不同處理工藝下微生物對巖石裂縫加固效果影響

單治鋼，周 楠，侯王相，陳 琦，寇海磊

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311100； 2.海洋巖土工程勘察技術與裝備浙江省工程研究中心，浙江 杭州 311100； 3.中國海洋大學, 山東 青島 266100)

微生物誘導碳酸鈣沉淀（Microbial Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP）技術是新興的巖土加固技術。該技術利用微生物新陳代謝誘導產(chǎn)生碳酸鈣結晶，其本質是微生物分泌的脲酶水解尿素產(chǎn)生碳酸根離子與微生物周圍游離的鈣離子結合生成碳酸鈣沉淀[1]。MICP 技術具有漿液黏稠性低、流動性好、反應速率可控等優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)水泥注漿而言，MICP 技術是一種綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的加固技術，具有較好的應用前景[2-4]。

國內外學者對MICP 技術在土體加固方面開展了大量的研究工作[5-10]，但對微生物修復巖體或巖石裂隙方面開展的研究工作則相對較少。Boquet 等[11]發(fā)現(xiàn)巖石中存在的部分微生物具有裂縫修復的作用，并且經(jīng)其誘導產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀在微生物死亡后還能繼續(xù)發(fā)揮其封堵作用；Phillips 等[12-13]利用MICP 技術對巖石節(jié)理進行了室內單元尺度與現(xiàn)場中試封堵試驗，通過對修復前后巖石裂隙滲透系數(shù)進行定量分析，發(fā)現(xiàn)MICP 技術加固巖石裂縫后其滲透系數(shù)有所降低；Wu 等[14]對巖石裂縫中微生物漿液的空間分布及其對滲透性的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)沿斷口流動方向的MICP 析出物呈對數(shù)正態(tài)分布；支永艷等[15]對微生物加固巖石裂縫與水泥漿加固巖石裂縫效果進行了比較，并對不同圍壓、滲透壓力作用下修復前后裂縫單位時間滲流量變化進行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著圍壓逐漸增大，修復后巖石裂縫滲流量逐漸減小并趨于平穩(wěn)；鄧紅衛(wèi)等[16]開展了黃砂巖裂縫的微生物修復試驗，研究了注漿時間對黃砂巖裂縫修復效果及修復機制的影響，注漿時間越長，修復后巖石裂縫抗?jié)B性能越好，界面剪切強度越高；彭述權等[17]針對紅砂巖裂縫進行了微生物修復試驗，研究了裂縫寬度及圍壓變化對巖石裂縫滲透系數(shù)的影響機制，發(fā)現(xiàn)裂縫寬度與圍壓變化對修復后裂縫滲透系數(shù)變化具有一定影響，滲透系數(shù)隨施加圍壓的增大呈冪函數(shù)降低；肖維民等[18]利用類巖石材料模擬巖石節(jié)理，分別采用MICP 技術和水泥注漿方法對其進行加固，并通過直剪試驗測定加固后界面抗剪強度，得出MICP 技術優(yōu)于水泥注漿方法的結論。以上學者雖然對微生物加固巖石裂縫效果進行了一定程度的研究，但對不同處理工藝及膠結液濃度對巖石裂縫加固效果的量化影響研究較少，而合適的處理工藝及膠結液濃度對微生物加固巖石裂縫至關重要。

本文采用蠕動泵注漿和浸泡灌漿兩種工藝加固巖石裂縫，確定最優(yōu)微生物加固巖石裂縫工藝?；谏鲜鲈囼灲Y果得出的最優(yōu)處理工藝，開展不同膠結液濃度（0.5、0.7、1.0 mol/L）條件下微生物浸泡灌漿加固巖石裂縫試驗，確定膠結液濃度對加固效果影響的量化機制，為微生物誘導碳酸鈣沉淀技術加固巖石裂縫提供理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試樣制備

