陳建國，陳德偉，韓偉棟，杜念，鄭修寶，杜佳興，顧業(yè)蓮，張春玲

（1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530023；2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；4.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211106）

0 前言

廣西地區(qū)的巖溶地貌分布占40%以上，由于巖溶溶洞、裂隙的廣泛存在，在地下水的長期侵蝕和滲漏下，造成巖溶區(qū)發(fā)生嚴(yán)重的水土分離，加劇了巖溶區(qū)易旱易澇的特性以及山體滑坡等災(zāi)害。隨著國家逐漸加大對(duì)地下空間資源的開發(fā)利用，建設(shè)了大量的地下能源儲(chǔ)備洞庫及地鐵工程等[1]，為了確保施工安全以及后續(xù)使用階段的防滲功能，必須對(duì)巖縫滲漏現(xiàn)象引起足夠的重視，及時(shí)有效地進(jìn)行巖縫修補(bǔ)。傳統(tǒng)的修復(fù)方法一般是采取注漿加固，即利用氣壓或者液壓的手段將水泥漿體或化學(xué)漿體注入巖石裂隙和孔洞，對(duì)裂縫進(jìn)行膠結(jié)填充加固，該方法被認(rèn)為是一種長期可行的巖土加固和封堵措施[2]。注漿加固手段不僅能夠改善巖體的耐久性能和抗壓強(qiáng)度，增強(qiáng)其承受破壞的能力，也能夠提高巖體的抗?jié)B性，起到防水防滲的作用[3]。但由于傳統(tǒng)的修固方法如注漿加固法，施工條件高、環(huán)境污染大、工程破壞嚴(yán)重，因此探尋新型綠色的裂縫修補(bǔ)方法尤為重要[4-5]。

因此，本文開展微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)修復(fù)巖縫的試驗(yàn)研究，其潛在的土壤固化、巖縫修復(fù)和混凝土自修復(fù)等用途吸引了眾多研究人員的關(guān)注[6-8]。利用微生物修復(fù)液具有體積小、粘性低、滲透性高等特點(diǎn)，能快速地進(jìn)入到狹窄裂縫中，進(jìn)而對(duì)裂縫進(jìn)行填充與封閉，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于巖土工程的修復(fù)中，如今該方法已經(jīng)被證明是一種可持續(xù)修復(fù)裂縫滲漏現(xiàn)象的有效解決方案。且微生物礦化修復(fù)的產(chǎn)物主要為方解石型碳酸鈣，與當(dāng)?shù)氐氖規(guī)r性質(zhì)極為相近，具有良好的穩(wěn)定性和耐久性，對(duì)環(huán)境沒有污染[9]。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

（1）微生物修復(fù)劑：由A、B 組分兩部分組成。A 組份由尿素和微生物組成[10]。在試驗(yàn)開始前將100 mL 菌液加入至體積100 mL、濃度為0.6 mol/L 的尿素溶液。其中采用的微生物為巴氏芽孢桿菌ATCC11859 型凍干粉菌種，由北京生物保藏中心生產(chǎn)。微生物培養(yǎng)方式為：稱取LB 營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基40 g 于1 L 超純水中，并完全溶解。之后通過JSM280G-18 型高壓滅菌鍋于120 ℃的高溫高壓下蒸汽滅菌15 min，取出放置在無菌操作臺(tái)中冷卻至室溫，后將菌種接種至液體培養(yǎng)基中，再將其放置在30 ℃、200 r/min 的恒溫振蕩箱中振蕩培養(yǎng)。培養(yǎng)24 h 后在離心機(jī)中以4000 r/min 離心10 min，去掉上層純凈的培養(yǎng)基溶液，獲得的底層沉淀物即為高濃度微生物，通過稀釋，然后使用分光光度計(jì)測試細(xì)菌600 nm 波長下的光密度OD600，得到OD600=0.6 的菌種。

B 組份：100 mL 濃度為0.6 mol/L 的CaCl2溶液。

（2）巖石：取自廣西喀斯特地貌地區(qū)，樣品常見藍(lán)灰色、青灰色，對(duì)巖石斷面處和巖縫使用超景深進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷面處含有微小、不成形的晶體，呈橙黃色松散多孔狀，多白色和紅色雜質(zhì)，且?guī)r縫的平均寬度在大都集中在3 mm 左右（見圖1）。

