微生物矿化胶结喀斯特岩石裂缝技术研究

陈建国，陈德伟，韩伟栋，杜念，郑修宝，杜佳兴，顾业莲，张春玲

（1.广西壮族自治区水利科学研究院，广西水工程材料与结构重点实验室，广西 南宁 530023；2.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；3.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103；4.河海大学力学与材料学院，江苏 南京 211106）

0 前言

广西地区的岩溶地貌分布占40%以上，由于岩溶溶洞、裂隙的广泛存在，在地下水的长期侵蚀和渗漏下，造成岩溶区发生严重的水土分离，加剧了岩溶区易旱易涝的特性以及山体滑坡等灾害。随着国家逐渐加大对地下空间资源的开发利用，建设了大量的地下能源储备洞库及地铁工程等[1]，为了确保施工安全以及后续使用阶段的防渗功能，必须对岩缝渗漏现象引起足够的重视，及时有效地进行岩缝修补。传统的修复方法一般是采取注浆加固，即利用气压或者液压的手段将水泥浆体或化学浆体注入岩石裂隙和孔洞，对裂缝进行胶结填充加固，该方法被认为是一种长期可行的岩土加固和封堵措施[2]。注浆加固手段不仅能够改善岩体的耐久性能和抗压强度，增强其承受破坏的能力，也能够提高岩体的抗渗性，起到防水防渗的作用[3]。但由于传统的修固方法如注浆加固法，施工条件高、环境污染大、工程破坏严重，因此探寻新型绿色的裂缝修补方法尤为重要[4-5]。

因此，本文开展微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术修复岩缝的试验研究，其潜在的土壤固化、岩缝修复和混凝土自修复等用途吸引了众多研究人员的关注[6-8]。利用微生物修复液具有体积小、粘性低、渗透性高等特点，能快速地进入到狭窄裂缝中，进而对裂缝进行填充与封闭，现已被广泛应用于岩土工程的修复中，如今该方法已经被证明是一种可持续修复裂缝渗漏现象的有效解决方案。且微生物矿化修复的产物主要为方解石型碳酸钙，与当地的石灰岩性质极为相近，具有良好的稳定性和耐久性，对环境没有污染[9]。

1 试 验

1.1 原材料

（1）微生物修复剂：由A、B 组分两部分组成。A 组份由尿素和微生物组成[10]。在试验开始前将100 mL 菌液加入至体积100 mL、浓度为0.6 mol/L 的尿素溶液。其中采用的微生物为巴氏芽孢杆菌ATCC11859 型冻干粉菌种，由北京生物保藏中心生产。微生物培养方式为：称取LB 营养琼脂培养基40 g 于1 L 超纯水中，并完全溶解。之后通过JSM280G-18 型高压灭菌锅于120 ℃的高温高压下蒸汽灭菌15 min，取出放置在无菌操作台中冷却至室温，后将菌种接种至液体培养基中，再将其放置在30 ℃、200 r/min 的恒温振荡箱中振荡培养。培养24 h 后在离心机中以4000 r/min 离心10 min，去掉上层纯净的培养基溶液，获得的底层沉淀物即为高浓度微生物，通过稀释，然后使用分光光度计测试细菌600 nm 波长下的光密度OD600，得到OD600=0.6 的菌种。

B 组份：100 mL 浓度为0.6 mol/L 的CaCl2溶液。

（2）岩石：取自广西喀斯特地貌地区，样品常见蓝灰色、青灰色，对岩石断面处和岩缝使用超景深进行观察，发现断面处含有微小、不成形的晶体，呈橙黄色松散多孔状，多白色和红色杂质，且岩缝的平均宽度在大都集中在3 mm 左右（见图1）。

1.2 试验方案

（1）裂缝宽度及粗糙度对岩缝物理性能及碳酸钙（CaCO3）生成率的影响：利用XGDO-1T 型岩石切割机对岩石芯样进行裂缝切割，并将裂缝的断裂面磨成不同的粗糙度（见图2）。利用特定厚度的胶条拼制成缝隙＜1 mm、1～2 mm、＞2 mm 不同宽度的待修复试样。滴加修复液后经过7 d 后计算岩石试样的体积修复率、密度和碳酸钙的生成率。

