基于脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積固化土體的研究進(jìn)展

賴(lài)漢江，崔明娟

1. 福州大學(xué) 紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院，福州 350108；2. 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福州 350116

1 引言

基于誘導(dǎo)碳酸鈣沉積固化土體是近年來(lái)巖土工程領(lǐng)域新興起的一種高效、綠色、低成本的新型環(huán)保地基處理技術(shù)。該技術(shù)主要基于尿素（CO(NH2)2）的水解產(chǎn)生碳酸根（CO32-）（如式1所示），在引入鈣離子（Ca2+）的條件下析出具有膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體（CaCO3）（如式2所示），將松散的土體顆粒膠結(jié)成為整體，從而達(dá)到提高土體抗剪強(qiáng)度的目的。目前，基于尿素水解誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鈣晶體的方式主要有2種：（1）基于產(chǎn)脲酶菌的微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（Microbially Induced Calcite Precipitation，以下簡(jiǎn)稱(chēng)MICP技術(shù)）（van Paassen et al.，2010；Al Qabany and Soga，2013；Zhao et al.，2014；Cui et al.，2017；Cheng et al.，2019；Liu et al.，2020）；（2）基于脲酶的酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（Enzyme Induced Carbonate Precipitation，以下簡(jiǎn)稱(chēng)EICP技 術(shù)）（Almajed et al.，2018，2019；Hoang et al.，2019，2020；吳林玉等，2020；Cui et al.，2020）。

近20年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于誘導(dǎo)碳酸鈣沉積固化土體技術(shù)開(kāi)展了大量的研究工作。然而，目前大部分的研究都主要集中在MICP技術(shù)方面，而對(duì)于EICP技術(shù)的研究則相對(duì)較少。盡管如此，如圖1所示，關(guān)于EICP固化土體技術(shù)研究的文獻(xiàn)近年來(lái)呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中超過(guò)60%的文獻(xiàn)是近3年（2018~2020年）所發(fā)表。由此可見(jiàn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)于EICP固化土體技術(shù)的關(guān)注度逐漸提高，分析其原因可能是：EICP技術(shù)是直接利用脲酶進(jìn)行尿素水解，因此一般不涉及生物安全問(wèn)題，也不需要考慮是否有氧。此外，脲酶的尺寸約為12 nm（Blakely and Zerner，1984），遠(yuǎn)小于細(xì)菌的尺寸，約0.5~3 μm（Tsesarsky et al.，2016）。也就是說(shuō)，相比于MICP技術(shù)，EICP技術(shù)可適用于粒徑更小土體的處理。因此，本文從脲酶類(lèi)型及來(lái)源、EICP固化土體處理方法及EICP固化土體強(qiáng)度增長(zhǎng)等方面，對(duì)近20年基于脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積固化土體的研究進(jìn)行回顧與總結(jié)。

圖1 近20年EICP文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig. 1 Statistics of the number of publications about the EICP in the past 20 years

2 脲酶類(lèi)型及來(lái)源

如圖2所示，根據(jù)所用脲酶的類(lèi)型及來(lái)源對(duì)近20年關(guān)于EICP固化土體研究的文獻(xiàn)進(jìn)行了分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。脲酶的類(lèi)型主要包括植物脲酶和細(xì)菌脲酶兩類(lèi)。其中，植物脲酶的來(lái)源主要包括商業(yè)購(gòu)買(mǎi)和自提取兩種方式，而細(xì)菌脲酶則主要是通過(guò)自提取獲得。

圖2 EICP文獻(xiàn)按所用脲酶類(lèi)型及來(lái)源分類(lèi)統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Classification of the literatures abut the EICP according to the type and source of urease used