試驗所用巖樣從青島某邊坡花崗巖鉆孔取樣獲得。巖樣為青島地區(qū)典型脆性巖石，質地堅硬且具有較高強度的熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性，主要由石英、正長石及斜長石等礦物組成。根據(jù)《巖石物理力學性質試驗規(guī)程》將所取巖樣制備成3 種不同尺寸標準試樣，將巖樣安裝在試驗裝置的水平承臺上，利用記號筆和游標卡尺標定裂縫位置并控制預期裂縫寬度，通過機械切割人為制造出寬度為1.0 mm 的裂縫模擬天然巖石裂縫，如圖1 所示。

圖1 試驗用巖樣Fig.1 Rock samples for testing

1.2 菌液與營養(yǎng)液

試驗所用菌種為巴氏芽孢桿菌。試驗用培養(yǎng)液的制備按酵母提取物2.0 g、硫酸銨1.0 g、Tris-HCL 2.1 g 的比例稱量配制，然后加入100 mL 去離子水攪拌溶解，調節(jié)培養(yǎng)液pH 值至9.0 以模擬海水堿性環(huán)境。將培養(yǎng)液放至滅菌鍋中在121 ℃ 高溫高壓條件下進行滅菌，目的是避免雜菌與巴氏芽孢桿菌爭奪營養(yǎng)液影響巴氏芽孢桿菌的增殖。滅菌結束后將培養(yǎng)基放入無菌超凈臺中靜置，待溫度降至30～40 ℃后，方可進行菌種接種。按每100 mL 培養(yǎng)液5%的接種量將菌種接種至培養(yǎng)基中，全程在超凈臺酒精燈旁操作，以防混入雜菌影響菌液的純度。接種完畢后，將菌液置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中振蕩培養(yǎng)24 h，培養(yǎng)溫度37 ℃、轉速為130 rpm ，直至溶液明顯渾濁且沒有白色絮狀物，確保細菌生長良好。為測定擴大培養(yǎng)后菌液中的細菌濃度，利用UNICO2000 可見分光光度計進行測量。經(jīng)測定，巴士芽孢桿菌的OD600值為2.3，滿足試驗需要。利用便攜式電導率儀測定菌液活性，其原理為尿素水解過程中，將原本不導電的尿素水解為可導電的銨根離子和碳酸根離子，從而使溶液電導率上升，采用電導率儀測量溶液電導率的變化，所測每分鐘溶液電導率的變化值與酶分解尿素的速度成正比，以此來反映酶的活性。經(jīng)測試，本次試驗中巴士芽孢桿菌的初始脲酶活性約為0.82 ms/(cm·min)。

試驗過程中，膠結液采用尿素溶液與氯化鈣溶液的混合液，為分析不同膠結液濃度對加固效果的影響，分別配制0.5、0.7 和1.0 mol/L 共3 種不同濃度的膠結液。

1.3 試驗過程

本次試驗分兩組進行，具體試驗信息如表1 所示，第1 組試驗為對比不同處理工藝（蠕動泵注漿、浸泡灌漿）修復巖石裂縫效果。試驗過程中試樣首先注入菌液100 mL，蠕動泵注入速率為3 mL/min（整個注漿時間約為33 min），2 h 后注入膠結液100 mL，12 h 后再次注入100 mL 膠結液，此為第1 輪注漿。為保證注漿的均勻性，第1 輪注漿結束后將試樣倒置再進行第2 輪注漿，蠕動泵注漿共進行6 輪注漿，注漿過程如圖2 所示。

表1 試樣信息匯總Tab.1 Summary of sample information

圖2 蠕動泵注漿試驗Fig.2 Diagram of peristaltic pump grouting

浸泡灌漿修復巖石裂縫過程中，將用綁帶綁扎好裂縫的巖樣置于玻璃箱中，保持裂縫面水平以保證最大程度地對裂縫進行修復。然后將6 瓶300 mL 菌液（共計1 800 mL）倒入玻璃箱中使試樣完全浸泡在菌液中，每間隔12 h 向玻璃箱中灌入膠結液，膠結液與菌液體積比為1∶1。需要注意的是，灌入新的菌液之前需要將上次灌注玻璃箱中舊的菌液用管子全部引出。為保證與蠕動泵注漿處理工藝的一致性，整個浸泡灌漿過程持續(xù)6 d，試驗過程如圖3 所示。

