基于MICP技術(shù)的再生骨料改性研究綜述

李宗源，崔皓楠，程海麗

（北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京100144）

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，大規(guī)模的改造、拆遷是城市煥發(fā)活力的必由之路，但與之相伴的是大量建筑垃圾的產(chǎn)生。調(diào)查顯示，2020年底，我國建筑垃圾總量預(yù)計(jì)突破30 億t，但這些建筑垃圾資源化處置率僅為10%[1]。建筑垃圾最常見的處理方式是掩埋或異地堆放，這些處理方式在污染環(huán)境、占用土地的同時，也造成了大量的資源浪費(fèi)，將建筑垃圾重新加工成再生骨料用于混凝土的生產(chǎn)是建筑垃圾有效利用的重要途徑之一[2]。然而，再生骨料由于破碎過程中的損傷及表面砂漿的附著，存在孔隙率高、吸水性大、強(qiáng)度低、表面開裂等缺陷[3]，且砂漿-骨料過渡區(qū)界面孔隙率高強(qiáng)度低，導(dǎo)致再生骨料與天然骨料的性能存在差異[4]。 如何去除或者提高表面附著砂漿的強(qiáng)度成為再生骨料改性技術(shù)關(guān)鍵。目前，再生骨料的改性主要有物理改性和化學(xué)改性兩種方式。

物理改性指使用破碎、研磨等手段去除再生骨料表面附著的砂漿，達(dá)到提高再生骨料強(qiáng)度的目的。目前主要使用的方法有立式偏心輪研磨法[5]、臥式研磨法[6]、加熱研磨法[7]及顆粒整形強(qiáng)化法[8]?；瘜W(xué)改性指采用化學(xué)漿液浸漬、CO2強(qiáng)化等處理方式，強(qiáng)化或去除其表面附著的砂漿，提高再生骨料的性能。如，程海麗[9]等采用不同濃度的水玻璃溶液浸漬再生骨料，探究再生骨料強(qiáng)化的最優(yōu)試驗(yàn)條件。蒲云輝[10]等使用高濃度CO2加速再生骨料內(nèi)部的碳化反應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，CO2處理后再生骨料的物理性能、力學(xué)性能等均得到顯著改善。

然而，物理改性會不可避免地對再生骨料造成二次傷害，化學(xué)改性大多使用化學(xué)漿液封堵再生骨料表面裂縫，且部分化學(xué)試劑對人體及環(huán)境有害。所以，基于微生物礦化的再生骨料強(qiáng)化成為再生骨料改性研究的熱點(diǎn)。

1 微生物礦化沉積技術(shù)概述

微生物礦化沉積（Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP）技術(shù)是指自然環(huán)境中的某些微生物在特定的環(huán)境中能通過自身新陳代謝生成碳酸鈣沉淀，選擇性地修復(fù)介質(zhì)中的孔隙，改善多孔材料的性能，修復(fù)混凝土表面裂縫[11]。

1973年，Boquet[12]等研究發(fā)現(xiàn)在特定的環(huán)境下，微生物通過自身的礦化沉積作用，可作為成核點(diǎn)不斷生成方解石晶體，最終成為碳酸鈣沉淀填充周圍孔隙，修復(fù)混凝土裂縫。后續(xù)的研究中，Bang[13]，Wwitor[14]等人在此基礎(chǔ)上，通過大量試驗(yàn)探究微生物種類、載體數(shù)量及類別、營養(yǎng)液配比等因素對MICP 技術(shù)修復(fù)混凝土裂縫的影響。Dick[15]等使用MICP 技術(shù)修復(fù)石灰石表面缺陷，試驗(yàn)結(jié)果表明，MICP 技術(shù)可有效改善石灰石表面吸水率，這一試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步促進(jìn)了MICP 技術(shù)用于再生骨料的強(qiáng)化改性。

邱繼申[16]等的研究表明，合理控制試驗(yàn)溫度、pH值等試驗(yàn)條件可提高M(jìn)ICP 技術(shù)對再生骨料的強(qiáng)化效果，朱亞光[4]等人通過使用多種類型的微生物處理再生骨料，綜合分析微生物礦化對再生骨料性能的影響。對于強(qiáng)化后再生骨料的應(yīng)用，徐培蓁[17]、王瑜玲[18]等人使用強(qiáng)化后的再生骨料配制砂漿，通過納米壓痕試驗(yàn)和抗壓與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了MICP 強(qiáng)化后的再生骨料對砂漿性能的影響。

2 微生物礦化沉積對再生骨料物理力學(xué)性能的影響

物理力學(xué)性能是影響再生骨料綜合性能和實(shí)際應(yīng)用的重要指標(biāo)，也是決定再生骨料混凝土性能的關(guān)鍵因素，因此，從表觀密度、吸水率和壓碎指標(biāo)3 個方面，分析MICP 技術(shù)對再生骨料物理力學(xué)性能的影響。

2.1 對表觀密度的影響

再生骨料表觀密度的變化可以反映MICP 技術(shù)處理后骨料表面碳酸鈣晶體的生成數(shù)量，從一定程度表征MICP 技術(shù)對再生骨料的強(qiáng)化效果。

郝小虎[19]等選用多種鈣源配置濃度不同的膠結(jié)液，使用真空浸漬吸附法改性再生骨料，分析不同鈣源與Ca2+濃度對改性后再生骨料性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，微生物礦化改性后的再生骨料表觀密度有明顯提高，其中，氯化鈣為鈣源時表觀密度提高最為顯著，為2 563 kg/m3，高于規(guī)范《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14658—2001）中的要求；另外，MICP 技術(shù)處理后再生骨料的表觀密度隨著Ca2+濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)Ca2+濃度為0.7 mol/L 時獲得最大值，說明Ca2+濃度過高會影響微生物正常新陳代謝，降低碳酸鈣的沉積數(shù)量。