（2）裂缝的宽度及粗糙度对岩石力学性能及抗渗性能的影响：采用注射器每次轮流滴入1 倍裂缝体积的菌液和2 倍裂缝体积的胶结液，每轮滴注间隔时间为4～6 h，滴注的轮次依据该试样裂缝体积理论所需碳酸钙量的2 倍设计，预计需要7 d 左右。待试件修复液滴注完成，静置数小时后再进行力学性能和耐久性能试验。

（3）岩石修复阶段沉淀物的基本组成与微观形貌分析：利用XRD 观察岩石修复阶段沉淀物的基本组成元素，并使用SEM 观察矿化后不同情况下生成的碳酸钙微观结构。

1.3 试验方法

（1）裂缝体积修复率：测量裂缝的长、宽、高，将裂缝近似于矩形计算裂缝体积，之后与修复后裂缝的体积进行比较，从而得到裂缝体积修复率。矿化后裂缝体积由生成的CaCO3质量间接计算得到。

（2）密度：岩石试样的表观密度采用水中称量法按式（1）计算。

式中：ρ——表观密度，g/cm3；

G1——烘干试样质量，g；

G2——试样在水中的质量，g。

（3）CaCO3生成率：在试验前称量经烘干的2 个断裂面总质量m1，修复后经烘干的质量m2，填充介质的质量m3，则CaCO3实际产生量Ma、裂缝填充理论需要的CaCO3质量Mb、CaCO3生成率α 按式（2）～式（4）计算：

（4）抗压强度：采用径高比为1∶2 的岩样，抗压强度按式（5）进行计算。

（5）岩石弹性模量：岩石静力抗压弹性模量按照按式（6）进行计算。

（6）抗渗性能：将芯样加工为直径150 mm，高50 mm 的圆柱体试样，采用广西水科院自主设计的ZKS 系列微机控制高精度抗渗仪进行抗渗性能试验。为了便于对微生物矿化提高岩石抗渗性能的试验具有更直观的对比，在此阶段选择矿化时间为7、9、11、13、15 d 的岩样进行抗渗性能测试。

（7）微观性能：将沉淀物刮下并磨成粉末状，通过XRD 测试分析沉淀物的组成及碳酸钙晶体种类；利用SEM 观察岩石自身、填充介质、矿化沉淀物的微观形貌，分析微观结构与宏观性能之间的关系，试验所用仪器为日立高新技术公司生产的Hitachi Su1510 型扫描电子显微镜。

2 结果与讨论

2.1 裂缝宽度及粗糙度对岩缝体积密度的影响

岩石样本内部会少量分布一些细微的裂隙，通过切割后原本在内部的细微裂隙会有部分被暴露出来，流动性很高的微生物修复液能够在一定程度上对这些细微裂缝进行填补，可通过前后岩样密度的变化比较微生物的修复效果。表1 为岩缝修复前后密度的变化，其中标号A、B、C 分别代表不同的裂缝表面宽度，1、2、3 分别表示代表平滑面、较粗糙面、粗糙面。

表1 岩缝修复前后密度的变化

由表1 可见，经过微生物矿化修复后，岩样的密度增长率为0.18%～0.41%。从岩石切割面来看，主要还是因为所选的几块岩石的内部微裂隙分布较少，所以微生物修复液能够填充的微裂隙不多。当裂缝断裂面的粗糙程度一致时，密度增长率的变化很小，在0.02%以内。至于有细微的差别，主要是因为少量的微裂隙得到了填充。但当裂缝的宽度一致时，随着粗糙度越大，岩样的密度增长率也越大，这表明粗糙度越大越有利于碳酸钙在裂缝中沉积，从而提高了试样整体的密实度。

2.2 裂缝宽度及粗糙度对岩缝体积修复率的影响

经过微生物矿化修复后的岩石如图3 所示，岩缝体积修复率的计算结果如图4 所示。

由图3、图4 可见：

（1）除试样C1以外的其它试样均能得到很好的修复，且修复深度能达到5 cm 以上。对于试样C1，因为其裂缝宽度在2 mm 以上，且断裂面为平滑面，沉积的碳酸钙很难在裂缝表面上粘结，只有部分碳酸钙沉积在裂缝中，难以继续生长将2个断裂面连接起来。从分离后的C1试样可知，碳酸钙沉淀比较松散，用硬物容易刮去，缺乏粘结效果，所以试样C1会出现分离的现象。