1.2 試驗(yàn)方案

（1）裂縫寬度及粗糙度對(duì)巖縫物理性能及碳酸鈣（CaCO3）生成率的影響：利用XGDO-1T 型巖石切割機(jī)對(duì)巖石芯樣進(jìn)行裂縫切割，并將裂縫的斷裂面磨成不同的粗糙度（見圖2）。利用特定厚度的膠條拼制成縫隙＜1 mm、1～2 mm、＞2 mm 不同寬度的待修復(fù)試樣。滴加修復(fù)液后經(jīng)過7 d 后計(jì)算巖石試樣的體積修復(fù)率、密度和碳酸鈣的生成率。

（2）裂縫的寬度及粗糙度對(duì)巖石力學(xué)性能及抗?jié)B性能的影響：采用注射器每次輪流滴入1 倍裂縫體積的菌液和2 倍裂縫體積的膠結(jié)液，每輪滴注間隔時(shí)間為4～6 h，滴注的輪次依據(jù)該試樣裂縫體積理論所需碳酸鈣量的2 倍設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)需要7 d 左右。待試件修復(fù)液滴注完成，靜置數(shù)小時(shí)后再進(jìn)行力學(xué)性能和耐久性能試驗(yàn)。

（3）巖石修復(fù)階段沉淀物的基本組成與微觀形貌分析：利用XRD 觀察巖石修復(fù)階段沉淀物的基本組成元素，并使用SEM 觀察礦化后不同情況下生成的碳酸鈣微觀結(jié)構(gòu)。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）裂縫體積修復(fù)率：測量裂縫的長、寬、高，將裂縫近似于矩形計(jì)算裂縫體積，之后與修復(fù)后裂縫的體積進(jìn)行比較，從而得到裂縫體積修復(fù)率。礦化后裂縫體積由生成的CaCO3質(zhì)量間接計(jì)算得到。

（2）密度：巖石試樣的表觀密度采用水中稱量法按式（1）計(jì)算。

式中：ρ——表觀密度，g/cm3；

G1——烘干試樣質(zhì)量，g；

G2——試樣在水中的質(zhì)量，g。

（3）CaCO3生成率：在試驗(yàn)前稱量經(jīng)烘干的2 個(gè)斷裂面總質(zhì)量m1，修復(fù)后經(jīng)烘干的質(zhì)量m2，填充介質(zhì)的質(zhì)量m3，則CaCO3實(shí)際產(chǎn)生量Ma、裂縫填充理論需要的CaCO3質(zhì)量Mb、CaCO3生成率α 按式（2）～式（4）計(jì)算：

（4）抗壓強(qiáng)度：采用徑高比為1∶2 的巖樣，抗壓強(qiáng)度按式（5）進(jìn)行計(jì)算。

（5）巖石彈性模量：巖石靜力抗壓彈性模量按照按式（6）進(jìn)行計(jì)算。

（6）抗?jié)B性能：將芯樣加工為直徑150 mm，高50 mm 的圓柱體試樣，采用廣西水科院自主設(shè)計(jì)的ZKS 系列微機(jī)控制高精度抗?jié)B儀進(jìn)行抗?jié)B性能試驗(yàn)。為了便于對(duì)微生物礦化提高巖石抗?jié)B性能的試驗(yàn)具有更直觀的對(duì)比，在此階段選擇礦化時(shí)間為7、9、11、13、15 d 的巖樣進(jìn)行抗?jié)B性能測試。

（7）微觀性能：將沉淀物刮下并磨成粉末狀，通過XRD 測試分析沉淀物的組成及碳酸鈣晶體種類；利用SEM 觀察巖石自身、填充介質(zhì)、礦化沉淀物的微觀形貌，分析微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，試驗(yàn)所用儀器為日立高新技術(shù)公司生產(chǎn)的Hitachi Su1510 型掃描電子顯微鏡。

