微生物礦化作用改善不同孔隙砂巖抗凍融特性試驗(yàn)研究

泮曉華，唐朝生，施 斌

南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

1 引言

巖體風(fēng)化劣化是人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)、工程建設(shè)中山地丘陵區(qū)經(jīng)常遇到的重要工程地質(zhì)問(wèn)題（唐輝明，1988；李維樹(shù)等，2008）。嚴(yán)重的巖體風(fēng)化常導(dǎo)致人民群眾生命財(cái)產(chǎn)及各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施安全受到嚴(yán)重危害，造成地質(zhì)遺跡和文化遺產(chǎn)不可恢復(fù)的永久性破壞，影響中國(guó)地質(zhì)環(huán)境安全和可持續(xù)發(fā)展。掌握巖體風(fēng)化機(jī)理，制定相應(yīng)的風(fēng)化防治措施，一直是巖石力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)（Nicholson and Nicholson，2000；李日運(yùn)和吳林峰，2004；蔣明鏡等，2014；Park et al.，2015；王東和伍法權(quán)，2019）。

經(jīng)過(guò)多年的研究，學(xué)者們對(duì)巖體風(fēng)化機(jī)理有了一個(gè)共性的認(rèn)識(shí)，那就是風(fēng)化類(lèi)型可歸納為物理、化學(xué)和生物風(fēng)化三類(lèi)（Bernd et al.，2003；Takahiro et al.，2006；張金風(fēng)，2008；張中儉等，2015；Baidya et al.， 2019），其本質(zhì)被認(rèn)為是由液態(tài)水的長(zhǎng)期直接或者間接作用所致（李宏松，2011；曹頤戩等，2020）。處于露天環(huán)境的巖體表面在雨雪天氣或者潮濕環(huán)境下會(huì)附著有液態(tài)水，這些水極易造成生物的定植和侵蝕（生物風(fēng)化）；另一方面，巖體通常存在孔隙、節(jié)理裂隙等缺陷，降水和凝結(jié)水會(huì)從這些缺陷滲入巖體內(nèi)部。在環(huán)境污染嚴(yán)重區(qū)域，降水還常伴有酸性物質(zhì)和可溶鹽等，水和酸性物質(zhì)由表及里溶解膠結(jié)物質(zhì)（化學(xué)風(fēng)化），劣化了巖體相關(guān)部位的力學(xué)性質(zhì)。隨著環(huán)境濕度和溫度的周期性變化，物理風(fēng)化作用例如可溶鹽重結(jié)晶膨脹、干濕交替和凍融循環(huán)等，進(jìn)一步在張拉應(yīng)力的破壞作用下酥化巖石表層及擴(kuò)展節(jié)理裂隙。由此可見(jiàn)，降滲加固是巖體防風(fēng)化的根本途徑。

