中國(guó)粉體網(wǎng)訊 自然界中存在著大量微生物，其對(duì)地基、礦物、地質(zhì)及地下工程等往往會(huì)起到潛移默化的影響，傳統(tǒng)工程中人們往往更多地關(guān)注宏觀構(gòu)造物，對(duì)微生物的認(rèn)識(shí)不足且缺乏案例，從而忽略了微生物對(duì)工程的影響，也浪費(fèi)了其巨大的潛在價(jià)值。
一、微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）
MICP的實(shí)質(zhì)是利用自然界中某類細(xì)菌，其新陳代謝可產(chǎn)生分解尿素的脲酶，尿素分解后產(chǎn)生的碳酸根離子與自然界游離的金屬陽離子結(jié)合生成膠凝晶體的過程。MICP技術(shù)的應(yīng)用對(duì)生產(chǎn)能耗、生產(chǎn)成本要求低，同時(shí)能減少溫室氣體排放MICP技術(shù)可提高土的地質(zhì)特性，因此可利用其作為一種替代地質(zhì)加固技術(shù)。
二、MICP技術(shù)原理
目前對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀機(jī)理主要有兩個(gè)：微生物控制沉淀與微生物誘導(dǎo)沉淀。Bazylinski等認(rèn)為微生物控制沉淀主要發(fā)生在有機(jī)質(zhì)基體或微生物的囊泡中，有利于微生物對(duì)其成核位點(diǎn)與沉淀速率的高度控制，從而影響礦物質(zhì)沉淀的成分、尺寸等，與環(huán)境因素?zé)o關(guān)。而微生物誘導(dǎo)沉淀則認(rèn)為微生物在自然環(huán)境中，利用環(huán)境中的某些成分或陽離子，進(jìn)行生命代謝活動(dòng)而產(chǎn)生的相對(duì)不溶的有機(jī)和無機(jī)化合物。
MICP機(jī)制與影響因素示意圖
Muynck 和榮輝等探究了細(xì)菌微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀過程的機(jī)理，主要包括3個(gè)過程:
(1)溶液中的鈣離子等陽離子被吸附在細(xì)菌細(xì)胞表面。細(xì)菌細(xì)胞壁表面帶有大量負(fù)電荷官能團(tuán)，能夠有效地吸附Ca2+ 、Mg2+等陽離子。
(2)碳酸鈣晶體在細(xì)胞表面沉積。底物在酶的作用下不斷水解生成CO32-，并釋放到微生物局部環(huán)境中，與被吸附在細(xì)胞表面的Ca2+等陽離子發(fā)生反應(yīng)生成沉淀。
(3)隨著晶核長(zhǎng)大，微生物表面及周圍逐漸被包裹，微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳輸受到限制，導(dǎo)致微生物死亡。
三、MICP技術(shù)應(yīng)用與研究
1固化土體
目前，大部分地基加固技術(shù)是利用機(jī)械能或人造灌漿材料對(duì)土壤進(jìn)行物理化學(xué)處理，其中，化學(xué)灌漿技術(shù)是使用傳統(tǒng)的膠凝材料進(jìn)行加固，該方法可能導(dǎo)致地下水污染，土體性質(zhì)改變，對(duì)環(huán)境危害也比較大。然而，利用MICP技術(shù)能顯著提高土體的強(qiáng)度，降低滲透性，具有高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。
Canakcia[M]利用芽孢桿菌誘導(dǎo)處理當(dāng)?shù)馗缓袡C(jī)物的土壤，該有機(jī)土壤的抗壓強(qiáng)度相比對(duì)照組增加20%，提高了有機(jī)土的抗剪強(qiáng)度，降低了土壤的壓縮性。
2改善土體力學(xué)性質(zhì)
由于MICP技術(shù)能在潮濕的環(huán)境中析出具有膠結(jié)性的物質(zhì)，因而可改變土體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)及顆粒間的相互作用方式，進(jìn)而改變土體的一些力學(xué)性質(zhì)。
Zamani等研究發(fā)現(xiàn)固化后的砂柱剛度顯著提高是因?yàn)镸ICP技術(shù)將細(xì)顆粒膠結(jié)成團(tuán)粒，而團(tuán)粒又將粗顆粒的孔隙填充，這種現(xiàn)象優(yōu)化了顆粒間的荷載傳遞路徑，因此減小了整體應(yīng)變，增大了剛度。
3抗液化
松散的飽和砂士在遭受地震波或振動(dòng)時(shí)，會(huì)使內(nèi)部的孔隙水壓力上升、有效應(yīng)力減小，使地基發(fā)生破壞，對(duì)上覆結(jié)構(gòu)和人員造成損傷。MICP技術(shù)可以改變可液化砂土的內(nèi)部形式，提高顆粒間的膠結(jié)性，降低內(nèi)部孔隙水壓力，起到抗液化的效果。
Xiao等研究了MICP對(duì)鈣質(zhì)砂的抗液化性能，通過循環(huán)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MICP處理過后的鈣質(zhì)砂與清潔的鈣質(zhì)砂相比，內(nèi)部孔隙水壓力更加穩(wěn)定，并且壓縮變形顯著降低，可明顯改善鈣質(zhì)砂的液化潛力。
4混凝土裂縫修復(fù)