從圖2中可看出，目前大多關(guān)于EICP的研究采用的是商業(yè)購(gòu)買(mǎi)的植物脲酶。這類(lèi)脲酶活性高（一般都在1500 U/g以上），但價(jià)格昂貴，對(duì)于大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而言，過(guò)高的成本將是主要限制之一。為減小采用EICP技術(shù)進(jìn)行地基處理的成本，一些學(xué)者提出可以從黃豆（Gao et al.，2019；吳林玉等，2020；Lee and Kim，2020；Miao et al.，2020；Wu et al.，2020）、刀豆（Park et al.，2014；Nam et al.，2015）、西瓜籽（Dilrukshi et al.，2016，2018；Javadi et al.，2018）等植物種子中提取粗脲酶溶液。其提取過(guò)程一般較為簡(jiǎn)便，主要包括以下步驟：（1）將植物種子晾曬或低溫下烘干并磨成粉；（2）將一定量的植物種子粉溶解在蒸餾水或其他溶劑中，攪拌一段時(shí)間后放置在4℃條件下；（3）靜置一段時(shí)間后，取其上清液進(jìn)行離心獲得粗脲酶溶液。需要說(shuō)明的是，自提取的植物粗脲酶溶液的活性一般都較低，盡管能夠通過(guò)提高植物種子的用量來(lái)提高活性，但隨著用量的提高，所提取粗脲酶溶液的粘稠度也會(huì)隨之升高，會(huì)顯著增加注漿的時(shí)間及難度。

此外，Hoang等（2019，2020）、Cui等（2020）及He等（2020）提出采用超聲破碎法，從產(chǎn)脲酶菌中提取粗脲酶溶液。其中，Hoang等（2019，2020）、Cui等（2020）采用“運(yùn)行—冷卻”的循環(huán)方法提取脲酶，即運(yùn)行超聲破碎儀對(duì)細(xì)菌進(jìn)行超聲破碎，一段時(shí)間后停止設(shè)備運(yùn)行以冷卻細(xì)菌溶液，并且在此過(guò)程中保證細(xì)菌溶液溫度不超過(guò)35℃。He等（2020）則將細(xì)菌溶液放置在冰水中，并采用間斷運(yùn)行設(shè)備的方式（運(yùn)行5 s，暫停5 s），以確保脲酶提取過(guò)程中溶液溫度不會(huì)過(guò)高。需要說(shuō)明的是，細(xì)菌脲酶溶液的活性一般取決于細(xì)菌溶液的活性，通常為細(xì)菌活性的2~3倍（Hoang et al.，2019，2020；Cui et al.，2020），但其活性衰減要比細(xì)菌的快。而細(xì)菌的活性則與取決于細(xì)菌類(lèi)型、接種量、培養(yǎng)時(shí)間等諸多因素。此外，細(xì)菌脲酶的獲取還涉及菌種的活化、接種、培養(yǎng)、保存的諸多問(wèn)題，需要較好的生物操作技能。同時(shí)，與植物脲酶的提取相比，細(xì)菌脲酶提取的過(guò)程較為復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，且所需的設(shè)備較多。上述問(wèn)題在一定程度上可能會(huì)限制采用細(xì)菌脲酶進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)際工程應(yīng)用。

3 EICP固化土體處理方法

既有EICP固化土體技術(shù)的研究中，所采用的處理方法主要包括兩種：（1）預(yù)混合法（Yasuhara et al.，2012；Oliveira et al.，2014；Simatupang and Okamura，2017；Almajed et al.，2018，2019）；（2）滲透注漿法（Nemati et al.，2003；Neupane et al.，2015；Handley-Sidhu et al.，2013；Hoang et al.，2019，2020；吳林玉等，2020）。其中，預(yù)混合法是將脲酶粉或EICP處理液（氯化鈣、尿素與脲酶的混合液）與待固化土體攪拌混合均勻后，裝入模具中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。該方法可制備碳酸鈣分布相對(duì)較為均勻的試樣，但一般不適用于原位處理。滲透注漿法則是將脲酶溶液與膠結(jié)液（即氯化鈣與尿素的混合液）先后（先注脲酶溶液并靜置一定時(shí)間，而后注入膠結(jié)液）或同時(shí)通過(guò)滲透的方式從待固化土體表面注入土體中。其中，前者一般稱(chēng)為二階段注漿法（two-phase injection method），后者稱(chēng)為一次注漿法（One-phase injection method）。

