可持续的生物基建筑：MICP技术和生物水泥化在各种规模和材料上的应用综述

《Case Studies in Construction Materials》：Sustainable bio-based construction: A review of MICP technology and bio-cementation across scales and materials

　　阿里·赞德德尔·诺巴里 | 米拉德·贾巴尔扎德 | 努马·贝尔托拉 | 阿努帕姆·森古普塔 | 阿拉什·阿利马尔达尼·拉瓦桑
伊朗科学技术大学土木工程学院，德黑兰 16844，伊朗

**摘要**
为了减少建筑相关的二氧化碳排放和负面环境影响，提高建筑行业的可持续性和经济循环性，迫切需要创新传统做法。在过去的二十年里，由细菌和光合藻类介导的微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）作为一种新兴的生物矿化技术，已在岩土工程和混凝土工程中得到广泛应用，用于处理各种类型的土壤、岩石以及灌浆料和混凝土。大量研究致力于了解MICP对材料性能和系统表现的影响。然而，大多数综述分别关注岩土工程方面（例如土壤性质）或混凝土工程方面（例如自修复混凝土）。本文综述了MICP在处理土壤、岩石和混凝土等不同材料中的应用进展。比较分析表明，MICP可以显著改善工程性能，例如将松散砂的无拘限抗压强度（UCS）提高1.5–3.0 MPa，恢复裂缝砂浆的分裂抗拉强度至386 kPa，并将破碎岩石的渗透性降低3到4个数量级。此外，定量评估显示，最佳的试剂浓度（通常为0.5 M至1.0 M的尿素和钙源）在最大化这些材料的沉淀效率方面起着重要作用。该综述还强调，长期环境条件对生物胶结结构的耐久性有重要影响。虽然MICP处理后的材料表现出较强的抗冻融循环能力（12次循环后仍保持70%–90%的初始强度），但湿-干循环和酸雨暴露可能导致UCS降低80%。添加生物添加剂（如0.2–0.4%的玄武岩或黄麻纤维）已成为一种重要策略，可将风化引起的质量损失减少至10%，并提高长期韧性。本研究旨在为未来克服现有局限并扩大MICP技术在岩土工程和建筑工程中应用的范围奠定坚实的基础。

**1. 引言**
1.1. 微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）的背景和基本机制
岩土工程的一个主要研究方向是改善地基，以实现足够的承载力同时将沉降控制在允许范围内。地基改良是指通过处理土壤来维持、改变或提高其作为建筑材料的性能。文献中使用了多种地基改良方法，以确保安全的施工，并解决适用建筑材料不足的问题。根据处理方法，地基改良工程技术可分为三大类：机械稳定、生物稳定和化学稳定[1]。
机械稳定是最常见且历史最悠久的地基改良技术，其原理是通过静态和动态荷载增加土壤密度。在化学稳定中，将各种化学活性材料与土壤混合以改善其性能。最常用的化合物包括无机火山灰/水泥质胶凝剂，如粉煤灰、水泥和某些钙基化学品，这些物质也可以与纤维和土工材料结合使用，以增强土壤的机械和动态性能[2][3][4][5]。然而，化学稳定剂的使用引发了一些环境问题，如增加二氧化碳排放、碳足迹较大，以及可能对土壤pH值产生影响，并且化学物质或工艺副产品可能污染土壤和地下水[7]。
土壤生物稳定的概念将工程实践与生态原理相结合，采用生物介导的方法来改善土壤的化学和机械性能。为了实现可持续解决方案，微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）作为一种基于生物的新方法应运而生，无需使用水泥或工业添加剂。MICP技术在岩土工程领域具有广泛前景，为解决从易侵蚀斜坡和基础支撑到软土地基条件下的环境和施工问题提供了环保且经济有效的途径。

目前，已知有多种微生物矿化细菌，如产脲酶细菌、硫酸盐还原细菌和氧化细菌。其中，产脲酶细菌因成本低、易于提取和培养、良好的矿化和胶结效果以及相对简单的反应过程而受到广泛研究[8]。尿素酶水解过程的关键部分是由特定菌株（如芽孢杆菌和巴氏孢囊菌）产生的脲酶的催化作用。尿素酶催化尿素水解的过程可表示为[9]：
(1) CO(NH2)2 + 2H2O → 2NH3 + H2CO3
(2) NH3 + H2O → NH4+ + OH?
(3) H2CO3 ? HCO3? + H+ ? CO32? + 2H+
(4) Ca2+ + CO32? → CaCO3
细菌合成脲酶后，尿素（CO(NH2)2）渗透进入细菌细胞，发生水解反应，生成氨（NH3）和碳酸氢根离子（HCO3?）（见方程式(1)和(3)）。氨与水之间的平衡反应生成氢氧根离子（OH?）（见方程式(2)）。由于氢氧根离子的形成，细菌表面的pH值升高，最后钙离子（Ca2+）的供给促使碳酸钙（CaCO3）在细菌细胞表面沉淀（见方程式(4)）。
20世纪60到80年代的早期地质微生物学研究记录了天然海洋和沉积环境中尿素分解微生物和硫酸盐还原微生物驱动的碳酸钙形成[10][11]。几十年后，惠芬（Whiffin）的开创性工作[12]表明，孢囊菌可以在砂柱中诱导显著的方解石沉淀。随后van Paassen等人[13]进行了首次大规模生物处理实验，证明了MICP作为实际的地基改良方法的有效性。同时，DeJong等人[14][8]首次系统地研究了MICP处理后的土壤的力学特性，发现其刚度、抗剪强度和抗液化能力得到提升。这些基础研究使MICP从一个微生物现象发展成为具有广泛潜力的岩土工程技术，可用于土壤稳定、液化缓解、侵蚀控制和岩石裂缝密封。

图1展示了细菌细胞通过尿素分解诱导方解石晶体形成的示意图[15]。特别是，颗粒间接触处形成的CaCO3晶体（用红线圈出）直接促进生物胶结，而覆盖在颗粒表面（用蓝线圈出）或悬浮在孔隙中（用黄线圈出）的晶体可能通过表面粗糙化和密实化来改善土壤性能。尽管后者的效果通常不如直接胶结显著，但仍能对处理材料的整体性能有所贡献。通过增强颗粒间的结合力，MICP技术被用于填充和修复石材和混凝土材料中的裂缝，防止建筑物渗漏，减少砂土液化，管理容器泄漏，防止砂土/土壤坡面的侵蚀，以及沙堤侵蚀、管涌和其他缺陷[16][17][18]。与传统物理/化学土壤改良技术相比，MICP在改良岩石和土壤性能方面更有效。该方法实施简单，对周围土壤和水体的生态影响较小[19]，且粘度低于传统化学浆液，更易渗透到岩石和土壤材料中[20]，适用于大规模的岩石和土壤处理[21]。

**2. MICP在不同类型材料中的应用**
2.1. 颗粒土壤
将MICP技术应用于沙子等颗粒材料，在减少环境影响的条件下显著改善了颗粒介质的特性。许多研究者使用无拘限抗压强度（UCS）测试来评估所谓生物胶结砂的强度[29][30]。Chu等人[19]研究了利用产脲酶微生物处理的砂的强度，结果表明微生物诱导的碳酸钙沉淀成功胶结了松散的砂基质，提高了抗压强度。另一项研究中，Chu等人[31]发现碳酸钙沉淀量与MICP处理后的砂的抗压强度之间存在线性关系。先前的研究表明，添加纤维强化材料可显著提高剪切强度和延展性[32][33][34]。Li等人[35]研究了随机分布的纤维对MICP处理砂力学性能的影响，发现纤维可以增加处理材料的剪切强度和延展性。他们对不同纤维含量（0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%）的MICP处理砂进行了无拘限压缩试验和三轴剪切强度试验。结果发现，添加纤维显著增强了MICP处理砂的力学性能：无拘限压缩下，纤维含量增加了破坏应变（233%）、抗压强度（240%）和弹性模量（130%）；三轴压缩下，纤维增强砂的破坏应变（270%）、破坏剪切强度（253%）、粘结力（311%）和摩擦角（51%）。Cheng等人[36]通过一系列实验室实验（包括筛分分析、渗透性、无拘限抗压强度、固结不排水三轴强度和耐久性测试）研究了MICP在不同饱和度下对砂的胶结效果。研究发现，在相似的碳酸钙（CaCO3）含量下，较低的饱和度水平会导致更高的土壤强度。图2汇总了来自多项研究[9]、[13]、[29]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]的文献数据，这些数据揭示了微波诱导化学沉淀（MICP）如何增强生化反应并提高土壤强度。需要强调的是，这些数据汇集了来自不同实验条件下的结果，包括不同的初始饱和度水平、砂粒类型和注入协议。由于这些关键变量没有进行标准化或分层处理，该图仅用于说明增加CaCO3含量能够提高土壤强度这一总体现象趋势，并不能建立普遍的预测模型或直接进行跨研究的定量比较。

砂的渗透性是一个重要的岩土工程参数，用于描述流体流动。降低渗透性的方法可以使材料变得不那么多孔，从而控制液体或气体的通过。MICP技术是通过堵塞土壤基质中的孔隙来实现这一目标的一种潜在方法。在文献中，MICP处理主要应用于具有相对较高渗透性的砂质土壤[45]、[46]。Yasuhara等人[47]研究了酶诱导的碳酸盐沉淀对处理后砂样的流体动力学特性。与未处理的土壤相比，改善后的样品渗透性（4×10^-4m/s）在所有情况下减少了60%至70%。Wen等人[48]探索了一种新的多重处理方法来增强砂质土壤的MICP处理效果。结果表明，经过四次处理后，渗透性从1.4×10^-3m/s降低到1×10^-5m/s。最近，Chen等人[49]进行了一维砂柱实验来评估MICP处理后的钙质砂的渗透性。结果显示，水泥溶液浓度、相对密度和固结频率的有效值分别介于0.5 mol/L到1.5 mol/L、30%到70%之间，而注入-恢复频率对渗透性的影响最大。作为一种优势，这种微生物也可以在外部刺激下被激活，从而通过矿化作用修复结构中的裂缝[72]。在混凝土裂缝修复领域，MICP的工程应用主要体现在自修复混凝土以及利用MICP修复现有混凝土裂缝方面。为了全面理解MICP在 Cementitious 材料中的影响，有必要区分传统混凝土的固有自修复能力和工程化的生物干预措施。表1 对自修复和自主（细菌）修复进行了对比分析。自修复依赖于未反应的水泥颗粒的延迟水化和自然碳化作用，但其效果通常仅限于在严格环境条件下的微小裂缝。相比之下，通过MICP实现的自主修复通过主动利用包封的微生物来沉淀碳酸钙，显著扩大了可修复的裂缝宽度，并提高了长期耐久性。

自修复是一种无需任何添加剂或外部干预即可独立处理裂缝的机制。这是一种有效降低修复和修复成本的方法，从而延长结构寿命和耐久性。自修复技术可以分为自生性和自主性两类[73][76]。自修复是一种在水泥系统中存在水的情况下，通过未水化水泥颗粒水化自然发生的自修复现象[77][78]。另一方面，自主自修复过程使用不同的媒介和机制，在混凝土或智能材料出现裂缝时被激活。由于自主修复依赖于嵌入的非传统工程添加物而非未水化水泥颗粒，因此它具有修复较大裂缝的潜力[79][80]。

