基于尿素水解機(jī)制的微生物固化土體的影響因素分析

李日升

（1、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司 廣州 510500；2、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

由于城市建設(shè)的需求，越來(lái)越多工程項(xiàng)目需要在不良的土體上進(jìn)行建設(shè)，在建設(shè)前期通常需要進(jìn)行地基加固。傳統(tǒng)的加固方法往往需要大型的機(jī)械和大量的水泥［1］，這將產(chǎn)生高昂的工程成本和釋放大量的溫室氣體，不符合生態(tài)文明建設(shè)的要求。近年來(lái)，一種利用微生物的代謝活動(dòng)誘導(dǎo)生成碳酸鈣晶體礦物進(jìn)行土體固化的方法憑借其綠色、對(duì)環(huán)境友好的特性［2］，成為近年來(lái)巖土工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，這種方法被稱為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Microbial Induced Carbonate Precipitation，簡(jiǎn)稱MICP）。

實(shí)現(xiàn)MICP 的代謝活動(dòng)有多種，包括尿素水解［3］、反硝化作用［4］、硫酸鹽還原［5］、三價(jià)鐵還原［6］等，其中使用最多的是尿素水解機(jī)制。利用微生物誘導(dǎo)生成的碳酸鈣沉淀可填充土體孔隙和膠結(jié)土顆粒，進(jìn)而可改善土的滲透性［7］、強(qiáng)度和剛度［8］等性質(zhì)。越來(lái)越多的學(xué)者證明MICP 技術(shù)可用于改善砂土地基的抗液化能力［9］、進(jìn)行地基加固處理［10］、抑制沙漠的風(fēng)沙和揚(yáng)塵［11］、修復(fù)被重金屬污染的土壤［12］、修復(fù)水泥基材料的微裂縫［13］、提高邊坡的抗侵蝕能力［14］等。MICP 固化土體的原料來(lái)源廣、對(duì)環(huán)境影響小且成本相對(duì)較低，是一種可持續(xù)發(fā)展的土體加固方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

但MICP 固化土體是一個(gè)復(fù)雜的生物地球化學(xué)過(guò)程［15］，固化效果的影響因素較多，既受到生物原料、細(xì)菌類型、菌液濃度等生物因素影響，也受化學(xué)溶液、環(huán)境因素、巖土性質(zhì)等非生物因素的影響和限制。因此了解MICP 固化土體的影響因素將有助于在實(shí)際應(yīng)用選取最佳條件，提高生物固化的改善幅度。由于尿素水解機(jī)制是MICP中研究最多、應(yīng)用最廣泛的生物代謝機(jī)制，本文將介紹尿素水解機(jī)制誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的基本原理，并從生物因素和非生物因素兩方面對(duì)其固化土體的影響因素進(jìn)行綜述，同時(shí)分析其中的影響機(jī)理，為巖土工程工作者優(yōu)化MICP固化技術(shù)提供一定參考。

1 尿素水解機(jī)制

通過(guò)微生物的尿素水解活動(dòng)誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的機(jī)制是：①尿素被微生物的脲酶催化水解，生成碳酸根離子（CO32-）和副產(chǎn)物銨離子（NH4+），同時(shí)提高了溶液的pH 值，形成堿性環(huán)境；②微生物的表面作為鈣離子（Ca2+）吸附［16］、礦物晶體成核的重要部位［17］，促進(jìn)了碳酸鈣晶體成核和生長(zhǎng)并加快了沉淀速率［18］，生成大量具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的碳酸鈣沉淀，以上過(guò)程如下式所示。

尿素水解反應(yīng)簡(jiǎn)單高效且含脲酶細(xì)菌廣泛存在于土壤中［19］，生物原料易獲取。一般只需準(zhǔn)備含脲酶的溶液、尿素和鈣源即可反應(yīng)生成碳酸鈣實(shí)現(xiàn)土體加固。

2 生物因素

2.1 生物原料

用于尿素水解的生物原料可以是含脲酶的完整細(xì)菌，如巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina Pasteurii），也可以是從細(xì)菌或刀豆等植物分離提純的脲酶。其中，直接利用游離的純脲酶催化尿素水解從而誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的過(guò)程被稱為酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Enzyme Induced Calcite Precipitation），簡(jiǎn)稱EICP［20］。EICP 可通過(guò)滲流分布在孔隙更小的土中實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀，能克服MICP 應(yīng)用中的幾何相容性問題改善土體性質(zhì)，因此應(yīng)用范圍更廣。但同等條件下，MICP與EICP的固化效果有所差異。

