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漫談土木水利工程新工法~ MICP介紹與水利工作應用河川海岸組 郭義浩

  發刊期數:第0349期/ 發布日期:108/09/20

舉凡埧、河堤、海堤等水利設施,甚至諸如路工、建築、水保等工程設施組成材料均以土壤與混凝土為大宗,粗估佔99%以上,如再加上這些設施坐落於土壤之上,不得不說土壤為土木工程材料之母。近2世紀來、混凝土與土壤材料持續受到世界各地學者廣泛深入研究。

20世紀末,美國加州大學首次以跨領域方式,結合理、工、農、醫等領域數十名學者進行土壤邊坡穩定創新工法研究,提出以自然界生物酵素結晶反應進行邊坡穩定工作;(英文為Microbial induce carbonate precipitation,一般簡稱MICP工法或酵素結晶工法)。MICP工法係將非連續性孔隙間之游離性離子材料進行安定化並與母材料粒子間進行架橋黏結作用,以達到諸如提升剪力強度、降低滲透係數與壓縮係數等關注參數之目的。因MICP工法迥異於傳統土木建築作法,又具環境生態友善性,於西元2000年,美國時代雜誌將該工法評選為全球十大發明之一,引發土木、水利、建築、水保、路工等各領域掀起一股研究熱潮;甚至有學者認為其具有安定飛揚塵之功能,故將該工法形容為”沙漠的救星”;期盼能於沙漠化潛勢之地區應用,避免珍貴土地持續沙漠化。另近年來,歐洲應用MICP進行古蹟修復亦見大量報導,在日本利用MICP工法控制地震引致河堤設施液化破壞已有研究成果發表。

中正大學地球科學研究所陳建易教授(目前擔任該校理學院院長),2006年自英國牛津大學取得博士學位歸國,發現MICP工法運用於由新生代地質組成之我國國土保安防護工作有相當助益;在2011年以訪問學者名義再遠赴英國劍橋大學,與該校大地工程領域教授共同研究MICP,並將歐洲最新技術攜回台灣持續研究至今。然當最近與台灣大學土木系葛宇甯教授(目前擔任該校總務長) 談論土壤液化防治工法,竟發現葛教授之研究團隊亦於10多年前即展開MICP之研究,而且成果豐碩,曾刊登於SCI科學期刊,可說英雄所見略同呀!

  • 2014大地工程年會邀請日本教授對MICP應用於堤防液化破壞控制研究成果演講

MICP工法可研究應用在水利工程項目:

1.河川灘地土壤之強化:

水利前輩們常告訴我們”灘在堤在”的道理,因此河灘地保護,一直是河川治理工作重要一環,未來如藉由MICP工法,將灘地組成材料進行強固化後,如能抵抗洪流對灘地表層之剪切沖刷,或可取代現行低水護岸硬性鋪面,讓河岸景觀更為柔美。

2.堤岸護坦基礎系統之強化:

洪流過程,護坦設施下陷流失,失去防護基腳之功能為常見堤岸破壞機制。因此、護坦工基地範圍河床土壤之補強,亦為河工重點;另基腳前後回填方區域及其下方基底土壤,常因高速洪流導致基腳底前緣形成一負壓區而受淘空流失,亦為常見堤防破壞形式,對於新建堤岸,如能於回填方施工過程,同時將MICP酵素植入土方材料內,一同滾壓,將可使土壤剪力強度大幅提升;對於既有堤岸,則可由基腳工與坡面工界面縫隙植入MICP酵素,同樣可提升堤基背填土方抵抗洪流淘空能力。

3.水利設施混凝土結構物維修補強:

混凝土材料產生微裂縫是幾乎不可避免的現象。若微裂縫形成連續網絡,尤其是發生在坡面工伸縮縫附近,將極易導致洪水滲入堤體土方,使堤體土壤沼化,終而在滲流路徑形成後,擴孔而破壞。一般混凝土裂縫修復經費相當龐大,目前常用的修復材料主要有環體系、丙烯酸類樹脂或有機系聚合物,均為對環境不友好的物質;且常因修復材與母材之乾燥收縮和熱膨脹比例不同,使得混凝土基體與修復材間產生脫層或開裂。如以MICP應用於混凝土修復工作,因其生物性礦化結晶作用會對受修復基體產生自癒(self healing)行為,修復初期達預期效果之後,隨著時間增長(國外學者認為該作用可持續達200年之久)會更堅固;縱使遇地震災害,混凝土新開裂縫隙會重新自我完成修復,您是否覺得有些神奇呢!

  • MICP工法運用在混凝土劈裂裂縫修補過程

好了,就此打住。MICP工法運用在河川揚塵控制、海岸線侵蝕退縮控制、大體阻滲、自然邊坡穩定、深基礎開挖、土壤液化防制、土壤抗滲流、古蹟修護、建築物防水及壁癌防治、新拌混凝土抗裂……實在有太多太多的應用題材可說。對MICP工法有興趣想進一步了解同仁,可上youtube搜尋,例如key上”bio concrete”將會看到很多類似應用在混凝土的報導影片;另亦可就近向台灣大學土木系葛宇甯教授、中興大學蔡祁欽教授、陳豪吉教授及中正大學陳建易教授等學者請益。