圖3 浸泡灌漿試驗過程Fig.3 Immersion grouting test process

第1 組試驗巖石裂縫修復完成后，通過WDW3100 電子式萬能試驗機分別測試蠕動泵注漿、浸泡灌漿修復巖石裂縫界面剪切強度，記錄試樣破壞時最大剪應力并觀察裂縫界面生成物的形態(tài)。

第2 組試驗是在第1 組試驗的基礎上采用相同的浸泡灌漿，研究不同膠結液濃度對微生物浸泡注漿對巖石修復裂縫界面剪切強度的影響。試驗過程中將水槽劃分為3 個體積相等的隔間，將用綁帶綁扎好裂縫的巖樣置于玻璃箱中，始終保持試樣的裂縫面水平，有利于最大程度保證微生物修復效果。根據(jù)《巖石物理力學性質試驗規(guī)程》，采用圓形及方形試樣對修復效果進行量化分析。浸泡灌漿試驗結束后，將試樣晾曬后利用自行改進的應變控制式電動直剪儀進行界面剪切試驗，如圖4 所示。試驗過程中，試樣施加法向應力分別為50、100 及150 kPa，測定不同巖石試樣裂縫修復后的界面剪切強度。為比較微生物灌漿濃度對巖石裂縫的修復效果，第2 組試驗同樣以未經(jīng)過微生物灌漿處理的巖石裂縫作為對照組。

圖4 改造后應變控制式電動直剪儀Fig.4 Modified strain controlled electric direct shear instrument

2 結果與分析

2.1 不同處理工藝加固巖石裂縫的界面剪切強度

將不同工藝加固巖石裂縫后的巖樣取出后晾曬，如圖5 所示。從圖5 可見，采用蠕動泵注漿與浸泡灌漿處理后，巖樣裂縫處產(chǎn)生肉眼可見的碳酸鈣沉淀，該碳酸鈣沉淀將裂縫填充。采用蠕動泵注漿工藝處理后的巖樣表面光滑，表面附著及裂縫間填充碳酸鈣較少且顆粒較??；浸泡灌漿工藝處理后的巖樣表面因附著沉淀較多顯粗糙，且裂縫間沉淀較多且黏結顆粒較大粘結成團，封堵效果較好。

圖5 不同巖樣情況對比Fig.5 Comparison of different rock samples

蠕動泵注漿、浸泡灌漿加固巖石裂縫后巖樣界面抗剪強度變化趨勢見圖6。分析可知，蠕動泵注漿巖樣加固后界面剪切強度平均值約為0.28 MPa，而浸泡灌漿巖樣加固后界面的抗剪強度平均值約為0.89 MPa，約為前者的3.2 倍。剪切試驗結束后，觀察巖石裂縫界面修復情況，據(jù)此可獲得巖石裂縫修復面積。在此基礎上，可求出不同處理工藝下微生物加固區(qū)域的有效黏結應力。計算可知，蠕動泵注漿微生物加固區(qū)域的有效黏結應力約為14.68 kPa，浸泡灌漿微生物加固區(qū)域的有效黏結應力約為45.06 kPa，約為前者的3 倍。

圖6 蠕動泵注漿與浸泡灌漿試樣界面剪切強度Fig.6 Interfacial shear strength between peristaltic pump grouting and immersion grouting samples