研究表明MICP 處理比EICP 處理的改善幅度更大。ZHAO等人［21］發(fā)現(xiàn)，利用巴氏芽孢桿菌進(jìn)行MICP處理的樣品與利用植物脲酶進(jìn)行EICP 處理的樣品相比，MICP 達(dá)到相似強(qiáng)度的耗時(shí)更短，另外在相似的脲酶活性下，MICP處理后樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）幾乎是EICP 樣品的5 倍。這主要因?yàn)橥暾?xì)菌的細(xì)胞膜表面存在多個(gè)帶負(fù)電的基團(tuán)，溶液中的Ca2+等陽(yáng)離子將由于靜電作用吸附在細(xì)菌表面，形成局部的高Ca2+濃度，促進(jìn)了碳酸鈣的過(guò)飽和沉淀［22］。此外，帶負(fù)電的細(xì)胞膜有助于穩(wěn)定表面新生的礦物顆粒，減小了晶核形成的自由能壘［23］，提供了碳酸鈣沉淀的成核位置。因此，完整細(xì)菌的參與提高了碳酸鈣晶體的生成速率和沉淀量［24］，而使用游離的脲酶將缺少成核位置降低了沉淀的生成速率和沉淀量。另外，有無(wú)完整細(xì)菌的參與也影響了碳酸鈣沉淀的晶型和晶體尺寸。WEN 等人［25］發(fā)現(xiàn)在相似的脲酶活性下，MICP 生成碳酸鈣沉淀的晶型以尺寸較大的球霰石為主，部分球霰石隨時(shí)間推移轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐?，而EICP 中碳酸鈣晶型以方解石為主，晶體大小均勻且普遍較小。綜上所述，采用不同的生物原料將對(duì)碳酸鈣的生成速率、生成量、晶型和晶體尺寸造成影響，進(jìn)而影響固化土工程性質(zhì)的改善幅度。

2.2 細(xì)菌類型

土中大部分細(xì)菌均含有脲酶，被用于MICP 研究的菌株有巨大芽孢桿菌（Bacillus Megaterium）、巴氏芽孢桿菌或稱巴氏芽孢八疊球菌（Sporosarcina Pasteurii）、蠟狀芽孢桿菌（Bacillus Cereus）、蘇云金芽孢桿菌（Bacillus Thuringiensis）、球形芽孢桿菌（Bacillus Sphaericus）等［26-27］。不同的菌株具有不同的脲酶活性，這將影響尿素分解速率進(jìn)而影響MICP 的沉淀速率。MICP 研究中，一般用單位時(shí)間內(nèi)尿素水解的速率表示脲酶活性，單位為U/mL 或mmol/（L·min），指菌液整體的脲酶活性。DHAMI 等人［26］在相同的條件下對(duì)比了同一分離地不同細(xì)菌的脲酶活性，發(fā)現(xiàn)巨大芽孢桿菌整體脲酶活性最大（690 U/mL），其次分別為蘇云金芽孢桿菌（620 U/mL）、蠟狀芽孢桿菌（587 U/mL），且不同細(xì)菌的碳酸鈣沉淀量與脲酶活性的大小次序基本一致。不過(guò)整體脲酶活性的結(jié)果除了受細(xì)菌類型的影響，還與測(cè)試時(shí)的菌液濃度、測(cè)試方法等多種因素有關(guān)。不同研究的整體脲酶活性結(jié)果相差較大，如MICP 研究中常用的巴氏芽孢桿菌的整體脲酶活性在11～550 U/mL 之間均有報(bào)道［28-30］，因此難以利用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)不同菌種的酶活性進(jìn)行對(duì)比分析。為了便于比較不同細(xì)菌的酶活性特性，有學(xué)者研究了游離脲酶和全細(xì)胞參與時(shí)尿素水解反應(yīng)的酶動(dòng)力學(xué)常數(shù)，包括米氏常數(shù)Km和最大反應(yīng)速度Vmax，匯總結(jié)果如表1所示。

表1 不同研究中的脲酶動(dòng)力學(xué)常數(shù)匯總Tab.1 Summary of Urease Kinetic Constants in Different Studies

其中，米氏常數(shù)Km一般只與酶的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)環(huán)境有關(guān)，與酶濃度無(wú)關(guān)，可用來(lái)表示酶與底物的親和力。在MICP 研究中，Km越小，表明脲酶與尿素的親和力越大，即不需要很高的尿素濃度便可達(dá)到最大反應(yīng)速度Vmax。如表1所示，不同細(xì)菌類型之間的脲酶動(dòng)力學(xué)常數(shù)存在差異，比如HAMMES等人［33］從不同細(xì)菌提取脲酶的研究中發(fā)現(xiàn)巴氏芽孢桿菌的脲酶Km比Bacillus psychrophilus 的略大，GRADDY 等人［27］在全細(xì)胞參與反應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)巴氏芽孢桿菌Km比Sporosarcina Soli大5倍。不過(guò)即使是同一菌種，不同的細(xì)菌來(lái)源和實(shí)驗(yàn)環(huán)境仍會(huì)導(dǎo)致Km和Vmax存在少許差異?？梢姴煌募?xì)菌類型和細(xì)菌來(lái)源將導(dǎo)致脲酶與尿素的親和力存在差異，Km更高的菌種在應(yīng)用中可能需要更高的尿素濃度，以達(dá)到最大反應(yīng)速度，否則將影響沉淀速率。

