基于多場多相模型MICP修復(fù)混凝土數(shù)值模擬分析*

寇海磊, 李振東, 張西鑫

(1. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 中國海洋大學(xué)山東省海洋工程重點實驗室, 山東 青島 266100)

混凝土材料因其自身高抗壓性、良好耐久性以及較好的經(jīng)濟性等優(yōu)點成為了建筑工程中使用最為廣泛的材料,已在世界各地被廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)中[1-3]。隨著中國重大戰(zhàn)略和建設(shè)項目的推進和實施,海洋環(huán)境下服役的混凝土日益增加。然而海洋環(huán)境下混凝土服役期間面臨的環(huán)境非常惡劣,大量的海洋工程面臨實際使用年限遠小于設(shè)計使用年限的難題。有調(diào)查指出,海工混凝土破壞主要是由于海洋的惡劣環(huán)境而引起的基體開裂、鋼筋銹蝕(見圖1),進而對混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性產(chǎn)生負面影響,最終可能出現(xiàn)嚴重的工程問題[4]。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)技術(shù)是巖土工程領(lǐng)域一個前沿研究課題,被用于解決環(huán)境污染、建筑結(jié)構(gòu)和巖土工程等問題。近年來,對混凝土以及天然石材結(jié)構(gòu)的修復(fù)作用取得了一定進展[5]。

圖1 海洋環(huán)境下混凝土侵蝕

MICP技術(shù)已在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用并取得了一定的成果,例如在砂土加固領(lǐng)域[6-14]、巖石裂隙修復(fù)領(lǐng)域[15-16]以及海岸帶加固修復(fù)領(lǐng)域[17-18]等。在混凝土裂縫修復(fù)領(lǐng)域,袁杰等[19]研究了微生物礦化對混凝土裂縫修復(fù)的作用,發(fā)現(xiàn)修復(fù)后可封閉裂縫表面并填充裂縫體積50%以上,但是無法觀測每次注射修復(fù)對裂縫的性能補償;陳潤發(fā)等[20]研究了微生物對混凝土細小裂縫的修復(fù)效果,發(fā)現(xiàn)修復(fù)后試件的滲透性和強度都得到了提高,然而試驗只選用了一種濃度的膠結(jié)液(0.5 mol/L),并沒有探究膠結(jié)液濃度對修復(fù)效果的影響;練繼建等[21]研究了微生物對混凝土裂縫的修復(fù),并發(fā)現(xiàn)裂縫深度會影響微生物礦化的均勻性,經(jīng)修復(fù)后的滲透性可降低四個數(shù)量級,但試驗中未考慮菌液濃度以及注漿速率對修復(fù)效果的影響;王瑞興等[22]將離心后的菌株、砂、瓊脂和膠結(jié)物質(zhì)混合成漿體,注入水泥裂隙中,最終發(fā)現(xiàn)砂粒被緊密膠結(jié)在裂縫中,且28 d后水泥抗壓強度較修復(fù)前提高了76%,然而試驗也未考慮濃度變化以及處理次數(shù)對修復(fù)效果的影響;賈強等[23]研究了微生物灌漿次數(shù)與混凝土裂縫滲水速度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)灌漿次數(shù)可明顯降低裂縫的滲水速度,但試驗中未考慮灌漿速率的影響;曹輝等[24]研究了微生物對不同寬度和深度的混凝土裂縫的修復(fù)效果,發(fā)現(xiàn)隨裂縫深度和寬度的增減修復(fù)效果減弱,但該研究沒有考慮微生物濃度變化的影響,也未指出裂縫不同深度位置處的修復(fù)效果;郭紅仙等[25]研究了微生物在不同鈣源下對水泥裂縫的修復(fù)效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鈣源種類無顯著影響,修復(fù)后試塊吸水率降低10%,但只進行了固定濃度和速率下的試驗,未考慮濃度、注漿速率和次數(shù)變化對修復(fù)效果的影響。MICP技術(shù)作用機理復(fù)雜,涉及到一系列生物化學(xué)耦合作用。以往研究對多相模型分析較少,多場多相因素考慮不全面。因此有必要基于多場多相模型對MICP技術(shù)修復(fù)效果進行分析。