2 結(jié)果與討論

2.1 裂縫寬度及粗糙度對(duì)巖縫體積密度的影響

巖石樣本內(nèi)部會(huì)少量分布一些細(xì)微的裂隙，通過切割后原本在內(nèi)部的細(xì)微裂隙會(huì)有部分被暴露出來，流動(dòng)性很高的微生物修復(fù)液能夠在一定程度上對(duì)這些細(xì)微裂縫進(jìn)行填補(bǔ)，可通過前后巖樣密度的變化比較微生物的修復(fù)效果。表1 為巖縫修復(fù)前后密度的變化，其中標(biāo)號(hào)A、B、C 分別代表不同的裂縫表面寬度，1、2、3 分別表示代表平滑面、較粗糙面、粗糙面。

表1 巖縫修復(fù)前后密度的變化

由表1 可見，經(jīng)過微生物礦化修復(fù)后，巖樣的密度增長率為0.18%～0.41%。從巖石切割面來看，主要還是因?yàn)樗x的幾塊巖石的內(nèi)部微裂隙分布較少，所以微生物修復(fù)液能夠填充的微裂隙不多。當(dāng)裂縫斷裂面的粗糙程度一致時(shí)，密度增長率的變化很小，在0.02%以內(nèi)。至于有細(xì)微的差別，主要是因?yàn)樯倭康奈⒘严兜玫搅颂畛洹５?dāng)裂縫的寬度一致時(shí)，隨著粗糙度越大，巖樣的密度增長率也越大，這表明粗糙度越大越有利于碳酸鈣在裂縫中沉積，從而提高了試樣整體的密實(shí)度。

2.2 裂縫寬度及粗糙度對(duì)巖縫體積修復(fù)率的影響

經(jīng)過微生物礦化修復(fù)后的巖石如圖3 所示，巖縫體積修復(fù)率的計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

由圖3、圖4 可見：

（1）除試樣C1以外的其它試樣均能得到很好的修復(fù)，且修復(fù)深度能達(dá)到5 cm 以上。對(duì)于試樣C1，因?yàn)槠淞芽p寬度在2 mm 以上，且斷裂面為平滑面，沉積的碳酸鈣很難在裂縫表面上粘結(jié)，只有部分碳酸鈣沉積在裂縫中，難以繼續(xù)生長將2個(gè)斷裂面連接起來。從分離后的C1試樣可知，碳酸鈣沉淀比較松散，用硬物容易刮去，缺乏粘結(jié)效果，所以試樣C1會(huì)出現(xiàn)分離的現(xiàn)象。

（2）粗糙度對(duì)裂縫寬度越小的巖樣影響較大。當(dāng)裂縫寬度為0～1 mm 時(shí)，平滑面的裂縫體積修復(fù)率只有46.42%，而粗糙面的裂縫體積修復(fù)率能夠達(dá)到77.63%，比前者提高了31.21 個(gè)百分點(diǎn)；而當(dāng)裂縫寬度大于2 mm 時(shí)，平滑面的裂縫體積修復(fù)率為36.29%，粗糙面的裂縫體積修復(fù)率為43.37%，在此情況下只比前者提高了7.08 個(gè)百分點(diǎn)。

（3）由裂縫寬度對(duì)裂縫體積修復(fù)率的試驗(yàn)表明，裂縫寬度對(duì)裂縫面越粗糙的巖樣影響較大。當(dāng)裂縫面為平滑面時(shí)，大于2 mm 的巖樣的裂縫體積修復(fù)率為36.29%，而裂縫寬度為0～1 mm 的巖樣的裂縫體積修復(fù)率能夠達(dá)到46.42%，比前者提高了10.13 個(gè)百分點(diǎn)；而當(dāng)裂縫面為粗糙面時(shí)，相同情況下卻提高了34.26 個(gè)百分點(diǎn)。

2.3 試樣粗糙程度及裂縫寬度對(duì)CaCO3 生成率的影響（見表2）

表2 裂縫面粗糙度及裂縫寬度對(duì)CaCO3 生成率的影響

由表2 可見，總體上裂縫面越粗糙，碳酸鈣生成率越大。如對(duì)于裂縫寬度為0～1 mm 的巖樣，當(dāng)裂縫面為平滑面時(shí)，其碳酸鈣生成率只有41.84%，而在粗糙面的情況下其生成率能達(dá)到75.36%，提高了33.52 個(gè)百分點(diǎn)；而對(duì)于裂縫寬度大于2 mm 的巖樣，相同的情況下僅僅只提高了4.61 個(gè)百分點(diǎn)。表明粗糙度越高的條件下，碳酸鈣的生成率則越高。裂縫寬度的影響總體上呈現(xiàn)出裂縫寬度越小，碳酸鈣生成率越大。裂縫寬度大于2 mm 的巖樣，其碳酸鈣生成率只有28.04%，比前者降低了13.8 個(gè)百分點(diǎn)；而對(duì)于裂縫面為粗糙面的巖樣，同等情況下沉積率能只有32.65%，大幅度降低了42.71 個(gè)百分點(diǎn)。表明裂縫寬度越小，則碳酸鈣的沉積率越高。

