微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)固化土体研究进展

Research Progress in Soil Solidified by Microbially Induced Carbonate Precipitation (MICP)

摘要: 土地荒漠化严重危害人类的生存和可持续发展。微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)是近年来兴起的经济、环保和耐久的防风治沙方法。为了研究MICP固化土体的工程特性，本文对MICP进行了系统的归纳总结，从MICP的国内外发展与现状、MICP固化土体的力学特性、MICP固化土体的作用机理分析了MICP对固化土体的效果。为MICP的发展提供了参考。

Abstract: Land desertification seriously endangers human existence and sustainable development. Microbial induced calcium carbonate deposition (MICP) is an economical, environmentally friendly and durable method for wind and sand control. In order to study the engineering characteristics of MICP solidified soil, this paper systematically summarized MICP, and analyzed the effect of MICP on solidified soil from the development and current situation of MICP at home and abroad, the mechanical properties of MICP solidified soil and the action mechanism of MICP solidified soil. It provides a reference for the development of MICP.

1. 研究背景

我国的土地沙漠化约占了总国土面积的27.46%，有将近4亿人面临着沙漠化的威胁，如果沙漠土得不到有效治理，散沙将在风力的作用下扬起，并逐渐形成流动沙漠 [1] ，而风积沙流动又是土地沙漠化的主要成因 [2] 。风积沙具有黏聚力低 [3] 、颗粒均匀 [4] 、含水率低 [5] 、湿陷性大 [6] 、松铺系数小 [7] 等特点。传统的沙漠防治方法主要包括植物固沙、工程治沙及化学固沙等。这些传统的防风固沙方式存在难度大 [8] 、施工繁琐、维护成本高 [9] 、污染环境 [10] 及耐久性低等缺点。因此，寻找一种新型治理沙漠风积沙的措施尤为重要。

微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)是近年来兴起的经济、环保和耐久的防风治沙方法 [11] [12] 。这项技术的核心原理是利用产生脲酶的微生物，水解尿素得到碳酸根离子，然后碳酸根离子和钙离子发生反应产生CaCO₃沉淀。这个沉淀物能够快速将土颗粒胶结在一起，实现土壤的加固和降低渗透性的目标 [13] [14] 。与传统的风积沙治理方法相比，MICP技术有许多优点，包括操作简单 [15] 、扰动小 [16] 、环保经济 [17] 以及施工时间较短 [18] [19] 等。MICP技术可以有效地将风积沙颗粒胶结在一起 [20] ，从而改善其力学性能。这项技术在工程领域和荒漠化治理中具有巨大的潜力，目前主要应用于裂缝修补、边坡稳定、渗漏阻塞和环境修复 [21] [22] [23] [24] [25] 等方面。

目前国内外针对MICP最新研究进展的全面总结还较为不足，针对于此，本文在大量检索国内外文献的基础上，对MICP的国内外发展与现状、MICP固化土体的力学特性研究、MICP固化土体的作用机理研究进行系统的梳理、总结和分析。

2. 国内外发展与现状

2.1. 国内研究现状

自MICP技术问世以来，便迅速发展为我国众多学者的研究对象 [26] 。赵茜 [27] 利用MICP方法加固土壤，研究表明，增加尿素浓度可以提高微生物的活力，并加速MICP处理过程。此外，增加菌液浓度尿素可快速水解，从而生成碳酸钙 [28] 。研究人员 [29] [30] [31] 还发，现适宜的pH值和温度有助于优化MICP技术的操作条件，以实现更有效的土壤加固和改良。常道琴等 [32] 在干旱地区应用MICP修复重金属污染土，达到显著的修复效果。张永杰等 [33] 选用巴氏芽孢杆菌菌液和不同浓度的氯化钙与尿素的混合胶结液开展了MICP试验，经不同灌注次数表明，达到了试样最好的固化效果。赵志峰等 [34] 对不同掺比的粉土进行MICP加固，研究掺砂比例、密实水平等对MICP固化粉土效果的影响。结果表明，经MICP固化后的粉土实现了整体加固，并且水稳定性也有一定的提高。王子文等 [35] 利用MICP实现粉煤灰的有效利用和粉尘控制污染，结果表明，微生物固化粉煤灰可以减少内部水分损失，保水效果明显。魏然等 [36] 基于MICP抑制了膨胀土遇水膨胀的能力，降低了膨胀土遇水膨胀变形程度。

