岩溶裂缝微生物修复技术研究进展

2022-10-29陈德伟陆加越郭飞余兰清

新型建筑材料 2022年10期

陈德伟，陆加越，郭飞，余兰清

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 211103；2.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京 210008）

0 引言

在岩土工程中，由各种地质原因导致的岩溶开裂现象广泛存在，极大地降低了岩石的力学和耐久性能，若不及时修复将会造成巨大的安全事故。如广西地区岩溶地貌分布普遍，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，加剧了岩溶区自然灾害的发生。此外，随着国家逐渐加大对地下空间资源的开发利用，修建地下能源储备洞库、兴建地铁工程等，为确保施工安全及后续的防渗功能，需要对裂缝及时进行修补。

传统的裂缝修复一般采用聚合物超细水泥、环氧树脂材料、高分子灌浆材料等，但在使用过程中具有相容性差、费用高、污染大等缺点[1]，于是更多的学者开始探寻一种新型绿色的修复方法。微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP）是一种生态友好型节能技术，具有能耗低、种类多、环境友好等优点。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许多学者的关注[2]，已被广泛的应用于岩土工程的裂缝修复中[3]，且微生物矿化的产物主要为方解石型碳酸钙，具有良好的稳定性和耐久性，与基体材料相容性好，对环境没有污染[4]。

1 MICP的矿化机理

MICP是目前研究最广泛的微生物矿化反应，其原理是通过向微生物菌液中添加尿素、钙源和营养物质，依靠微生物自身代谢作用，脲酶催化促使尿素水解出CO32-和NH4+，在碱性环境下CO32-能够和周围的Ca2+结合为CaCO3晶体沉淀[5]。方程组（1）为巴氏芽孢杆菌的矿化反应方程式。

多数学者认为，死亡的微生物细胞提供了CaCO3晶体沉淀的成核位点，这是由于细胞外集聚了大量的负离子，使得带有正电荷的Ca2+会被吸附在细胞表面，随着尿素水解不断地释放出CO32-，二者相结合最终会形成具有填充胶凝作用的CaCO3沉淀，如图1所示[6]。

2 传统修复材料的研究现状

2.1 传统材料对岩缝修复研究

利用传统材料如水泥、化学浆体进行注浆修复已有很长的历史，应用的已非常成熟和普遍。其早期是利用水泥浆体，之后随着化工技术的发展，逐渐开始使用环氧树脂、水玻璃混合物等进行岩缝修复。

水泥浆体具有良好的耐久性能、更环保且经济，孙光[7]用黏土水泥浆体对不同静水压力下的岩石裂隙进行模拟注浆试验，发现影响水泥浆体在裂缝中扩散的最主要因素为裂隙宽度及注浆压力。在小康矿的注浆实验中，通过将普通硅酸盐水泥用于裂隙修补，有效控制了软岩巷道的轴向及径向变形，实现了对岩缝的封堵加固[8]。Zolfaghari等[9]通过试验发现，经水泥灌浆处理后岩石的力学性能和抗变形能力等都得到大幅提高。Zhang等[10]采用最佳比例的水泥基自应力复合灌浆材料加固矿井巷道围岩，结果表明，该灌浆材料对矿井巷道围岩的加固效果十分显着。

除利用水泥浆体修复岩缝，近几十年来，化学浆体材料也被大量使用。环氧树脂因其力学性能优异、粘接强度高和体积收缩小等优点，被广泛应用于裂缝的修复[11]。Anagnostopoulos等[12]在进行砂石加固研究中发现，含水率低的环氧树脂溶液可提高砂的强度，降低孔隙率和水的渗透性。叶姣凤[13]利用丁腈橡胶改性环氧树脂制备了一系列裂缝修补剂，通过改变丁腈橡胶的含量，可以得到综合性能优良的修补材料。由于水泥水玻璃双液浆具有流动性好、胶凝时间可控、结实率高等特点，因此在加固工程中应用较为广泛[14]。Yang等[15]制备了柔性可拉伸聚氨酯/水玻璃灌浆材料，并通过试验认为其可应用于地下工程、岩石裂缝等修补中。在兰州地铁1号线的施工过程中，为了加强工程的安全可靠性，采用了水泥和水玻璃的混合浆液对地基进行注浆加固，通过压力随时间的变化曲线来对注浆效果进行预判[16]。曹鸿鹏[17]在将水泥-水玻璃混合浆液对煤矿底板预注浆施工及断层的注浆实验中，同样得到了良好的加固效果。