2.3 菌液濃度

通常在MICP 固化土體中使用較高的菌液濃度會(huì)有較高的碳酸鈣沉淀量，從而有更好的改善性能。NG等人［35］分別用濃度為1×106、1×107、1×108CFU·mL-1的巨大芽孢桿菌菌液對(duì)殘積土進(jìn)行MICP 加固，發(fā)現(xiàn)更高的菌液濃度將生成更多碳酸鈣，使試樣的UCS 值更大且滲透系數(shù)更小。這主要是由于菌液濃度對(duì)尿素水解速率影響顯著。

越來(lái)越多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，隨著菌液濃度的增加，尿素水解的速率增加［36］。LAUCHNOR 等人［34］發(fā)現(xiàn)在1×107～2×108CFU/mL 的細(xì)胞濃度范圍內(nèi)，尿素水解速率與細(xì)胞濃度成線性增加關(guān)系。這是因?yàn)槊竸?dòng)力學(xué)常數(shù)中的最大反應(yīng)速度Vmax與酶濃度成正比，細(xì)菌內(nèi)包含脲酶，當(dāng)菌液濃度增加時(shí)酶濃度也隨之增加，因此尿素水解的最大反應(yīng)速度Vmax也增大。此外，由于細(xì)菌的細(xì)胞膜充當(dāng)成核位置，因此菌液濃度的增加，直接增加了成核位置的數(shù)量。GAT 等人［37］的實(shí)驗(yàn)證明，更大的細(xì)菌密度將提供更多的碳酸鈣成核位置，從而促進(jìn)碳酸鈣沉淀的速率。在相同的時(shí)間內(nèi)更高的水解速率將生成更多碳酸鈣沉淀填充土體孔隙，從而更好的改善土體性能。

不過(guò)，更快的尿素水解速率將導(dǎo)致生成的碳酸鈣晶體數(shù)量更多而尺寸更小［38］。WEN 等人［25］在相同的MICP 反應(yīng)時(shí)間下，觀察到不同的細(xì)菌濃度（光學(xué)密度OD600：0.1～1.0）的碳酸鈣晶體尺寸隨著細(xì)菌濃度的增加而減小，且晶體顆粒數(shù)量變多，如圖1所示。晶體數(shù)量和形狀的變化也可能對(duì)強(qiáng)度、滲透性等宏觀的土工性質(zhì)造成影響。

圖1 不同細(xì)菌濃度下CaCO3晶體的SEM圖像［25］Fig.1 SEM Image of CaCO3 Crystal at Different Bacteria Concentrations ［25］

3 非生物因素

3.1 膠結(jié)溶液

基于尿素水解的MICP 中，除了需要添加包含脲酶的生物原料，往往還須添加鈣源和尿素作為化學(xué)原料。一般把Ca2+和尿素的混合溶液稱為膠結(jié)溶液或膠結(jié)劑，不同研究中膠結(jié)溶液的配制往往存在差異，如采用不同的鈣源、不同的濃度及不同的尿素和Ca2+的比例。以上不同的溶液配制將影響碳酸鈣的沉淀速率和形態(tài)，從而影響實(shí)際應(yīng)用的膠結(jié)效果，具體影響如下：

3.1.1 成分

配制膠結(jié)溶液時(shí)可選擇不同的鈣源和添加其他化學(xué)劑，以改善膠結(jié)效果。在過(guò)去的研究中，用于MICP 的鈣源種類繁多，包括氯化鈣、醋酸鈣、硝酸鈣、乳酸鈣、葡萄糖酸鈣等［39］，使用不同的鈣源將影響宏觀的膠結(jié)性質(zhì)。梁仕華等人［40］基于滲透試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)比了不同鈣源對(duì)膠結(jié)砂土的影響，發(fā)現(xiàn)硝酸鈣固化的試樣具有最大的碳酸鈣生成量、最高的抗壓強(qiáng)度（2.844 MPa）和最低的滲透性，醋酸鈣、氯化鈣和乳酸鈣的固化效果分別次之。PAN 等人［41］也發(fā)現(xiàn)硝酸鈣為鈣源的試樣抗剪強(qiáng)度最高，但其次是氯化鈣和醋酸鈣。以上研究表明使用硝酸鈣比使用氯化鈣的固化效果更好。

不同鈣源對(duì)宏觀性質(zhì)的影響可能與沉淀微觀結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)不同鈣源對(duì)碳酸鈣晶體的形態(tài)有較大影響［40，42］。使用氯化鈣和硝酸鈣進(jìn)行MICP 一般生成熱力學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定的菱形碳酸鈣沉淀，即方解石［43］，如圖2?和圖2?所示。