上述分析表明，相比于蠕動泵注漿處理工藝，浸泡灌漿修復巖樣效果更好，修復后界面剪切強度更高。其原因在于：一方面，蠕動泵注漿過程中菌液與膠結液在巖石裂縫中始終處于流動狀態(tài)，菌液與膠結液的反應時間不足，弱化了碳酸鈣沉淀生成量；另一方面，隨著碳酸鈣在裂縫邊緣不斷沉淀，阻礙了后續(xù)菌液與營養(yǎng)液的注入，巖石裂縫內部碳酸鈣沉淀越來越少，沒有很好地附著在巖石裂縫面內部對巖石進行粘結；而采用浸泡灌漿處理時，巖樣裂縫長時間浸泡在菌液與膠結液環(huán)境中，二者反應時間較長，相同時間內浸泡灌漿生成的碳酸鈣更多，且碳酸鈣大量附著在巖樣裂縫中，從而對巖石裂縫起到了較好的封堵效果。同時，兩種修復工藝菌液流動路徑不同，如圖7 所示。蠕動泵注漿主要從巖樣上部和下部滲入裂縫內部對裂縫進行加固，而浸泡灌漿由于巖樣與菌液或膠結液完全接觸，漿液可從巖樣裂縫四周完全滲入，相同時間、相同菌液濃度內浸泡灌漿加固面積更大，這同樣可以解釋浸泡灌漿加固巖樣裂縫效果更好的原因。

圖7 注漿巖樣菌液流動示意Fig.7 Flow diagram of rock sample bacteria fluid during grouting

2.2 膠結液濃度對浸泡灌漿加固界面強度的影響

圖8、圖9 分別為圓柱體和長方體試樣的剪應力-剪切位移關系曲線。分析可知，隨著剪切位移逐漸增大，巖石界面剪應力逐漸增大。對于未修復巖樣（圖8(a)和圖9(a)），當剪切位移達到0.93～1.07 mm 時，剪應力達到峰值后逐漸趨于平穩(wěn)。浸泡灌漿加固巖樣，剪切過程中未出現(xiàn)剪應力峰值直至發(fā)生破壞。這主要是由于微生物注漿加固后巖石界面剪切模式發(fā)生變化所致；當膠結液濃度相同時，巖樣剪切過程中剪切強度隨法向應力增大逐漸增大，這是因為界面-碳酸鈣沉淀-界面三者之間均存在摩擦力，界面摩擦力隨法向壓力的增大而逐漸增大；在法向應力不變的情況下，隨膠結液濃度增加巖石界面剪切強度峰值逐漸增大。相比未加固巖樣，1.0 mol/L 膠結液加固后巖樣界面剪切強度為未修復巖樣的4～5 倍，可見膠結液濃度對巖石裂縫修復效果影響顯著。在相同膠結液濃度、法向應力作用下，長方體巖樣加固后界面剪切強度高于圓柱體巖樣50～100 kPa。這是由于長方體巖樣的裂縫長度大于圓柱體裂縫長度，菌液可以更好地在巖樣裂縫中生成碳酸鈣沉淀以對巖樣裂縫進行加固，由此說明菌液與巖樣裂縫接觸得越充分，裂縫加固效果越好。

圖9 長方體試樣剪應力-位移關系曲線Fig.9 Shear stress-shear displacement relation curve of cuboid sample

圖10 為圓柱體、長方體巖樣剪切應力峰值與法向應力關系曲線。根據(jù)關系曲線，可得巖石裂縫修復后界面黏聚力及摩擦角（見表2）。可以看出，浸泡灌漿工藝處理后圓柱體、長方體巖樣界面摩擦角為40°～60°。對于修復后巖石界面黏聚力而言，圓柱體巖樣裂縫界面黏聚力介于33.92～48.64 kPa，而長方體巖樣裂縫界面黏聚力介于128.64～142.72 kPa，為圓柱體巖樣界面黏聚力的2.9～3.8 倍；0.5、0.7 和1.0 mol/L 膠結液處理后圓柱體巖樣黏聚力分別為未加固巖石裂縫黏聚力的106、116 和152 倍，灌漿工藝加固后長方體巖樣黏聚力分別為未加固巖石裂縫黏聚力的22、24 和25 倍。