2.2 传统修复材料存在的缺点

利用水泥、化学浆体作为岩缝修复材料虽然取得了很好的效果，且目前仍在大量的工程应用中，但是它们的缺点也在不断的暴露出来。

（1）水泥浆液在注浆过程中会产生较为明显的渗滤效应，导致水泥浆液在裂缝开口处堆积，导致修复通道堵塞[18]。其次，当水灰比较大时，较高的流动性使浆液容易堆积在裂隙和孔洞底部，而水灰比较小时，为了应对流动性差的问题，必须加大注浆压力，这很容易对岩石整体结构造成破坏。

（2）对于大多数的化学浆体，如环氧树脂等材料不具有无机材料的环保特点，不仅污染大，而且有一定的毒性，不能应用在一些特定环境下的岩缝修复，同时化学浆体配制烦锁，成本较高[19]。

（3）利用高压水泥灌浆完成岩溶通道封堵加固，会面临施工条件高、工程破坏大、环境污染大等问题。

3 MICP技术对岩缝的修复研究

自Boquet首次在土壤中发现了细菌诱导碳酸钙沉积现象，有关MICP技术的研究就逐渐被展开。基于水泥浆材难以控制、化学材料不环保、超细水泥成本高的特点[20]，尝试引入流动性好、体积小的微生物来进行岩溶裂缝修复。

何建宏等[21]用微生物修复汉白玉石裂缝，通过观测修复后试样的力学性能和物理性能以及CT扫描的结果，发现其各项性能均得到一定程度的恢复。James等[22]用MICP来降低填充有粗碎大理石的圆柱中的孔隙率和渗透性，实验表明，利用稳定的流动路径能够最大限度地提高密封均匀性。尹黎阳等[23]发现，利用MICP加固岩土材料时，在最适宜温度区间20～40℃内碳酸钙晶体颗粒较大，分布均匀，胶结试样整体强度较高。刘斯凤等[24]以多种微生物同时作用使得裂隙岩石的渗透系数降低，在细菌作用30 d后，岩石的渗透系数下降了30%～60%。王敬奎等[25]利用MICP技术诱导出碳酸钙沉淀，使原本分离的2个结构面之间产生以晶体颗粒为骨架的物理作用键，渗透系数下降均达到了90%以上，实现对岩石贯通裂隙封堵防渗。邓红卫等[20]利用微生物来改善裂隙岩石防渗性能和提高强度，诱导产生的碳酸钙在岩石孔隙结构中的胶结作用能有效改善其防渗性能，大幅提高裂隙黄砂岩的单轴抗压强度，并能在应力峰后维持岩样原状，提高其峰后承压能力。

以上学者分别探究了MICP技术对岩缝修复后性能的影响效果，总体上，经微生物修复后，试样的力学性能及物理性能得到了一定程度的提高，尤其是在抗渗性能方面，其增强效果尤为显著。

4 MICP技术影响因素研究

4.1 微生物种类及浓度的影响

在研究微生物修复过程中一些对人类安全、环境友好以及产生钙沉淀物能力强的细菌引起了研究人员的关注[26-27]。不同种类的细菌会直接影响碳酸钙晶体类型、形貌以及产量，从而会影响到最终岩石的修复加固效果，除了方解石型为稳定形态外，球霰石、文石都不稳定[28-29]。如Tourney和Bryne[30]研究发现，利用地衣芽孢杆菌能沉积球霰石型碳酸钙。而Ercole等[31]通过球形芽孢杆菌诱导产生方解石的碳酸钙沉积。有学者发现[32]，以巴氏芽孢杆菌等为代表的好氧菌具有很高的脲酶活性，且适应性强，耐酸碱、高盐度等恶劣环境。练继建等[33]用巴氏芽孢杆菌研究了不同碱性环境对微生物生长以及矿化时效果的影响，实验表明，巴氏芽孢杆菌自身有极强的适应能力，当环境的pH值≤12时，微生物在代谢过程中会自动促使环境的碱性向着适合菌体生长的pH值发展。