目前对于MICP加固过程中影响因素的研究已相对成熟，其中胶结液浓度、菌液浓度、pH、胶结次数等因素对MICP固化效果影响显著。而MICP加固土体的应用对于室外现场试验以及耐久性的研究仍处于热门阶段。

2.2. 国外研究现状

2004年，Whiffin [37] 首次提出了MICP这一概念，并将其用于土壤固化，随后便迅速发展起来。Mujah等 [38] 总结了MICP在土壤改良中的应用，讨论了MICP的处理工艺，对MICP在土壤改良中的应用前景、潜在优势和局限性进行了介绍和讨论。Qabany等 [39] 研究了MICP处理过程中化学浓度对碳酸钙沉淀模式的影响及其对MICP胶结土工程性能的影响，研究发现，经过MICP处理后，测试样品的强度都有所增加。Hataf等 [40] 采用落头渗透性试验，测定生物处理前后土样的渗透性，探讨了利用MICP降低设拉子垃圾填埋场基土的渗透性或导电性。试验结果表明，MICP可以作为一种新的环保方法，用于降低垃圾填埋场底部和墙壁的土壤渗透性，形成废物与地下水和基质之间的屏障。Iamchaturapatr等 [41] 采用微生物诱导方解石沉淀法监测生物胶结对沙土性质的改善，证实了CaCO₃将砂土颗粒结合在一起的存在，而且证实了基于MICP的脲酶加速法提高了砂土样品的物理强度。Li等 [42] 利用MICP对沙漠风积沙进行了固化试验，研究结果表明，随着固化液浓度的增加，所生成的CaCO₃含量增加，风积沙密度增加，渗透率降低，无侧限抗压强度增加。Tian等 [43] 研究了反应物注入速率对MICP固化风积沙的影响，试验结果表明，胶结液注入速率对其均匀性影响显著。

综上，MICP应用广泛且收到良好的效果。不仅成熟于加固土体方面，目前还向着多孔介质修复、处理污染元素、减少海滩侵蚀等方面发展。表1列举了众多学者关于MICP技术加固土体的不同研究方向。

Table 1. Different research directions on MICP by domestic and foreign scholars

表1. 国内外学者对MICP不同的研究方向

3. MICP固化土体的力学特性研究

MICP技术固化砂土力学特性是反映固化效果的重要指标。研究各种影响因素对砂土力学特性(渗透特性与强度特性)的影响，是为了更好地针对固化后的风积沙试样展开研究以及建立起渗透特性和强度特性与CaCO₃生成量间的定量关系。Li等 [51] 研究发现了生物处理的土工材料的强度随矿化时间的增加而增加，这有助于加固土壤，提高土壤的力学性质。Zeitouny等 [52] 利用微生物诱导方解石沉淀对比了渗流法和组合法对波特兰胶结砂和MICP胶结砂强度的影响，联合法得到的强度比渗流法高3.7倍左右。Cheshomi等 [53] 利用MICP技术进行土壤改良，研究了粒度、渗透方法、渗透细菌悬浮液(BS)体积和渗透固定液(FS)和水泥溶液(CS)对石英砂剪切强度的影响。试验结果表明，MICP可以提高样品的抗剪强度，在四种不同渗透方法的沙质土壤中，BS和CS的连续渗透对剪切强度的影响最大。具有较大有效尺寸和较高渗透率的砂是未处理的砂抗剪强度的6.2倍。Zhang [54] 研究了粉煤灰与风积沙混合后利用MICP技术的固沙效果。研究结果表明，30%粉煤灰经3次微生物诱导矿化处置后，渗透系数下降79.4%，表面强度增加19.9%，风蚀率下降21.2%。Gao等 [55] 提出了基于MICP的土壤改良方法减少孔隙体积来降低土壤的渗透性。结果表明，通过四种处理方案处理的样品的生物处理样品的渗流速率降低了70倍。通过表面喷涂和整体稳定处理的样品具有最厚的硬壳和最高的方解石含量，这符合其在防渗方面的最佳性能。

综合以上学者研究，MICP在土壤固化方面表现出良好的效果。经MICP处理后能够降低砂土的渗透特性、提高力学特性，生成的CaCO₃沉淀会在土颗粒孔隙中填充，以达到提升力学性能的效果。但是对于不同种类的土处理效果有一定差异，MICP究竟更适合于哪种土体的固化还有待进一步研究。