本文在現(xiàn)有研究的理論基礎(chǔ)之上,建立了三維生物-化學(xué)-滲流模型,模擬了不同微生物初始濃度、膠結(jié)液濃度、注漿速率以及注漿次數(shù)對于碳酸鈣沉淀生成量、尿素水解速率以及滲透率的影響,對各參數(shù)空間分布規(guī)律進行了定性分析,為微生物注漿修復(fù)混凝土裂縫提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)介紹

在工程中,通常使用巴氏芽孢桿菌進行MICP修復(fù)。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的化學(xué)反應(yīng)過程可分為兩步:(1)巴氏芽孢桿菌在自身的新陳代謝活動中會產(chǎn)生大量脲酶,脲酶會起到催化劑的作用,在脲酶的催化作用下,尿素會發(fā)生水解,生成碳酸根離子與銨根離子;(2) 尿素水解反應(yīng)生成的碳酸根離子與介質(zhì)環(huán)境中的鈣離子結(jié)合形成碳酸鈣沉淀[26]。

尿素在脲酶催化作用下的水解方程式:

CO(NH2)2+2H2O→ 2NH4++CO32-。

(1)

生成碳酸鈣沉淀的方程式:

Ca2++CO32-→CaCO3。

(2)

將式(1)和(2)進行聯(lián)合,可得到MICP過程的總反應(yīng)方程式:

CO(NH2)2+Ca2++2H2O → 2NH4++CaCO3。

(3)

整個反應(yīng)過程發(fā)生在多孔介質(zhì)溶液環(huán)境中,最終反應(yīng)產(chǎn)物碳酸鈣沉淀會起到填充和膠結(jié)的作用,從而可以實現(xiàn)對于裂隙的填充和封堵,改善混凝土裂隙的滲透率和孔隙率,從而改善混凝土的耐久性。

2 模型簡介、基本參數(shù)與邊界條件

2.1 模型簡介

為深入了解MICP技術(shù)修復(fù)裂隙機制,本文利用COMSOL軟件對生物、化學(xué)、滲流三個物理場進行模型建立。首先是生物場,多孔介質(zhì)系統(tǒng)中微生物的濃度變化以及時空分布會影響化學(xué)反應(yīng)的速率,模型中考慮了細菌的生長、吸附和衰退?；瘜W(xué)場指反應(yīng)物與生成物的消耗和擴散。在進行MICP注漿修復(fù)時,通常采用分步注漿法,因此,滲流場有兩步涉及達西定律:第一步先注入菌液;第二步注入膠結(jié)液(等摩爾濃度的尿素溶液與鈣源溶液),以避免過早的產(chǎn)生碳酸鈣沉淀,降低對于注漿口的堵塞以及碳酸鈣沉淀的不均勻分布。這兩步注漿在模型中各采用1次達西定律進行定義和實現(xiàn)。

本文針對MICP修復(fù)混凝土裂縫進行數(shù)值模擬研究,在對模型進行一定程度的簡化后展開如下研究:

(1) 菌液注入后在裂隙系統(tǒng)中的對流擴散以及時空分布;

(2) 微生物在MICP反應(yīng)過程中的吸附和衰退;

(3) 微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀的時空分布;

(4) 碳酸鈣沉淀對于裂隙滲透率和孔隙率的降低影響;

(5) 添加邊界條件,改變注漿時間和初始濃度進行變參數(shù)分析,探究對修復(fù)效果的影響。

2.2 模型基本參數(shù)與邊界條件

本文針對標準混凝土試塊進行MICP注漿方案的模擬分析,在貫穿裂縫頂部設(shè)置三個注漿口,以恒定的注入速率進行菌液和膠結(jié)液的分步注漿。模型基準參數(shù)如表1所示,半飽和常數(shù)、最大脲酶常數(shù)以及微生物的衰退系數(shù)和時間常數(shù)對MICP反應(yīng)有關(guān)鍵的影響,結(jié)合本次模擬的實際情況,以上參數(shù)的選取參考了文獻[27-29]的研究。注漿方案如表2所示,邊界條件如表3所示。

