发生了一系列物理、化学及生物反应, 通过吸附、包裹和胶结细小颗粒 ,填充土颗粒之间的孔隙 ,可改善粉土的工程性质。尤婷[9]通过不同注浆装置对MICP固化吹填粉土影响因素进行研究，并从力学性能、CaCO3生成量及微观结构三方面探讨微生物注浆固化效果，表明微生物注浆可有效提高吹填粉土无侧限抗压强度。Soon和Lee等[11[10]利用巨大芽孢杆菌通过注浆方式固化马来西亚当地残积土（砂质粉土），固化后粉土的无侧限抗压强度提高了一倍。薛双采用蠕动泵注浆的方式加固粉土时发现采用营养液对菌液进行稀释，有利于提高固化土体强度，改善土体CaCO3分布均匀性，降低溢浆口附近土体崩解率，且当胶结液浓度在0.75mol/L时崩解率最小。Soon等用巴氏芽孢杆菌通过注浆方式处理低渗透性的残积粉土，不同密度粉土处理后的强度提高了1.4～2.6倍。孔繁浩对微生物注浆加固粉土的工艺进行试验，结果表明当注浆间隔为2~12h时，随注浆间隔时间的增长，微生物加固后土样的无侧限抗压峰值强度也随之提高，且峰值强度提高较为明显。土样各部位CaCO3生成量随注浆间隔时间增长而增多，上部最为明显，中部其次，而下部几乎无变化。
2.3 微生物表面固化土体
Jian Chu等试验发现在砂土表面进行MICP，如果含钙盐溶液液面低于砂土表面则MICP过程在大多发生在砂子内部，而当含钙盐溶液液面高于砂土表面时可在砂土表面形成一层硬壳。李泽[12]在粉土表面铺砂，通过一系列影响因素试验（胶结液浓度、喷洒遍数、防护层厚度）分析微生物砂浆防护层的强度、碳酸钙生成量及水稳定性。从经济环保角度考虑，当喷洒4遍，胶结液浓度为0.5mol·L-1，防护层厚度为5mm时，微生物砂浆防护层具有较高的强度和较好的水稳定性。荣辉通过室内试验对微生物喷洒表面胶结砂的硬度、抗水流冲刷性与植物生长适应性开展了初步研究，结果表明在微生物表面固化的砂土中，黑麦草依然能够出苗生长，微生物固砂层具备相应的抗冲刷性和生态相容性。Dworatzek等[13]采用MICP 技术对现场松散尾矿砂进行表面胶结固化，最终形成了 2.5cm 厚的坚硬胶结层，显著提高了松散矿砂的抗侵蚀能力。
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