表1. Cementitious 材料中自修复和自主修复的比较 [73][74][75]。

| 特征 | 自修复（水泥水化） | 自主修复（细菌） |
|-----------|-----------------|-------------|
| 定义 | 由水泥基质本身进行的裂缝修复 | 通过工程化媒介（如细菌介导的 CaCO3 沉淀）引发的修复 |
| 主要机制 | 继续的水化和碳化 | 工程化媒介引发的修复 |
| 外部修复剂 | 不需要 | 需要 |
| 典型触发因素 | 水分和剩余水泥相的持续反应 | 水分、细菌激活、营养供应和钙源 |
| 裂缝宽度效果 | 通常限于较窄裂缝 | 可以扩展到较宽裂缝（取决于系统设计） |

已经使用了多种自主自修复技术，包括封装粘合剂和化学物质[81][82][83]、矿物掺合料和膨胀剂[84][85]。然而，在过去十年中，使用细菌作为自修复剂显示出巨大潜力，这些细菌和其他相关物质在浇筑过程中被注入混凝土基质中。图5展示了用于自修复混凝土中的包封细菌方案[86]。Zamani等人[87]使用聚氨酯聚合物保护Bacillus pseudofirmus细菌免受混凝土中干燥和恶劣环境的影响，以产生碳酸钙（CaCO3）晶体。聚氨酯聚合物相对于其他自修复载体具有快速固化时间、可调节的脆性和不敏感于水的优点。他们得出结论，一旦胶囊破裂，受保护的细菌就会发芽并利用可用营养物沉淀出修复裂缝所需的碳酸钙。

将细菌混合到新鲜混凝土中以实现自修复的进展是令人满意的。然而，这种方法在小于1毫米的裂缝中效果较好，而在较大裂缝中的修复效果有限[88]。这一局限性突显了MICP技术的潜力，该技术因为能够在裂缝内沉淀碳酸钙而显示出修复现有和较大裂缝的潜力，从而增强结构完整性和延长混凝土的使用寿命[89][90]。

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图5. 将能沉淀碳酸钙的细菌应用于自修复混凝土的概念图。基于Lee和Park提出的概念框架[86]。

尽管通常使用抗压强度恢复和渗透率降低来衡量改善效果，但MICP处理后恢复的抗拉强度也是一个关键指标，因为混凝土总是在受拉时开裂。为了填补这一空白，Choi等人[91]处理了平均宽度在0.15至1.64毫米之间的带有裂缝的圆柱形砂浆样本。经过21个MICP溶液处理周期后，样本的抗拉强度范围为32至386千帕。MICP处理的样本还显示出渗透率降低和抗拉强度增加，这与裂缝表面碳酸钙沉淀量增加有关。未经处理的裂缝样本的渗透率从9.24×10^-6米/秒变化到3.03×10^-3米/秒，对应的平均裂缝宽度为0.15至1.64毫米。然而，在经过21个MICP处理周期后，这些样本的渗透率降低到9.0×10^-7米/秒至9.65×10^-6米/秒，比MICP修复前降低了大约三个数量级。

与许多采用定性评估方法的研究不同，少数研究人员应用理论方法定量测量了MICP技术的效率。例如，Sun等人[88]开发了一个理论模型，用于解释溶质传输、悬浮生物质、生物膜生长、地球化学过程以及碳酸钙（CaCO3）的沉淀。他们的模型表明，在测试过程中裂缝中的悬浮生物质浓度逐渐减少，而较大的裂缝则获得了更高的浓度。这一理论观察结果通过一系列MICP裂缝修复测试得到了验证。

表2总结了基于MICP的裂缝修复的关键研究，强调了不同细菌、封装技术和裂缝大小在实现自修复和增强结构完整性方面的作用。

表2. 基于MICP的裂缝修复研究概述，重点介绍不同细菌、封装方法、裂缝大小以及与混凝土裂缝自修复和修复相关的关键结果。

| 参考文献 | 研究焦点 | 细菌/媒介 | 裂缝宽度（毫米） | 修复深度（毫米） | 修复/封装类型 | 主要结果 |
|-------------|-------------------------|-------------------|-----------------|------------------|---------------------------|
| Luo等人 [92] | 裂缝修复深度/宽度 | 能形成孢子的耐碱细菌 | 0.1–1 | N/A - 表面堆積裂缝 | 在较小裂缝（最宽0.8毫米）中修复效果更好；60天后裂缝修复效果较低 |
| Wang等人 [93] | Bacillus sphaericus细菌的孢子修复效率 | 最大裂缝宽度0.5毫米 | N/A | 水凝胶封装 | 68%的渗透率降低；修复最大裂缝宽度0.5毫米 |
| Ersan等人 [94] | 使用生物颗粒的MICP性能 | 非无菌ACDC颗粒 | 0.4~10毫米 | MICP | 28天内渗透率降低80% |
| Zamani等人 [87] | 用聚氨酯封装保护细菌 | Bacillus pseudofirmus | N/A | 聚氨酯聚合物 | 聚氨酯在恶劣条件下保护细菌；成功沉淀CaCO3 |
| Ramachandran等人 [95] | 用Urea–CaCl2的MICP修复合成裂缝 | Bacillus pasteurii | 3.175 | 增强处理后裂缝的抗压强度 |
| Achal等人 [96] | 裂缝的耐久性特性和修复 | Bacillus sp. | 3.13–27毫米 | MICP与Urea–CaCl2 | 降低50%的孔隙率；抗压强度提高至40%；降低氯离子渗透率 |
| Choi等人 [91] | 抗拉强度恢复 | Bacillus pasteurii | 0.15–1.64毫米 | MICP与Urea–CaCl2 | 21个处理周期后抗拉强度增加 |

在未开裂混凝土的强度和耐久性方面，MICP技术在改善机械性能和提高混凝土可持续性方面显示出显著潜力。Ghosh等人[97]将不同浓度的嗜热厌氧微生物应用于混凝土，并在不同龄期进行固化，结果显示抗压强度提高了25%。Siddique等人[98]研究了稻壳灰细菌混凝土的行为，强调了细菌细胞对混凝土强度和耐久性的积极影响。添加10%的稻壳灰（RHA）的混凝土表现最佳，28天的抗压强度为36.1 MPa，而加入Bacillus aerius（10^5个细胞/毫升）的细菌后，抗压强度达到了40.0 MPa。Kumari等人[99]进行了一项实验室研究，探讨了非尿素分解细菌（属于Bacillus属）的效果，认为其优于在生物矿化过程中释放氨的尿素分解细菌。结果表明，非尿素分解细菌的性能更优。Mondal和Ghosh[100]研究了细菌浓度对处理后混凝土抗压强度的影响，发现10^5个细胞/毫升的细菌浓度时抗压强度最高，而10^7个细胞/毫升的更高浓度对裂缝修复更有效。

Hosseini Balam等人[101]探索了使用Sporosarcina pasteurii细菌来提高含有轻质骨料（LWAs）或正常重量骨料（NWAs）的结构混凝土构件的耐久性，海水作为固化过程中的钙源。实验结果显示，在海水中使用这种细菌混合物时，两种类型的混凝土都取得了满意的结果，表现为吸水率降低4%和强度提高26%，表明海水可用于提高混凝土性能。

尽管大多数文献表明MICP可以增强混凝土强度，但Skevi等人[102]认为MICP不是细菌混凝土强度提升的主要机制，质疑了活菌和死菌Bacillus cohnii细胞在水泥砂浆中的作用。结果表明，即使在没有生长和生存所需营养的情况下，细菌也能增强基于水泥的材料的抗压和抗弯强度。细菌处理过的水泥基材料强度提升的主要机制归因于细菌细胞与水泥熟料中溶解离子之间的化学相互作用，以及细菌作为成核位点的角色。然而，这不应与细菌用于增强强度和自修复的作用混淆。为了确保MICP在自修复混凝土中发挥作用，必须满足几个条件，包括细菌的活力和营养物质的可用性。换句话说，必须区分细菌用于自主自修复（这需要活跃的微生物代谢和营养物质）和细菌生物质在水泥基质中提供的固有机械加固作用。

图6a显示了文献[97][99][103][104]中报告的混凝土和砂浆试样的抗压强度值与不同细菌浓度下的固化天数之间的关系。总体而言，报告的抗压强度倾向于随着固化时间和细菌细胞浓度的增加而增加。然而，这些改善不应仅仅归因于MICP本身。正如Skevi等人[102]指出的，细菌水泥基材料的强度提升也可能来自其他机制，包括细菌与水泥的化学相互作用以及细菌细胞作为二次水化阶段的生物成核剂的作用。因此，虽然MICP与裂缝修复和耐久性相关效果密切相关，但在未开裂水泥基材料中控制强度提升的机制仍在讨论中。图6b展示了图6a中讨论的试样的抗压强度百分比增加情况。

表3和表4分别展示了文献中报告的7天和28天时混凝土和砂浆的抗压强度百分比增加情况，以及不同混合物参数对MICP效果的影响。为了便于比较特定混合物参数对MICP效果的影响，表3和表4汇总了来自不同研究的数据。在这些表格中，数据按参考文献和材料类型分组，以突出参数变化。第一列指明了每项研究的主要变量，如水泥与砂的比例或细菌细胞浓度（以CFU/mL为单位）。此外，为了评估随时间的变化，抗压强度结果以“X/Y”格式呈现，分别表示7天和28天的固化强度。

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图6. (a) 不同细菌浓度下混凝土和砂浆试样的抗压强度变化 [97][99][103][104]
(b) 文献[97][99][103][104]中报告的7天和28天时混凝土和砂浆试样抗压强度百分比增加的比较

表3. 7天和28天时混凝土和砂浆试样的抗压强度 [97][99][103][104]

| 参数 | 抗压强度（MPa）（7天/28天） |
|-----------------|-------------------|-----------------------------|
| 空 | | |
| Ghosh等人 [97] | 1:3 | |
| Kumari等人 [99] | 1:6 | |
| Sahoo等人 [104] | 1:6 | |
| Nain等人 [103] | 1:6 | |
| B. pasteurii | 12.6 | |
| B. cohnii | 13.9 | |
| B. sphaericus | 13.6 | |
| B. subtilis | 19.1 | |
| consortia | 21.8 | |
| 未处理（对照） | | |
| 10^5 CFU/mL | | |
| 14.7 | |
| 30.1 | |
| 10^6 CFU/mL | | |
| 13.8 | |
| 26.6 | |
| 33.6 | |
| 10^7 CFU/mL | | |
| 6.2 | |
| 38.9 | |
| 10^8 CFU/mL | | |
| 34.6 | |
| 31.9 | |
| 27.6 | |
| 34.7 | |

表4. 7天和28天时混凝土和砂浆试样的抗压强度百分比增加 [97][99][103][104]

| 参数 | 抗压强度百分比增加（%）（7天/28天） |
|-----------------|-----------------|-----------------|-----------------------------|
| Ghosh等人 [97] | | |
| Kumari等人 [99] | | |
| Sahoo等人 [104] | | |
| Nain等人 [103] | | |
| B. pasteurii | 16.7 | |
| B. cohnii | 11.1 | |
| B. sphaericus | 11.3 | |
| B. subtilis | 26.2 | |
| consortia | 33.7 | |
| 10^6 CFU/mL | | |
| 9.5 | |
| 14.7 | |
| 37.0 | |
| 15.6 | |
| 10^7 CFU/mL | | |
| 9.8 | |
| 33.7 | |
| 19.2 | |
| 19.2 | |
| 27.0 | |
| 46.4 | |

