《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Performances of microbe-based self-healing microcapsules on sealing fractures and reducing permeability of rocks
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本研究提出了一种新型自修复系统，利用环氧树脂微胶囊包封巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）孢子，以实现岩体裂缝的自主密封。该微胶囊以其优异的力学性能和高包封效率著称，设计在裂缝产生时破裂，从而启动微生物诱导碳酸钙沉淀（microbial
本研究提出了一种新型自修复系统，利用环氧树脂微胶囊包封巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）孢子，以实现岩体裂缝的自主密封。该微胶囊以其优异的力学性能和高包封效率著称，设计在裂缝产生时破裂，从而启动微生物诱导碳酸钙沉淀（microbial-induced calcium carbonate precipitation, MICP）。研究人员开展了一项系统的试验研究，包括巴西劈裂试验、工业计算机断层扫描（CT）和渗透率三轴试验，以评估该系统的有效性。结果表明，裂缝宽度是影响修复效率的主要因素，在0.3–0.4 mm裂缝中经过28 d培养后，最大修复率可达89.3%。最佳配比（微胶囊掺量2%、粒径150 μm）可使渗透系数平均降低超过70%，约降低一个数量级。渗透系数与围压之间的关系符合幂律关系，且值得注意的是，修复良好的试样对应力变化的渗透敏感性显著降低。数值模拟进一步支持了上述结果，揭示MICP修复通过降低渗流速度和提高流体流动所需压力梯度，显著改善了岩体的水力屏障功能。总体而言，该工作定量阐明了修复程度、渗透率降低与原位应力之间的关系，为设计工程微生物屏障（如地下水隔离和渗流控制）提供了科学基础。
**论文解读：基于微生物自修复微胶囊的岩石裂缝密封与渗透率降低性能研究**
**一、研究背景与意义**
混凝土和岩石基基础设施的开裂会严重削弱结构完整性和耐久性，为水和侵蚀性介质提供通道。随着可持续建设需求的增长，自修复材料为延长使用寿命和降低维护成本提供了变革性方法。在众多策略中，微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）因其环境友好和低能耗而备受关注。该生物启发过程利用特定细菌（如巴氏芽孢杆菌或芽孢杆菌属）的代谢活动沉淀碳酸钙，有效密封微裂缝。尽管MICP在土体和混凝土中的应用已有广泛研究，但将其推广至裂隙岩体面临独特挑战：地下岩体的高围压和复杂地球化学环境要求递送系统既具备机械鲁棒性，又能对应力激活作出精确响应。现有聚合物微胶囊系统多面向混凝土或土体基质，针对岩石裂缝自主密封的预包封细菌研究仍十分匮乏，且已有系统在高围压和复杂地质条件下的长期稳定性尚未得到验证。因此，开发一种专为高应力、非均质岩石裂缝密封设计的应力激活微胶囊系统，并系统评价其密封效率与渗透率演化关系，具有重要的科学和工程意义。
**二、主要技术方法**
研究人员从山东济宁某煤矿采集细粒砂岩，加工成含预置贯穿裂缝的圆柱体试样（φ50 mm×100 mm）。采用油相分离法制备环氧树脂（E-51）包封巴氏芽孢杆菌孢子的微胶囊，包封效率为85%±5%。通过巴西劈裂试验耦合声发射（AE）监测评价微胶囊的机械触发行为和修复性能；利用三轴渗透试验测定不同围压（0.4、0.5、0.6 MPa）下的渗透系数；采用工业CT扫描和X射线衍射（XRD）对修复产物进行矿物学表征；并基于COMSOL Multiphysics建立裂缝渗流数值模型和工程尺度数值模型，模拟修复过程中流体行为演变和矿井水害防治效果。
**三、研究结果**
**3.1 微胶囊表征**
透射电镜（TEM）显示微胶囊壳层厚度约18 nm，内部可见核材料聚集；扫描电镜（SEM）观察到100 μm微胶囊呈不规则椭球形态，表面粗糙多突起，有利于与裂缝壁的机械互锁并提供碳酸钙晶体成核位点。能谱（EDS）检测到Ca、Si、O等元素，表明裂缝内形成了富钙相。偏光显微镜证实微胶囊在搅拌后保持完整且均匀分布，显示出足够的机械强度以承受拌合和注浆过程。