在工程建設(shè)領(lǐng)域，移除強(qiáng)風(fēng)化帶、混凝土噴/灌漿和錨固弱風(fēng)化帶是風(fēng)化巖體常用處理和降滲加固方法（向俊英和喻學(xué)文，1983；周維垣等，1993；游洋，2018）。在石質(zhì)文物保護(hù)領(lǐng)域，降滲加固材料按材料的主要成分主要有無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料兩大類(lèi)（王麗琴等，2004）。無(wú)機(jī)材料像石灰水、氫氧化鋇、堿性硅酸鹽以及高模數(shù)硅酸鉀等自十九世紀(jì)以來(lái)就被嘗試用來(lái)填充石質(zhì)文物淺表風(fēng)化層孔隙從而期望達(dá)到防水和加固的目的。有機(jī)材料用于石質(zhì)文物的加固已有四十余年，主要有環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、有機(jī)硅類(lèi)等類(lèi)型。上述研究成果為我國(guó)巖體風(fēng)化劣化地質(zhì)災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)做出了巨大的貢獻(xiàn)，但這些方法還存在一定的局限性?；炷劣捎跐{液顆粒較大一般只能覆蓋在巖體表面和注入宏觀大裂隙且在露天環(huán)境下易產(chǎn)生風(fēng)化裂隙從而導(dǎo)致保護(hù)作用失效。無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料等化學(xué)材料雖然能夠?qū)r體表面孔隙和微裂隙起到降滲加固作用，但是無(wú)機(jī)材料往往化學(xué)反應(yīng)過(guò)程過(guò)快且不可控，易堵塞巖體表面孔隙，抑制材料的進(jìn)一步滲透，同時(shí)也會(huì)阻擋孔隙內(nèi)毛細(xì)水蒸發(fā)和可溶性鹽結(jié)晶運(yùn)動(dòng)，在遭受凍融和干濕循環(huán)時(shí)，毛細(xì)水結(jié)冰和可溶性鹽結(jié)晶等作用會(huì)加劇風(fēng)化作用且生成的加固物質(zhì)與巖石礦物的粘結(jié)性差；而有機(jī)材料普遍存在與巖石礦物兼容性差、耐候性差以及在紫外線下易變色等缺點(diǎn)。

砂巖是地質(zhì)遺跡和石質(zhì)文物最為常見(jiàn)的巖石類(lèi)型，相比其他類(lèi)型巖石，其具有大孔隙和高滲透性等特征，易在液態(tài)水由表及里入滲后造成嚴(yán)重的風(fēng)化作用。這一點(diǎn)從砂巖類(lèi)地質(zhì)遺跡和石質(zhì)文物普遍存在嚴(yán)重的表層酥化、脫落等風(fēng)化病害也可以看出，比如湖南張家界砂巖峰林地質(zhì)公園（黃林燕等，2006）和云岡石窟（嚴(yán)紹軍等，2015）為兩個(gè)典型例子。近些年來(lái)，全球各地極寒、強(qiáng)降水等極端氣候事件頻發(fā)（曹晴等，2020），環(huán)境污染加?。ㄖ芪撵o等，2013）?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，砂巖風(fēng)化劣化病害問(wèn)題將會(huì)更加嚴(yán)峻，傳統(tǒng)材料存在的局限性迫切需要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新尋求新型的砂巖降滲加固防風(fēng)化措施。

基于微生物礦化作用的巖土體降滲加固技術(shù)是近些年巖土工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并被美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)（NRC）確立為21世紀(jì)的重要研究課題（DeJong et al.，2013）。由于碳酸鈣是自然界中分布最廣的一種碳酸鹽，其性質(zhì)穩(wěn)定，膠結(jié)作用優(yōu)異，且具有較高的強(qiáng)度和耐久性，因而基于尿素水解的微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Microbial Induced Calcite Precipitation，簡(jiǎn) 稱(chēng)MICP）技 術(shù)一直是微生物礦化領(lǐng)域的主流技術(shù)（Chu et al.，2013）。其原理是利用微生物（巴氏芽孢八疊球菌，Sporosarcina pasteurii）菌液和膠結(jié)液較低的粘稠性和較好的滲透性滲透進(jìn)入巖土體孔隙和裂隙內(nèi)部，然后利用細(xì)菌的高產(chǎn)脲酶特性將膠結(jié)液中的尿素快速水解成碳酸根離子和銨根離子，細(xì)菌由于表面帶有負(fù)電荷，會(huì)不斷吸附周?chē)芤褐械拟}離子，使其聚集在細(xì)菌表面，與水解出來(lái)的碳酸根離子結(jié)合析出碳酸鈣結(jié)晶，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土體孔隙和裂隙的填充和膠結(jié)。目前，MICP技術(shù)研究主要集中在土體加固改性方面（程曉輝等，2013；錢(qián)春香等，2015；劉漢龍等，2016；李明東等，2016；Jiang and Soga，2017；劉 士 雨 等，2019；Tang et al.，2020）。少量學(xué)者也將其應(yīng)用于巖石淺表風(fēng)化層加固。Rodriguez-Navarro 等（2003）在生物碎屑砂屑灰?guī)r表面觀察到MICP礦化沉積深度可達(dá)500 μm。Zamarre?o 等（2009）指出MICP過(guò)程主要在大理石表面開(kāi)放孔隙中形成CaCO3沉淀并最終使表層孔隙度減小50%左右。竹文坤（2011）采用浸泡法和涂覆法在砂石和大理石材料表面進(jìn)行MICP覆膜試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明浸泡法和涂覆法均能在砂石和大理石表面生成一層致密的并與基層具有較強(qiáng)粘結(jié)力的CaCO3礦化膜，礦化膜能顯著提高石材的抗?jié)B、無(wú)水抗凍和耐光老化同時(shí)在覆膜后能保持石材原有的透氣性。Muynck 等（2011）基于5種不同石灰?guī)r研究了孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)MICP礦化沉積保護(hù)效果的影響。上述研究表明MICP技術(shù)用于巖石降滲防風(fēng)化是有效的，但已有研究成果尚不能指導(dǎo)孔隙對(duì)MICP改善砂巖抗凍融特性的影響。