对于菌液浓度的影响，Liu等[34]研究发现，微生物浓度越高尿素水解速度越快，脲酶以及碳酸钙产量也越高，但碳酸钙的产量也会随着胶结液浓度的增大而降低，这主要是胶结液对脲酶活性具有抑制作用。Thawadi等[35]研究了菌液浓度与晶体之间的关系，利用浓度为3.0、0.3、0.03 g/L的不同稀释菌液来诱导CaCO3沉淀，并测量了晶粒大小，发现晶体的尺寸随菌液浓度的降低呈减小的趋势。Chou等[36]通过试验发现，高浓度菌液加固的石英砂试样具有更好的力学性能，体现为抗剪强度较高、体积应变较小。

4.2 胶结液的影响

胶结液一般由尿素、钙源、营养物质等组成，不仅对微生物的活性、脲酶活性有着重要影响，其对碳酸钙晶体的形貌等也会产生较大影响。贾强等[37]在提高CaCO3产量的实验中发现，当尿素掺量为3 mol/L时，CaCO3沉淀产量达到最高。王呈呈[38]研究了尿素掺量对菌种生长和脲酶活性的影响，实验发现，尿素水解导致pH值升高，对微生物的生长有抑制作用，而对脲酶的活性具有一定的促进影响，最优的尿素掺量为5～15 g/L；同时，尿素能够优化MICP的初始反应条件，极大地提高早期的碳酸钙产量，快速对裂缝进行修复。吴超传等[5]研究了胶结液浓度以及胶结液浓度比例对实验的影响，结果表明，n胶结液越大，碳酸钙含量和峰值强度均明显增大，但碳酸钙的转化率则降低；当n（CaCl2）∶n（尿素）=1∶1时，碳酸钙转化率最高。Choco等[39]认为钙离子对脲酶具有抑制作用，将不同种类的钙盐溶液加入脲酶提取物中发现，脲酶活性较空白对照组降低了近50%。Zhang等[40]发现，利用醋酸钙胶结液养护的试样无侧限抗压强度比CaCl2、硝酸钙作为钙源时的试样要高接近50%，且试样的孔隙大小分布更均匀。Achal等[41]利用巴氏芽孢杆菌对比4种钙源对细菌活性和CaCO3产量的影响，发现CaCl2无论是对细菌生长、脲酶活性还是CaCO3产量都是最为适宜的。

4.3 施工工艺的影响

施工工艺的不同对于MICP的影响也非常明显，不同的施工方法，如修复液的掺加方式、菌种的培养方法等。在过去的几年，利用MICP技术加固建筑材料、石材和混凝土的优势已显现出来，许多学者从不同的工艺角度对MICP技术进行了实验探究[42-44]。贾强和丁鹏[45]利用微生物灌浆法研究了碳酸钙沉积规律，结果表明，每次灌浆越多，裂缝的修复效率越高，且裂缝的内壁越粗糙，越易沉积CaCO3。Barkouki等[46]等通过试验发现，要使CaCO3沉淀分布均匀，最好是采取间隔灌浆的方法。Rong等[27]为了解决在裂缝口生成的CaCO3造成入口处堵塞的情况，采用将菌液以较低流速缓慢注入，而将胶结液快速注入的方法。

综上所述，不同的菌种、胶结液的选择和浓度配比以及施工工艺等对MICP效果都有很大影响，这些因素都直接关系到碳酸钙最终的沉淀，从而影响微生物修复裂缝的加固效果。