近日，河南大学建筑工程学院绿色环境岩土工程团队石磊副教授在基于微生物技术的裂隙岩体降渗研究方面取得了系列进展。相关研究成果分别发表在《Engineering geology》、《Acta Geotechnica》和《Journal of Cleaner Production》上，并获得国家发明专利（CN 112730195B）授权。
微生物诱导的碳酸钙沉淀技术是一种环保型岩土改良创新方法，有助于减少土木工程行业的碳足迹，契合国家“双碳”战略目标。利用微生物进行岩石渗透性降低的技术，在修复岩质文化遗产和处理深地工程中的裂缝方面展现出巨大的应用潜力。不过，复杂裂隙内的渗流环境对生物降渗过程的具体影响机制尚未完全理解，迫切需要深入的研究。
首先，研究团队通过自行设计的实验装置，并结合三维激光扫描与数值模拟技术，探讨了微生物降渗过程中碳酸钙沉积的模式及其对裂隙内部渗流场变化的影响。研究表明，碳酸钙的产量和其附着的均匀度共同决定了微生物降渗的效果，同时揭示了注入浆液的速度和裂隙宽度对降渗效果的关键影响（图1）。相关成果发表于《Journal of Cleaner Production》。
图1 微生物注浆过程渗流场动态演变过程：(a) 注浆7次碳酸钙分布云图；(b) 裂隙表面分形维数变化规律；(c) 渗流场动态演化数值模拟结果
其次，研究团队选取两种典型的巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）作为研究对象，分析不同培养条件对微生物降渗过程中碳酸钙附着特性及渗流场演变的影响。研究建立了两种培养条件下微生物降渗过程的简化模型，发现含尿素的培养基能够实现快速而局部的裂隙封堵，而不含尿素的培养基则导致较为缓慢但范围更广的封堵效果（图2）。该部分研究成果已发布在《Acta Geotechnica》上。
图2 不同培养基环境下微生物降渗过程概化图
最后，针对微生物降渗工艺中的几个重要参数——菌胶比、胶结液浓度以及注入速度，研究团队从水力开度、碳酸钙生成量、分布均匀性和晶体特征四个方面，详细解析了这些因素如何影响降渗效果和效率。通过正交实验设计和熵权法，确定了注入速度是决定微生物降渗效果的主要因素，并基于此提出了关于微生物降渗技术工程应用的建议（图3）。这一研究结果已在《Engineering geology》期刊上发表。
图3微生物裂隙降渗效率变化规律：(a) 菌胶比；(b) 胶结液浓度；(c) 注入流速
该系列研究成果河南大学为第一完成单位，石磊副教授为论文第一作者，张建伟教授为通讯作者。相关工作得到中国博士后基金、河南省科技攻关项目、河南省高等学校重点科研项目的经费支持。