注：数值格式为“7天抗压强度/28天抗压强度”。CFU/mL = 毫升培养单位。B. = Bacillus。

2.3. 二氧化碳封存
二氧化碳（CO2）是一种重要的温室气体，占温室气体排放的最大部分。根据美国国家预拌混凝土协会的数据，生产1公斤水泥会释放0.9公斤的二氧化碳[105]。MCP（Micro-Induced Carbonation Processing）技术不仅有助于裂缝修复和提升机械性能，还能在二氧化碳进入大气之前将其捕获，并将其转化为方解石、磁铁矿和白云石等碳酸盐矿物[106]。这一过程被称为碳封存或“碳捕集”，通过将二氧化碳转化为碳酸盐来降低大气中的二氧化碳含量[107]。Kaur等人[106]研究了利用巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）替代尿素进行尿素分解的效果，结果显示使用20毫升/分钟的二氧化碳流量时，能够生成与2%尿素溶液相当的碳酸钙（CaCO3）。在碳化固化的过程中，二氧化碳与水泥材料反应生成碳酸钙晶体，从而提高强度并改善水分传输性以及对硫酸盐和碱的抵抗能力。由于加速了碳化过程，混凝土的强度提高了117%，而使用尿素处理的样本仅提高了约47%。Meng等人[108]回顾了碳化技术（包括预碳化和加速碳化）的潜力及其对改善混凝土微观结构的作用，发现适当的碳化处理可以有效提升混凝土的机械性能并优化其微观结构。此外，在波特兰水泥基混合物的碳封存能力方面，集中和加压碳化能够实现最高的二氧化碳封存效率（高达37.2%）。图7展示了基于波特兰水泥的材料中的典型碳封存过程。

尽管MCP技术能够捕获大气中的二氧化碳并将其转化为稳定的碳酸盐矿物，这对碳捕获与利用（CCUS）来说是一个显著优势，但其总体环境影响仍需通过生命周期评估来评估。最近的定量分析表明，由于生产所需的高能耗，当前的MCP实践具有较大的碳足迹。具体来说，尿素和氯化钙（CaCl2）的生产占MCP工艺相关总碳排放量的80.4%。在完全反应条件下，生产1吨碳酸钙需要0.64吨尿素和1.08吨氯化钙，相应的碳排放量为2.74吨[109]。因此，为了保持MCP作为可持续技术的潜力，必须优先考虑低碳路径，例如向工业规模应用过渡以减少单位消耗量，使用动物废物或蛋壳等替代原材料，以及利用碳酸酐酶矿化等替代代谢途径，这些途径可以直接催化二氧化碳的水合作用而不依赖于高碳足迹的尿素。

尽管MCP技术具有巨大潜力，但针对其在混凝土中封存二氧化碳的研究仍然很少。利用MCP从大气中捕获二氧化碳是一个很好的选择，适用于各种类型的混凝土，并且能够改善混凝土的性能和裂缝修复过程。因此，建议对MCP技术在混凝土结构中的应用进行详细的实验研究，同时考虑实际应用中的性能并调整相关参数和因素。

2.3.4 海上基础设施和油污修复
MCP技术在海洋工程中展现出显著的应用前景，特别是在加固地面和基础设施方面[110]。海洋混凝土广泛用于建设跨海桥梁、港口和水下隧道等海洋基础设施[111]。然而，海洋环境中的混凝土结构容易因海水侵蚀、温度变化和机械加载等因素而开裂。作为生物固化方法，MCP被用来改善海洋环境中的岩土材料的工程性能[112]。MCP技术被应用于增强用于海上和沿海基础设施的海洋砂和基础土壤的工程性能，例如用于稳定海上设施的基础以防止侵蚀[113]，并为单桩基础提供防冲刷保护[110]。大规模的现场测试证实了MCP技术在加固珊瑚礁岛屿上的石灰岩基础方面的有效性[112]。实验室和现场实验表明，MCP处理的石灰岩砂在面对海洋环境中的常见侵蚀过程（如湿干循环、温度变化和盐雾喷射）时表现出明显的抗性提升。尽管在实际海洋暴露条件下（如潮汐、波浪冲击和盐度变化）MCP处理的石灰岩砂的抗性较差，但在30天的测试期内仍保持了结构完整性，表明其在岛屿和沿海基础设施加固方面具有实际应用潜力[110]。基于MCP的技术还被应用于自修复混凝土和环境缓解措施。研究越来越多地集中在利用MCP修复海洋混凝土中的微裂缝上[111]。尽管高盐度、离子干扰和低温等条件可能抑制微生物生长和矿物化，但细菌仍能在这些条件下代谢碳酸钙。自修复系统——通常使用封装的细菌（以珊瑚砂作为载体）和Basalt纤维等添加剂——在海水中有效封闭裂缝[114]。在人工海水中孵化的自修复砂浆中，由于持续且充足的钙离子供应，裂缝闭合速度得以加快。修复产物不仅包括由微生物代谢产生的方解石，还包括受海水中Mg2+和SO42?离子影响的次级矿物，如文石、软沸石和水钙铝石（AFt），这些矿物有助于裂缝填充和部分恢复机械性能[111]。MCP技术还被应用于海洋和海上环境中的油井修复和环境保护。现场示范表明，Sporosarcina pasteurii菌可以在高压高温条件下增强井筒水泥的完整性[113]。同时，MCP还被用作制造油水分离材料的环境友好方法[115]，该方法通过将不锈钢网涂覆生物沉淀的碳酸钙来实现超疏水性（水下接触角超过151°），这种MCP涂层的网具有极高的抗油入侵压力（>3.0 kPa）和超过99.9%的油排斥率，为含油废水处理提供了经济高效的解决方案，并有助于缓解油污泄漏风险[115]。

2.4 岩石
MCP技术在稳定风化岩石方面也显示出显著潜力，风化岩石通常由于环境作用导致凝聚力下降和结构完整性受损，这可能导致斜坡坍塌、滑坡、渗漏问题，甚至危及人员安全。通过MCP的生物固化过程，风化岩石的凝聚力得到增强，从而降低这些风险。图8展示了MCP处理如何通过微生物生成的碳酸钙沉积物封闭裂缝，使未处理的裂缝从开放流动状态变为低渗透性状态[116]。特别是，微生物灌浆可用于防止斜坡顶部的岩石崩落，从而增强结构完整性（图9a）。这种方法的另一个好处是形成了抗侵蚀层，这些层能够抵抗风化作用，减少因环境退化导致的坡体崩塌风险[61]。为了避免滑坡发生时的二次滑动（图9b），可以设计微生物灌浆来加固滑动表面、薄弱的结构表面和其他潜在的滑动表面。在这种情况下，MCP技术与喷涂技术相结合适用用于处理斜坡表面。

由于基于MCP的碳封存技术在混凝土中的潜力，需要开展更多的研究。使用MCP从大气中捕获二氧化碳对于不同类型的混凝土来说是一个很好的选择，同时还能提高其性能和裂缝修复效果。因此，建议对MCP技术在混凝土结构中的应用进行详细实验研究，同时考虑现场应用中的性能，并调整相关参数和因素。

结论
表5汇总了多项关于MCP技术处理效果的案例研究和实验结果，重点关注其在不同条件和处理参数下对降低岩石渗透性和改善其机械性能的影响。建模还使用了COMSOL Multiphysics（版本4.2a），该软件通过耦合流动、细菌传输和溶质反应传输过程来模拟场数据。结果表明，MICP在野外条件下可以被成功操控以降低断裂岩层的渗透性。此外，该模型通过纳入碳酸钙沉淀的反馈机制并成功校准各种参数，成功再现了观测数据，表明其准确地捕捉了MICP所固有的复杂相互作用。尽管有大量关于通过微生物碳酸钙沉淀实现自修复混凝土的计算研究[88]、[133]、[134]、[135]，但对于使用MICP方法处理的风化岩石的建模研究仍然不足。随着对可持续岩土工程解决方案需求的持续增长，MICP已成为一种有前景且积极研究的方法。其在风化岩石中的应用展示了该方法将具有挑战性的地质条件转化为环境友好且成本效益高的工程解决方案的潜力。随着该领域的不断进步和研究，MICP作为重塑岩土工程格局的关键工具，未来充满希望。

3. MICP过程的数值建模与多物理场分析
数值建模是实验室观测与现场应用之间的关键桥梁，允许分离实验中难以解耦的生物化学和机械变量。当前的建模框架通常分为基于连续体的多物理场模型和微观力学离散元方法（DEM）模拟。

3.1. 连续体和多物理场建模
在宏观尺度上，MICP的有效性受复杂的生物-化学-水力-力学（BCHM）耦合机制控制。Kashizadeh等人[136]强调，一个稳健的数值模型必须考虑营养物和细菌的反应传输以及尿素水解的动力学。为了描述这些过程的机械后果，Gai和Sánchez[137]开发了一个包含临界状态框架和次加载表面概念的弹塑性本构模型。该模型特别擅长捕捉碳酸钙提供的粘结增强作用以及剪切过程中这些粘结的随后的退化或软化。此外，最近的研究集中在大规模处理中固有的空间异质性上。正如Evans等人[138]和Kashizadeh等人[136]所指出的，假设胶结均匀的模型往往无法预测局部失效区；因此，整合水泥分布的空间-时间变化对于可靠的稳定性分析至关重要。

3.2. 微观力学分析
DEM已经成为研究生物胶结土壤宏观行为微观起源的主要工具。早期模型将胶结过程表示为平行键[139]；然而，最近的研究转向了更真实的矿物形态表示。Wu等人[140]引入了一种使用细颗粒作为胶结剂的3D DEM方案，以再现多样的沉淀模式、有效的桥接作用和孔隙填充，表明有限应变力学响应对碳酸钙和沙粒之间的拓扑关系非常敏感。通过DEM探测小应变特性，进一步阐明了沉淀模式对刚度和强度的影响。Zhang等人[141]确定了两种主要的增强机制：接触数（配位数）的增加和单个接触刚度的增强。他们的发现表明，胶结作用集中在颗粒接触点可以最大化初始剪切模量（G0），而分布在孔隙中的矿物对机械稳定性的贡献较小。Sun等人[142]利用DEM模拟了剪切波传播，证明了Vs测量值是有效接触键演变而不是总碳酸盐质量的直接代理。

为了提高预测精度，研究人员开始研究双颗粒相互作用的微观力学。Liu等人[143]、[144]进行了基于DEM的拔出试验和拉伸试验，发现了失效模式的转变，从碳酸钙晶体的内部内聚失效转变为颗粒-碳酸钙界面处的粘性脱粘，这取决于胶结半径和界面强度。这些颗粒尺度的见解现在被整合到分层自下而上的模型中。Zhao等人[145]提出了一个三级分层DEM框架，将微观晶体分布提升为通用的等效胶结键（ECB），使得大规模模拟仍基于孔隙尺度物理学。最后，内在各向异性和颗粒形状（例如椭圆形或多边形颗粒）在生物胶结体的剪切强度和膨胀性中的作用被强调为关键因素[146]、[147]。