2.4 試樣粗糙程度及裂縫寬度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響（見表3）

表3 粗糙程度及裂縫寬度對(duì)巖樣的抗壓強(qiáng)度的影響

由表3 可見，當(dāng)裂縫寬度相同時(shí)，總體上表現(xiàn)為裂縫表面越粗糙的試樣其抗壓強(qiáng)度越高，其中巖樣的最高抗壓強(qiáng)度可達(dá)81.80 MPa，最低為41.54 MPa。隨著粗糙度的減小，試樣的強(qiáng)度恢復(fù)率逐漸降低。對(duì)0～1 mm 的試樣，最高強(qiáng)度恢復(fù)率為粗糙面下的93.67%，而平滑面下的強(qiáng)度恢復(fù)率只有68.87%，降低了24.80 個(gè)百分點(diǎn)。隨著裂縫寬度的增大，粗糙度對(duì)強(qiáng)度恢復(fù)率的影響也逐漸加大，粗糙面下大于2 mm 巖樣的強(qiáng)度恢復(fù)率66.61%，較0～1 mm 的降低了27.06 個(gè)百分點(diǎn)。可見裂縫寬度對(duì)強(qiáng)度恢復(fù)率的影響高于裂縫表面粗糙度的影響。

2.5 試樣粗糙程度及裂縫寬度對(duì)巖樣彈性模量的影響（見表4）

表4 裂縫寬度對(duì)巖樣彈性模量的影響

由表4 可見，相同裂縫寬度下的巖樣，隨粗糙度的增大其彈性模量提高；而裂縫粗糙度相同時(shí)，彈性模量隨裂縫寬度的增大而降低。其中，寬度為0～1 mm 下的裂縫粗糙程度最大的巖樣彈性模量為3.13 GPa，為天然巖石的78.45%，而最低值為裂縫寬度大于2 mm 的巖樣，為0.73 MPa，只有天然巖石的18.30%。究其原因，主要影響巖樣力學(xué)性能恢復(fù)程度的是裂縫中生成的碳酸鈣量，當(dāng)然也包括碳酸鈣在裂縫中的粘結(jié)效果。對(duì)裂縫中生成的碳酸鈣生成量測試可知，微生物礦化修復(fù)巖縫的結(jié)果表現(xiàn)為裂縫寬度越小，裂縫表面粗糙度越大，其碳酸鈣粘結(jié)效果最佳，裂縫體積修復(fù)率越高，因而巖樣的彈性模量較高。

2.6 微生物礦化修復(fù)巖石的抗?jié)B性能（見圖5）

由圖5 可見，經(jīng)微生物礦化修復(fù)的巖石其滲透系數(shù)在15 d后能達(dá)到10-7cm/s 的數(shù)量級(jí)，較巖溶滲漏區(qū)巖石的滲透系數(shù)降低了2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了預(yù)期的防滲效果；隨著微生物礦化修復(fù)時(shí)間的延長，在相同水壓下巖石的滲透系數(shù)越小，修復(fù)高度越大。例如以微生物修復(fù)7 d 巖石的滲透系數(shù)為參照點(diǎn)，在0.1、0.2 MPa 的水壓下，經(jīng)過15 d 的礦化修復(fù)，其滲透系數(shù)分別降低了25.00%、27.54%，修復(fù)高度增大了90.30%。

2.7 微觀分析

2.7.1 XRD 分析（見圖6）

由圖6 可見，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°等附近出現(xiàn)了明顯的方解石和球霰石的特征衍射強(qiáng)峰。與之前不同的是，在修復(fù)試驗(yàn)中生成的方解石型CaCO3明顯增多。利用Jade 軟件分析表明，相同裂縫寬度下的試樣，隨著粗糙度的增大，裂縫中生成的方解石型CaCO3越來越多，這一結(jié)果表明MICP 修復(fù)技術(shù)具有良好的修復(fù)效果，生成方解石為主的CaCO3與巖石基體具有很高的相容性，相比于傳統(tǒng)的化學(xué)漿體、水泥漿體填充加固技術(shù)，MICP 修復(fù)極大地提高了巖樣整體的穩(wěn)定性。