圖2 使用不同鈣源生成的CaCO3晶體形貌［43，45］Fig.2 Morphology of CaCO3 Crystals Produced by Different Calcium Sources ［43，45］

使用醋酸鈣作為鈣源將導(dǎo)致萵苣狀或片狀的球霰石形成［41，43］，如圖2?所示，也有學(xué)者觀察到針狀的文石形成［44-45］，如圖2?所示。而使用乳酸鈣和葡萄糖酸鈣則形成球形的球霰石［42-43］，如圖2?和圖2?所示。球霰石是碳酸鈣沉淀中的一種亞穩(wěn)形態(tài)，易轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐?。與方解石和文石相比，球霰石具有更高的溶解度和低密度［46］。碳酸鈣多晶型對(duì)固化土體的效果有重要意義，因?yàn)椴煌木陀胁煌姆€(wěn)定性和耐久性［47］。不過(guò)鈣源對(duì)碳酸鈣晶體的形狀和宏觀巖土性質(zhì)影響的具體機(jī)制仍不明確，仍需深入研究鈣源對(duì)反應(yīng)速度、化學(xué)環(huán)境等影響以揭示影響機(jī)理。

除了選擇不同的鈣源，還有學(xué)者通過(guò)在膠結(jié)溶液添加其他化學(xué)物質(zhì)，得到了更好的固化效果。比如，榮輝等人［48］往膠結(jié)溶液中添加了氯化鎂，使Mg2+濃度為2.5 M，膠結(jié)處理后的試樣比未添加氯化鎂的試樣孔隙率更低且抗壓強(qiáng)度更高。WANG 等人［49］往膠結(jié)溶液加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的聚乙烯醇（PVA），與傳統(tǒng)的膠結(jié)溶液相比，使用PVA改性的膠結(jié)溶液將生成更多碳酸鈣，且使砂柱的UCS 值大于傳統(tǒng)膠結(jié)溶液試樣的2倍。上述研究是通過(guò)添加其他的化學(xué)物質(zhì)改變沉淀的礦物類型或晶體形狀，形成更均勻、更致密的沉淀從而提高固化效果，這為改善MICP 效果提高了新的研究思路。

3.1.2 濃度

膠結(jié)溶液的濃度對(duì)MICP 效果影響較明顯，可根據(jù)膠結(jié)溶液中的尿素和Ca2+的摩爾濃度比值是否為1，分為等濃度比和不等濃度比的膠結(jié)溶液。

使用等濃度比膠結(jié)溶液固化土體時(shí)，若最終添加的物質(zhì)的量相同，則膠結(jié)溶液濃度越低，晶體大小和分布位置越均勻。相反的，濃度越高則晶體分布位置越不均勻，且晶體尺寸相差越大［50］。這種由膠結(jié)溶液濃度造成的沉淀模式差異，將影響樣品的抗壓強(qiáng)度和滲透性。在相同的碳酸鈣含量下，較低的膠結(jié)溶液濃度（0.1～0.25 M）由于更均勻的碳酸鈣分布位置，將擁有更高的UCS 值，但滲透性會(huì)比高濃度處理的樣品更高［51］。若添加的體積量相同但等比膠結(jié)溶液的濃度不同，濃度越高則生成的碳酸鈣越多，試樣的性質(zhì)越好［21］。不過(guò)ZHAO 等人［21］發(fā)現(xiàn)使用高濃度的等比膠結(jié)溶液進(jìn)行MICP 固化時(shí)，大部分Ca2+未能充分沉淀，試樣UCS 值的增加幅度隨濃度的增加逐漸減小，沉淀轉(zhuǎn)化效率較低。CUTHBERT 等人［38］發(fā)現(xiàn)較高的等比膠結(jié)溶液濃度將有更快的尿素水解速率，快速生長(zhǎng)的碳酸鈣晶體將很快包裹住細(xì)菌使尿素水解反應(yīng)受到抑制，最終導(dǎo)致原料不能充分反應(yīng)。若要獲得最大的轉(zhuǎn)化效率以充分沉淀膠結(jié)溶液中的Ca2+，他們建議使用較低濃度的等比膠結(jié)溶液（如0.05或0.1 M）。

除了使用等濃度比的膠結(jié)溶液，也有學(xué)者使用不等濃度比的膠結(jié)溶液進(jìn)行MICP 加固，他們發(fā)現(xiàn)使用更高脲鈣比（尿素與Ca2+的濃度比）的膠結(jié)溶液將有更好的固化效果。SHAHROKHI-SHAHRAKI 等人［52］發(fā)現(xiàn)樣品的剛度和UCS 值隨膠結(jié)溶液的脲鈣比的增大而升高。這是因?yàn)檫^(guò)量的尿素將提高脲酶的活性，且尿素分解使溶液pH 值的上升促進(jìn)了碳酸鈣的沉淀［53］。此外，使用高脲鈣比膠結(jié)溶液生成的CO32-將比Ca2+多，因此Ca2+與CO32-的離子積更容易超過(guò)碳酸鈣的溶度積Ksp生成碳酸鈣沉淀，促進(jìn)了Ca2+的充分沉淀從而獲得更好的膠結(jié)效果。