表1 模型中參數(shù)取值[27]

表2 數(shù)值模擬注漿方案[27]

表3 數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置

3 數(shù)值模型的建立與驗證

本文所建立的模型尺寸與標準混凝土試塊相同,試塊中間位置處設(shè)定一條寬度為2 mm的貫穿裂縫(見圖2)。由于混凝土自身的滲透系數(shù)很低,因此本文所進行的數(shù)值模擬計算沒有考慮裂隙與周圍混凝土基體之間的對流擴散。采用設(shè)置灌漿孔的方式進行MICP注漿修復(fù),注漿口尺寸為10 mm×2 mm×5 mm,為了簡化計算,后續(xù)計算中單獨對裂縫域進行了模擬計算,裂縫域如圖2所示。

((a) 立體視圖 3D view; (b) 俯視圖 Top view。單位 Unit: m。)圖2 幾何模型示意圖

先前研究指出,當混凝土裂縫寬度較小時,不適合采用填砂修復(fù),需要直接利用MICP生成的碳酸鈣進行封堵。當裂縫寬度超過2 mm時,僅依靠微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣進行裂隙修復(fù)封堵的效率很低,因此本模擬采用在注漿之前向裂縫中灌入一定質(zhì)量的細砂,砂顆粒粒徑為0.25 mm,孔隙率初始值為0.45[6]。依靠砂顆粒在裂縫中形成的骨架,再結(jié)合微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀對裂縫進行封堵修復(fù)。

數(shù)值模擬的精度與所采用的網(wǎng)格劃分有直接關(guān)系,COMSOL軟件自帶網(wǎng)格劃分功能,比較了粗化、常規(guī)和細化三種大小和密度的網(wǎng)格并對網(wǎng)格的敏感性進行了分析計算,以滲透率作為評價指標,最終得到的計算結(jié)果差別不大。因此,本文最終選用了常規(guī)網(wǎng)格劃分,最大單元大小為0.015 m,最小單元大小為0.002 7 m,最大單元增長率為1.5,曲率因子為0.6。通過瞬態(tài)研究進行了后續(xù)的數(shù)值模擬計算,裂縫域的三維網(wǎng)格劃分如圖3所示。

(裂縫寬度為2 mm。The crack width 2 mm.單位 Unit:m。)圖3 裂縫區(qū)域三維網(wǎng)格

3.1 微生物的衰退、吸附

在本文中,對微生物的衰退與吸附進行了定義,沒有考慮微生物的生長繁殖,因為在MICP實際應(yīng)用中,菌液首先在實驗室進行了活化培養(yǎng),達到所需濃度和活性后再進行試驗應(yīng)用。在數(shù)值模型定義中,假定細菌的衰退由衰退系數(shù)kd主導(dǎo),與衰退系數(shù)呈線性變化,且吸附態(tài)與游離態(tài)微生物的衰退系數(shù)相同。菌液的濃度變化可定義為:

(4)

式中:Cbact為菌液總濃度,cells/mL;t為注漿時間,s。

在本文中,菌液以兩種形式存在,即懸浮在介質(zhì)溶液中且可隨溶液移動的細菌(菌液濃度Cbacl)和吸附在固體顆粒上且不可移動的細菌(菌液濃度Cbacs)。吸附態(tài)菌液的數(shù)量取決于所處環(huán)境中所有的懸浮態(tài)的菌液數(shù)量。文獻[27]中指出,細菌的吸附可通過具有恒定吸附系數(shù)katt的一階動力學(xué)模型進行定義。

吸附態(tài)菌液的濃度變化為:

(5)

懸浮態(tài)菌液的濃度變化為:

(6)

菌液的反應(yīng)運輸方程定義為:

(7)

式中:φ為多孔介質(zhì)體系的孔隙率;Dbacl為細菌的彌散張量,m2/s;u為達西速度場的滲流速度,m/s;katt為細菌的吸附系數(shù),1/s;kd為細菌的衰退系數(shù),1/s。