對(duì)于混凝土裂縫修復(fù),有多種技術(shù)可供選擇。Webster 等曾對(duì)歷史建筑石材表面黑色硫酸鹽殼用MICP過程進(jìn)行清潔，對(duì)建筑石材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響。因此，利用MICP技術(shù)修復(fù)那些歷史悠久、表面經(jīng)歲月腐蝕的建筑物具有良好的應(yīng)用前景。
Achal對(duì)70.6mm的立方體砂漿的不同深度裂縫進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)深度可達(dá)27.2mm。利用微生物修復(fù)技術(shù)能夠?qū)⒘芽p進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)的深度和寬度有限且修復(fù)效果與生成的碳酸鈣含量是呈正相關(guān)的。
Jonkers等直接在水泥漿混合物中加入細(xì)菌孢子，細(xì)菌孢子能在水泥石中保持長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的活性，細(xì)菌水泥石樣本比對(duì)照產(chǎn)生更多的裂縫堵塞礦物質(zhì)。在此基礎(chǔ)上Wiktor等探究混凝土的愈合能力,其中，混凝土的自身水化作用可以修復(fù)0.21mm的裂縫，細(xì)菌自修復(fù)混凝土則能愈合寬達(dá)0.47 mm的裂縫。隨著裂縫寬度的增加，修復(fù)效果越差，如果開裂時(shí)間超過60d幾乎不能愈合。
5抗?jié)B、封堵
MICP技術(shù)生成的碳酸鈣能夠?qū)⒐袒嚇拥目紫哆M(jìn)行填充，從而減小滲透性，達(dá)到了封堵的目的此外，固化過程中微生物會(huì)不斷地產(chǎn)生胞外聚合物，也會(huì)對(duì)滲透性有所影響。在工程中，提高土石壩的抗?jié)B能力，對(duì)污染區(qū)域的土體進(jìn)行有效的封堵和隔離，提高石油的采收率等等，都可利用MICP的封堵性能而得以實(shí)現(xiàn)。
Achal等采用巴氏芽孢桿菌進(jìn)行砂土固化試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)40%的方解石沉積在砂土中，導(dǎo)致了砂柱的孔隙率和滲透性的降低。
Gao等基于MICP技術(shù)對(duì)砂質(zhì)土進(jìn)行改良，以控制在砂質(zhì)土壤基礎(chǔ)上灌溉渠道和水庫的滲水問題，結(jié)果表明砂士經(jīng)過生物處理后，表面形成10~20mm的硬殼，利用滲透儀進(jìn)行滲透測(cè)試發(fā)現(xiàn)其滲透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未經(jīng)處理的土壤。
6尾礦固化
當(dāng)前尾礦產(chǎn)量大，堆存量多，綜合利用率低;且尾礦庫中堆存的尾礦大多呈流塑態(tài)或沼澤態(tài)，存在很大風(fēng)險(xiǎn);利用微生物固化尾礦技術(shù)能很好地緩解這一難題。
中國(guó)科學(xué)院大學(xué)陳飛通過單因素實(shí)驗(yàn)確定了耐鹽堿高效固化菌(中度耐鹽菌)的最佳固化條件，并以凍融實(shí)驗(yàn)研究尾礦樣品經(jīng)過固化后的適應(yīng)性，以掃描電鏡(SEM)和X射線色散能譜(EDX)驗(yàn)證微生物固化尾礦的過程，最后通過電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)技術(shù)分析耐鹽堿高效固化菌Halomonas sp. SBC20對(duì)尾礦中各種重金屬的固定效果。
結(jié)語
MICP過程大規(guī)模運(yùn)用到各個(gè)行業(yè)還有很長(zhǎng)的路要走。在應(yīng)用實(shí)踐方面，生物膠結(jié)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3~4周且對(duì)環(huán)境的要求很高，不利于MICP大規(guī)模運(yùn)用。經(jīng)濟(jì)成本降低方面，生物水泥中微生物培養(yǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和鈣源能夠從廢棄物中獲取，如乳制品行業(yè)的乳糖母液玉米漿、大豆種子粉末、尾礦石灰石粉末、雞蛋殼等，但對(duì)廢棄物的處理技術(shù)及獲得理想目標(biāo)產(chǎn)物需不斷地完善。環(huán)境影響方面，經(jīng)MICP處理后的廢棄物中的氨氮含量高且尿素和鈣鹽殘留較多，這也是一個(gè)需要解決的問題。
參考來源：
張海麗﹐等：微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積研究與應(yīng)用，南昌大學(xué)
王恒星，等：微生物誘導(dǎo)固化技術(shù)研究進(jìn)展，東南大學(xué)交通學(xué)院
王雪，等：混凝土內(nèi)置微生物自修復(fù)材料的研究進(jìn)展，重慶三峽學(xué)院
陳飛，等：利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀固化尾礦，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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