前沿应用|核磁原位在线表征-细菌诱导碳酸钙沉淀裂隙修复

随着城市规模的快速扩张，地面建设空间日益紧张，各类地下工程的开发规模不断扩大。在复杂地质环境中，特别是软弱岩层区域，隧道等地下结构的施工往往会对围岩产生显著扰动，这种扰动主要表现为应力重分布和原生裂隙的扩展，进而影响岩体的渗流特性和承载能力，严重时可能引发岩体失稳等工程灾害。

微生物诱导矿化技术（MICP）作为一种新兴的岩体加固方法，通过利用特定微生物代谢产生的脲酶催化尿素分解，生成碳酸根离子与钙离子结合形成碳酸钙沉淀，从而改善岩土介质的工程特性。与传统注浆工艺相比，该技术虽然能有效降低岩体渗透性，但在实际应用中存在矿物沉积不均匀和注浆孔附近易发生堵塞等技术瓶颈。为解决这些问题，需要开发有效的沉积过程监测手段。

在众多监测技术中，核磁共振技术因其不损伤样品、无需侵入等优势，特别适用于追踪微生物矿化过程中孔隙-裂隙系统的演化规律。该技术能够精确反映细菌在裂隙网络中的迁移附着特性及其对碳酸钙空间分布的控制作用。研究表明，城市地下空间开发面临的主要难题在于不良地质条件下岩体结构的稳定性控制，而微生物矿化技术为解决这一难题提供了新的思路。

核磁共振表征微生物诱导碳酸钙沉淀实例：

实验材料：

岩心：一英寸页岩。

微生物：巴氏芽孢杆菌

仪器：中尺寸低场核磁共振成像分析仪。

实验方案：

1、使用去离子水溶解巴氏芽孢杆菌，注入并饱和岩心，静置1小时。

2、使用去离子水对岩心进行清洗，清洗去掉细菌。

3、重新使用去离子水溶解巴氏芽孢杆菌，注入并饱和岩心，静置1小时。重复以上过程，共计进行五次循环

4、对每次循环，注入细菌饱和后的岩心进行核磁共振弛豫测试，记录数据。

图：岩心在巴氏芽孢杆菌循环处理中的T₂分布

图中展示了岩心在巴氏芽孢杆菌循环处理中的T₂分布。随着处理循环的增加，T₂分布的峰顶点数值逐渐降低，这表明由于微生物诱导发生碳酸钙沉淀，总孔隙的数量发生减少。实验证明NMR技术可以用于原位监测MICP过程，对实际工程有指导意义。