类型a：单篇原创研究的学术报告

主要作者及机构
本研究的通讯作者为Mingming Zheng与Yawei Zhang，来自成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology）。其他合作作者包括Shichun Yan、Zurui Wu（同单位）、Xiaoke Li（成都理工大学材料与化学化工学院）、Di Wu（成都理工大学生态环境学院）及Liang Xiong。研究成果发表于期刊《Construction and Building Materials》第483卷（2025年），文章编号141579，于2025年5月13日在线发布。

学术背景
本研究属于建筑材料与微生物矿化技术交叉领域，聚焦微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial-Induced Calcite Precipitation, MICP）技术在水泥基材料自修复中的应用。水泥基材料在长期水化与荷载作用下易产生微裂缝，传统修复方法（如化学添加剂或外粘材料）难以修复内部微裂缝，且高碱性环境（pH>10）会抑制微生物活性。为保护微生物并增强其在水泥砂浆中的矿化能力，研究团队提出采用载体封装微生物的策略，通过离散元数值模拟（Discrete Element Numerical Simulation）系统分析载体参数（尺寸、含量）和碳酸钙生成条件（颗粒大小、生成范围、生成量）对水泥砂浆力学性能与抗渗性的影响，旨在优化载体封装微生物的自修复工艺。

研究流程与方法
1. 模型建立与参数设定
- 工具与模型框架：使用PFC2D离散元数值模拟软件（由美国Itasca开发），建立4 cm×4 cm二维水泥砂浆模型，包含水泥颗粒（140–240 μm）、砂颗粒（300–500 μm）及载体颗粒（250–2400 μm）。
- 关键创新：采用指数分布函数模拟载体周围碳酸钙颗粒的生成，以真实反映微生物矿化行为。引入“承载力裂缝参数”（Load-bearing Crack Parameter）量化宏观裂缝形成的临界条件。
- 实验分组：
- 载体因素：设置6种载体尺寸（125–150 μm至≥850 μm）和7种含量（2%–14%），共43组。
- 碳酸钙因素：6种粒径（10–15 μm至35–40 μm）、5种生成范围（1–5倍载体粒径）、8种生成量（10%–80%），共241组。

1. 性能测试与数据分析
   
   • 单轴抗压强度：通过刚度板施加恒定位移载荷，记录应力-应变曲线峰值作为抗压强度。
     
   • 抗渗性评估：基于Kozeny-Carman方程计算渗透率，结合40×40检测单元的孔隙率分布生成热图。
     
   • 裂缝发展分析：统计断裂后模型的裂缝数量比率（R_c），评估微裂缝修复效果。
     

主要结果
1. 载体参数优化
- 载体尺寸为178–250 μm、含量8%时，水泥砂浆抗压强度提升率最高（5.66%）。过大的载体（≥850 μm）会破坏内部结构，过量载体（>10%）则因胶结性能不足导致强度下降（降幅达9.59%）。
- 抗渗性随载体含量增加呈先升后降趋势，小尺寸载体（125–250 μm）可有效填充孔隙，渗透率降低21.21%。

1. 碳酸钙生成条件的影响

   • 最优性能组合：碳酸钙生成量50%、生成范围4倍载体粒径、粒径10–15 μm时，抗压强度提升19.36%，抗渗性提升17.41%。
     
   • 过量碳酸钙的危害：生成量>50%时，碳酸钙颗粒易团聚成簇（图18），阻碍微裂缝修复，强度提升率降至11.17%。
     
   • 生成范围的关键作用：扩大生成范围（至4倍载体粒径）能显著修复更大范围的裂缝，但超过5倍时效果减弱。
     

2. 微观机制解析

   • 载体封装可缓解水泥碱性环境（pH≈13）对微生物活性的抑制，通过分阶段释放微生物实现长期修复（图17）。
     
   • 离散元模拟揭示了碳酸钙分布与裂缝发展的负相关性（图14），修复后裂缝集中区域减少80%（R_c%的检测单元占比提升）。
     

结论与价值
1. 科学意义：
- 首次通过离散元模型量化载体封装微生物的自修复效果，为MICP技术在水泥基材料中的工程应用提供理论依据。
- 揭示了载体尺寸、含量与碳酸钙生成参数的协同作用机制，填补了微生物修复多参数优化研究的空白。

1. 应用价值：
   
   • 推荐载体参数（178–250 μm, 8%）和碳酸钙条件（50%生成量, 4倍粒径范围）可作为隧道、油井等高抗渗要求工程的优化配比。
     
   • 为低成本、长寿命自修复水泥材料的工业化生产提供技术路线。
     

研究亮点
1. 方法创新：
- 结合指数分布函数与分段分层算法，精确模拟微生物矿化的空间衰减特性（图3）。
- 提出“承载力裂缝参数”实现宏-微观裂缝发展的联动分析。

1. 发现创新：

   • 碳酸钙生成范围（非生成量）是抗渗性提升的主控因素（图23b）。
     
   • 载体封装可使微生物活性稳定维持4个月以上（图17），显著优于直接添加法（7.65%强度提升率）。
     

2. 跨学科价值：

   • 为地质环境保护（如裂隙岩体修复）与建筑材料耐久性研究提供新思路。
     

其他价值
- 研究受国家自然科学基金（42272363）和四川省科技计划（2023NSFSC0432）支持，数据保密但模型代码可拓展至其他颗粒材料模拟。
- 作者声明无利益冲突，实验参数参考团队前期实测数据（Zheng et al., 2024），确保模型可靠性。