表2 試樣界面剪切參數(shù)Tab.2 Interfacial shear parameters of samples

圖10 巖樣的剪應力峰值與法向應力關系曲線Fig.10 Relation curve of peak shear stress and normal stress of rock samples

圖11 為圓柱體、長方體巖樣黏聚力隨膠結液濃度變化曲線?？梢?，圓柱體、長方體巖樣黏聚力隨培養(yǎng)液濃度增大呈線性增長趨勢，長方體巖樣加固后裂縫界面黏聚力增長速度明顯高于圓柱體巖樣。由此可知，黏聚力和界面摩擦角與膠結液濃度密切相關。一定濃度范圍內，營養(yǎng)液濃度越高，生成的碳酸鈣沉淀的速度越快且生成量越大，裂縫中碳酸鈣晶體的存在有效地在裂縫處結構面膠結，生成的碳酸鈣晶體顆粒之間相互粘結與包裹，使原本分離的兩個結構面以晶體顆粒作為骨架（類似物理鍵的聯(lián)結作用）粘結在一起。同樣可知，無論是碳酸鈣晶體之間的膠結，還是碳酸鈣晶體與巖石之間的膠結，其黏聚力和界面摩擦角相比巖石與巖石接觸均有顯著增大，因此其抗剪強度也得到提高。

圖11 裂縫界面黏聚力c 隨膠結液濃度變化Fig.11 Variation of interfacial cohesion of dimensionless fractures with concentration of cementing fluid

2.3 浸泡灌漿加固界面碳酸鈣沉淀形態(tài)

裂縫界面剪切試驗結束后，將浸泡灌漿處理后的圓柱體巖樣裂縫表面生成物刮下后進行掃描電子顯微鏡(SEM)試驗，以獲得巖石裂縫界面碳酸鈣沉淀分布情況與外貌特征。圖12 為放大100 倍后碳酸鈣結晶空間形態(tài)分布?？梢钥闯?，不規(guī)則裂縫破壞面上碳酸鈣晶粒之間填充程度好，結晶程度高，顆粒體積大小不一，細小顆?；ハ嗾辰Y聚集成較大顆粒，較大顆粒同時能夠吸附細小的顆粒，使原本分離的兩個結構面之間產(chǎn)生以晶體顆粒為骨架的物理作用鍵，從而最終達到填充孔隙的效果。與此同時，平整巖樣表面生成的碳酸鈣晶體結構表面較為平整、質地密實，基本無孔隙和細小的裂縫，這是由于碳酸鈣晶體的結構面比較堅硬，且生成物的生成形態(tài)附和了結構面的形態(tài)特征，與巖樣表面緊密地粘結在了一起。

圖12 界面碳酸鈣沉淀形態(tài)電鏡掃描Fig.12 SEM of interface calcium carbonate precipitation morphology

3 結 語

本文利用蠕動泵注漿與浸泡灌漿兩種不同工藝對微生物誘導碳酸鈣沉淀加固巖石裂縫效果進行分析，在此基礎上，研究了0.5、0.7、1.0 mol/L 膠結液濃度下不同裂縫截面的巖樣界面剪切強度變化規(guī)律，所得結論如下：

（1）蠕動泵注漿巖樣加固后界面剪切強度平均值為0.28 MPa，浸泡灌漿巖樣加固后界面抗剪強度平均值約為0.89 MPa。相比于蠕動泵注漿工藝，浸泡灌漿對巖樣裂縫加固效果更好，其主要原因是浸泡灌漿巖樣與菌液的接觸范圍更大，菌液滲透路徑更廣。

（2）膠結液濃度是浸泡灌漿加固巖石裂縫的主要影響因素。一定范圍內，膠結液濃度越高，加固后巖石裂縫界面剪切強度越高。相較于未處理的巖樣，經(jīng)過浸泡灌漿修復的巖樣黏聚力提高顯著，且加固后的長方體巖樣黏聚力是圓柱體巖樣的3～4 倍。