3.2 pH值

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的過(guò)程發(fā)生在溶液環(huán)境，而溶液pH 值將影響MICP 過(guò)程中細(xì)菌的生長(zhǎng)、脲酶活性和沉淀生成等方面。

細(xì)菌的生長(zhǎng)活性與酶的催化活性均受pH 值的影響。一些細(xì)胞物質(zhì)對(duì)pH 值比較敏感，如DNA、磷脂和蛋白質(zhì)，因此大多數(shù)細(xì)菌在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿環(huán)境難以生存。一般細(xì)菌在接近中性的環(huán)境有更快的生長(zhǎng)速率［54］，而MICP 常用的解脲細(xì)菌巴氏芽孢桿菌的最佳生長(zhǎng)條件為pH值=9.25［55］。研究表明，游離的脲酶在pH值為7～8之間具有最佳的催化活性［31，55］。LAUCHNOR 等人［34］發(fā)現(xiàn)完整細(xì)菌參與的MICP 過(guò)程中，由于完整細(xì)胞具有自我調(diào)節(jié)的能力，pH值的變化對(duì)細(xì)胞內(nèi)脲酶的影響有限，在較大的pH值范圍內(nèi)（5～10）均可測(cè)到較高脲酶活性。因此在MICP中，應(yīng)注意pH值對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)活性的影響，而在EICP中，應(yīng)注意pH值對(duì)脲酶活性的影響。

可通過(guò)控制初始pH 值來(lái)控制MICP 中沉淀的發(fā)生時(shí)間。溶液中H2CO3、和的濃度受pH 值的影響，常溫條件下pH 值＞8 時(shí)才開始以的形態(tài)存在，且存在比例隨pH 值的上升而上升［55］。的濃度將決定碳酸鈣是否達(dá)到沉淀的條件，因此碳酸鈣沉淀一般在堿性環(huán)境發(fā)生。由于尿素水解過(guò)程將導(dǎo)致溶液pH 值上升［56］，因此在MICP 中可設(shè)置初始pH 值較低的膠結(jié)溶液，避免因尿素水解反應(yīng)使溶液pH 值快速上升而導(dǎo)致迅速生成的碳酸鈣沉淀在土體內(nèi)分布不均勻?；谠摍C(jī)理，CHENG 等人［57］使用由菌液、膠結(jié)溶液混合而成的低pH 值溶液（pH 值=4）對(duì)砂土進(jìn)行生物固化，使生物絮凝和沉淀時(shí)間延遲了35 min，從而避免了MICP 灌漿堵塞的發(fā)生，同時(shí)沉淀分布更均勻，提高了MICP的生物固化效果。

此外，pH 值還將影響CaCO3的生成量和尺寸形態(tài)。SEIFAN 等人［58］研究了在恒定pH 值下（9～12）的MICP 過(guò)程，發(fā)現(xiàn)CaCO3的生成量隨著pH 值的增加而增加，若使pH值恒定為12，則CaCO3產(chǎn)量為不調(diào)整pH值的MICP 過(guò)程的6.4 倍。此外，隨著pH 值的增加，生成的碳酸鈣晶體尺寸減小。如圖3 所示，pH 值=9 時(shí)MICP 生成的CaCO3晶體平均尺寸為pH 值=12 時(shí)的兩倍，且當(dāng)pH 值在9～10 時(shí)，生成的碳酸鈣晶型主要為球霰石，而當(dāng)pH 值在11～12 時(shí)為方解石［58］。CaCO3晶體尺寸、形態(tài)和分布模式等微觀參數(shù)將對(duì)宏觀性質(zhì)造成影響，但具體影響仍需更多的研究。

圖3 不同pH值下生成的CaCO3晶體尺寸及形貌［58］Fig.3 Size and Morphology of CaCO3 Crystals Formed at Different pH ［58］

3.3 溫度

溫度是影響MICP 過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)境因素，因?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)速率、酶活性和碳酸鈣的沉淀均與溫度有關(guān)。MICP 研究常用的巴氏芽孢桿菌，生長(zhǎng)速度和生長(zhǎng)穩(wěn)定期的濃度在15～30 ℃范圍內(nèi)隨溫度升高而增加［59］，低溫將抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖。一般來(lái)說(shuō)脲酶活性隨著溫度的升高而增強(qiáng)。游離的脲酶在25～60 ℃之間活性隨溫度的增加而線性增加［55］，在70 ℃達(dá)到最高活性，在87.5 ℃下40 min脲酶將喪失活性［60］?，F(xiàn)有研究表明，在10～37 ℃范圍內(nèi)，完整的巴氏芽孢桿菌表現(xiàn)出的脲酶活性也隨溫度的升高而增加［59，61］。