4. 注射策略
将脲酶细菌或脲酶引入土壤基质或岩缝是MICP中的关键组成部分，以确保地面的成功改良。通过将胶结溶液注入保留的细菌中，可以诱导CaCO3沉淀。因此，确保这些细菌的适当分布和保留对于均匀形成CaCO3至关重要。这时就需要使用注射策略。采用各种注射策略将细菌和胶结溶液输送到土壤或岩石的不连续处，每种策略都有其自身的优势和局限性，以有效保留细菌并实现所需的土壤和岩石改良。有多种方法可以将细菌引入土壤中，如下所述。

4.1. 直接注射
直接注射是最常用的MICP处理方法，用于实验室土壤样品，其中细菌和试剂溶液混合在一起，并在受控流量或压力下从一端泵送到另一端，如图11(a)所示。这种MICP处理方法依赖于易于在测试过程中控制的注射条件，如流量、压力和水力梯度。由于其可调节的流量，该方法适用于不同饱和度的土壤，但由于快速堵塞和局部胶结，特别是在沙土和高渗透性土壤中，往往会导致CaCO3和细菌分布不均，从而导致测试柱中生物胶结土壤强度的加固不均匀[30]、[148]、[149]、[150]。为了克服单相注射的堵塞问题，Whiffin等人[39]引入了一种两相注射策略，用于处理5米长的沙土柱，在这种策略中，细菌培养物和胶结溶液都是在低压力下注入的，不会堵塞材料。处理后的沙土柱在整个5米长度上均发生了CaCO3沉淀，尽管CaCO3的分布并不均匀。为了实现均匀的细菌活性，Harkes等人[30]引入了一种使用50 mM氯化钙（CaCl2）作为固定溶液的两相注射方法。该过程首先注入细菌悬浮液，然后注入试剂，中间注入高盐度固定溶液，从而减少了土壤颗粒与细菌细胞之间的排斥静电力，有效增强了细菌在土壤样品中的保留。还引入了一个保留期，以进一步改进过程，允许重复注射试剂而不会延迟反应时间，称为分段注射。这种方法现在广泛用于MICP土壤强化，通过定期添加细菌溶液，实现了连续的脲酶活性，从而提高了碳酸钙含量并实现了更均匀的分布[15]、[151]、[152]、[153]、[154]、[155]、[156]、[157]。

为了研究不同注射策略（即平行注射和分段注射）对填充孔隙空间分布的影响，Tobler等人[158]在沙土柱中进行了单向流过实验。在平行注射的情况下，同时注入脲解细菌Sporosarcina pasteurii和胶结溶液，CaCO3沉淀是异质的，大部分CaCO3形成在入口附近。相比之下，先注入细菌再注入胶结溶液产生了沿流径的梯度填充，与连续平行注射相比，柱体更远处的CaCO3百分比更高。使用分段注射，孔隙率降低了54%，而平行注射仅为34%。

除了实验研究外，Wang等人[159]还通过模拟连续注射和分段注射方法来研究注射策略的优化。他们应用了达西尺度的数学模型来模拟不同情景下的MICP过程。结果表明，与连续注射相比，分段注射的沉淀碳酸钙质量增加了近24%，这凸显了在流体输送后提供额外反应时间时分段注射的优势。

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图11. MICP技术中使用的不同注射策略示意图：(a) 直接注射模式[39] 和 (b) 渗流方法[160]。

4.2. 预混方法
预混方法涉及在受控环境中将细菌和试剂与土壤机械混合，直到达到所需的均匀度。在注入前将胶结溶液加入细菌中，会立即发生反应，导致CaCO3沉淀和细菌细胞的絮凝。这种方法适用于处理各种类型的土壤，包括清洁沙土和某些类型的粘土[151]。然而，它通常被认为对需要较高反应速率和大量沉淀物的粗颗粒材料最有效，这也带来了几个优势[161]。所需的注射时间较少，简化了整个过程并降低了实际应用中的成本。此外，预混方法消除了对注射泵和专用设备的需求，进一步简化了程序并降低了劳动力需求。Wu等人[162]进行了实验测试，评估了有无pH调节的预混注射方法对粒径范围为0.75至10毫米的粗粒料的稳定性影响。这种方法的缺点之一是预混的细菌悬浮液和胶结溶液在注入前容易形成细菌絮体；然而，通过调整溶液的pH值可以缓解这一问题。结果表明，无论是否形成细菌絮体，两种预混注射方法都能有效提高粒径大于2毫米的粗粒料的强度。另一方面，对于粒径在0.75–2毫米之间的细粒料，有无细菌絮体的样本之间的强度有显著差异。这表明预混注射方法不适合细粒料。

为了研究多相注射方法和预混方法在改善黄河淤泥机械性能方面的有效性，Wang等人[163]在不同胶结溶液浓度和处理持续时间下进行了MICP固化测试。结果显示，就化学转化而言，预混方法的效率比多相注射高5%。此外，在预混方法中，随着胶结溶液浓度和处理时间的增加，碳酸钙（CaCO3）分布和无 confining 压缩强度（UCS）增加得更快。尽管解决了均匀性问题，但由于其对局部土壤结构的扰动和潜在的伪应力的产生，预混方法仍然是最不理想的MICP方法，因为这会复杂化应力历史[148]。尽管解决了均匀性问题，但由于对土壤结构的机械扰动和伪应力的产生，预混方法仍然是最不理想的MICP方法。伪应力指的是在土壤基质与细菌和胶结溶液剧烈混合过程中施加的未测量的机械应力，这可能会扰乱原始土壤结构并在机械测试前改变局部应力历史，从而导致强度测量的不准确。

4.3. 渗流方法
渗流方法最初由Cheng和Cord-Ruwisch[164]开发。它涉及将细菌和试剂溶液喷洒到土壤表面，利用重力和毛细力进行浅层处理。这种方法比加压注射简单，因为它不需要重型机械，且可以应用于不同的饱和度水平，尽管在细粒土壤（如淤泥或粘土）中可能由于渗透率低而受到限制[15]、[148]。渗流方法已在多项MICP相关研究中得到应用[42]、[165]、[166]、[167]、[168]。例如，Mahawish等人[169]采用了两相渗流方法来研究土壤提升生物路线处理策略的可行性，以改善粗砂的机械特性，特别是对于颗粒柱应用。根据他们的发现，增加土壤提升次数会对生物胶结砂的机械性能产生不利影响。相比之下，单次提升处理产生了显著的改善，强度和刚度分别增加了高达8.9 MPa和2.3 GPa。在另一项研究中，Kou等人[170]使用实验室规模的沿海斜坡模型来研究在非饱和条件下使用MICP处理砂质斜坡的加固效果，以评估抗侵蚀性。测量了斜坡内的生物胶结分布，以了解其机制。结果显示，在经过四个MICP处理周期后，斜坡表面没有明显的侵蚀现象。饱和度在斜坡顶部最低，随着向下延伸逐渐增加，这得益于水流作用，使得从顶部到底部的侵蚀抵抗力翻倍。图11(b)展示了通过MICP渗透处理的砂柱 setup示意图[160]。表面渗透和传统喷洒方法的一个主要限制是缺乏深度控制，而这在实验室研究中常常被简化了。然而，最近的大规模石灰质砂测试表明，初始水深会强烈影响渗透和降水机制之间的复杂空间竞争。Li等人[171]使用直径30厘米、高100厘米的柱子，比较了干燥、部分饱和和完全饱和的初始状态。研究发现，初始水深是控制加固深度的关键因素：完全饱和状态会抑制深层降水，仅形成一层薄的表面 crust；而0.5米的初始水深则利用毛细作用帮助微生物迁移到更深层的颗粒接触点（固化深度达60厘米），从而实现更多的颗粒连接而不是颗粒包裹。此外，研究还表明生物生成的CaCO3改变了石灰质砂的土水特性响应。随着固化的增强，SWRC（土壤水电阻率）上升，相同含水量下的基质吸力也增加，这表明MICP通过孔隙堵塞和逐步减少颗粒间孔隙空间来提高了砂的持水能力[171]。考虑到这些注入策略的优点和缺点，可以根据土壤类型、处理规模和项目具体目标选择使用相应的方法。在一项综合研究中，Shahrokhi-Shahraki等人[149]测试并比较了几种注入策略，包括混合注入、两相注入、分阶段注入和单相注入用于砂的MICP处理。他们发现，在细菌细胞注入期间加入保持时间和压力头的分阶段注入是最有效的。最近，Zeitouny等人[9]引入了一种新的MICP处理方法，结合了预混合、渗透和浸没技术，以研究人工砂岩生产中碳酸钙分布的强度和均匀性。这种混合方法旨在利用每种策略的优点。研究比较了通过渗透和组合方法处理的波特兰水泥和MICP水泥砂。波特兰水泥样品的UCS（无侧向抗压强度）值在0.6 MPa到17.2 MPa之间，对应于5%到30%的固化水平；而对于MICP水泥砂，渗透方法得到的UCS值为0.5–0.9 MPa，而组合方法则达到了高达3.7 MPa的强度。此外，用组合方法处理的样品显示出更均匀的CaCO3分布。

总体而言，选择注入模式与MICP技术的可行处理规模密切相关，后者决定了可处理区域的体积和深度。直接注入是实验室土壤样本中最常用的方法，因为可以相对较好地控制水力条件，适合进行元素尺度和许多中观尺度研究，尽管随着处理体积的增加，堵塞和非均匀的CaCO3分布可能会变得更加明显。预混合方法可能在样品尺度上提高均匀性，但其应用通常限于元素尺度的实验室测试或小型预制单元，因为土壤扰动所需的高能量不适用于大范围的现场应用。相比之下，渗透方法因其操作简单和设备需求较低，适用于中观或现场尺度的广泛表面和浅层处理应用。因此，注入模式的选择直接影响处理深度、空间均匀性和规模化可行性，这些将在下一节中详细讨论。

5. 处理规模
在多种尺度上使用各种测试方法研究了生物胶结土壤的特性。随着该领域研究的不断扩展，有必要将广泛的发现分类为不同的尺度，以便全面了解该方法的适用性和有效性，并观察微观尺度响应与宏观尺度行为之间的联系。在此背景下，我们通过由三个不同尺度组成的系统分类来组织和展示MICP领域的多样化研究：元素测试、中观尺度测试和大规模测试。

5.1. 元素测试
在微观尺度上，进行了元素测试以研究MICP技术涉及的基本过程和相互作用。这些研究为了解不同条件下的土壤和岩石行为提供了基础，为进一步的大规模研究奠定了基础。三轴测试是一种关键的实验方法，可以模拟原位应力条件并测量刚度、抗剪强度和膨胀率。一般来说，三轴测试表明，在生物处理后，峰值强度、应力比（即偏应力与平均有效应力之比）和初始刚度会增加，而应力-应变响应从应变硬化转变为应变软化，残余强度仅略有增加[15]。这些趋势源于加载过程中发生的微观结构变化。CaCO3晶体的形成导致了类似于天然或人工胶结土壤的胶结结构[172]，[173]。这种结构加强了土壤基质，使其在初始加载时更硬且不易变形，但由于CaCO3键合的脆弱性，整体响应也变得更脆。

