微生物矿化作用改善不同孔隙砂岩抗冻融特性试验研究

泮晓华，唐朝生，施 斌

南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023

1 引言

岩体风化劣化是人类生产活动、工程建设中山地丘陵区经常遇到的重要工程地质问题（唐辉明，1988；李维树等，2008）。严重的岩体风化常导致人民群众生命财产及各类基础设施安全受到严重危害，造成地质遗迹和文化遗产不可恢复的永久性破坏，影响中国地质环境安全和可持续发展。掌握岩体风化机理，制定相应的风化防治措施，一直是岩石力学领域的研究热点（Nicholson and Nicholson，2000；李日运和吴林峰，2004；蒋明镜等，2014；Park et al.，2015；王东和伍法权，2019）。

经过多年的研究，学者们对岩体风化机理有了一个共性的认识，那就是风化类型可归纳为物理、化学和生物风化三类（Bernd et al.，2003；Takahiro et al.，2006；张金风，2008；张中俭等，2015；Baidya et al.， 2019），其本质被认为是由液态水的长期直接或者间接作用所致（李宏松，2011；曹颐戬等，2020）。处于露天环境的岩体表面在雨雪天气或者潮湿环境下会附着有液态水，这些水极易造成生物的定植和侵蚀（生物风化）；另一方面，岩体通常存在孔隙、节理裂隙等缺陷，降水和凝结水会从这些缺陷渗入岩体内部。在环境污染严重区域，降水还常伴有酸性物质和可溶盐等，水和酸性物质由表及里溶解胶结物质（化学风化），劣化了岩体相关部位的力学性质。随着环境湿度和温度的周期性变化，物理风化作用例如可溶盐重结晶膨胀、干湿交替和冻融循环等，进一步在张拉应力的破坏作用下酥化岩石表层及扩展节理裂隙。由此可见，降渗加固是岩体防风化的根本途径。

在工程建设领域，移除强风化带、混凝土喷/灌浆和锚固弱风化带是风化岩体常用处理和降渗加固方法（向俊英和喻学文，1983；周维垣等，1993；游洋，2018）。在石质文物保护领域，降渗加固材料按材料的主要成分主要有无机材料和有机材料两大类（王丽琴等，2004）。无机材料像石灰水、氢氧化钡、碱性硅酸盐以及高模数硅酸钾等自十九世纪以来就被尝试用来填充石质文物浅表风化层孔隙从而期望达到防水和加固的目的。有机材料用于石质文物的加固已有四十余年，主要有环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅类等类型。上述研究成果为我国岩体风化劣化地质灾害的防灾减灾做出了巨大的贡献，但这些方法还存在一定的局限性。混凝土由于浆液颗粒较大一般只能覆盖在岩体表面和注入宏观大裂隙且在露天环境下易产生风化裂隙从而导致保护作用失效。无机材料和有机材料等化学材料虽然能够对岩体表面孔隙和微裂隙起到降渗加固作用，但是无机材料往往化学反应过程过快且不可控，易堵塞岩体表面孔隙，抑制材料的进一步渗透，同时也会阻挡孔隙内毛细水蒸发和可溶性盐结晶运动，在遭受冻融和干湿循环时，毛细水结冰和可溶性盐结晶等作用会加剧风化作用且生成的加固物质与岩石矿物的粘结性差；而有机材料普遍存在与岩石矿物兼容性差、耐候性差以及在紫外线下易变色等缺点。

砂岩是地质遗迹和石质文物最为常见的岩石类型，相比其他类型岩石，其具有大孔隙和高渗透性等特征，易在液态水由表及里入渗后造成严重的风化作用。这一点从砂岩类地质遗迹和石质文物普遍存在严重的表层酥化、脱落等风化病害也可以看出，比如湖南张家界砂岩峰林地质公园（黄林燕等，2006）和云冈石窟（严绍军等，2015）为两个典型例子。近些年来，全球各地极寒、强降水等极端气候事件频发（曹晴等，2020），环境污染加剧（周文静等，2013）。可以预见的是，砂岩风化劣化病害问题将会更加严峻，传统材料存在的局限性迫切需要通过技术创新寻求新型的砂岩降渗加固防风化措施。