常溫下，細(xì)菌濃度和酶活性隨溫度的增加而增加，因此在一般條件下應(yīng)用的MICP 過(guò)程，隨著溫度增加CaCO3沉淀速度加快、沉淀轉(zhuǎn)化效率變高［59］。但是有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)的生物固化效果不一定在更高溫度獲得。DE 等人［61］發(fā)現(xiàn)在20 ℃和28 ℃條件下的生物沉積效果比37 ℃時(shí)的效果好，生成的CaCO3與原材料結(jié)合更緊密。CHENG 等人［62］分別在4 ℃、25 ℃、50 ℃條件下對(duì)砂土進(jìn)行生物膠結(jié)，在同樣的CaCO3含量下25 ℃試樣的UCS 值最高。發(fā)現(xiàn)25 ℃下生成的碳酸鈣主要分布在砂粒接觸處形成有效的連結(jié)，而50 ℃下的碳酸鈣主要覆蓋在砂粒表面，且25 ℃下晶體尺寸為20～50 μm，約為50 ℃下生成的10 倍。這是因?yàn)楦邷叵碌腗ICP 過(guò)程除了具有較高的生物活性，還提高了溶液中的微粒運(yùn)動(dòng)速度［63］，從而降低了碳酸鈣沉淀反應(yīng)的活化能壘，加快了CaCO3沉淀的成核速度，導(dǎo)致生成的CaCO3晶體平均尺寸變?。?2］。晶體尺寸的變化和分布模式可能對(duì)固化效果造成影響。

3.4 土的性質(zhì)

MICP 的主要應(yīng)用改善土體的物理性質(zhì)，然而粒徑尺寸和礦物類型等土的基本特性將影響膠結(jié)效果，甚至限制MICP的應(yīng)用。

3.4.1 粒徑大小

土的粒徑大小直接影響土顆粒之間的孔隙尺寸。研究表明，沉積土中的孔隙等效直徑為沉積土顆粒等效直徑的0.26～0.37倍［54］，而單個(gè)細(xì)菌尺寸為0.5～3 μm。在應(yīng)用生物灌漿固化土體時(shí)，若土中孔隙尺寸小于細(xì)菌尺寸，則細(xì)菌將被卡在孔隙口而無(wú)法通過(guò)滲流分布在土中，無(wú)法對(duì)較大范圍內(nèi)土體進(jìn)行均勻加固。因此通過(guò)生物灌漿固化土體的適用性由土的粒徑大小決定，這就是微生物和土顆粒之間的幾何相容性問題［2］。REBATA-LANDA［54］發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)生物灌漿處理的土粒徑大于2 μm 時(shí)，土體內(nèi)部才有碳酸鈣生成，且生成的碳酸鈣含量與粒徑的對(duì)數(shù)值呈正比，而當(dāng)土的粒徑大于200 μm 時(shí)，碳酸鈣含量隨粒徑的增加呈反比例函數(shù)下降。DEJONG 等人［2］稱MICP 處理對(duì)粒徑大于或等于25 μm 的土體有效，不過(guò)使用生物灌漿加固粒徑較細(xì)的粉土?xí)r，需要比砂土更多的灌漿次數(shù)和更長(zhǎng)的加固時(shí)間來(lái)增加碳酸鈣沉淀含量才能達(dá)到預(yù)期的膠結(jié)程度。AL 等人［50］稱生物膠結(jié)土的最佳粒徑范圍在50～400 μm 之間，因?yàn)樵诹椒浅＜?xì)的土中細(xì)菌活性減弱不能產(chǎn)生CaCO3來(lái)固結(jié)土壤，而對(duì)于粒徑較大的土壤則需要生產(chǎn)大量的CaCO3填充孔隙來(lái)增加剛度和強(qiáng)度。目前大多學(xué)者將MICP 應(yīng)用于砂土加固中，因?yàn)樯巴恋目紫遁^大、滲透性較強(qiáng)，菌液及膠結(jié)溶液能輕松通過(guò)滲流分布在土體的孔隙中實(shí)現(xiàn)加固。不過(guò)MICP 能應(yīng)用的粒徑范圍還取決于處理方式，除了傳統(tǒng)的生物灌漿法，還有學(xué)者將土與MICP 原料直接進(jìn)行預(yù)拌［64］、注入低pH 值的生物膠結(jié)溶液［65-66］、結(jié)合電滲［67］等方法成功地?cái)U(kuò)大了MICP的應(yīng)用范圍。

