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混凝土结构常因微裂缝影响其完整性和耐久性，为评估微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）修复效果及影响因素，研究人员建立多相混合沉淀模型，模拟修复前后微梁变形和破坏行为。结果表明，晶体相比例、粒径和缺口位置影响修复效果，该研究对 MICP 技术工程应用意义重大。
在建筑领域，混凝土作为应用广泛的建筑材料，凭借高抗压强度、易成型和低成本等优势，成为现代建筑的基石。然而，它却有个 “致命弱点”—— 抗拉强度低。这使得混凝土在使用过程中极易产生微裂缝，这些微裂缝就像隐藏在建筑中的 “定时炸弹”，随着时间推移会逐渐发展成宏观裂缝，为空气中的有害化学物质或环境中的侵蚀性介质打开通道，严重威胁混凝土结构的完整性和耐久性，降低建筑的使用寿命，甚至可能引发安全隐患。
为了解决这一难题，微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术应运而生。这项技术利用具有矿化能力的微生物，通过水解尿素产生二氧化碳，二氧化碳再与微生物细胞壁吸附的钙离子结合，逐渐形成碳酸钙沉淀。它不仅能修复含有缺陷的混凝土，还能提高其机械性能和耐久性，为混凝土结构的修复带来了新希望。但 MICP 技术在实际应用中仍面临一些问题，比如沉淀的组成成分复杂，其机械性能受晶体成分比例、粒径等多种因素影响，而这些因素如何影响修复效果尚不明确。
为了深入探究这些问题，佛山大学土木工程与交通学院的研究人员开展了相关研究。他们建立了多相混合沉淀模型，结合内聚力模型（CZM），对修复前后有缺口的水泥砂浆微梁在三点弯曲荷载作用下的变形和破坏行为进行了数值模拟。通过一系列研究，他们发现晶体相比例、粒径和缺口位置对微梁的修复效果有着显著影响。这一研究成果发表在《AMB Express》上，为 MICP 技术在实际工程中的应用提供了重要的理论依据。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，采用随机粒子生成和堆积算法（RPGPA）建立矿化沉淀的几何模型，确定不同碳酸钙晶相粒子的数量、生成并堆积粒子，使其振荡达到平衡后建立修复微梁模型。其次，利用内聚力模型（CZM）描述加载过程中沉淀内部、沉淀与增强粒子以及沉淀与修复材料之间的损伤和开裂行为。最后，结合有限元方法建立完美微梁、有缺口微梁和修复微梁的有限元模型，模拟微梁在三点弯曲荷载下的变形和破坏过程 。
下面来看具体的研究结果：
- 沉淀中方解石比例对微梁修复效果的影响：研究人员分别研究了以方解石和球霰石为粒子的沉淀，以及以方解石和文石为粒子的沉淀两种情况。当沉淀粒子为方解石和球霰石时，固定粒子尺寸为 2.4μm，随着方解石比例从 0 增加到 1，微梁的峰值荷载从 0.000971 N 降至 0.000962 N，峰值荷载恢复率从 22.16% 降至 20.60%。当沉淀粒子为方解石和文石时，固定粒子尺寸为 2.6μm，随着方解石比例从 0 增加到 1，微梁的峰值荷载从 0.001048 N 降至 0.000963 N，峰值荷载恢复率从 35.01% 降至 20.77%。这表明方解石比例的增加会降低微梁的修复效果。
- 粒径对微梁修复效果的影响：假设沉淀粒子均为方解石，研究人员将粒径从 2μm 逐渐增加到 3.4μm。结果发现，随着粒径增大，修复微梁的峰值荷载从 0.000915 N 增加到 0.001059 N ，峰值荷载恢复率从 12.73% 增加到 36.85%。由此可见，粒径的增大有助于提高微梁的修复效果。
- 缺口位置对微梁修复效果的影响：在沉淀粒子仅为方解石、粒径固定为 2.6μm、缺口尺寸为 20μm×20μm 的情况下，研究人员将缺口距离微梁跨中的距离从 0 增加到 40μm。结果显示，随着缺口距离增加，修复微梁的峰值荷载从 0.000961 N 增加到 0.001398 N，峰值荷载恢复率从 20.44% 增加到 77.26%。这说明缺口距离微梁跨中越远，微梁的修复效果越好。
研究结论和讨论部分指出，晶体相比例、粒径和缺口位置对有缺口微梁的修复效果都有显著影响。这些影响可以从沉淀中基体 - 粒子界面数量和应力集中程度来解释。对于方解石和球霰石组合的沉淀，方解石比例增加导致修复效果降低，是因为方解石与基体的界面面积大，且更易形成应力集中。对于方解石和文石组合的沉淀，方解石比例增加使沉淀更易产生微裂纹和断裂，影响修复效果。粒径增大时，微梁承载能力增强，是因为较小粒径更易引发微裂纹。缺口距离微梁跨中越远，修复微梁抵抗开裂的能力越强。
该研究的重要意义在于，明确了影响 MICP 技术修复效果的关键因素，为实际工程中通过调控环境和工艺参数来优化沉淀组成，从而提高 MICP 技术在修复缺陷混凝土结构中的应用效果提供了理论指导。不过，研究也存在一定局限性，如假设沉淀各成分是均匀和各向同性的，且采用二维模拟，与实际情况存在一定差距。未来的研究可以朝着三维模拟等更接近实际的方向开展，进一步完善 MICP 技术在混凝土结构修复中的应用。