3.2 尿素水解反應(yīng)速率

先前的研究指出,可以采用一個動力學(xué)控制反應(yīng)模型來定義MICP過程的反應(yīng)速率,在該動力學(xué)模型中,反應(yīng)由總體動力學(xué)速率(kurea)控制。本文基于脲酶活性會隨時間衰退的現(xiàn)象[30],采用指數(shù)型方程來定義脲酶活性隨時間的變化fd(t)=exp[-kd(t-tc)],tc為膠結(jié)液的注漿時間,s。結(jié)合米氏動力學(xué)方程,可以得到尿素水解速率方程為:

(8)

式中:Umax為尿素的最大水解速率,mol/(m3/s);km為尿素的半飽和常數(shù),mol/m3;Curea為尿素的濃度,mol/m3;td為時間常數(shù),s。

Umax=usp·Cbact。

(9)

式中:usp為最大脲酶常數(shù);Cbact為菌液的總濃度。

3.3 溶質(zhì)運移方程

在液相中會存在五種組分:孔隙水、乙酸鈣、尿素、銨與懸浮態(tài)微生物。因為尿素溶液與乙酸鈣溶液的動力黏度較低,菌液的動力黏度和密度可認為與水溶液相同,溶液在多孔介質(zhì)中的流動符合牛頓流體定律。因此多孔介質(zhì)中膠結(jié)液和菌液的注漿過程可以使用達西定律物理場方程進行定義。

(10)

式中:φ為孔隙率;u為達西場的滲流速度,m/s。

達西場的滲流速度可定義為:

(11)

式中:k為多孔介質(zhì)的滲透系數(shù),m-2;μ為動力黏度,Pa·s;P為多孔介質(zhì)中的孔隙水壓力;ρ為流體的密度,kg/m3;g為重力加速度;z為三維模型空間中的豎向坐標位置值。液相質(zhì)量平衡方程可由宏觀質(zhì)量平衡數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)得到:

(12)

根據(jù)先前研究[27],膠結(jié)液密度可通過下式實現(xiàn)定義:

(13)

假定液相中各個組分的傳輸受到相同的總流流速控制,結(jié)合各個組分的質(zhì)量平衡方程,液相中各組分的運輸方程可以定義為[27]:

(14)

(15)

3.4 碳酸鈣沉淀對孔隙率和滲透性的影響

當體系中生成的碳酸鈣達到過飽和時,碳酸鈣晶體沉淀開始析出,達到填充孔隙、封堵裂縫和降低裂縫滲透性的目的,本文中不考慮碳酸鈣晶體形態(tài)的轉(zhuǎn)變,且認為生成的碳酸鈣沉淀不發(fā)生運移,因此其偏微分方程不含有平流和擴散項。生成的碳酸鈣濃度由以下方程給出定義:

(16)

孔隙率的定義方程為:

(17)

將式(15)代入式(16),可以得到孔隙率的微分方程:

(18)

Kozeny-Carman方程[30]可用于確定固有滲透率,結(jié)合Kozeny-Carman方程可得到滲透率控制方程:

(19)

式中:CCaCO3為析出碳酸鈣晶體的濃度;mCaCO3為碳酸鈣的摩爾質(zhì)量;ρCaCO3為碳酸鈣的密度;k為滲透率;dm為填充物質(zhì)的平均粒徑。

3.5 模型驗證

為了驗證模型建立理論以及模型參數(shù)選取的合理性,本研究按照李子儀[31]試驗的初始條件以及處理方式建立了驗證模型,并與李的試驗數(shù)據(jù)進行了比對。由于計算量所限,只對膠結(jié)液濃度為1 000 mol/m3的試驗數(shù)據(jù)進行了比對。圖4為滲透率的試驗值與理論值的對比曲線,本研究還對兩者的相關(guān)性進行了計算。結(jié)果表明,試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模型之間的相關(guān)系數(shù)為97.7%,相關(guān)性較高,這也進一步說明該模型可準確的預(yù)測實測結(jié)果。