在MICP 適用的粒徑范圍內(nèi)，膠結(jié)效果似乎與粒徑大小有關(guān)。CHENG 等人［68］發(fā)現(xiàn)MICP 固化后的細(xì)砂樣品，在相似的CaCO3含量下，比粗砂樣品有更高的粘聚力但內(nèi)摩擦角更小。他們稱更小粒徑的土顆粒之間有更多的接觸點(diǎn)，因此在同一CaCO3含量下將有更多CaCO3位于接觸點(diǎn)處成為有效膠結(jié)鍵，使固化更有效。然而TERZIS 等人［8］的報(bào)告則顯示在相同的CaCO3含量下，MICP 固化后的中砂試樣比細(xì)砂試樣具有更高的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和剛度，他們解釋為在中砂試樣中生成的有效膠結(jié)鍵比細(xì)砂的膠結(jié)鍵的尺寸更大，更大的膠結(jié)鍵增加了抗剪力，從而有更好的固化效果。盡管以上學(xué)者的結(jié)論并不統(tǒng)一，但可以看出土顆粒接觸點(diǎn)處的膠結(jié)鍵數(shù)量和尺寸大小均受粒徑的影響，從而影響膠結(jié)效果。

3.4.2 礦物類型

盡管MICP 固化的研究廣泛使用了石英砂作為加固對(duì)象，但在工程實(shí)際中，需要加固的土可能具有復(fù)雜的成分和礦物類型。研究表明，MICP 固化不同礦物類型的土將影響碳酸鈣沉淀速率、分布模式以及晶體形態(tài)。REBATA-LANDA［54］研究了MICP 在云母、方解石和石英3 個(gè)不同礦物表面上CaCO3的分布模式，發(fā)現(xiàn)當(dāng)方解石作為基底時(shí)生成的沉淀分布最均勻，而當(dāng)云母、石英作為基底時(shí)CaCO3沉淀較少且分布不均勻，沉淀傾向于單晶生長(zhǎng)。MORTENSEN 等人［69］用生物灌漿對(duì)石英、方解石、長(zhǎng)石和氧化鐵材質(zhì)的砂進(jìn)行MICP 固化，在固化相同時(shí)間后發(fā)現(xiàn)氧化鐵試樣的剪切波速增量最小，而方解石試樣的增量最大，石英和長(zhǎng)石試樣的增量相似且處于平均水平，這說(shuō)明不同礦物類型會(huì)對(duì)CaCO3沉淀速率有影響。RODRIGUEZNAVARRO 等人［70］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MICP 的基底礦物類型是影響CaCO3晶型的主導(dǎo)因素，在方解石上將形成大量連結(jié)緊密的新的方解石晶體，而在硅酸鹽礦物上將形成與基底聯(lián)系不緊密的球狀球霰石，這是因?yàn)榉浇馐诪樘妓徕}沉淀提供了成核生長(zhǎng)的位置，且促進(jìn)了帶負(fù)電的細(xì)菌在基質(zhì)表面的生長(zhǎng)，從而促進(jìn)了碳酸鈣沉淀。以上由礦物類型造成的沉淀速率、沉淀分布模式及晶體形態(tài)等變化均會(huì)對(duì)宏觀力學(xué)性質(zhì)造成影響，但影響機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

越來(lái)越多的學(xué)者開始探索MICP 在黏土中的應(yīng)用，而黏土礦物對(duì)MICP 過(guò)程將有更復(fù)雜的影響：①黏土礦物的存在可能會(huì)影響細(xì)菌活性和代謝活動(dòng)。研究表明，黏土礦物的存在會(huì)刺激生物膜的形成［71］，同時(shí)黏土礦物中的主要元素Al2O3和次要元素Fe（Fe3+）可能存在水解作用，使MICP 處理時(shí)溶液環(huán)境處于酸性，從而抑制細(xì)菌的脲酶活性［72］，這些生物活性的變化可能對(duì)碳酸鈣產(chǎn)量造成影響。②黏土礦物的存在將對(duì)MICP 生成的碳酸鈣晶型造成影響。在不同的MICP 固化黏性土的研究中，有學(xué)者觀察到棱柱狀［35］的或平行六面體形［73］的方解石晶體，也有學(xué)者觀察到球形或橢球形的球霰石晶體［74］。MICP 在黏性土中形成不同形態(tài)的碳酸鈣晶體機(jī)制仍不清楚，但不同形態(tài)的碳酸鈣晶體可能會(huì)影響加固效果。③黏土礦物會(huì)與MICP 處理時(shí)的溶液相互作用影響整體的加固效果。LI［64］發(fā)現(xiàn)在相同含水量下添加了CaCl2的黏土強(qiáng)度比無(wú)添加的黏土樣低，解釋為黏土顆粒的雙電層厚度由于Ca2+與Na+、K+的離子交換作用而降低，使黏土顆粒更絮凝，同一含水量下添加了Ca2+的黏土中自由水比例增大，從而降低了有效強(qiáng)度。CARDOSO 等人［75］也發(fā)現(xiàn)MICP 處理黏性土?xí)r，盡管生成的CaCO3沉淀能填充孔隙稍微降低試樣的壓縮性，但膠結(jié)溶液的化學(xué)性質(zhì)（如化學(xué)成分、pH 值）和黏土礦物的離子吸附作用將使黏土更易于壓縮變形，導(dǎo)致試樣的整體壓縮性增大。MORALES 等人［76］建議在MICP 固化黏性土?xí)r，還需要考慮尿素、生物膜等有機(jī)化合物與黏土礦物的相互作用?？梢钥闯?，黏土礦物將影響生物活性和生成晶體的晶型，同時(shí)MICP 中的生物和膠結(jié)溶液將通過(guò)物理化學(xué)作用影響?zhàn)ね恋男再|(zhì)。