二階段注漿法被廣泛應(yīng)用于基于MICP技術(shù)的土體固化，既有文獻(xiàn)報(bào)道（Al Qabany等，2012，Cui et al.，2020），采用該方法進(jìn)行MICP處理的鈣離子轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高。然而，對(duì)于EICP技術(shù)而言，采用二階段法進(jìn)行處理的鈣離子轉(zhuǎn)化效率則相對(duì)較低。譬如，Hoang等（2019）采用二階段注漿法對(duì)MICP和EICP處理進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)在相同處理?xiàng)l件下，EICP固化砂柱的碳酸鈣含量?jī)H為MICP固化砂柱的一半。Cui等（2020）也報(bào)道，采用二階段注漿法，EICP技術(shù)的鈣離子轉(zhuǎn)化效率要遠(yuǎn)比MICP技術(shù)的要小，并指出這是由于脲酶尺寸小且吸附能力差，采用二階段注漿法很難將脲酶保留在試樣內(nèi)。

對(duì)于一次注漿法，由于細(xì)菌（或脲酶）與膠結(jié)液混合后，會(huì)立即產(chǎn)生大量的絮凝物，導(dǎo)致固化試樣內(nèi)沉積碳酸鈣的晶體出現(xiàn)不均勻分布的現(xiàn)象。為此，Cheng等（2019）提出了一種一相低pH注漿法（one-phase-low-pH），即將細(xì)菌溶液與膠結(jié)液混合后，采用1.0 M的鹽酸將其pH值調(diào)低，而后再將其注入到試樣內(nèi)。Cui等（2020）借鑒了Cheng等（2019）提出的一相低pH注漿法，采用2.0 M的鹽酸先將細(xì)菌脲酶溶液pH值調(diào)至6.5后，將其與膠結(jié)液和蒸餾水按一定的體積比例混合制備EICP處理液對(duì)砂土進(jìn)行固化。研究結(jié)果顯示，采用這種一相低pH注漿方法，對(duì)于鈣離子濃度為1.0 M的EICP處理液，在間隔24小時(shí)條件下，鈣離子轉(zhuǎn)化效率幾乎能達(dá)到100%，且沉積的碳酸鈣沿試樣高度方向分布也較為均勻。

4 EICP固化土體強(qiáng)度增長(zhǎng)

在強(qiáng)度方面，如圖3所示，最近發(fā)表的文獻(xiàn)基本上均一致認(rèn)為，EICP固化試樣的強(qiáng)度要比相同碳酸鈣含量條件下MICP固化試樣的要高。譬如，Hoang等（2019）發(fā)現(xiàn)，在相同處理次數(shù)條件下，EICP固化試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要比MICP固化試樣的高，盡管EICP固化試樣的碳酸鈣含量較低。Cui等（2020）采用一相低pH注漿法制備了EICP和MICP固化試樣，發(fā)現(xiàn)在相同處理?xiàng)l件下，兩者的碳酸鈣含量基本相同，且碳酸鈣含量沿試樣高度方向的分布也都較為均勻，但EICP固化試樣的強(qiáng)度明顯要比MICP固化試樣的高，且兩者的差異隨膠結(jié)水平的提高而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。Nafisi等（2019）也指出，要達(dá)到相同剪切波速（用于表征試樣剛度），EICP固化試樣所需的碳酸鈣含量要比MICP固化試樣的低。

圖3 EICP和MICP固化試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與碳酸鈣含量關(guān)系對(duì)比Fig. 3 Comparison of the relationship between unconfined compressive strength and calcium carbonate content of the EICP and MICP treated samples