4. MICP固化土体的作用机理研究

在MICP过程中，产生的CaCO₃数量的增加通常会导致固化土体的强度提高。这是因为CaCO₃沉淀物充当了土壤颗粒之间的粘结剂，将它们有效地粘合在一起，从而增强了土壤的整体强度。通过XRD、SEM、FTIR等试验观察固化风积沙的细微观结构，揭示了MICP固化风积沙的作用机理。Gowthaman [56] 经过表面渗滤处理的土壤的微观结构，发现在颗粒接触处形成了有效的晶体，它通过与沙粒结合来增加颗粒接触的数量，并参与处理过的基质的力链。Meng等 [57] 研究了微生物诱导的碳酸盐沉淀(MICP)在减少沙漠土壤风蚀中的潜力。用X射线进行的扫描电子显微镜(SEM)测试证实了CaCO₃晶体的桥效应，CaCO₃沉淀物的生成有效反映了MICP技术对砂土的胶结机理。Cheshomi等 [58] 研究了使用MICP技术处理不同密度的松散石英砂。通过使用XRD分析，与其他两种多晶型物相比，方解石被确定为最稳定的碳酸钙多晶型物。碳酸钙沉淀的重量测量表明，在样品和样品中的沉积物产量显著增加。Lai等 [59] 运用低pH MICP生物胶结方法改良土壤。研究表明，pH值越低，延迟时间越长。另一方面，只要延迟时间足以使处理溶液在土壤中的分布，pH对碳酸钙的产生量及其在土壤中的分布影响不大。Imran等 [60] 研究了MICP处理过的砂中添加植物性天然黄麻纤维的影响以及相应的微观结构，分析了对MICP处理过的生物砂的影响。SEM结果表明，添加的黄麻纤维与CaCO₃耦合良好，在土壤基质中形成可靠的桥梁，并提高了生物砂的胶结性能。Zhao等 [61] 利用活性炭纤维毡(ACFF)废料粉末与MICP一起提高土壤强度，通过SEM试验可以看出，某些ACFF涂有碳酸钙，从而促进了更多的碳酸钙在孔中沉淀。证实了添加ACFF的细菌保留程度增加，有利于碳酸钙晶体的产量。由ACFF提供的具有纤维增强的更多填充的碳酸钙晶体增强了砂粒之间的键，结果表明，ACFF增强了MICP处理的砂，具有良好的胶结效果。

从以上学者的研究可以发现，MICP技术的有效性和固化土体的强度增强与CaCO₃的生成量、分布以及晶体作用方式都有关。MICP矿化生成的CaCO₃晶体主要分布于颗粒表面、颗粒孔隙及颗粒之间，从而起到覆盖、填充及胶结的作用。因此，这些固化砂土的影响因素需要在MICP处理过程中进行控制和优化，以实现最佳的土壤改良效果。表2总结了部分碳酸钙沉淀的晶体形态。

Table 2. Some MICP microscopic observation and crystal formation

表2. 部分MICP微观观测及生成晶体形态

5. 结语与展望

本文对MICP进行了系统的归纳总结，从MICP的国内外发展与现状、MICP固化土体的力学特性、MICP固化土体的作用机理等方面，从宏观与微观角度分析了MICP对固化土体的效果。可以得到以下结论：

1) 相比其他传统土体的固化效果，MICP具有更好的实际应用能力。MICP在中性弱碱性环境条件下，脲酶更稳定。升高温度会促进微生物的反应活性，不宜过高，胶结液浓度在1.0~1.6 M时的土壤固化效果较好。

2) MICP技术固化砂土力学特性是反映固化效果的重要指标。MICP技术可以降低土的渗透性和增加它的抗剪强度，生成的CaCO₃沉淀会连接松散的砂粒，有助于提高土壤的力学性能。

3) 经XRD、SEM、FTIR技术进行微观分析，MICP技术生成的CaCO₃晶体形态不一，其中方解石为最稳定的晶型。碳酸钙晶体产量增加，能提升MICP的胶结效果。

4) 目前对于MICP加固过程中影响因素的研究已相对成熟，而MICP加固土体的应用对于室外现场试验以及耐久性的研究是目前的研究热门。MICP不仅成熟于加固土体方面，目前还向着多孔介质修复、处理污染元素、减少海滩侵蚀等方面发展。

基金项目

本研究由省级大学生创新创业训练计划资助项目(S202312715038)资助。

NOTES

^*通讯作者。