張京旭[20]等選取巴氏芽胞八疊球菌制作微生物膠結(jié)液，采用浸泡法強(qiáng)化再生骨料，并設(shè)置清水對照試驗(yàn)，分析浸泡時間不同對再生骨料表觀密度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，MICP 浸泡的再生骨料表觀密度明顯高于對照組，浸泡3 d，7 d，10 d 后，表觀密度的增長率分別達(dá)到6.8%，9.4%，10.8%。說明MICP 技術(shù)處理能有效提高再生骨料表觀密度，但隨著浸泡時間的增長，膠結(jié)液中的菌類活性逐漸降低，強(qiáng)化效果逐漸減弱。朱亞光[21]采用DSM8715 菌種進(jìn)行了與上述試驗(yàn)相同的研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，處理后的再生骨料表觀密度提高1.2%。兩人的試驗(yàn)說明微生物的選取對再生骨料的強(qiáng)化效果有一定的影響，但都對再生骨料的性能有一定改善。

2.2 對吸水率的影響

MICP 技術(shù)處理后再生骨料吸水率的變化，反映出微生物礦化生成的碳酸鈣對骨料表面孔隙和缺陷的封堵情況，是表征再生骨料性能變化的重要指標(biāo)之一。

朱亞光[22]等使用DSM8715 菌種和嗜堿芽孢桿菌H4 處理不同粒徑（d≤5 mm，5～10 mm，10～20 mm）再生骨料，研究MICP 技術(shù)對再生骨料吸水率的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，MICP 處理后再生骨料吸水率有明顯降低，降低量最高可達(dá)到2%，但隨著再生骨料粒徑的增大，吸水率的降低量逐漸減小，當(dāng)粒徑為10～20 mm時，處理后再生骨料吸水率降低量僅為0.61%。張曉彤[23]的試驗(yàn)也得到了相同的變化規(guī)律，表明再生骨料粒徑越小，MICP 對骨料表面縫隙和缺陷的封堵效果越好，礦化改性的效果也越好。

郝小虎[24]、張京旭[20]調(diào)整了再生骨料使用MICP 技術(shù)強(qiáng)化改性的時間，通過對照試驗(yàn)探究MICP 技術(shù)礦化改性時間對再生骨料吸水率的影響，兩人的試驗(yàn)結(jié)果都顯示，再生骨料的吸水率隨著MICP 技術(shù)處理時間的延長而降低，說明MICP 技術(shù)處理可有效封堵骨料表面裂縫；但隨著處理時間的增長，再生骨料吸水率的降低率逐漸降低，這與表觀密度的變化曲線相似，說明隨著處理時間的延長，菌類的活性逐漸降低，表面裂縫的修復(fù)效率逐漸降低。

2.3 對壓碎指標(biāo)的影響

壓碎指標(biāo)的變化是表征MICP 技術(shù)處理后再生骨料強(qiáng)度變化的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，是綜合評定再生骨料性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

吳延凱[11]在其試驗(yàn)中選用不同微生物對不同粒徑再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化，分析其試驗(yàn)結(jié)果，不同細(xì)菌對再生骨料壓碎指標(biāo)影響差別較大，但總體來說，均使再生骨料壓碎指標(biāo)得到一定程度的改善。隨著再生骨料粒徑的增加，壓碎指標(biāo)降低率逐漸降低，當(dāng)粒徑≤5 mm 時，壓碎指標(biāo)降低率最高可達(dá)26.4%，這一數(shù)值在粒徑增大為10～20 mm 時只有18.4%，這一趨勢與吸水率、表觀密度的變化規(guī)律基本一致，說明由于菌種活性的降低，過長時間的浸泡，對再生骨料強(qiáng)度的改善效果已不明顯。

由于礦化試驗(yàn)選用細(xì)菌多為好氧菌，朱亞光[25]等人對MICP 技術(shù)浸泡再生骨料工藝進(jìn)行改進(jìn)，通過改變浸泡時的覆膜情況以及再生骨料在膠結(jié)液中的位置，研究氧氣對再生骨料強(qiáng)化效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，未覆膜處理的再生骨料壓碎指標(biāo)降幅相對于覆膜組平均提高2%，且兩組試驗(yàn)中，膠結(jié)液中部的再生骨料壓碎指標(biāo)降幅相較于底部和上部分別提高8%和4%，說明氧氣的參與強(qiáng)化了微生物對再生骨料的礦化效果，有利于促進(jìn)再生骨料壓碎指標(biāo)等性能的優(yōu)化。

3 結(jié)語

MICP 技術(shù)用于再生骨料改性強(qiáng)化，既健康環(huán)保，又可有效利用建筑垃圾，完全符合建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，具有廣闊的應(yīng)用價值。對MICP 技術(shù)用于再生骨料改性研究進(jìn)行總結(jié)分析，以表觀密度、吸水率、壓碎指標(biāo)為考察指標(biāo)，分析MICP 技術(shù)對再生骨料性能的影響，結(jié)果顯示如下。

（1）MICP 技術(shù)處理后的再生骨料各項(xiàng)性能均得到有效改善，說明微生物礦化沉積的碳酸鈣對骨料裂縫和缺陷實(shí)現(xiàn)了有效的封堵；

（2）隨著時間的增加，菌種的活性降低導(dǎo)致再生骨料的強(qiáng)化效率逐漸降低，所以，使菌種維持活性對再生骨料的強(qiáng)化研究至關(guān)重要；

（3）目前，基于MICP 技術(shù)的再生骨料改性處理時間多在10 d 甚至更長，如何配制強(qiáng)化效率更高的膠結(jié)液，降低處理時間，是MICP 技術(shù)研究的一個方向。