为了研究MICP处理对砂的应力-应变-强度行为的影响，Wu等人[174]进行了各向同性固结的排水三轴测试。他们的发现表明，生物胶结砂表现出明显的膨胀率，而相同密度的未处理砂则表现出收缩行为。处理效果体现在黏聚力的持续增加（从0增加到0.5 MPa）和内摩擦角的有限增加（从32°增加到45°），当CaCO3含量超过14%时，进一步提高不明显。Liu等人[175]也报告了类似的观察结果，他们发现c′呈指数增长，而?′基本保持不变。土壤刚度是评估MICP增强土壤行为的另一个关键参数，因为它直接关系到颗粒间的键合强度。Bender元素测试常用于测量剪切波速度，从而确定小应变刚度。研究表明，MICP处理显著提高了剪切刚度，并改善了处理后的土壤的整体稳定性[14]，[176]。

元素测试在评估MICP处理样品的液化抵抗能力方面也起着重要作用。Xiao等人[177]使用应力控制的非排水循环三轴测试证明，MICP可以将液化破坏机制从流动破坏转变为循环移动，显著改变了松散样品的孔隙压力产生特性。直接简单剪切（DSS）测试也被广泛用于模拟地震期间的循环剪切加载。根据Riveros和Sadrekarimi[178]的研究，MICP处理通过将达到液化的循环次数（NL）从14增加到94，提高了液化抵抗能力，提高了大约6.7倍。与未处理砂相比，MICP处理后的样品在15个循环时的循环抵抗能力提高了67%，表明这种增强效果超过了仅通过密实化所能实现的改进。其他DSS研究也报告了类似由于MICP处理而引起的液化抵抗能力提高[179]，[180]。

最近，引入了循环改进因子（If），即处理样品与未处理样品达到液化所需的循环应力比之比，作为MICP效果的定量度量[181]。这一度量方法便于不同研究之间的系统比较。图12总结了多项研究[177]，[178]，[179]，[182]中报告的If值。总体而言，更高的处理水平对应于更大的循环改进，尽管改进率因实验而异。差异是由于地质材料、处理技术、相对密度和测试设备的不同造成的。尽管如此，更广泛采用If指标将有助于更一致的比较，并增强对MICP液化减缓效果的解读。表6总结了通过元素测试评估MICP处理对各种土壤属性影响的关键发现。

表6. 使用元素测试评估MICP处理对各种土壤属性影响的研究总结（CD：固结排水，CU：固结非排水，DSS：直接简单剪切）。

参考文献
| 元素测试类型 | 材料 | 评估的特性 | MICP处理的影响 |
|------------------|-------------------------|-----------------|------------------|
| Li [183] | 三轴（CD） | 渥太华砂 | 剪切强度；由于增强键合而增加的剪切强度 |
| Nafisi等人 [184] | 三轴（CD） | 渥太华和内华达砂 | 峰值剪切强度；峰值后的显著应变软化 |
| Wu等人 [174] | 三轴（CD） | 砂 | 黏聚力；内摩擦角 |
| DeJong等人 [14] | 三轴（CU），Bender元素 | 松散可压缩砂 | 剪切波速度；剪切刚度 |
| Montoya和DeJong [176] | 三轴（CD，CU），Bender元素 | 砂 | 剪切强度和刚度；随着固化增加而显著提高 |
| Xiao等人 [182] | 循环三轴（CU） | 永兴石灰砂 | 液化抵抗能力；由于颗粒间空隙填充而改善的表面粗糙度 |
| Burbank等人 [185] | 循环三轴 | 砂 | 循环抵抗能力；CaCO3含量为2.2–7.4%时增加了2–4倍 |
| Riveros和Sadrekarimi [178] | 直接简单剪切（DSS） | 弗雷泽河砂 | 液化抵抗能力提高了6.7倍；15个循环时的循环抵抗能力提高了67% |

5.2. 中观尺度测试
除了元素测试之外，中观尺度测试还用于在更大规模上模拟现场条件，提供实际应用的见解，同时仍保持在实验室约束范围内。中观尺度测试介于受控的元素测试和大规模实施之间，有助于更好地理解局部微观过程如何影响更广泛的土壤行为。Martinez[186]进行了一项放大实验，目标处理区域为0.5米×0.5米×0.15米。在中观尺度上经常观察到土壤基质中CaCO3分布不均匀，而在微观尺度上，颗粒间的CaCO3分布有助于提高强度。为了评估生物定向技术在实地应用的潜力，Van Paassen等人[187]开发了一个多盒容器设置（0.9米×1.1米×1立方米），并在侧面安装了排水过滤器，以模拟球形注入源。两种砂分别用3500升和4000升试剂溶液处理。砂箱中的CaCO3沉淀量在100至250千克/立方米之间，产生的手动圆锥贯入阻力超过5 MPa，表面附近的UCS值超过9 MPa。

Phillips等人[188]设计并建造了一个中观尺度的高压容器，能够容纳直径达74厘米、高度达50厘米的岩芯，以研究在模拟原位压力（45巴）下MICP降低砂岩水力断裂渗透性的效果。初步实验表明，需要20天才能达到目标渗透性降低，这对于实际现场应用来说太长了。为了缩短密封时间，引入了钙和微生物生长溶液的每日脉冲注入，提高了生物矿化效率。总体而言，研究表明，MICP可以在地下条件下将矿化断裂的渗透性降低两个数量级以上。最近，Zamani等人[189]使用离心机建模评估了MICP处理的松散砂在提高液化抵抗能力和减少浅基础总沉降和差异沉降方面的效果。结果表明，MICP处理使液化抵抗能力提高了57%，总沉降和基础系统的最大角度变形分别减少了75%，这取决于土壤层理和MICP处理深度。

5.3. 扩大规模的物流和技术挑战
从受控的实验室元素测试（例如，三轴或无约束压缩柱）到大规模和现场应用的转变引入了许多物流和工程挑战[37]，[148]。虽然微观和元素尺度研究可以隔离特定变量以理解基本机制，但现场规模的实施需要管理大规模的复杂耦合过程。解决这些物流挑战是将MICP从实验室现象转化为可行的地质技术建设技术的先决条件[13]，[190]。

首先，微生物的培养和运输是一个主要的物流障碍。在元素尺度上，细菌菌株在小型、高度控制和无菌的环境中培养。放大生产需要使用工业规模的生物反应器来生产数百或数千升的活性细菌培养物[13]。在运输、储存和注入过程中，由于现场环境条件的变化，保持这些培养物的活力和最佳尿素酶活性需要强大的供应链管理。为了规避无菌运输的高成本和物流复杂性，现场研究越来越多地探索了本土尿素分解细菌的生物刺激或使用非无菌的技术级培养方法[165]，[191]。其次，实现大范围土壤中碳酸钙的均匀分布技术上仍然很困难。在自然沉积物中，土壤的异质性导致流体流动路径的不均等。此外，注入点附近的快速沉淀常常会导致局部孔隙堵塞，这会显著降低水力传导性，阻止固化溶液达到预期的处理范围[30]，[158]。因此，现场物流需要复杂的注入策略，如分阶段注入、脉冲泵送或在注入井和抽取井之间连续循环试剂，以优化流速并确保均匀输送[13]，[158]。第三，化学副产品的环境管理与处理量成正比。尿素分解驱动的MICP过程自然会产生等量的铵和碳酸盐。虽然在小型实验室环境中容易管理或冲洗掉，但在大规模应用中，高浓度铵的积累对当地地下水和陆地生态系统构成了严重的污染风险[192]。因此，现场实施必须整合废水抽取系统、处理后的冲洗程序或耦合的生物过程，以在氮副产品扩散到外部之前加以减轻[193]。最后，材料采购的经济物流发生了巨大变化。在实验室规模上依赖化学试剂（如氯化钙、尿素）和高成本的营养液在成本上是不可行的[192]。放大生产需要建立技术级化学品、工业副产品或农业废弃物衍生物的本地供应链，作为经济的钙和营养来源，确保该技术的成本竞争力与传统化学稳定剂相当[165]，[194]。

5.4. 大规模测试
大规模测试解决了实际问题，并评估了MICP在原位条件下的实际效果。这些测试为验证实验室结果和发展预测模型提供了宝贵的数据，这对于在工程项目规模上应用这项技术至关重要。通常，大规模研究分为两类：(a) 控制的定制系统，其中地质材料、处理方法和边界条件都得到了精心管理；(b) 开放限制条件，如试点项目或现场试验，其中自然土壤条件和边界约束较难控制。

作为最早的大规模控制实验之一，van Paassen等人[13]将Sporosarcina pasteurii注入了100立方米的细沙中。剪切波速度（Vs）值根据位置的不同在188至395米/秒之间。当CaCO3含量为12%–27%时，UCS值在0.7至12兆帕之间，杨氏模量在0.1至13吉帕之间。值得注意的是，时间延迟地震测量结果与基于UCS的刚度相关性吻合良好。类似的大规模试验显示，UCS和Vs都有所增加，证实了MICP处理的增强效果[191]，[195]，[196]。Harran等人[197]在洛桑联邦理工学院（EPFL）的土壤力学实验室引入了一种先进的装置，能够在40平方米的范围内对深度达2米的土层进行生物固化处理。该研究采用了离体水解策略，即尿素水解在生物反应器中而不是在土壤内部进行。这种方法达到了与传统原位生物固化技术相当的水沉淀效率和机械性能改进。CaCO3含量在4%到10%之间时，UCS值可达到2.1兆帕，弹性模量可达到480兆帕。当在自然环境中进行生物固化时，处理方案会有所不同。为了评估MICP在加拿大一个矿区减轻粉尘侵蚀的表面处理效果，Gomez等人[190]将22.7立方米的处理液喷洒在35平方米的区域内。动态圆锥贯入测试和CaCO3测量结果显示，处理区域在40厘米深度处有所改善。观察到的结壳厚度为0.6–2厘米，双质量圆锥贯入仪的击数增加到每厘米1–3次。

在另一项现场研究中，5.7立方米的MICP溶液被喷洒在美国一个8平方米的沿海沙坡上，以减轻表面侵蚀[198]。CaCO3沉淀穿透到表面以下18–20厘米处，贯入指数从每厘米9次增加到每厘米3.5次。对于砾石中的钻孔不稳定性问题，Van Paassen[199]在全面现场实施前在一个3立方米的装满砾石的容器中进行了实验室试验。在现场规模上，1000立方米的土壤用200立方米的细菌悬浮液和300–600立方米的固化溶液在3–20米的深度进行了处理。处理过的砾石层在水平定向钻井过程中保持稳定，从而成功安装了管道。在瑞士，一项基于离体水解的新MICP技术被用来通过在滑移带内诱导地下方解石沉淀来降低滑坡风险[200]。大约注入了4立方米的溶液，并安装了排水沟。实验室测试、原位监测、微观结构研究和处理后的空中观测证实，处理区域的滑坡移动比未处理区域有所减少。表7总结了文献中报道的大规模MICP应用。