因此，本文以中粒砂巖和微粒砂巖兩類(lèi)不同孔隙砂巖為例，開(kāi)展了MICP處理和凍融循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)MICP作用改善砂巖抗凍融特性的可行性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了其改善機(jī)理。同時(shí)，通過(guò)表觀特征、孔隙率、吸水率、質(zhì)量、波速等方面的對(duì)比，探討了孔隙的影響。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 菌液與培養(yǎng)基

試驗(yàn)選用的細(xì)菌為巴氏芽孢八疊球菌（Sporosarcina pasteurii, ATCC 11859），購(gòu)自美國(guó)菌種保藏中心。該種菌的脲酶活性高，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好，是目前MICP技術(shù)研究中應(yīng)用最為廣泛的菌種。試驗(yàn)所用培養(yǎng)基為YE-NH4液體培養(yǎng)基，每升培養(yǎng)基內(nèi)含酵母提取物20 g，硫酸銨10 g，三羥甲基氨基甲烷（Tris-base，pH=9.0）15.75 g和尿素30 g。培養(yǎng)基配制完成后，置于高壓滅菌鍋內(nèi)，在121℃下，高溫蒸汽滅菌30 min。待培養(yǎng)基冷卻后，將細(xì)菌以體積比1:100的比例接種至其中，利用恒溫震蕩培養(yǎng)箱在30℃和150 rmp的環(huán)境下進(jìn)行有氧培養(yǎng)24 h，之后用分光光度計(jì)測(cè)得細(xì)菌OD600值為0.95，用電導(dǎo)率儀測(cè)得細(xì)菌脲酶活性為3.84 mM/min。

2.2 膠結(jié)液

試膠結(jié)液由尿素、氯化鈣和營(yíng)養(yǎng)肉湯（3 g/L）組成，主要用于為MICP過(guò)程提供充足的尿素和鈣離子，以及為微生物生長(zhǎng)繁殖和新陳代謝提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。營(yíng)養(yǎng)肉湯主要成分為蛋白胨、牛肉浸粉和氯化鈉，pH值為7.2±0.2。為了尿素和氯化鈣充分反應(yīng)，兩者摩爾濃度比為1:1。為探究膠結(jié)液濃度對(duì)試驗(yàn)的影響，按照0.5 M、1.0 M和1.5 M進(jìn)行配制。