基于微生物矿化作用的岩土体降渗加固技术是近些年岩土工程领域的一个研究热点，并被美国国家科学研究委员会（NRC）确立为21世纪的重要研究课题（DeJong et al.，2013）。由于碳酸钙是自然界中分布最广的一种碳酸盐，其性质稳定，胶结作用优异，且具有较高的强度和耐久性，因而基于尿素水解的微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial Induced Calcite Precipitation，简 称MICP）技 术一直是微生物矿化领域的主流技术（Chu et al.，2013）。其原理是利用微生物（巴氏芽孢八叠球菌，Sporosarcina pasteurii）菌液和胶结液较低的粘稠性和较好的渗透性渗透进入岩土体孔隙和裂隙内部，然后利用细菌的高产脲酶特性将胶结液中的尿素快速水解成碳酸根离子和铵根离子，细菌由于表面带有负电荷，会不断吸附周围溶液中的钙离子，使其聚集在细菌表面，与水解出来的碳酸根离子结合析出碳酸钙结晶，从而实现对岩土体孔隙和裂隙的填充和胶结。目前，MICP技术研究主要集中在土体加固改性方面（程晓辉等，2013；钱春香等，2015；刘汉龙等，2016；李明东等，2016；Jiang and Soga，2017；刘 士 雨 等，2019；Tang et al.，2020）。少量学者也将其应用于岩石浅表风化层加固。Rodriguez-Navarro 等（2003）在生物碎屑砂屑灰岩表面观察到MICP矿化沉积深度可达500 μm。Zamarreño 等（2009）指出MICP过程主要在大理石表面开放孔隙中形成CaCO3沉淀并最终使表层孔隙度减小50%左右。竹文坤（2011）采用浸泡法和涂覆法在砂石和大理石材料表面进行MICP覆膜试验，试验结果表明浸泡法和涂覆法均能在砂石和大理石表面生成一层致密的并与基层具有较强粘结力的CaCO3矿化膜，矿化膜能显著提高石材的抗渗、无水抗冻和耐光老化同时在覆膜后能保持石材原有的透气性。Muynck 等（2011）基于5种不同石灰岩研究了孔隙结构对MICP矿化沉积保护效果的影响。上述研究表明MICP技术用于岩石降渗防风化是有效的，但已有研究成果尚不能指导孔隙对MICP改善砂岩抗冻融特性的影响。

因此，本文以中粒砂岩和微粒砂岩两类不同孔隙砂岩为例，开展了MICP处理和冻融循环试验，对MICP作用改善砂岩抗冻融特性的可行性和有效性进行了验证，分析了其改善机理。同时，通过表观特征、孔隙率、吸水率、质量、波速等方面的对比，探讨了孔隙的影响。

2 试验材料与方法

2.1 菌液与培养基

试验选用的细菌为巴氏芽孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii, ATCC 11859），购自美国菌种保藏中心。该种菌的脲酶活性高，对环境适应性好，是目前MICP技术研究中应用最为广泛的菌种。试验所用培养基为YE-NH4液体培养基，每升培养基内含酵母提取物20 g，硫酸铵10 g，三羟甲基氨基甲烷（Tris-base，pH=9.0）15.75 g和尿素30 g。培养基配制完成后，置于高压灭菌锅内，在121℃下，高温蒸汽灭菌30 min。待培养基冷却后，将细菌以体积比1:100的比例接种至其中，利用恒温震荡培养箱在30℃和150 rmp的环境下进行有氧培养24 h，之后用分光光度计测得细菌OD600值为0.95，用电导率仪测得细菌脲酶活性为3.84 mM/min。

2.2 胶结液

试胶结液由尿素、氯化钙和营养肉汤（3 g/L）组成，主要用于为MICP过程提供充足的尿素和钙离子，以及为微生物生长繁殖和新陈代谢提供营养物质。营养肉汤主要成分为蛋白胨、牛肉浸粉和氯化钠，pH值为7.2±0.2。为了尿素和氯化钙充分反应，两者摩尔浓度比为1:1。为探究胶结液浓度对试验的影响，按照0.5 M、1.0 M和1.5 M进行配制。

2.3 砂岩及试样制备

试验过程中采用的两类不同孔隙砂岩采自四川省内江市，颜色为浅绿色，主要矿物成分为50%~60%石英、20%~25%长石、10%~15%高岭土和5%~10%云母以及其他，其他物理力学参数见表1。为了保证试样的相似性，相同类型试样钻取之同一块砂岩，钻取直径为50 mm，并进一步被切割成25 mm高度。样品示例见图1a和1b。本次试验将岩样分为4组，具体见表2。

表2 冻融试验岩样分组Table 2 Sample groups in freeze-thaw test

图1 中粒砂岩和细粒砂岩样品表观特征变化图Fig.1 Variation of apparent characteristics of sandstone samples with medium-grain size and with fine-grain size