除了现场试验外，最近还进行了受控的大规模水槽试验，以克服小规模实验室柱中常见的边界效应和传感器不准确性，解决了小规模实验室侵蚀研究与实际沿海条件之间的方法学差距[201]。因此，在一个长69米、宽1.2米、高1.6米的水槽中，使用4米长、0.6米高的福建沙子进行了MICP处理的沙坡试验，并在表面周围安装了波浪计和孔隙压力传感器。通过结合波浪计、孔隙压力传感器、贯入测试和处理后的碳酸钙测量，研究表明MICP处理可以稳定表面地形并保持更规则的波浪破碎模式，而未经处理的沙坡在反复波浪作用下会发生明显的重塑，增加了侵蚀能量。此外，尽管晶体的积累会降低渗透性，但它显著增加了浅层的过量孔隙水压力梯度，这必须在生物固化的沿海斜坡的水力设计中加以考虑。为了进一步评估此类加固环境在波浪作用下的稳定性，Li等人[202]开发了一个全面的生物化学水波（B-C-H-W）耦合数学模型。他们的模拟显示了MICP处理的海床中波浪诱导的孔隙压力的动态响应，表明优化的空间布置（如花状和点状灌浆）可以显著增强沙质海床的整体液化抵抗能力。

表7. 不同研究人员报告的大规模MICP应用概述
| 应用/规模区域（边界） | 关键结果/观察 |
|---------------|------------|
| van Paassen等人 [13] | 细沙中的强度和刚度 | 在细沙中注入MICP/100立方米（受控）；剪切波速度（Vs）在188–395米/秒之间；UCS值在0.7–12兆帕之间；原位和经验刚度测量结果之间存在良好相关性。 |
| Harran等人 [197] | 离体水解用于生物固化 | 生物固化/40平方米（受控）；与原位方法相比，实现了类似的CaCO3沉淀水平和机械性能提升。 |
| Gomez等人 [190] | 减轻矿区松散沙子的粉尘侵蚀 | 在矿区表面喷洒/35平方米（开放式现场）；形成0.6–2厘米厚的结壳层；提高了40厘米深度的穿透阻力。 |
| Ghasemi和Montoya [198] | 控制表面侵蚀 | 在沿海沙坡表面喷洒/3.3平方米（开放式现场）；沉淀深度达到18–20厘米；提高了穿透阻力并减少了侵蚀。 |
| Van Paassen [199] | 稳定砾石以提高钻孔稳定性 | 在砾石中水平定向钻井/开放式现场；有效稳定了砾石层；成功安装了管道而不会发生土壤坍塌。 |
| Terzis等人 [200] | 降低滑坡风险 | 在瑞士的滑移带稳定/51平方米（开放式现场）；通过形成方解石粘合剂减缓了滑坡移动；结合排水沟效果显著。 |

虽然前面的部分介绍了不同规模的单个研究，表8提供了从微观到大规模的MICP应用的跨尺度综合。该表比较了每种规模的主要机制、关键控制参数、结果和相关的主要不确定性。通过这种方式，表格提供了MICP的控制过程和工程影响在不同规模上的变化概述。

表8. 从微观到大规模应用的MICP过程的跨尺度比较综合 [8]，[9]，[12]，[13]，[15]，[30]，[61]，[157]，[177]，[181]，[203]，[204]。
| 规模 | 主要机制 | 关键控制参数 | 结果 | 不确定性 |
|-----------------|---------------------------|----------------------------------|---------------------------------------|
| 微观尺度 | 尿素水解动力学；酶活性；晶体成核 | pH值；温度；细菌活性；尿素浓度 | 晶体形成；键合起始；孔隙堵塞；颗粒间键合强度 |
| 元素尺度 | 尿素水解速率；颗粒键合；孔隙填充 | 注射模式、溶液浓度、固化时间 | 强度增加；渗透性降低 |
| | 样品扰动；不均匀分布；边界效应 | | |
| 中观尺度 | 运输-反应耦合；空间异质性 | 流动方式、饱和度、注射策略 | 方解石的空间分布；注入点的堵塞；CaCO3含量梯度 |
| | 优先流动路径（沟道效应）；沿流动路径的营养物质消耗；尺度依赖的扩散性 | | |
| 大规模 | 大规模泵送力学；载荷传递；环境边界条件 | 土壤变异性；环境条件；输送方法 | 承载能力和耐久性提升；大规模裂纹修复；总二氧化碳封存量 |
| | 扩大生产的不确定性；成本；堵塞；地下水流动稀释；长期性能；副产品管理（NH3） | | |

6. MICP处理地质材料的耐久性和长期性能
MICP技术的成功应用和广泛采用，特别是在岩土工程和基础设施领域，从根本上依赖于处理后地质材料的耐久性和长期性能的确定[205]。虽然初步研究证实了MICP在增强强度和刚度方面的高效性，但大量的比较研究现在集中在量化环境应力下的性能退化上，这是在广泛现场部署之前的关键需求[206]。

6.1. 短期和长期耐久性指标
耐久性评估涉及在不利环境或机械条件作用下之前和之后监测MICP处理材料的机械和水力稳定性。短期性能通常通过基本的机械指标进行评估。在颗粒土壤中，UCS的提高是早期性能改善的主要指标。优化的MICP处理方案（例如应用于粉砂的方案，使用0.75摩尔/升的固化溶液，90%的相对压实度，21个处理周期）已被证明可以将UCS从未经处理的基线值约200–250千帕提高到接近1030千帕的峰值强度[207]。其他即时性能提升包括剪切波速度（Vs）的增加，这反映了方解石固化键的发展和连续性[179]，以及由于逐渐的孔隙填充和颗粒间键合而导致的显著的水力传导性降低[149]。长期耐久性则关注这些初始改进在MICP处理地质材料受到持续或循环环境应力时的保持情况。关键评估指标包括UCS损失率和强度退化率（SDR）[208]，[209]。SDR定义为1?UCS(f)/UCS(i)，量化了在不利条件作用后失去的强度比例。质量损失测量也常用于跟踪样品的物理分解和CaCO3键的脱落或溶解[208]，[210]。动态刚度参数提供了对长期机械退化的额外见解。例如，secant模量（E50）在一些MICP处理的沙子中经过12次冻融循环后显示出显著降低——通常超过50%，而受限模量（D）在相同数量的循环中通常仅有约10.9%的降低[207]。此外，在水泥系统中，微生物剂的寿命、活力和重新激活潜力是关键的长期耐久性指标，因为这些因素决定了其在延长服务期内的持续矿化和自主修复能力[211]。

为了改进耐久性研究之间的比较，基于文献[208]，[209]，建议为MICP处理的地质材料制定一个最低标准测试框架：
1. 所有样品应准备至目标干密度和初始含水量，并至少报告地质材料类型、初始质量、初始孔隙比和样品尺寸。
2. 对于元件测试，推荐使用高度与直径比为2:1的圆柱形样品。
3. 在环境暴露之前，确定初始UCS(i)值。
4. 标准化WD循环（改编自ASTM D559/D559M-15）：样品应在室温（25 ± 1°C）下的蒸馏水中完全浸泡6小时，然后进行至少42小时的60 ± 1°C烘烤。建议进行12、20和50次的WD循环。
5. 标准化FT循环（改编自ASTM D560）：样品应在-18°C下冷冻24小时，然后在室温（23°C）下解冻24小时。建议进行20次的FT循环。
6. 计算SDR = 1?UCS(f)/UCS(i)，其中UCS(i)是未处理对照样品的基线强度，UCS(f)是经过n次环境应力循环后的平均强度。
7. 计算质量损失率（MLR = 1?m(f)/m(i)），其中m(i)是环境条件前的样品质量，m(f)是经过n次环境应力循环后的样品质量。

6.2. 在环境循环下MICP处理土壤的耐久性
6.2.1. 元件测试
MICP处理的地质材料在暴露于自然环境循环时经常面临耐久性挑战。在这些影响最大的因素中，包括湿润-干燥（WD）和冻融（FT）循环，每种循环都会引发不同的降解机制。比较研究一致表明，对于粘结程度较低到中等的土壤样本，WD循环的破坏性显著大于FT循环[208]、[212]、[213]。WD循环比FT循环具有更高的破坏性，这源于其在孔隙尺度上的独特机制。在WD循环中，主要的降解过程是由于有机-矿物界面的立即失稳引起的。当水在湿润阶段渗透到孔隙系统中时，松散连接且结晶不良的CaCO3簇会被悬浮并随后被侵蚀，从而降低胶结骨架的完整性[205]、[208]。此外，在干燥阶段，孔隙液体的蒸发会导致基质吸力产生，这种吸力会在坚硬的CaCO3矿物桥上产生显著的拉应力和剪应力，从而导致粘结剂的逐渐疲劳和微观裂纹[206]、[214]、[215]。相比之下，冻融循环中的降解机制主要是物理性的，由孔隙水在冻结时体积膨胀（大约9%）引起[216]，而细胞外聚合物物质（EPS）的存在通常起到延性缓冲的作用。这种有机基质可以容纳一部分由冰引起的膨胀，而WD引起的刚性收缩-膨胀会导致结构完整性的更快丧失[213]。此外，长期耐久性还受到晶体多晶型的显著影响。虽然方解石仍然是热力学上最稳定的相，提供较高的机械强度，但亚稳态的文石的存在可能会损害耐久性。文石通过溶解-再沉淀最终转化为方解石的过程中可能会引发内部微应力并导致体积变化，从而削弱生物矿物化框架[217]。有机-矿物界面的稳定性也起着关键作用；EPS作为成核模板和保护层，其中微生物功能基团与Ca2+离子之间的静电相互作用增强了矿物沉淀物与土壤颗粒之间的粘附[218]。在极端条件下，这些有机桥的降解会加速晶体的脱落，从而导致耐久性测试中观察到的质量损失增加。

大量研究表明（例如[208]、[212]、[213]），WD循环对MICP处理土壤的完整性构成了最大威胁，通常会导致刚度、粘结力和凝聚力的迅速丧失。这种脆弱性源于松散连接且结晶不良的CaCO3沉淀物的溶解、脱落和悬浮，这些沉淀物在颗粒表面积累。刘等人[208]的一个最引人注目的观察结果是，在仅一次WD循环后，MICP处理的沙子的抗压强度（UCS）下降了约80%。这种现象被称为短期恶化（STD），反映了脆弱的CaCO3簇的立即失稳。在膨胀性土壤中也观察到了类似的行为。在前5-9次WD循环中，UCS和凝聚力的下降速度很快，之后随着剩余粘结层的增强和在土壤骨架中的更好整合，恶化速率趋于稳定[146]。

通过加固策略可以提高耐久性。黄麻纤维[209]和玄武岩纤维[219]显著减轻了WD引起的降解。例如，Rawat和Satyam[219]发现，当玄武岩纤维含量为0.40%时，在15次WD循环后，沿海沙子的质量损失仅限于3.53%。纤维加固通过提供机械锚固、减少裂纹扩展以及分散应力来增强耐久性。溶液浓度也起着关键作用。较低的粘结浓度（例如0.25 M Ca2+）不足以抵抗雨水引起的表面侵蚀，而较高的浓度则会产生更厚且更连贯的CaCO3外壳，从而提高对WD循环的抵抗力[220]。Ren等人[213]的直接比较突显了WD循环相对于FT循环对MICP处理的劣质分级砂的更严重的影响（图13）。经过9次循环后，WD处理样本的初始UCS仅保留了34.1%，而FT处理样本的保留率约为64.6%。同样，WD样本的质量损失是FT样本的1.67倍。这些观察结果证实，WD循环主要通过溶解和颗粒脱落来去除胶结产物，而FT循环则由于孔隙水的膨胀导致微观裂纹，导致质量损失相对较低。