2.3 砂巖及試樣制備

試驗(yàn)過(guò)程中采用的兩類(lèi)不同孔隙砂巖采自四川省內(nèi)江市，顏色為淺綠色，主要礦物成分為50%~60%石英、20%~25%長(zhǎng)石、10%~15%高嶺土和5%~10%云母以及其他，其他物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。為了保證試樣的相似性，相同類(lèi)型試樣鉆取之同一塊砂巖，鉆取直徑為50 mm，并進(jìn)一步被切割成25 mm高度。樣品示例見(jiàn)圖1a和1b。本次試驗(yàn)將巖樣分為4組，具體見(jiàn)表2。

表2 凍融試驗(yàn)巖樣分組Table 2 Sample groups in freeze-thaw test

圖1 中粒砂巖和細(xì)粒砂巖樣品表觀特征變化圖Fig.1 Variation of apparent characteristics of sandstone samples with medium-grain size and with fine-grain size

表1 砂巖物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of sandstone

2.4 MICP處理

在MICP處理之前，巖石樣品置于80℃烘箱中滅菌和烘干至質(zhì)量恒定。待試樣冷卻后，測(cè)量各個(gè)樣品的初始質(zhì)量和波速，之后進(jìn)行兩相MICP浸泡處理3輪次。兩相MICP浸泡處理是指菌液和膠結(jié)液分開(kāi)先后對(duì)樣品進(jìn)行浸泡處理，每一輪次包含菌液浸泡6 h和膠結(jié)液浸泡12 h。浸泡時(shí)所有巖石試樣均豎直放置在同一容器中以保證相同的處理?xiàng)l件和防止菌液中的有機(jī)物和膠結(jié)液中的固體顆粒沉積在試樣上下表面而造成孔隙阻塞，菌液和膠結(jié)液液面高過(guò)試樣頂部并保證數(shù)量充足。

2.5 測(cè)試分析

每一輪MICP處理后，將巖石樣品置于80℃烘箱中烘干至質(zhì)量恒定，冷卻后測(cè)量各個(gè)樣品的質(zhì)量、波速、孔隙率和吸水率。

波速采用瑞士Proceq Pundit Lab+ 超聲波檢測(cè)儀通過(guò)透射式方式測(cè)得。

孔隙率通過(guò)烘干后和飽和后的質(zhì)量計(jì)算求得。

48 h吸水率通過(guò)液態(tài)水無(wú)壓吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)得，實(shí)驗(yàn)步驟為（1）將干燥的巖樣完全浸泡在水中；（2）在48 h后取出并用干毛巾快速擦拭表面殘留水并稱(chēng)重；（3）48 h和浸泡之前的質(zhì)量差與浸泡之前質(zhì)量的比值為吸水率。

浸泡48 h的飽和樣品在測(cè)完吸水率后放入-20℃的低溫箱中進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)12 h小時(shí)后取出放在20℃的水中溶解12個(gè)小時(shí)，每24 h作為一個(gè)凍融循環(huán)，凍融過(guò)程共開(kāi)展40個(gè)循環(huán)。

為了分析巖樣MICP處理前后孔隙率和孔隙分布的變化，制備尺寸為5 mm （直徑）×10 mm （高度）的小砂巖試樣進(jìn)行MICP處理和CT掃描試驗(yàn)。小試樣MICP處理過(guò)程與其他大尺寸試樣處理過(guò)程相同。試驗(yàn)所用掃描設(shè)備為SkyScan1183 CT機(jī)，掃描精度為5 μm。小試樣在MICP處理前后均進(jìn)行一次CT掃描，掃描部位為試樣中部部位。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 表觀變化

圖1a、b顯示中粒砂巖（圖1a）的顆粒明顯大于微粒砂巖（圖1b），顏色也略淺，切割以后的平整度都較好。經(jīng)過(guò)3輪次MICP處理后，樣品表觀可以明顯觀察到碳酸鈣附著，顏色略微變淺，圖1c，d為兩個(gè)典型巖樣。MICP處理過(guò)的巖樣在凍融循環(huán)40次后未見(jiàn)明顯表觀破壞，而未經(jīng)MICP處理的巖樣當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到40次時(shí)在棱角處局部出現(xiàn)表觀破壞（圖1e，f），10次和20次凍融循環(huán)作用時(shí)也未觀察到明顯的表觀破壞。