表1 砂岩物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of sandstone

2.4 MICP处理

在MICP处理之前，岩石样品置于80℃烘箱中灭菌和烘干至质量恒定。待试样冷却后，测量各个样品的初始质量和波速，之后进行两相MICP浸泡处理3轮次。两相MICP浸泡处理是指菌液和胶结液分开先后对样品进行浸泡处理，每一轮次包含菌液浸泡6 h和胶结液浸泡12 h。浸泡时所有岩石试样均竖直放置在同一容器中以保证相同的处理条件和防止菌液中的有机物和胶结液中的固体颗粒沉积在试样上下表面而造成孔隙阻塞，菌液和胶结液液面高过试样顶部并保证数量充足。

2.5 测试分析

每一轮MICP处理后，将岩石样品置于80℃烘箱中烘干至质量恒定，冷却后测量各个样品的质量、波速、孔隙率和吸水率。

波速采用瑞士Proceq Pundit Lab+ 超声波检测仪通过透射式方式测得。

孔隙率通过烘干后和饱和后的质量计算求得。

48 h吸水率通过液态水无压吸附实验测得，实验步骤为（1）将干燥的岩样完全浸泡在水中；（2）在48 h后取出并用干毛巾快速擦拭表面残留水并称重；（3）48 h和浸泡之前的质量差与浸泡之前质量的比值为吸水率。

浸泡48 h的饱和样品在测完吸水率后放入-20℃的低温箱中进行冻结，冻结12 h小时后取出放在20℃的水中溶解12个小时，每24 h作为一个冻融循环，冻融过程共开展40个循环。

为了分析岩样MICP处理前后孔隙率和孔隙分布的变化，制备尺寸为5 mm （直径）×10 mm （高度）的小砂岩试样进行MICP处理和CT扫描试验。小试样MICP处理过程与其他大尺寸试样处理过程相同。试验所用扫描设备为SkyScan1183 CT机，扫描精度为5 μm。小试样在MICP处理前后均进行一次CT扫描，扫描部位为试样中部部位。

3 试验结果与分析

3.1 表观变化

图1a、b显示中粒砂岩（图1a）的颗粒明显大于微粒砂岩（图1b），颜色也略浅，切割以后的平整度都较好。经过3轮次MICP处理后，样品表观可以明显观察到碳酸钙附着，颜色略微变浅，图1c，d为两个典型岩样。MICP处理过的岩样在冻融循环40次后未见明显表观破坏，而未经MICP处理的岩样当冻融循环达到40次时在棱角处局部出现表观破坏（图1e，f），10次和20次冻融循环作用时也未观察到明显的表观破坏。

3.2 孔隙变化

图2为砂岩样品孔隙率变化图。由图2a可知，中粒砂岩和微粒砂岩试样的孔隙率均发生了降低，3轮次MICP处理后降低率分别为35.5%和28.4%。中粒砂岩的孔隙率降低速度在第一轮和第二轮MICP处理时大于微粒砂岩，这主要因为中粒砂岩孔隙大。CT扫描结果显示（图3a，b）中粒砂岩主要孔隙大小（大于1%）分布范围为300~800 μm，微粒砂岩主要孔隙大小（大于2%）分布范围为100~300 μm。菌液浸泡后残留在单个大孔隙中的细菌数量会更多，胶结液也更容易从大孔隙入渗到内部，从而大孔隙中碳酸钙沉淀效率更高。经过3个轮次MICP处理后，中粒砂岩550~700 μm的孔隙明显减少和小于500 μm的孔隙明显增多；微粒砂岩大于150 μm的孔隙显著减少和小于150 μm的孔隙显著增多。值得注意的一点是，3个轮次MICP处理后，仍有很大一部分孔隙未被填充，究其原因是因为靠近岩样径向表面的孔隙填充速率快于内部的孔隙。如图4a和4b显示，中粒砂岩和微粒砂岩初始试样的孔隙均匀和随机地分布于整个试样当中，而当经过3轮次MICP处理后，靠近岩样径向表面的孔隙明显少于内部（图4c, d）且这一现象中粒砂岩比微粒砂岩更明显。

图3 试验砂岩样品CT扫描孔隙分布图 Fig. 3 CT scanning based porosity distribution figures of sandstone samples