尽管FT循环也会引起恶化，但MICP处理的土壤通常表现出中等到强的韧性，尤其是在粘结剂密度高且分布均匀的情况下。Gowthaman等人[205]表明，FT耐久性受CaCO3含量的强烈控制。高粘结剂含量的样本（20%-23% CaCO3）表现出对FT诱导损害的出色抵抗力，在25次FT循环后仅损失了2%的质量。相比之下，粘结剂含量较低的样本（11%-13% CaCO3）的质量损失高达50%。Sharma等人[221]同样报告说，在10次FT循环后，生物胶结沙子保留了大约90%的强度和77%的剪切模量。即使在有利的粘结剂条件下，FT引起的恶化也是通过孔隙水膨胀和冻融引起的拉应力导致的微裂纹形成的。Abbasи和Hosseinpour[207]观察到，在前2次FT循环后UCS下降了15.5%，之后4次循环后恶化速率趋于平稳。这种模式表明，早期的FT循环导致了大部分微观结构的破坏，而一旦主要的裂纹网络稳定，后续的恶化就较为有限。

MICP的耐久性优势不仅限于粒状土壤。Huang等人[206]表明，经过多次FT循环后，MICP处理的粉质粘土的凝聚力（增加80.9%）和内摩擦角（增加17.8%）显著提高，优于未经处理的土壤。同样，Yuan等人[222]发现，MICP处理的散布性土壤在20次FT循环后仍保持非分散行为，优于其WD循环处理的对应样本，证实了粘性土壤对FT暴露的相对适应性。表9总结了MICP处理土壤在循环环境加载下的耐久性细节。

MICP处理土材料的降解速率不仅取决于湿润-干燥循环的发生，还取决于渗透水的化学性质。在蒸馏水中，降解主要由物理机制驱动。当水渗透到孔隙系统时，松散连接的矿物和结晶不良的CaCO3簇会被悬浮并随后被侵蚀。相比之下，富含离子的水（如海水）可以通过盐度效应和离子干扰加速降解。这是由于高电解质浓度使得CaCO3颗粒界面失稳，导致更快的粘结剂降解和微观裂纹严重程度的显著增加[208]、[212]。在低pH条件下，水的化学性质变得更加具有侵蚀性，酸性溶液（例如pH 3.5）会直接溶解提供颗粒间强度的CaCO3桥。这种化学攻击消耗了质子（H+），可能导致UCS的显著降低，因为生物生成的桥完全被剥离[36]。因此，评估MICP处理结构的长期耐久性需要全面考虑pH值、盐度和溶解离子组成，以准确预测其在环境循环下的性能。

表9总结了MICP处理土壤在循环环境加载下的耐久性细节。

MICP的耐久性不仅限于粒状土壤。Huang等人[206]还表明，经过多次FT循环后，MICP处理的粉质粘土的凝聚力（增加80.9%）和内摩擦角（增加17.8%）显著提高。同样，Yuan等人[222]发现，MICP处理的散布性土壤在20次FT循环后仍保持非分散行为，优于其WD循环处理的对应样本，证实了粘性土壤对FT暴露的相对适应性。

MICP处理土材料的降解速率不仅取决于湿润-干燥循环的发生，还取决于渗透水的化学性质。在蒸馏水中，降解主要由物理机制驱动。当水渗透到孔隙系统时，松散连接的矿物和结晶不良的CaCO3簇会被悬浮并随后被侵蚀。相比之下，富离子的水（如海水）可以通过盐度效应和离子干扰加速降解。这归因于高电解质浓度，导致CaCO3颗粒界面失稳，从而使粘结剂降解更快，微观裂纹的严重程度显著增加[208]、[212]。在低pH条件下，水的化学性质变得更加具有侵蚀性，酸性溶液（例如pH 3.5）会直接溶解提供颗粒间强度的CaCO3桥。这种化学攻击消耗了质子（H+），可能导致UCS的显著降低，因为生物生成的桥完全被剥离[36]。因此，评估MICP处理结构的长期耐久性需要全面考虑pH值、盐度和溶解离子组成，以准确预测其在环境循环下的性能。

**图13.** MICP处理的劣质分级砂在FT和WD循环下的恶化过程，包括（a）抗压强度（UCS）和（b）质量保持率[213]。

MICP的耐久性优势不仅限于粒状土壤。Huang等人[206]表明，经过多次FT循环后，MICP处理的粉质粘土的凝聚力（增加80.9%）和内摩擦角（增加17.8%）显著提高，优于未经处理的土壤。同样，Yuan等人[222]发现，MICP处理的散布性土壤在20次FT循环后仍保持非分散行为，优于其WD循环处理的对应样本，证实了粘性土壤对FT暴露的相对适应性。

**2.2. 大规模测试**
虽然实验室研究已经证明了MICP在增强土壤强度、刚度和抗侵蚀性方面的有效性，但将这些成果转化为耐用的现场规模性能仍然是一个核心挑战。长期稳定性不仅取决于环境暴露，还取决于CaCO3沉淀的空间均匀性以及处理方案在多变的水文和气候条件下的保持胶结能力。因此，现场研究强调了三个主要考虑因素：（i）生物胶结层的时间降解，（ii）环境恶化机制，以及（iii）更大空间尺度上的沉淀不均匀性。现场研究表明，MICP可以迅速稳定近地表土壤层，提供短期到中期的抗侵蚀、干燥和液化能力[62]、[163]。然而，在长期自然暴露下，耐久性往往会下降。Ji等人[215]研究了经过16个月自然风化的MICP处理斜坡，发现CaCO3含量有显著损失，降解率根据处理方案的不同从63.1%到92.1%不等。这些发现表明，生物胶结层表现出时间有限的稳定性，性能强烈依赖于优化处理循环次数（通常为四次到六次）和胶结溶液浓度（例如1.0 M）。CaCO3的逐步损失归因于淋滤、部分溶解和降雨渗透及地表径流引起的机械破坏。

相比之下，在干旱或半干旱环境中，长期性能可能显著更好。Tao等人[210]记录了单次MICP处理产生的稳定CaCO3外壳可持续三到五年，降解主要由风蚀而非化学溶解引起。同样，Liu等人在自然降雨下的斜坡试验中表明，土壤的侵蚀和水分渗透减少了87.1%和20.8%。大规模应用中耐久性的一个持续障碍是处理过程的异质性。由于胶结溶液优先沿着现有的高渗透性路径流动，MICP处理会加固已经处理过的区域，同时绕过需要胶结的区域，导致孔隙堵塞和局部水力传导率下降，从而产生不均匀的沉淀模式。Terzis等人[200]强调，实现一致且可预测的大规模性能需要解决与微生物存活性、反应物传输以及土壤结构对流动分布影响的不确定性。Zhang等人[61]还指出，工程实践中经常低估了MICP处理材料的长期恶化。他们认为，在极端环境条件下进行严格的时间依赖性评估——特别是涉及循环渗透、盐度变化或温度极端的情况下——对于理解MICP处理系统的真实使用寿命至关重要。这些研究总体上表明，实现耐用的现场规模生物胶结需要更好地理解降解机制，并改进增强空间均匀性、环境韧性和长期矿物稳定性的处理策略。

来自潮汐环境的现场证据进一步表明，边界配置和材料顺序可能是影响MICP处理区域耐久性的两个关键因素，以及处理核心的固有强度。Li等人在海南岛进行的最新现场试验比较了硫化铝胶结（SAC）材料和生物矿化，表明材料协同作用是高能量环境中的必要解决方案，处理顺序对性能有重要影响。结果表明，在这种分层设计中，首先应用生物矿化以改善深层粘结，然后进行10厘米厚的SAC处理沙层，可以立即形成抵御波浪冲击的硬壳，并显著提高整体完整性。另一个关键的分析发现是边缘侵蚀问题，因为局部强化的处理块与周围未经处理的沙子之间存在水力和机械对比，从而在边界处集中了侵蚀。这表明，未来的现场实施应侧重于边界过渡设计，而不仅仅是处理块的强度。

表10提供了一个清晰的概述，总结了长期研究中的实际挑战以及当前工程解决方案和文献中确定的案例研究见解。

**表10.** MICP技术现场应用和扩大规模的实用挑战、现状及提出的解决方案[13]、[113]、[190]、[206]、[208]、[209]、[224]、[225]、[226]、[227]。

| 观点 | 挑战与限制 | 提出的解决方案及现状 |
|------|-----------|------------|
| 现场应用 | CaCO3沉淀的严重空间不均匀性；注射端口附近的生物堵塞限制了深度渗透；保持注射过程中的细菌存活 | 采用分段/两阶段注射策略；对于浅层深度使用表面渗透；使用温度控制的一阶段（TCOP）方法延缓沉淀，直到试剂均匀分布 |
| 长期耐久性 | 循环风化下方解石粘结剂的降解；机械强度的降低以及随时间增加的质量损失 | MICP对冻融循环具有高抵抗力，但对强酸雨和湿润-干燥循环很脆弱 |在循环风化过程中，加入天然或合成纤维（例如黄麻、玄武岩）可以显著提高材料的延展性和结构耐久性。

**环境条件**
尿素分解细菌对极端地下环境的敏感性（例如高压、氧气水平变化、低温以及海洋环境中的高盐度）。

**利用方法**
通过生物刺激而非生物增强的方法使用本土/天然细菌；分离能够在恶劣、特定地点环境中生存的极端微生物或海洋菌株；开发用于混凝土应用的封装技术。

**成本问题**
分析级化学试剂（尿素、氯化钙）和实验室级营养物质（酵母提取物、蛋白胨）的成本较高，这些是细菌培养所必需的。可以考虑用工业/农业副产品（例如玉米浸泡液、乳糖母液、乳制品废弃物、技术级试剂或基于植物的脲酶，如杰克豆提取物）替代实验室级化学品，以大幅降低运营成本。

**可行性挑战**
大规模培养细菌（>100立方米）存在困难；尿素水解过程中释放的有毒氨（NH4+）副产物需要妥善管理，否则可能对环境和地下水造成污染。需要开发大型连续搅拌罐反应器用于现场培养，并结合鸟粪石沉淀技术来捕获氨副产物作为肥料；同时探索不会产生氨的替代代谢途径（例如碳酸酐酶、反硝化作用）。

### 6.3 微生物诱导碳酸钙析出（MICP）在水泥基材料和自修复混凝土中的耐久性
MICP在水泥基材料中的应用具有两个关键耐久性功能：
(i) 增强基体对恶劣环境因素的固有抵抗力；
(ii) 提供自主的、由生物驱动的裂缝修复能力。评估这些功能的长期可靠性不仅需要评估早期性能，还需要监测生物矿物产物以及嵌入水泥基体中的微生物随着时间的推移而发生的退化。