在強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理方面，Hoang等（2019）認(rèn)為EICP試樣和MICP試樣之間強(qiáng)度的差異是由碳酸鈣沉積位置的差異造成的，EICP固化試樣內(nèi)碳酸鈣晶體主要沉積在顆粒接觸位置（即傾向性沉積現(xiàn)象明顯）（圖4a），而在MICP固化試樣內(nèi)則相對(duì)均勻地分布在顆粒表面及顆粒接觸位置（圖4b）。另一方面，Nafisi等（2019）、Cui等（2020）的試驗(yàn)結(jié)果則顯示，碳酸鈣晶體在EICP固化試樣內(nèi)并沒(méi)有明顯的傾向性沉積，如圖4c—圖4f所示， EICP與MICP固化試樣內(nèi)的碳酸鈣晶體均相對(duì)均勻地分布在顆粒表面及顆粒接觸位置。同時(shí)，Nafisi等（2019）和Cui等（2020）均認(rèn)為，EICP和MICP強(qiáng)度之間的差異是由于碳酸鈣晶體的形態(tài)和尺寸之間的差異造成的。Nafisi等（2019）發(fā)現(xiàn)EICP固化試樣內(nèi)的碳酸鈣以球形的球霰石為主（圖4c），而MICP固化試樣內(nèi)的碳酸鈣則以菱形的方解石為主（圖4d）。相反，Cui等（2020）則發(fā)現(xiàn)，EICP試樣內(nèi)的碳酸鈣以方解石為主（圖4e），而MICP試樣內(nèi)球霰石的比例較高（圖4f）。綜上所述，目前對(duì)于造成EICP與MICP固化土體之間強(qiáng)度差異的原因尚未達(dá)成共識(shí)。

圖4 文獻(xiàn)報(bào)道的EICP和MICP固化試樣SEM圖Fig. 4 SEM images of the EICP and MICP treated sample reported in previous studies

5 研究展望

與MICP技術(shù)相比，EICP技術(shù)具備無(wú)生物安全風(fēng)險(xiǎn)、不需考慮是否有氧、固化強(qiáng)度更高等諸多優(yōu)勢(shì)。盡管如此，對(duì)于EICP技術(shù)在實(shí)際巖土工程中的應(yīng)用，以下2個(gè)方面的問(wèn)題尚需解決：

（1）固化土體的均勻性。目前關(guān)于EICP處理的研究，主要都是基于實(shí)驗(yàn)室小尺寸試樣的固化，而實(shí)際巖土工程中一般都是大范圍的地基處理。既有的處理方法，在大規(guī)模處理時(shí)能否保證固化土體的均勻性尚需進(jìn)一步研究。

（2）脲酶的提取。植物種子中提取的脲酶活性低，而從產(chǎn)脲酶菌中提取脲酶，則條件較為嚴(yán)苛且極為耗時(shí)。因此，基于目前的脲酶提取方法，較難滿(mǎn)足大規(guī)模工程應(yīng)用中對(duì)脲酶活性及用量的要求。因此，對(duì)于脲酶提取的方法尚需進(jìn)一步研究。

6 結(jié)論

本文對(duì)近20年基于脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積固化土體的研究進(jìn)行了回顧與總結(jié)。主要得到以下結(jié)論：

（1）脲酶類(lèi)型主要包括植物脲酶和細(xì)菌脲酶，植物脲酶來(lái)源包括商業(yè)購(gòu)買(mǎi)和自提取兩種，而細(xì)菌脲酶則主要通過(guò)自提取獲得。商業(yè)購(gòu)買(mǎi)脲酶活性高，但價(jià)格昂貴；自提取植物脲酶價(jià)格便宜、提取過(guò)程也較為簡(jiǎn)便、但活性相對(duì)較低；自提取細(xì)菌脲酶活性相對(duì)較高，但提取過(guò)程較為復(fù)雜且耗時(shí)，同時(shí)還要求具備一定的生物操作技能。

（2）EICP固化土體處理方法主要包括預(yù)混合法和滲透注漿法。其中，預(yù)混合法一般不適用于原位處理，滲透注漿法中的二階段注漿法則因不利于脲酶保留在土體內(nèi)而導(dǎo)致鈣離子轉(zhuǎn)化效率較低，而采用一相低pH注漿法能夠?qū)⒂行У貙㈦迕副Ａ粼谕馏w中，進(jìn)而顯著提高鈣離子轉(zhuǎn)化效率。

（3）EICP固化試樣的強(qiáng)度要比相同處理?xiàng)l件下MICP固化試樣的強(qiáng)度要高，但是對(duì)于造成EICP和MICP固化試樣強(qiáng)度差異的原因目前尚未達(dá)成共識(shí)，有待開(kāi)展更多的研究。