圖4 注漿過程數(shù)值模擬與試驗滲透率對比

4 結(jié)果與討論

4.1 菌液初始濃度對滲透率的影響

圖5所示為觀測點在兩種微生物初始濃度的情況下注漿全過程的碳酸鈣生成量的情況。微生物的初始濃度與微生物的培養(yǎng)時間密切相關(guān)。從圖5中可以看出,在其他注漿參數(shù)相同的情況下,碳酸鈣生成量受菌液初始濃度的影響很大,當初始微生物濃度由4.3×105cells/mL提高至7.2×105cells/mL后,注漿結(jié)束時碳酸鈣沉淀的生成量提高了約1.6倍。該結(jié)果可通過圖6所示的吸附態(tài)微生物數(shù)量曲線進行解釋,微生物初始濃度越高,在注漿過程中轉(zhuǎn)化為吸附態(tài)的微生物數(shù)量就會更多,在膠結(jié)液、注漿時間以及其他參數(shù)相同的情況下,有更多的微生物參與MICP反應(yīng),最終有更多的碳酸鈣沉淀生成。

圖5 碳酸鈣生成量受微生物初始濃度的影響

圖6 吸附態(tài)微生物受微生物初始濃度的影響

圖7所示為裂縫滲透率受微生物溶液初始濃度的影響變化曲線。由圖7可知滲透率受菌液的影響情況與碳酸鈣生成量的影響趨勢一致。當菌液濃度提高時,有更多的吸附態(tài)微生物參與反應(yīng),生成更多的碳酸鈣沉淀,碳酸鈣沉淀對于裂隙有封堵作用,使得裂縫的滲透率下降。當初始菌液濃度為4.3×105cells/mL時,注漿結(jié)束時刻裂縫的滲透率降低了48%;當初始菌液濃度為7.2×105cells/mL時,注漿結(jié)束時刻裂縫的滲透率降低了66%;在注漿結(jié)束時刻,初始濃度為7.2×105cells/mL的菌液相較初始濃度為4.3×105cells/mL的菌液對裂縫滲透率的修復(fù)效果提升了1.51倍,進一步得出菌液的初始濃度對于裂縫的修復(fù)封堵有重要的影響。

圖7 裂縫滲透率受微生物初始濃度的影響

4.2 膠結(jié)液濃度對滲透率影響

本研究對三種膠結(jié)液濃度進行了模擬注漿。由圖8、9可以看出,當膠結(jié)液濃度由500 mol/m3提高至1 000 mol/m3時,尿素的水解速率和碳酸鈣濃度均有一定程度的提高,但當濃度繼續(xù)提高至1 500 mol/m3時,尿素水解速率和碳酸鈣濃度無明顯變化,這也說明了膠結(jié)液濃度并非越高越有利于MICP修復(fù)。由圖10裂縫的滲透率變化曲線可以看出,不同膠結(jié)液濃度的三條曲線幾乎重疊,這說明膠結(jié)液濃度的提高對于裂縫滲透率的影響并不明顯。

圖8 不同膠結(jié)液濃度對尿素水解速率的影響

圖9 不同膠結(jié)液濃度對碳酸鈣生成量的影響

圖10 不同膠結(jié)液濃度對滲透率的影響

4.3 注漿速率對滲透率的影響

由圖11可以看出裂縫區(qū)域的吸附態(tài)微生物數(shù)量隨著MICP過程的進行快速增加。將不同注入速率下的數(shù)據(jù)進行擬合后,得到不同注漿速率下的吸附態(tài)微生物數(shù)量同注漿速率之間的線性方程。隨著注漿速率增加,吸附態(tài)微生物的數(shù)量增加,到注漿結(jié)束時,采用v=1.5×10-3m/s的注漿速率吸附態(tài)微生物是v=1.0×10-3m/s的1.24倍,采用v=2.0×10-3m/s的注漿速率吸附態(tài)微生物是v=1.0×10-3m/s的1.38倍。這是由于游離態(tài)微生物即初始注入菌液會被逐漸吸附和固定在填充介質(zhì)的表面,轉(zhuǎn)換為吸附態(tài)微生物,觀測點(裂縫中心點處)微生物的吸附速率和吸附數(shù)量隨著注入速率的增加而增加。

