微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)人工石灰岩的冲击行为与应变率效应研究：从微观结构到动态力学性能

针对天然弱胶结石灰岩取样困难、力学行为复杂的问题，研究人员通过微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术制备人工石灰岩，结合SEM、X-CT、准静态压缩和SHPB试验，揭示了其矿物组成、孔隙结构与应变率效应的内在关联。研究发现人工试样与天然弱石灰岩在矿物成分(文石/方解石)、孔隙率(9.2%)和应力-应变关系上高度相似，且无侧限强度随应变率呈指数增长，为海洋岩土工程提供了重要参考。

　　

在广阔的海洋环境中，分布于南北纬30°之间的碳酸盐地层蕴藏着丰富的能源资源，却也给岩土工程带来独特挑战。天然胶结钙质砂和石灰岩由于取样困难、胶结结构高度非均质（常出现松散层与强胶结层交替现象），其力学行为研究长期受限。更棘手的是，高应变率(HSR)测试与静态测试存在本质差异——前者材料处于持续流动状态，而后者允许剪切带形成和颗粒重排。这种认知空白严重制约了珊瑚礁地基、海上风电桩基等工程的安全设计。

针对这一系列难题，中国研究人员在《Biogeotechnics》发表了一项创新研究。他们巧妙利用自然界的微生物成矿原理，通过巴氏芽孢杆菌(Bacillus Pasteurii)诱导碳酸盐沉淀(MICP)，在实验室成功模拟了海洋石灰岩的天然胶结过程。研究团队采用多尺度表征与跨尺度模拟相结合的技术路线：扫描电镜(SEM)揭示矿物组分，X射线断层扫描(X-CT)量化孔隙演变；通过准静态压缩试验和分选霍普金森压杆(SHPB)分别获取静动态力学参数；最后建立有限差分-离散元(FDM-DEM)耦合模型，植入应变率相关的键结强度算法，揭示微观机制。

【矿物组成与微观结构】
SEM观测显示人工试样胶结材料由粒状方解石和针状文石组成，与天然弱石灰岩的矿物学特征完全一致。X-CT三维重构发现，随着胶结时间从20天延长至100天，孔隙率从50.37%对数式降至9.20%，符合公式P=-40.50e^(-t/34.32)+40.498。值得注意的是，开孔网络会逐步封闭为孤立孔隙，当胶结度达75.42%时，剩余孔隙因空间隔离难以继续被细菌溶液填充。这种孔隙演化规律与南海永兴岛天然样本(沉积1250±30年)仅相差2.61%，证实MICP可精准复现地质时间尺度的胶结过程。

【静动态力学行为】
准静态测试中，人工试样与天然样本的应力-应变曲线和无侧限强度(如30天胶结试样3.49MPa vs天然样本3.47MPa)高度吻合，验证了实验室模拟的可靠性。动态冲击试验则揭示出显著的应变率效应：当应变率从4.6×10^-5 s^-1提升至682 s^-1时，无侧限强度增长超10倍。特别有趣的是，SHPB测试中应力-应变曲线呈现"快速上升-平台期-缓慢下降"的三段式特征，这与准静态加载的对称峰形形成鲜明对比。

【应变率效应机制】
通过DEM模拟发现，冲击载荷下键结断裂峰值较应力峰值延迟21%-35%，表明裂纹扩展速度无法跟上加载速率。研究人员据此提出"延迟诱导粘性"机制：高速加载时，周围颗粒运动受限于裂纹萌生的时间滞后，产生类似粘滞的阻力增强效应。基于Qi三区模型改进的键结强度算法(σ_t^t=σ_t⁰+b(ε˙/ε˙_s)ⁿ/[(ε˙/ε˙_s)ⁿ+1])成功复现了强度随应变率的非线性增长，其中拐点应变率ε˙_s取6×10³ s^-1。

这项研究建立了从微生物矿化到岩土力学性能的完整认知链条。实践层面，MICP技术为获取均质人工岩样提供了标准化方案，解决了天然样本稀缺的瓶颈问题；理论层面，揭示的应变率效应规律为珊瑚礁地基抗爆设计、桩基动力响应分析提供了关键参数。更深远的意义在于，该研究开创性地将生物矿化过程与离散元模拟相结合，为发展"生物-力学"跨尺度模型树立了新范式。未来研究可进一步探索不同菌株(如脲酶菌vs碳酸酐酶菌)对胶结矿物晶型的选择性调控，以及多场耦合(渗流-化学-力学)条件下的长期性能演变。