**3.2 机械触发与修复性能**
巴西劈裂试验结果表明，掺入2%微胶囊（粒径150 μm）的试样2具有最高的抗拉强度（3.64 MPa±0.25 MPa）和最大AE能量（26302 mV ms），优于对照组。微胶囊掺量显著影响试样力学性能，但劈裂能量与裂缝宽度无明显相关性。修复率方面，经过28 d养护，所有组别裂缝面积均不同程度减小。裂缝宽度为1 mm、微胶囊掺量4%的试样5达到最高修复率89.3%±1.5%，而裂缝宽度2 mm、掺量6%的试样9修复率仅58.3%±4%。单因素方差分析确认初始裂缝宽度对最终修复率有显著影响（F(2,6)=7.17, p<0.01）。修复率变化趋势显示，前7 d内修复率变化最大，表明休眠孢子大规模萌发；7–14 d修复率增幅减缓，14–21 d重新加速，提示微生物矿化活性在该时期达到峰值。
**3.3 渗透率演化与应力敏感性**
三轴渗透试验显示，经28 d微生物修复后，含微胶囊的试样渗透系数较修复前降低约一个数量级，平均降低超过70%，而对照组几乎不变。配对t检验证实修复后渗透系数显著下降（t(8)=9.07, p<0.001）。粒径150 μm的试样在相同掺量下渗透系数降低更为显著。渗透系数与围压关系采用幂律函数拟合，平均R2值为0.9541。修复后试样在围压增加时渗透系数的降幅明显小于修复前，表明MICP沉淀填充裂缝后降低了渗透对围压变化的敏感性。试样7（裂缝宽2 mm，修复率较高）在较高围压下渗透系数变化较小，而试样9（修复率较低）变化较大，说明裂缝修复越充分，围压对渗透率的影响越小。
**3.4 修复产物的矿物学验证**
工业CT扫描三维重建显示，白色碳酸钙沉淀在贯穿裂缝内形成致密充填体，XY和YZ方向二维切片证实沉淀物分布在微胶囊破裂释放位点，与岩石基质具有良好相容性。XRD分析显示衍射峰与方解石（CaCO?）标准图谱一致，最强峰位于2θ=29.34°对应(104)晶面，明确证明微生物诱导沉淀主要为方解石。
**3.5 裂缝流体流动数值模拟**
数值模拟结果显示，随养护龄期增加，裂缝内部流速降低而裂缝外部流速升高。特别是7 d修复后，周围多孔基质的流速增加了五个数量级，表明裂缝渗透性逐渐降低。压力分布方面，修复前入口压力量级为10?，修复后（7–28 d）量级达到10?，压力约为修复前的1000倍。修复前入口压力与流速呈非线性关系，修复后近似线性关系，表明流体流动从裂缝主导的优先流转变为基质控制的达西流。模拟结果与实验观测一致，确认前7 d内裂缝连通性基本丧失是渗透率降低的关键。
**3.6 工程尺度影响**
基于实际矿井条件的数值模拟表明，修复后断层和采动影响区（底板导水破坏带）的渗透率降低为修复前的30%。沿测线1（断层边界），平均渗流速度从修复前的6.95×10?? m/s降至2.34×10?? m/s，仅为修复前的3.3%；沿测线2（煤层底板），平均渗流速度从1.12×10?? m/s降至2.91×10?? m/s，为修复前的26%。水压分布显示，修复后沿测线1的平均压力梯度从0.01 MPa/m增至0.03 MPa/m，沿测线2从0.013 MPa/m增至0.025 MPa/m，表明断层和底板的阻水能力显著增强。MICP封堵在空间上具有非均匀性，但优先堵塞大孔喉和主导流路径，导致渗透率非线性降低，并改变孔隙网络拓扑，这一特性是修复后渗透率稳定及其对围压敏感性降低的根本原因。
**3.7 自主修复机制**
综合多尺度结果，研究人员阐明了自主修复机制：微胶囊在裂缝扩展引起的应力集中下破裂，释放包封的巴氏芽孢杆菌孢子和营养物质；孢子在湿润裂缝环境中萌发，脲酶水解尿素提高局部pH和碳酸根浓度；在钙离子存在下，碳酸钙晶体直接在裂缝表面和粗糙壳碎片上沉淀，形成致密互锁充填体，机械化桥接裂缝并阻塞水流路径。最佳掺量2%、粒径150 μm的配方能释放与目标裂缝宽度（0.3–0.4 mm）环境承载力相适配的孢子量，优化尿素转化效率。系统局限性包括修复能力有限（裂缝宽度超过0.4 mm时修复效率下降）以及依赖适宜湿度与温度条件。
**四、讨论与结论**
讨论部分强调，环氧树脂微胶囊系统具备三项关键优势：应力激活触发（微胶囊在裂缝扩展前保持惰性，释放与损伤事件精确同步）、优越的活性保护和机械鲁棒性（环氧树脂壳有效阻隔高pH浆液环境，其强度兼顾拌合存活与裂缝触发破裂）、形成耐久矿物桥（方解石与硅酸盐岩面强粘附，恢复力学完整性和水力屏障功能）。研究结论指出：最佳微胶囊配方（2%掺量、150 μm粒径）使渗透率平均降低一个数量级以上；修复后渗透率与围压保持幂律关系但应力敏感性指数显著降低，增强水力-力学稳定性；修复过程使渗流机制从裂缝主导转变为基质控制达西流；工程尺度模型证实微生物处理显著增强煤层底板和断层的阻水能力。初始裂缝宽度是控制修复效率的主导因素，0.3–0.4 mm裂缝在28 d内获得最高89.3%的自主修复率。该研究将MICP技术应用边界从土体和混凝土拓展至裂隙岩体，为设计可持续、自主响应的岩土工程微生物屏障提供了机理和定量基础，在地下水分隔、污染物封存、坝基和隧道衬砌裂缝自修复以及矿井水害预防方面具有广阔应用前景。