3.2 孔隙變化

圖2為砂巖樣品孔隙率變化圖。由圖2a可知，中粒砂巖和微粒砂巖試樣的孔隙率均發(fā)生了降低，3輪次MICP處理后降低率分別為35.5%和28.4%。中粒砂巖的孔隙率降低速度在第一輪和第二輪MICP處理時(shí)大于微粒砂巖，這主要因?yàn)橹辛Ｉ皫r孔隙大。CT掃描結(jié)果顯示（圖3a，b）中粒砂巖主要孔隙大?。ù笥?%）分布范圍為300~800 μm，微粒砂巖主要孔隙大?。ù笥?%）分布范圍為100~300 μm。菌液浸泡后殘留在單個(gè)大孔隙中的細(xì)菌數(shù)量會(huì)更多，膠結(jié)液也更容易從大孔隙入滲到內(nèi)部，從而大孔隙中碳酸鈣沉淀效率更高。經(jīng)過(guò)3個(gè)輪次MICP處理后，中粒砂巖550~700 μm的孔隙明顯減少和小于500 μm的孔隙明顯增多；微粒砂巖大于150 μm的孔隙顯著減少和小于150 μm的孔隙顯著增多。值得注意的一點(diǎn)是，3個(gè)輪次MICP處理后，仍有很大一部分孔隙未被填充，究其原因是因?yàn)榭拷鼛r樣徑向表面的孔隙填充速率快于內(nèi)部的孔隙。如圖4a和4b顯示，中粒砂巖和微粒砂巖初始試樣的孔隙均勻和隨機(jī)地分布于整個(gè)試樣當(dāng)中，而當(dāng)經(jīng)過(guò)3輪次MICP處理后，靠近巖樣徑向表面的孔隙明顯少于內(nèi)部（圖4c, d）且這一現(xiàn)象中粒砂巖比微粒砂巖更明顯。

圖3 試驗(yàn)砂巖樣品CT掃描孔隙分布圖 Fig. 3 CT scanning based porosity distribution figures of sandstone samples

圖2b反映了MICP作用均能提高中粒砂巖和微粒砂巖試樣的抗凍融損傷的能力。未經(jīng)處理的中粒砂巖和微粒砂巖試樣凍融循環(huán)40輪次以后，孔隙率分別增加了17.0%和14.8%；經(jīng)3輪次MICP處理后，孔隙率增加率降低到了4.4%和6.3%。

圖2 試驗(yàn)砂巖樣品孔隙率變化圖Fig. 2 Variation of porosity of sandstone samples prepared for testing

3.3 吸水率變化

無(wú)壓吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖5a）表明MICP處理能夠降低砂巖巖樣的吸水率且隨著處理輪次的增加而顯著降低。從圖5a我們還可以發(fā)現(xiàn)在完成3輪次MICP處理后，中粒砂巖試樣的孔隙率雖然大于微粒砂巖（圖2a），但其吸水率卻低于微粒砂巖的吸水率。通過(guò)研究CT掃描圖（圖4），我們認(rèn)為中粒砂巖試樣臨近徑向表面區(qū)域1 cm深度范圍內(nèi)碳酸鈣沉淀的較多，孔隙數(shù)量顯著減少，孔隙間距較大，對(duì)滲透起主要影響的孔喉數(shù)量和尺寸也會(huì)相應(yīng)降低，而微粒砂巖試樣臨近徑向表面區(qū)域仍分布有較多數(shù)量的孔隙，這些孔隙間距較近，中間會(huì)存在大量的孔喉，從而巖樣仍具有一定的滲透性且較中粒砂巖大。