图2b反映了MICP作用均能提高中粒砂岩和微粒砂岩试样的抗冻融损伤的能力。未经处理的中粒砂岩和微粒砂岩试样冻融循环40轮次以后，孔隙率分别增加了17.0%和14.8%；经3轮次MICP处理后，孔隙率增加率降低到了4.4%和6.3%。

图2 试验砂岩样品孔隙率变化图Fig. 2 Variation of porosity of sandstone samples prepared for testing

3.3 吸水率变化

无压吸附实验结果（图5a）表明MICP处理能够降低砂岩岩样的吸水率且随着处理轮次的增加而显著降低。从图5a我们还可以发现在完成3轮次MICP处理后，中粒砂岩试样的孔隙率虽然大于微粒砂岩（图2a），但其吸水率却低于微粒砂岩的吸水率。通过研究CT扫描图（图4），我们认为中粒砂岩试样临近径向表面区域1 cm深度范围内碳酸钙沉淀的较多，孔隙数量显著减少，孔隙间距较大，对渗透起主要影响的孔喉数量和尺寸也会相应降低，而微粒砂岩试样临近径向表面区域仍分布有较多数量的孔隙，这些孔隙间距较近，中间会存在大量的孔喉，从而岩样仍具有一定的渗透性且较中粒砂岩大。

图4 试验砂岩样品CT扫描图 Fig. 4 CT scanning figures of sandstone samples

图5 试验砂岩样品吸水率变化图 Fig. 5 Variation of water absorption of sandstone samples prepared for testing

3.4 质量变化

砂岩样品随着MICP处理轮次的增多质量会增加。从图6a中可以看出，3轮次MICP处理后中粒砂岩和微粒砂岩试样的质量增加率分别达到了4.2%和3.6。此外可以发现第1和第2轮次的增加率略大于第3轮，该现象主要是因为前期岩样孔隙较大，进入孔隙的细菌数量更多，碳酸钙沉淀效率更高。

图6b表明MICP处理能显著降低砂岩在冻融循环作用下的质量损失，主要原因是有两方面：第一，MICP过程生成的碳酸钙进一步增加了岩石颗粒之间的胶结强度；第二，岩样孔隙度降低，岩样渗透性显著降低，孔隙水体积减少，在冻融过程中产生的损伤作用减弱。

图6 试验砂岩样品质量变化图 Fig. 6 Variation of mass of sandstone samples prepared for testing

3.5 波速变化

波速的变化反映岩样孔隙的变化，图7表明两者成负相关。从上述结果可知，3轮次MICP处理后，中粒砂岩试样孔隙率降低率大于微粒砂岩试样（35.5%和28.4%），两者P波波速增长率恰好相反分别为16.6%和11.1%（图7a）。图7b表明，MICP处理能够有效抑制岩样冻融损伤作用，将中粒砂岩试样和微粒砂岩试样波速降低率控制在较低水平分别为7.3%和3.8%，对应的未处理试样的降低率分别为18.5%和12.4%。

图7 试验砂岩样品波速变化图Fig. 7 Variation of seismic velocity of sandstone samples prepared for testing

4 结论

本文基于两种不同孔隙砂岩开展了MICP处理和冻融循环试验，评价了MICP作用改善砂岩抗冻融特性的效果并分析了孔隙因素的影响，得到以下主要结论：

（1）MICP作用能显著提高中粒砂岩和微粒砂岩的抗冻融特性，但孔隙因素有一定影响。

（2）3轮次MICP处理后的岩样在冻融循环40次后未见明显表观破坏，而未经处理的岩样当冻融循环达到40轮次时在棱角处出现局部表观破坏且中粒砂岩破坏程度略大于微粒砂岩。

（3）MICP过程生成的碳酸钙不仅填充了岩石孔隙，同时也加强了岩石颗粒之间的胶结强度，从而显著降低了因冻融作用产生的孔隙增加、质量损失和吸水率，使得波速明显提高。40轮次冻融循环作用后，中粒砂岩和微粒砂岩试样孔隙率增加率从17.0%和14.8%降低到了4.4%和6.3%，质量损失率从0.22%和0.14%下降到了0.04%和0.02%，吸水率从6.8%和4.4%减小到了0.75%和1.5%，波速降低率从18.5%和12.4%降低到了7.3%和3.8%。

（4）由于中粒砂岩孔隙大于微粒砂岩，其碳酸钙沉淀效率更高，有效处理深度更深，表层孔隙间距更大，从而在进行相同轮次MICP处理时，其孔隙率降低率、吸水率降低率、质量增长率、波速增长率均较大。