圖11 不同注漿速率下吸附態(tài)微生物數(shù)量

本文數(shù)值模型的注漿方式為分步注漿,第一步先注入菌液其次注入膠結(jié)液。圖12展示了觀測點(裂縫中心位置處)在不同注漿速率下注漿全過程的碳酸鈣生成量,本次模擬研究的是注漿過程中碳酸鈣的生成量,且假定碳酸鈣沉淀不會發(fā)生運移,因而沒有考慮高速率注漿對碳酸鈣沉淀的沖刷,所以隨著注漿過程的進行,碳酸鈣生成量會持續(xù)增加,碳酸鈣的生成量與注漿速率之間呈現(xiàn)指數(shù)增加關(guān)系;碳酸鈣濃度隨著注漿速率的增加而增加,到注漿結(jié)束時,采用v=1.5×10-3m/s的注漿速率生成碳酸鈣是v=1.0×10-3m/s注漿速率的1.21倍,v=2.0×10-3m/s的注漿速率生成碳酸鈣是v=1.0×10-3m/s注漿速率的1.33倍。這是由于采用較大的注漿速率時,MICP反應(yīng)物質(zhì)的運移反應(yīng)效率越高,且反應(yīng)速率更大,反應(yīng)產(chǎn)物能夠更早的接觸到裂縫區(qū)域中的微生物,使尿素更早的發(fā)生水解反應(yīng),生成的碳酸鈣沉淀更多。當采用較小的注漿速率時,碳酸鈣的生成量最低,該現(xiàn)象的原因是注漿速率降低,注漿的時間會延長,膠結(jié)液同菌液充分接觸并反應(yīng)的時間也會延后,在這個過程中菌液的自身活性會發(fā)生降低,從而使得碳酸鈣的生成量減少。

圖12 不同注漿速率下碳酸鈣沉淀生成量

圖13總結(jié)了觀測點在不同注漿速率下注漿全過程裂縫滲透率的變化情況,從圖中可以看出,隨著注漿的進行,裂縫的滲透率都呈現(xiàn)出下降趨勢,注漿速率越快,裂縫的滲透率下降越多,滲透率出現(xiàn)降低的原因是MICP過程生成的碳酸鈣沉淀對裂縫進行了封堵。這一現(xiàn)象與圖12所示的碳酸鈣生成趨勢相一致[32],對數(shù)據(jù)進行擬合后得到了滲透率同時間呈現(xiàn)平方遞減關(guān)系。同時對比數(shù)據(jù)可知:采用v=1.0×10-3m/s的注漿速率,滲透率下降了58%;采用v=1.5×10-3m/s的注漿速率,滲透率下降了66%;采用v=2.0×10-3m/s的注漿速率,滲透率下降了69%。研究表明,注漿速率對于碳酸鈣的生成量有很大的影響,Wu等[33]對巖石裂隙進行注漿處理時發(fā)現(xiàn),較大的注漿速率會降低碳酸鈣的生成率。因此,可以通過調(diào)節(jié)注漿速率來控制MICP修復(fù)的效果,可以采用初期低速率注漿,后期高速率注漿的方式來提高修復(fù)效果。

圖13 不同注漿速率下滲透率變化曲線

4.4 注漿次數(shù)對滲透率的影響

單輪注漿往往會存在修復(fù)效果較差的現(xiàn)象,為了解決單輪注漿存在的問題,本文研究了多輪注漿下修復(fù)效果的改善規(guī)律。每輪注漿持續(xù)2 h,本次模擬最大注漿次數(shù)為5輪注漿。圖14為B、D兩組模型注漿參數(shù)下多輪注漿對滲透率的影響,由圖14可以看出,多輪注漿對于裂縫的修復(fù)具有明顯效果,可以明顯降低裂縫的滲透性。以B組為例,從第一輪注漿進行至第五輪注漿時,注漿口位置處的滲透率從8.95×10-12m2降低至2.02×10-12m2,滲透率降低了4.43倍。當菌液初始濃度從4.3×10-7cells/mL提高至7.2×10-7cells/mL后,通過對比B、D兩組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):裂縫區(qū)域經(jīng)過兩輪高濃度菌液的注漿和三輪低濃度菌液的注漿后,修復(fù)效果無明顯的差異;經(jīng)過三輪高濃度菌液的注漿,其修復(fù)效果可以接近四輪低濃度菌液的注漿效果;而經(jīng)過四輪高濃度菌液的注漿后,其修復(fù)效果要優(yōu)于五輪低濃度菌液的注漿效果,提升幅度為10.5%,修復(fù)效果更優(yōu)。因此在進行注漿修復(fù)時,要注意微生物的培養(yǎng)時間,選取培養(yǎng)濃度較高的微生物溶液,可節(jié)省注漿次數(shù),降低經(jīng)濟成本。