（2）粗糙度对裂缝宽度越小的岩样影响较大。当裂缝宽度为0～1 mm 时，平滑面的裂缝体积修复率只有46.42%，而粗糙面的裂缝体积修复率能够达到77.63%，比前者提高了31.21 个百分点；而当裂缝宽度大于2 mm 时，平滑面的裂缝体积修复率为36.29%，粗糙面的裂缝体积修复率为43.37%，在此情况下只比前者提高了7.08 个百分点。

（3）由裂缝宽度对裂缝体积修复率的试验表明，裂缝宽度对裂缝面越粗糙的岩样影响较大。当裂缝面为平滑面时，大于2 mm 的岩样的裂缝体积修复率为36.29%，而裂缝宽度为0～1 mm 的岩样的裂缝体积修复率能够达到46.42%，比前者提高了10.13 个百分点；而当裂缝面为粗糙面时，相同情况下却提高了34.26 个百分点。

2.3 试样粗糙程度及裂缝宽度对CaCO3 生成率的影响（见表2）

表2 裂缝面粗糙度及裂缝宽度对CaCO3 生成率的影响

由表2 可见，总体上裂缝面越粗糙，碳酸钙生成率越大。如对于裂缝宽度为0～1 mm 的岩样，当裂缝面为平滑面时，其碳酸钙生成率只有41.84%，而在粗糙面的情况下其生成率能达到75.36%，提高了33.52 个百分点；而对于裂缝宽度大于2 mm 的岩样，相同的情况下仅仅只提高了4.61 个百分点。表明粗糙度越高的条件下，碳酸钙的生成率则越高。裂缝宽度的影响总体上呈现出裂缝宽度越小，碳酸钙生成率越大。裂缝宽度大于2 mm 的岩样，其碳酸钙生成率只有28.04%，比前者降低了13.8 个百分点；而对于裂缝面为粗糙面的岩样，同等情况下沉积率能只有32.65%，大幅度降低了42.71 个百分点。表明裂缝宽度越小，则碳酸钙的沉积率越高。

2.4 试样粗糙程度及裂缝宽度对抗压强度的影响（见表3）

表3 粗糙程度及裂缝宽度对岩样的抗压强度的影响

由表3 可见，当裂缝宽度相同时，总体上表现为裂缝表面越粗糙的试样其抗压强度越高，其中岩样的最高抗压强度可达81.80 MPa，最低为41.54 MPa。随着粗糙度的减小，试样的强度恢复率逐渐降低。对0～1 mm 的试样，最高强度恢复率为粗糙面下的93.67%，而平滑面下的强度恢复率只有68.87%，降低了24.80 个百分点。随着裂缝宽度的增大，粗糙度对强度恢复率的影响也逐渐加大，粗糙面下大于2 mm 岩样的强度恢复率66.61%，较0～1 mm 的降低了27.06 个百分点。可见裂缝宽度对强度恢复率的影响高于裂缝表面粗糙度的影响。

2.5 试样粗糙程度及裂缝宽度对岩样弹性模量的影响（见表4）

表4 裂缝宽度对岩样弹性模量的影响

由表4 可见，相同裂缝宽度下的岩样，随粗糙度的增大其弹性模量提高；而裂缝粗糙度相同时，弹性模量随裂缝宽度的增大而降低。其中，宽度为0～1 mm 下的裂缝粗糙程度最大的岩样弹性模量为3.13 GPa，为天然岩石的78.45%，而最低值为裂缝宽度大于2 mm 的岩样，为0.73 MPa，只有天然岩石的18.30%。究其原因，主要影响岩样力学性能恢复程度的是裂缝中生成的碳酸钙量，当然也包括碳酸钙在裂缝中的粘结效果。对裂缝中生成的碳酸钙生成量测试可知，微生物矿化修复岩缝的结果表现为裂缝宽度越小，裂缝表面粗糙度越大，其碳酸钙粘结效果最佳，裂缝体积修复率越高，因而岩样的弹性模量较高。