圖4 試驗(yàn)砂巖樣品CT掃描圖 Fig. 4 CT scanning figures of sandstone samples

圖5 試驗(yàn)砂巖樣品吸水率變化圖 Fig. 5 Variation of water absorption of sandstone samples prepared for testing

3.4 質(zhì)量變化

砂巖樣品隨著MICP處理輪次的增多質(zhì)量會(huì)增加。從圖6a中可以看出，3輪次MICP處理后中粒砂巖和微粒砂巖試樣的質(zhì)量增加率分別達(dá)到了4.2%和3.6。此外可以發(fā)現(xiàn)第1和第2輪次的增加率略大于第3輪，該現(xiàn)象主要是因?yàn)榍捌趲r樣孔隙較大，進(jìn)入孔隙的細(xì)菌數(shù)量更多，碳酸鈣沉淀效率更高。

圖6b表明MICP處理能顯著降低砂巖在凍融循環(huán)作用下的質(zhì)量損失，主要原因是有兩方面：第一，MICP過(guò)程生成的碳酸鈣進(jìn)一步增加了巖石顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度；第二，巖樣孔隙度降低，巖樣滲透性顯著降低，孔隙水體積減少，在凍融過(guò)程中產(chǎn)生的損傷作用減弱。

圖6 試驗(yàn)砂巖樣品質(zhì)量變化圖 Fig. 6 Variation of mass of sandstone samples prepared for testing

3.5 波速變化

波速的變化反映巖樣孔隙的變化，圖7表明兩者成負(fù)相關(guān)。從上述結(jié)果可知，3輪次MICP處理后，中粒砂巖試樣孔隙率降低率大于微粒砂巖試樣（35.5%和28.4%），兩者P波波速增長(zhǎng)率恰好相反分別為16.6%和11.1%（圖7a）。圖7b表明，MICP處理能夠有效抑制巖樣凍融損傷作用，將中粒砂巖試樣和微粒砂巖試樣波速降低率控制在較低水平分別為7.3%和3.8%，對(duì)應(yīng)的未處理試樣的降低率分別為18.5%和12.4%。

圖7 試驗(yàn)砂巖樣品波速變化圖Fig. 7 Variation of seismic velocity of sandstone samples prepared for testing

4 結(jié)論

本文基于兩種不同孔隙砂巖開(kāi)展了MICP處理和凍融循環(huán)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了MICP作用改善砂巖抗凍融特性的效果并分析了孔隙因素的影響，得到以下主要結(jié)論：

（1）MICP作用能顯著提高中粒砂巖和微粒砂巖的抗凍融特性，但孔隙因素有一定影響。

（2）3輪次MICP處理后的巖樣在凍融循環(huán)40次后未見(jiàn)明顯表觀破壞，而未經(jīng)處理的巖樣當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到40輪次時(shí)在棱角處出現(xiàn)局部表觀破壞且中粒砂巖破壞程度略大于微粒砂巖。

（3）MICP過(guò)程生成的碳酸鈣不僅填充了巖石孔隙，同時(shí)也加強(qiáng)了巖石顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度，從而顯著降低了因凍融作用產(chǎn)生的孔隙增加、質(zhì)量損失和吸水率，使得波速明顯提高。40輪次凍融循環(huán)作用后，中粒砂巖和微粒砂巖試樣孔隙率增加率從17.0%和14.8%降低到了4.4%和6.3%，質(zhì)量損失率從0.22%和0.14%下降到了0.04%和0.02%，吸水率從6.8%和4.4%減小到了0.75%和1.5%，波速降低率從18.5%和12.4%降低到了7.3%和3.8%。

（4）由于中粒砂巖孔隙大于微粒砂巖，其碳酸鈣沉淀效率更高，有效處理深度更深，表層孔隙間距更大，從而在進(jìn)行相同輪次MICP處理時(shí)，其孔隙率降低率、吸水率降低率、質(zhì)量增長(zhǎng)率、波速增長(zhǎng)率均較大。