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)水利科學研究院，廣西水工程材料與結構重點實驗室，廣西 南寧 530023；2.鄭州大學水利科學與工程學院，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.河海大學力學與材料學院，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害。隨著國家逐漸加大對地下空間資源的開發(fā)利用，建設了大量的地下能源儲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，必須對巖縫滲漏現象引起足夠的重視，及時有效地進行巖縫修補。傳統的修復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漿體注入巖石裂隙和孔洞，對裂縫進行膠結填充加固，該方法被認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度，增強其承受破壞的能力，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、工程破壞嚴重，因此探尋新型綠色的裂縫修補方法尤為重要[4-5]。

因此，本文開展微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術修復巖縫的試驗研究，其潛在的土壤固化、巖縫修復和混凝土自修復等用途吸引了眾多研究人員的關注[6-8]。利用微生物修復液具有體積小、粘性低、滲透性高等特點，能快速地進入到狹窄裂縫中，進而對裂縫進行填充與封閉，現已被廣泛應用于巖土工程的修復中，如今該方法已經被證明是一種可持續(xù)修復裂縫滲漏現象的有效解決方案。且微生物礦化修復的產物主要為方解石型碳酸鈣，與當地的石灰?guī)r性質極為相近，具有良好的穩(wěn)定性和耐久性，對環(huán)境沒有污染[9]。

1 試 驗

1.1 原材料

（1）微生物修復劑：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。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測試細菌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)，樣品常見藍灰色、青灰色，對巖石斷面處和巖縫使用超景深進行觀察，發(fā)現斷面處含有微小、不成形的晶體，呈橙黃色松散多孔狀，多白色和紅色雜質，且?guī)r縫的平均寬度在大都集中在3 mm 左右（見圖1）。

1.2 試驗方案

（1）裂縫寬度及粗糙度對巖縫物理性能及碳酸鈣（CaCO3）生成率的影響：利用XGDO-1T 型巖石切割機對巖石芯樣進行裂縫切割，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 不同寬度的待修復試樣。滴加修復液后經過7 d 后計算巖石試樣的體積修復率、密度和碳酸鈣的生成率。

（2）裂縫的寬度及粗糙度對巖石力學性能及抗?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 倍裂縫體積的膠結液，每輪滴注間隔時間為4～6 h，滴注的輪次依據該試樣裂縫體積理論所需碳酸鈣量的2 倍設計，預計需要7 d 左右。待試件修復液滴注完成，靜置數小時后再進行力學性能和耐久性能試驗。

（3）巖石修復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構。

1.3 試驗方法

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

（2）密度：巖石試樣的表觀密度采用水中稱量法按式（1）計算。

式中：ρ——表觀密度，g/cm3；

G1——烘干試樣質量，g；

G2——試樣在水中的質量，g。

（3）CaCO3生成率：在試驗前稱量經烘干的2 個斷裂面總質量m1，修復后經烘干的質量m2，填充介質的質量m3，則CaCO3實際產生量Ma、裂縫填充理論需要的CaCO3質量Mb、CaCO3生成率α 按式（2）～式（4）計算：

（4）抗壓強度：采用徑高比為1∶2 的巖樣，抗壓強度按式（5）進行計算。

（5）巖石彈性模量：巖石靜力抗壓彈性模量按照按式（6）進行計算。

（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計的ZKS 系列微機控制高精度抗?jié)B儀進行抗?jié)B性能試驗。為了便于對微生物礦化提高巖石抗?jié)B性能的試驗具有更直觀的對比，在此階段選擇礦化時間為7、9、11、13、15 d 的巖樣進行抗?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、礦化沉淀物的微觀形貌，分析微觀結構與宏觀性能之間的關系，試驗所用儀器為日立高新技術公司生產的Hitachi Su1510 型掃描電子顯微鏡。

2 結果與討論

2.1 裂縫寬度及粗糙度對巖縫體積密度的影響

巖石樣本內部會少量分布一些細微的裂隙，通過切割后原本在內部的細微裂隙會有部分被暴露出來，流動性很高的微生物修復液能夠在一定程度上對這些細微裂縫進行填補，可通過前后巖樣密度的變化比較微生物的修復效果。表1 為巖縫修復前后密度的變化，其中標號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 巖縫修復前后密度的變化

由表1 可見，經過微生物礦化修復后，巖樣的密度增長率為0.18%～0.41%。從巖石切割面來看，主要還是因為所選的幾塊巖石的內部微裂隙分布較少，所以微生物修復液能夠填充的微裂隙不多。當裂縫斷裂面的粗糙程度一致時，密度增長率的變化很小，在0.02%以內。至于有細微的差別，主要是因為少量的微裂隙得到了填充。但當裂縫的寬度一致時，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度。

2.2 裂縫寬度及粗糙度對巖縫體積修復率的影響

經過微生物礦化修復后的巖石如圖3 所示，巖縫體積修復率的計算結果如圖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，且修復深度能達到5 cm 以上。對于試樣C1，因為其裂縫寬度在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，只有部分碳酸鈣沉積在裂縫中，難以繼續(xù)生長將2個斷裂面連接起來。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，缺乏粘結效果，所以試樣C1會出現分離的現象。