綜上所述，不同的礦物類型與MICP 反應(yīng)過(guò)程互相影響作用，產(chǎn)生不同的整體固化效果影響。為了能使MICP 更廣泛地應(yīng)用到工程實(shí)際的各種土中，仍需深入探究土的基本特性對(duì)MICP固化效果的影響。

4 結(jié)論

⑴含脲酶的細(xì)菌或游離脲酶均可作為尿素水解的生物原料，但完整細(xì)菌參與的MICP 過(guò)程中，呈負(fù)電的細(xì)胞膜提供了碳酸鈣沉淀成核的位置，提高了沉淀生成速率和生成量，同時(shí)影響了晶型和晶體尺寸等微觀性質(zhì)，有更好的固化效果。

⑵不同的細(xì)菌類型往往具有不同的脲酶活性和脲酶的動(dòng)力學(xué)常數(shù)Km，說(shuō)明來(lái)自不同細(xì)菌的脲酶與尿素的親和力存在差異，這將影響尿素的水解速率進(jìn)而影響MICP的固化效果。

⑶菌液的濃度與酶動(dòng)力學(xué)常數(shù)中的最大反應(yīng)速度Vmax成正比，同時(shí)更大的細(xì)菌密度將提供更多碳酸鈣成核位置，因此隨著菌液濃度的增加，尿素水解的速率增加，碳酸鈣沉淀的生成速率也增加，同時(shí)也影響了的碳酸鈣晶體數(shù)量和晶體形狀。在實(shí)際應(yīng)用中選擇較高的菌液濃度可獲得更好的土體固化性能。

⑷MICP 中氯化鈣和硝酸鈣作為鈣源主要生成方解石，而使用醋酸鈣主要生成球霰石或文石。大多研究表明使用硝酸鈣比使用氯化鈣的固化效果更好。此外，往膠結(jié)溶液添加PVA、鎂離子等其他化學(xué)物質(zhì)也可以改善固化效果。若使用等濃度比的膠結(jié)溶液，較高的濃度將有更快的尿素水解速率，但較低濃度（0.1～0.25 M）將有更均勻的晶體尺寸和分布位置，且有更高的沉淀轉(zhuǎn)化效率，能在應(yīng)用中以較低成本達(dá)到更高的固化效果。還可通過(guò)提高膠結(jié)溶液中的脲鈣比以促進(jìn)Ca2+更充分的沉淀，獲得更好的膠結(jié)效果。

⑸游離的脲酶在pH 值為7～8 之間具有最佳活性。完整細(xì)菌參與的MICP 過(guò)程，可在pH 值為5～10時(shí)保持較高脲酶活性，且MICP 研究常用的巴氏芽孢桿菌最佳生長(zhǎng)條件為pH 值=9.25。碳酸鈣沉淀的生成量隨著pH值的增加而增加，但晶體平均尺寸隨pH值的增加而減小，且晶型由球霰石（pH 值為9～10 時(shí)）變?yōu)榉浇馐╬H 值為11～12 時(shí)）。應(yīng)用生物灌漿對(duì)土體加固時(shí)，pH 值較低的膠結(jié)溶液可使沉淀和絮凝的發(fā)生時(shí)間延遲35 min，從而改善注入堵塞的問題。

⑹常溫下的細(xì)菌濃度和酶活性隨溫度的升高而增加，CaCO3沉淀速度和轉(zhuǎn)化效率也隨溫度升高而提高，但生成的碳酸鈣晶體尺寸將隨之減小，因此最優(yōu)的生物固化效果不一定在高溫下獲得。

⑺微生物和土顆粒之間存在幾何相容性問題，可使用生物灌漿加固的土體粒徑范圍在2～400 μm 之間。土顆粒接觸點(diǎn)處的碳酸鈣膠結(jié)鍵的數(shù)量和尺寸大小受加固土體粒徑的影響，將影響膠結(jié)效果。此外，土中不同的礦物類型對(duì)MICP 過(guò)程造成影響，如方解石類的土體將促進(jìn)MICP 的沉淀速率，且沉淀分布位置更均勻。黏土礦物的存在將影響生物活性、脲酶活性以及生成碳酸鈣的晶型，同時(shí)也將與MICP 中膠結(jié)溶液發(fā)生物理化學(xué)作用，影響整體固化效果。