#### 6.3.1 初始耐久性提升：致密化和屏障效应
处理后，MICP通过沉积CaCO3减少孔隙率和渗透性，从而形成保护屏障层。Zheng等人的最新研究表明，基于MICP的表面固化处理效果显著优于传统的水固化处理。强度得到了显著提升，关键耐久性指标也有所改善：毛细吸水率降低了12.83%，电通量降低了15.50%，氯离子迁移系数降低了17.36%。图14显示，与传统水固化相比，基于MICP的表面固化处理能够持续提高混凝土的抗压强度，且改善程度随着固化时间和Ca2+浓度的增加而增强。在所有测试时间点（3天、7天和28天），MICP处理后的样本均表现出更高的强度。较高的Ca2+浓度（0.6 mol/L）能够带来更大的强度提升，这表明钙浓度的增加加速了CaCO3的沉淀并改善了孔隙填充效果。这些改善归因于形成了球形文石和块状方解石晶体，它们密集地覆盖并填充了微裂纹和孔隙，从而限制了水分和离子的渗透。
早期的研究也支持了这些发现。Achal等人[96]指出，MICP处理可将砂浆的孔隙率降低超过50%，使混凝土的渗透性从“中等”变为“非常低”（从3177 cm^-3降至1019–1185 cm^-3）。De Muynck等人[75]同样报告了MICP处理在抗水、抗气和抗氯离子渗透方面的改善，以及增强了对冻融循环的耐受性。总体而言，这些研究证实了MICP在水泥基材料中的主要短期耐久性机制在于形成了致密的连续生物矿物层，该层密封了表面缺陷并阻碍了有害物质的传输。

#### 6.3.2 时间依赖的修复效果和强度恢复趋势
MICP处理混凝土的自主裂缝修复能力具有时间依赖性。通过多次修复周期跟踪耐久性指标的实验室研究表明，裂缝明显得到了恢复。Choi等人[91]发现，经过7次MICP循环处理后，初始渗透率从3.03×10^-3 m/s降至2.78×10^-6–8.25×10^-5 m/s；经过21次循环处理后，渗透率进一步降至9.05×10^-7–9.65×10^-6 m/s。这种大约三个数量级的降低表明CaCO3沉积物逐渐填充了裂缝空隙。通过抗拉强度（STS）测试的机械恢复也显示出了类似的时间趋势。经过21次循环处理后，MICP修复的样本达到了32–386 kPa的STS值，而仅用水处理的样本则太弱而无法进行测试。Kulkarni等人[89]报告的结果也支持了这一发现（24次循环后STS值为43–380 kPa），表明CaCO3沉淀物在裂缝界面起到了有效的桥接作用，逐步恢复了承载能力。

#### 6.3.3 时间依赖的退化行为：裂缝年龄和基体成熟度的影响
MICP长期有效性的一个主要限制是随着混凝土成熟，其修复效率会显著下降。研究表明，3天形成的裂缝的修复效率约为97%，而28天形成的裂缝的修复效率仅约为35%[211]。因此，微生物自修复对非常早期的裂缝最为有效。这种退化是由于水泥水化作用逐渐增强，导致孔隙尺寸减小（通常<0.5μm），从而限制了水分、营养物质和Ca2+离子的传输。此外，早期裂缝的自修复会限制细菌溶液向更深处渗透。随着孔隙空间的进一步细化，微生物的激活和CaCO3沉淀受到严重限制[229]。长期耐久性的最大限制是微生物在碱性水泥基环境中的存活能力。未受保护的细菌在混凝土浇筑后仅能存活1–2个月[225]，活性细胞浓度随时间急剧下降，135天后通常无法检测到[211]。高pH值（11–13）、水化过程中的高温以及孔隙率的降低都会加速这一过程。

**封装技术**
常用的封装材料包括硅胶、水凝胶、聚氨酯微胶囊、膨胀粘土和核壳载体。这些技术通过将孢子与恶劣环境隔离来提供部分保护，从而提高耐久性和机械恢复能力。聚氨酯微胶囊可以使强度恢复幅度达到50%–80%。最近的研究显示，核壳系统能够在至少516天内保持孢子的活性，且形态没有显著变化[211]。然而，即使采用了封装技术，细菌的存活率仍会呈指数级下降，目前没有任何系统能够确保微生物在钢筋混凝土结构50年的设计寿命内持续存活。尽管短期和中期修复（几个月到一年）在实验中得到了很好的验证，但尚未有研究验证微生物在数十年时间尺度上的长期存活能力和修复能力，这仍然是微生物自修复混凝土在实际应用中的根本障碍。

**6.3.4 CaCO3密封层在环境循环下的降解**
虽然CaCO3通常较为稳定，但沉淀形成的密封层容易受到长期化学和物理作用的影响而降解。低pH环境（如酸雨或酸性工业环境）会促进CaCO3的溶解[227]，导致矿物质密封层的连续性降低，从而增加渗透性。包括湿干循环和温度变化在内的环境因素会对CaCO3键造成疲劳应力，引发微观裂纹并导致长期退化（LTD）。降解过程通常始于表面粉末状沉淀物的去除，随后是深层碳酸盐键的逐渐 weakness[209]。根据MICP处理的水泥基材料的表现，时间趋势见表11。

**表11. MICP处理的水泥基材料的耐久性时间趋势**
| 过程 | 时间尺度 | 耐久性指标 | 主要机制 |
|---------------|-------------|-----------------|---------------------------|
| 0–21次循环 | | 渗透性降低约3个数量级；STS恢复至32–386 kPa | CaCO3沉淀填充裂缝和空隙 |
| 7–28天 | | 抗压强度 | 随混凝土成熟，矿物化速率下降 |
| 2–4个月 | | 自修复潜力 | 孢子存活率限于约2个月；135天后无法检测到活性细胞 |
| 6–18个月 | | 核壳系统保持孢子活性516天 | 封装技术延缓但无法防止长期存活率下降 |
| 长期（多年–几十年） | | CaCO3密封层完整性 | 在低pH环境下溶解；WD循环中的侵蚀 |

### 7. 结论、局限性与建议
**7.1 结论**
MICP技术是一种绿色且可持续的技术，在岩土工程中越来越受到重视，用于改善天然土壤的性能。本文综述了MICP在三个关键方面的巨大潜力，为其实际应用提供了新的视角。讨论了MICP在多种地理材料（包括颗粒土、粘性土、水泥基材料和岩石）中的应用；不同的注射方法（直接注射、预混合方法和渗透法）；以及在不同尺度上的应用（元素测试、介观测试和大规模测试），揭示了其有效性。基于当前的综述，可以得出以下结论和有前景的展望：
1. MICP在生物水泥化砂土中表现出良好效果，显著提高了强度和刚度，并降低了渗透性。尽管MICP过程涉及许多变量，使得强度预测复杂，但可以得出结论：最低3%–4%的CaCO3含量在大多数情况下就能带来显著的强度提升，而超过10%的CaCO3含量通常才能实现超过1000 kPa的UCS值。
2. 在处理粘性土时仍面临挑战，因为其孔隙尺寸较小；注射方法和CaCO3晶体的空间排列是影响处理效果的关键因素。
3. MICP在自修复混凝土裂缝方面表现出有效性，提高了风化岩石的结构完整性，增强了混凝土的强度和耐久性，从而有助于减少二氧化碳排放和降低碳足迹。
4. 选择合适的注射方法有助于更均匀地分布碳酸钙，从而提高MICP的效率。直接注射和渗透法更适合粗粒土，而预混合法更适合细粒土。
5. MICP在不同尺度上的有效性有所不同：元素测试提供了详细的微观结构信息，介观测试提供了中等程度的验证，大规模测试证实了其在实际应用中的可行性。尽管自然条件导致变异性增加，但大规模应用仍显示出显著的强度和稳定性提升。
6. MICP在改善土壤行为和增强抗液化性能方面具有巨大潜力。研究表明，2.1–2.6%的方解石沉淀可使液化阻力提高两倍以上，3.8–7.4%的方解石沉淀可使液化阻力提高四倍以上。

**7.2 本综述的局限性**
虽然本综述旨在提供MICP技术的全面、跨材料和多尺度的综合分析，但仍存在一些局限性和未考虑的因素，这些因素影响了对结果的准确解读：
1. 本研究主要关注尿素分解驱动的MICP，使用了经过充分研究的细菌菌株（如Bacillus和Sporosarcina pasteurii）。其他有前景的生物介导或受生物启发的方法（如酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）、反硝化作用、硫酸盐还原或真菌介导的沉淀）不在本次分析的主要范围内。
2. 尽管讨论了可持续性和更广泛的环境影响（如CCUS），但未进行严格的定量生命周期评估和详细的成本效益分析，也未比较MICP与传统化学稳定剂在不同地区的经济可行性。经济可行性高度依赖于当地材料成本和特定项目规模。
3. 本文综合了机械、水力和耐久性测试结果，但未深入探讨当前的法规障碍。此外，缺乏针对生物处理地质材料和结构元素的通用测试标准。
4. 本文主要从结构和材料力学的角度评估了长期耐久性（如抗冻融和湿干循环能力）。引入外来细菌和营养物质及其产生的氨副产品对本土土壤微生物组和当地地下水生态系统的影响尚未进行深入研究。

**7.3 对未来研究的建议**
根据当前研究的回顾和预见的MICP应用，提出了以下未来研究方向：
1. 需要进行系统的长期研究，以量化MICP产生的CaCO3在耦合环境作用（包括湿干循环、冻融循环、循环机械加载和化学侵蚀）下的行为，特别是将微观结构退化（溶解、解耦、微裂纹）与宏观强度、刚度和渗透性在长时间尺度上的变化联系起来。
2. 需要建立多尺度的化学-水力-生物力学模型，以表征生物水泥化地质材料在孔隙、样品和现场尺度上的行为变化。此类模型应明确包含处理参数（注射次数和时间、注射方式、反应物浓度、流动状态）、微观结构演变（孔隙填充、接触胶结、结构变化）以及空间异质性，从而实现处理方案的系统优化和长期性能的预测。3. 过程控制与现场尺度的均匀性：未来的工作应重点关注MICP过程的实时监测与控制，例如通过分布式传感技术、基于微流控的设计以及能够响应渗透性变化和堵塞情况的自适应注射策略。提高大量土壤或岩石中CaCO3沉淀的均匀性仍是实现可靠设计的关键挑战。4. 低碳路径与CCUS整合：为了充分利用基于生物的胶结技术的可持续性潜力，需要进一步研究非尿素分解路径和低二氧化碳代谢途径、替代的碳源和营养源，并将MICP技术与碳捕获、利用和储存（CCUS）概念相结合。定量生命周期评估和技术经济分析应与实验和建模研究常规结合进行。5. 先进的微生物系统与混合材料：有很大的研究空间可以探索工程化的微生物群落、经过基因改造的菌株以及将尿素分解细菌与光合微生物或生物衍生聚合物结合的混合系统。这样的系统可以提高系统的稳定性、自我调节能力和多功能性（例如同时实现机械增强、裂缝修复和碳封存）。

CRediT作者贡献声明：
Ali Zendehdel Nobari：撰写——初稿，可视化，数据分析，概念构建。
Milad Jabbarzadeh：撰写——初稿，可视化，数据分析，概念构建。
Numa Bertola：撰写——审稿与编辑。
Anupam Sengupta：撰写——审稿与编辑。
Arash Alimardani Lavasan：撰写——审稿与编辑，监督，资金筹集，概念构建。