2.6 微生物矿化修复岩石的抗渗性能（见图5）

由图5 可见，经微生物矿化修复的岩石其渗透系数在15 d后能达到10-7cm/s 的数量级，较岩溶渗漏区岩石的渗透系数降低了2～3 个数量级，达到了预期的防渗效果；随着微生物矿化修复时间的延长，在相同水压下岩石的渗透系数越小，修复高度越大。例如以微生物修复7 d 岩石的渗透系数为参照点，在0.1、0.2 MPa 的水压下，经过15 d 的矿化修复，其渗透系数分别降低了25.00%、27.54%，修复高度增大了90.30%。

2.7 微观分析

2.7.1 XRD 分析（见图6）

由图6 可见，沉淀物中，在2θ=21.0°、23.0°、24.9°、27.0°、29.4°、31.5°、32.7°、36.0°、39.4°、43.2°等附近出现了明显的方解石和球霰石的特征衍射强峰。与之前不同的是，在修复试验中生成的方解石型CaCO3明显增多。利用Jade 软件分析表明，相同裂缝宽度下的试样，随着粗糙度的增大，裂缝中生成的方解石型CaCO3越来越多，这一结果表明MICP 修复技术具有良好的修复效果，生成方解石为主的CaCO3与岩石基体具有很高的相容性，相比于传统的化学浆体、水泥浆体填充加固技术，MICP 修复极大地提高了岩样整体的稳定性。

2.7.2 SEM 分析

碳酸钙粉末填充介质及天然岩石的SEM 照片见图7，修复试验中沉淀物的SEM 照片见图8。

由图7 可见，碳酸钙粉末的微观形貌为片状雪花型，天然的岩石微观形貌呈致密的六面体状的方解石特征，未见球霰石所常有的球形，这证明球霰石不是天然条件下产生的碳酸钙。

由图8 可见，沉淀物有多种形貌，包括球状、六面体状、不规则多面体状等，且晶体表面不光滑。如图8（h）所示，试样B3放大3000 倍时，晶体表面有大量长3～4 μm，宽1 μm 左右的杆状细菌痕迹，碳酸钙晶体正是由细菌的细胞核结晶长大的，这一结论与Xu 等[5]的研究结果相似。由图8（i）试样C1放大1000 倍时发现，沉淀物晶体颗粒间距较大，且大多数晶体颗粒粒径不超过10 μm，沉淀物的致密性很差。

通过横纵2 个方向来观察比较沉淀物形貌的差异性，横向即相同裂缝宽度下，不同粗糙度的影响；纵向即相同粗糙度下，不同裂缝宽度的影响。如裂缝宽度为1～2 mm 的试样，如图8（a）～（f）所示，从试样B1到B3六面体状和不规则多面体状形貌的的晶体逐渐增多，同时晶体颗粒尺寸也明显增大，从15～20 μm 增长到30 μm 以上。且随着粗糙度的增大，晶体的团聚现象更为明显，这就会导致裂缝中的沉淀物更加致密，提高了试样的密度，与试样密度的测试结果表现一致。当观察相同粗糙度下的情况，如从试样C3到A3，随着裂缝宽度的减小，微观形貌为球状的晶体逐渐增多，且晶体颗粒的团聚现象越来越多，即增加了致密性，但是晶体颗粒的尺寸也显著减小，由30 μm 减小至6 μm 左右。

3 结论

（1）通过微生物修复7 d 的试样其修复深度能达到5 cm以上，且裂缝宽度在2 mm 以内的岩样均能够被较好地修复。

（2）当岩缝表面越粗糙、岩缝宽度越小时，试样的体积修复率越高。且经过微生物修复后，试样平均密度从2.704 g/cm3增长到2.712 g/cm3。

（3）经微生物修复的岩样强度恢复率在47.57%～93.67%之间，最高强度可达81.80 MPa。

（4）经微生物矿化修复的岩石渗透系数维持在10-7cm/s数量级以上，修复后的岩石较岩溶渗漏区的岩石的渗透系数提高了2～3 个数量级，达到了预期的防渗效果。

（5）XRD 分析结果表明，生成的沉淀物以方解石和球霰石两种物相的碳酸钙晶体为主，与岩石基体具有高度的相容性；SEM 结果表明，当裂缝宽度相同时，随粗糙度的增大，晶粒尺寸、晶体间团聚现象均明显增大，球状晶体逐渐转变为六面体状；当粗糙度相同时，随着裂缝宽度的减小，球状晶体、晶粒间的团聚现象均逐渐增大，而晶粒尺寸却大幅减小。