圖14 不同注漿次數(shù)和菌液初始濃度下裂縫滲透率變化

由圖14可以看出裂縫不同深度處滲透率的變化規(guī)律,不同注漿次數(shù)下所表現(xiàn)出的變化趨勢相同,入口位置處滲透率最低,出口位置處滲透率最高,造成該現(xiàn)象的原因可由圖15所示碳酸鈣含量隨注漿口變化規(guī)律以及圖16所示云圖進行解釋。大致以注漿口為中心呈“U”形,注漿口附近區(qū)域物質(zhì)濃度高,隨著向模型外邊界延申逐漸降低,且各組分不斷向外擴散,濃度升高,發(fā)生累積,最終擴散遷移至出口位置處。裂縫滲透率的下降主要由微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣控制,碳酸鈣生成量越高的位置處滲透率下降越多。在注漿停止時刻入口位置處滲透率比出口處滲透率低21.2%。同時可以看出,隨著注漿次數(shù)的增加,曲線都表現(xiàn)出了“由密到疏”的趨勢,這是因為反應(yīng)速率升高,在相同的時間間隔內(nèi),反應(yīng)速率越高,碳酸鈣沉淀的生成量越高,滲透率下降越多。

圖15 B組在不同注漿次數(shù)碳酸鈣生成量變化曲線

((a)碳酸鈣生成量 Calcium carbonate production;(b)滲透率 Permeability。單位 Unit:m。)

為了進一步探究膠結(jié)液濃度對于注漿次數(shù)的影響,本文對三種濃度的膠結(jié)液進行了模擬注漿模擬,由圖17可以看出,在不同膠結(jié)液濃度下,每輪注漿后裂縫滲透率基本相同,無明顯差異。因此,在進行MICP注漿修復(fù)時,出于經(jīng)濟性考慮,膠結(jié)液濃度可以選取為500 mol/m3。同時,圖18將注漿速率、注漿次數(shù)以及膠結(jié)液濃度綜合考慮繪制了三維數(shù)據(jù)圖,由圖18可以看出,注漿后裂縫的滲透率隨注漿速率、次數(shù)以及膠結(jié)液濃度的增加而下降。注漿速率、次數(shù)以及膠結(jié)液濃度與修復(fù)效果正相關(guān)。在注漿效果影響因素中,注漿次數(shù)影響最大,其次是注漿速率,膠結(jié)液濃度的影響最小。

圖17 不同注漿次數(shù)和膠結(jié)液濃度下裂縫滲透率變化

圖18 注漿速率、注漿次數(shù)以及膠結(jié)液濃度對滲透率的影響

5 結(jié)論

(1) 菌液初始濃度對MICP修復(fù)效果有顯著影響。當其他條件相同時,初始微生物濃度增加到原來的1.7倍時,注漿結(jié)束時碳酸鈣的生成量提高了約1.6倍,滲透率下降了約1.51倍。

(2) 增加注漿速率能夠有效提高MICP的修復(fù)效果。當注漿速率提升為原來的1.5和2.0倍時,碳酸鈣的生成量分別增加到原來的1.24和1.38倍,滲透率分別下降為原來的0.58和0.66倍。

(3) 相比于單次注漿,多次注漿次數(shù)對MICP修復(fù)效果提升顯著。注漿速率、次數(shù)以及膠結(jié)液濃度與修復(fù)效果成正相關(guān)。在注漿效果影響因素中,注漿次數(shù)影響最大,其次是注漿速率,膠結(jié)液濃度的影響最小。