2.7.2 SEM 分析

碳酸鈣粉末填充介質(zhì)及天然巖石的SEM 照片見圖7，修復(fù)試驗(yàn)中沉淀物的SEM 照片見圖8。

由圖7 可見，碳酸鈣粉末的微觀形貌為片狀雪花型，天然的巖石微觀形貌呈致密的六面體狀的方解石特征，未見球霰石所常有的球形，這證明球霰石不是天然條件下產(chǎn)生的碳酸鈣。

由圖8 可見，沉淀物有多種形貌，包括球狀、六面體狀、不規(guī)則多面體狀等，且晶體表面不光滑。如圖8（h）所示，試樣B3放大3000 倍時(shí)，晶體表面有大量長3～4 μm，寬1 μm 左右的桿狀細(xì)菌痕跡，碳酸鈣晶體正是由細(xì)菌的細(xì)胞核結(jié)晶長大的，這一結(jié)論與Xu 等[5]的研究結(jié)果相似。由圖8（i）試樣C1放大1000 倍時(shí)發(fā)現(xiàn)，沉淀物晶體顆粒間距較大，且大多數(shù)晶體顆粒粒徑不超過10 μm，沉淀物的致密性很差。

通過橫縱2 個(gè)方向來觀察比較沉淀物形貌的差異性，橫向即相同裂縫寬度下，不同粗糙度的影響；縱向即相同粗糙度下，不同裂縫寬度的影響。如裂縫寬度為1～2 mm 的試樣，如圖8（a）～（f）所示，從試樣B1到B3六面體狀和不規(guī)則多面體狀形貌的的晶體逐漸增多，同時(shí)晶體顆粒尺寸也明顯增大，從15～20 μm 增長到30 μm 以上。且隨著粗糙度的增大，晶體的團(tuán)聚現(xiàn)象更為明顯，這就會(huì)導(dǎo)致裂縫中的沉淀物更加致密，提高了試樣的密度，與試樣密度的測試結(jié)果表現(xiàn)一致。當(dāng)觀察相同粗糙度下的情況，如從試樣C3到A3，隨著裂縫寬度的減小，微觀形貌為球狀的晶體逐漸增多，且晶體顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象越來越多，即增加了致密性，但是晶體顆粒的尺寸也顯著減小，由30 μm 減小至6 μm 左右。

3 結(jié)論

（1）通過微生物修復(fù)7 d 的試樣其修復(fù)深度能達(dá)到5 cm以上，且裂縫寬度在2 mm 以內(nèi)的巖樣均能夠被較好地修復(fù)。

（2）當(dāng)巖縫表面越粗糙、巖縫寬度越小時(shí)，試樣的體積修復(fù)率越高。且經(jīng)過微生物修復(fù)后，試樣平均密度從2.704 g/cm3增長到2.712 g/cm3。

（3）經(jīng)微生物修復(fù)的巖樣強(qiáng)度恢復(fù)率在47.57%～93.67%之間，最高強(qiáng)度可達(dá)81.80 MPa。

（4）經(jīng)微生物礦化修復(fù)的巖石滲透系數(shù)維持在10-7cm/s數(shù)量級(jí)以上，修復(fù)后的巖石較巖溶滲漏區(qū)的巖石的滲透系數(shù)提高了2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了預(yù)期的防滲效果。

（5）XRD 分析結(jié)果表明，生成的沉淀物以方解石和球霰石兩種物相的碳酸鈣晶體為主，與巖石基體具有高度的相容性；SEM 結(jié)果表明，當(dāng)裂縫寬度相同時(shí)，隨粗糙度的增大，晶粒尺寸、晶體間團(tuán)聚現(xiàn)象均明顯增大，球狀晶體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱骟w狀；當(dāng)粗糙度相同時(shí)，隨著裂縫寬度的減小，球狀晶體、晶粒間的團(tuán)聚現(xiàn)象均逐漸增大，而晶粒尺寸卻大幅減小。