（2）粗糙度對裂縫寬度越小的巖樣影響較大。當裂縫寬度為0～1 mm 時，平滑面的裂縫體積修復率只有46.42%，而粗糙面的裂縫體積修復率能夠達到77.63%，比前者提高了31.21 個百分點；而當裂縫寬度大于2 mm 時，平滑面的裂縫體積修復率為36.29%，粗糙面的裂縫體積修復率為43.37%，在此情況下只比前者提高了7.08 個百分點。

（3）由裂縫寬度對裂縫體積修復率的試驗表明，裂縫寬度對裂縫面越粗糙的巖樣影響較大。當裂縫面為平滑面時，大于2 mm 的巖樣的裂縫體積修復率為36.29%，而裂縫寬度為0～1 mm 的巖樣的裂縫體積修復率能夠達到46.42%，比前者提高了10.13 個百分點；而當裂縫面為粗糙面時，相同情況下卻提高了34.26 個百分點。

2.3 試樣粗糙程度及裂縫寬度對CaCO3 生成率的影響（見表2）

表2 裂縫面粗糙度及裂縫寬度對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。如對于裂縫寬度為0～1 mm 的巖樣，當裂縫面為平滑面時，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到75.36%，提高了33.52 個百分點；而對于裂縫寬度大于2 mm 的巖樣，相同的情況下僅僅只提高了4.61 個百分點。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 個百分點；而對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 個百分點。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抗壓強度的影響（見表3）

表3 粗糙程度及裂縫寬度對巖樣的抗壓強度的影響

由表3 可見，當裂縫寬度相同時，總體上表現為裂縫表面越粗糙的試樣其抗壓強度越高，其中巖樣的最高抗壓強度可達81.80 MPa，最低為41.54 MPa。隨著粗糙度的減小，試樣的強度恢復率逐漸降低。對0～1 mm 的試樣，最高強度恢復率為粗糙面下的93.67%，而平滑面下的強度恢復率只有68.87%，降低了24.80 個百分點。隨著裂縫寬度的增大，粗糙度對強度恢復率的影響也逐漸加大，粗糙面下大于2 mm 巖樣的強度恢復率66.61%，較0～1 mm 的降低了27.06 個百分點。可見裂縫寬度對強度恢復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巖樣彈性模量的影響（見表4）

表4 裂縫寬度對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，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，主要影響巖樣力學性能恢復程度的是裂縫中生成的碳酸鈣量，當然也包括碳酸鈣在裂縫中的粘結效果。對裂縫中生成的碳酸鈣生成量測試可知，微生物礦化修復巖縫的結果表現為裂縫寬度越小，裂縫表面粗糙度越大，其碳酸鈣粘結效果最佳，裂縫體積修復率越高，因而巖樣的彈性模量較高。

2.6 微生物礦化修復巖石的抗?jié)B性能（見圖5）

由圖5 可見，經微生物礦化修復的巖石其滲透系數在15 d后能達到10-7cm/s 的數量級，較巖溶滲漏區(qū)巖石的滲透系數降低了2～3 個數量級，達到了預期的防滲效果；隨著微生物礦化修復時間的延長，在相同水壓下巖石的滲透系數越小，修復高度越大。例如以微生物修復7 d 巖石的滲透系數為參照點，在0.1、0.2 MPa 的水壓下，經過15 d 的礦化修復，其滲透系數分別降低了25.00%、27.54%，修復高度增大了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°等附近出現了明顯的方解石和球霰石的特征衍射強峰。與之前不同的是，在修復試驗中生成的方解石型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，這一結果表明MICP 修復技術具有良好的修復效果，生成方解石為主的CaCO3與巖石基體具有很高的相容性，相比于傳統的化學漿體、水泥漿體填充加固技術，MICP 修復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及天然巖石的SEM 照片見圖7，修復試驗中沉淀物的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，晶體表面有大量長3～4 μm，寬1 μm 左右的桿狀細菌痕跡，碳酸鈣晶體正是由細菌的細胞核結晶長大的，這一結論與Xu 等[5]的研究結果相似。由圖8（i）試樣C1放大1000 倍時發(fā)現，沉淀物晶體顆粒間距較大，且大多數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，晶體的團聚現象更為明顯，這就會導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果表現一致。當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，且晶體顆粒的團聚現象越來越多，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 結論

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

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

（3）經微生物修復的巖樣強度恢復率在47.57%～93.67%之間，最高強度可達81.80 MPa。

（4）經微生物礦化修復的巖石滲透系數維持在10-7cm/s數量級以上，修復后的巖石較巖溶滲漏區(qū)的巖石的滲透系數提高了2～3 個數量級，達到了預期的防滲效果。

（5）XRD 分析結果表明，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 結果表明，當裂縫寬度相同時，隨粗糙度的增大，晶粒尺寸、晶體間團聚現象均明顯增大，球狀晶體逐漸轉變?yōu)榱骟w狀；當粗糙度相同時，隨著裂縫寬度的減小，球狀晶體、晶粒間的團聚現象均逐漸增大，而晶粒尺寸卻大幅減小。