南京大学团队|RMRE:孔隙过渡区控制MIMC修复砂岩界面黏结强度

01 文章信息

题目：

A Microbially Induced Magnesia Carbonation (MIMC) Method with Potential Application for Crack Healing of Sandstone Cultural Relics: A Predictive Model for Interfacial Bonding Strength

（面向砂岩文物裂缝修复的微生物诱导氧化镁碳化方法：界面黏结强度预测模型）

期刊：

Rock Mechanics and Rock Engineering, 2026

作者：

Zhi-Hao Dong、Xiao-Hua Pan、Chao-Sheng Tang、Qi-Chen Dai、Bin Shi

通讯作者：

Xiao-Hua Pan（panxiaohua@nju.edu.cn）；Chao-Sheng Tang（tangchaosheng@nju.edu.cn）

作者单位：

School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University

发表时间：

2026

DOI：

10.1007/s00603-026-05297-2

关键词：

微生物诱导氧化镁碳化；砂岩文物；裂缝修复；界面黏结强度；孔隙过渡区；微米CT；劈裂试验；强度预测

02 摘要速读

研究什么？

砂岩文物裂缝修复不仅要求填充材料能够成形，还需要明确修复层与原岩之间的薄弱位置及其强度控制因素。论文研究MIMC修复砂岩后的界面孔隙结构、破坏路径和黏结强度之间的关系，并尝试建立可由微米CT参数驱动的预测模型。

用什么方法？

作者将菌液、活性氧化镁、尿素和砂岩颗粒配制为MIMC修复浆体，与砂岩基体结合后在30 ℃、75%相对湿度和大气CO2条件下养护7 d。研究对一个直径约5 cm的复合试样进行分辨率33.42 μm的微米CT扫描，再切割成16个约1 cm见方的小试样，开展局部劈裂试验，并按距界面位置划分界面过渡区、孔隙过渡区和MIMC主体区。

主要结果？

界面上方200～1500 μm的孔隙过渡区具有更高孔隙率，是主要薄弱带；16个试样中有15个在该区域内发生MIMC侧破坏。局部孔隙率由2.46%降至1.06%、平均孔径由298 μm降至180 μm时，黏结强度由0.48 MPa升至1.98 MPa。综合孔隙率与平均孔径的半物理—半经验模型拟合决定系数达到0.86，高于多数仅使用孔隙率的对比模型。

研究意义？

研究把“界面是否黏牢”转化为可定位、可成像并可建模的孔隙结构问题，为砂岩文物裂缝修复质量评价提供了中尺度指标。模型建立在单个复合母样切割得到的16个空间试样上，且CT无法识别小于33.42 μm的孔隙；其跨岩性、跨配方和长期环境适用性仍需独立样本验证。

03 核心看点

1）最弱位置不在砂岩—修复材料的几何接触面，而在MIMC侧孔隙过渡区。

作者将界面附近划分为0～200 μm的界面过渡区、200～1500 μm的孔隙过渡区和更远的主体区。劈裂后，绝大多数断面位于几何界面上方的MIMC内部，说明直接接触并非唯一控制环节。浆体在砂岩吸水、颗粒迁移与碳化固结共同作用下形成的孔隙梯度，才是局部承载能力降低的关键结构背景。

2）孔隙率和平均孔径共同决定有效承载面积与应力集中程度。

仅用孔隙率描述材料内部空隙总量，无法区分大量小孔与少量大孔带来的不同裂纹敏感性。论文将孔隙率与平均孔径组合进强度模型，使体积分数效应和孔径尺度效应同时进入拟合。结果显示二者增大均对应黏结强度下降，但这仍是基于特定材料、养护制度和加载方式的统计—物理关系。

3）空间分辨的同一母样测试降低了材料批次差异，也限制了独立重复性。

从同一复合圆柱体切割16个试样，可以把强度差异与局部CT孔隙参数一一配准，适合识别界面附近的空间梯度。然而，这16个点并不等于16批独立制样，模型可能包含母样特有的制备和边界效应。后续验证应增加独立批次、不同砂岩孔隙结构及湿热、盐蚀和循环荷载条件。

04 关键图表

Figure 10. (a) splitting failure surfaces and (b) interfacial bonding strength distribution of the samples.

图中汇总16个局部试样的劈裂断面与界面黏结强度。除一个试样外，破坏都发生在距砂岩界面1500 μm以内的MIMC侧，强度则在不同空间位置明显变化。该图支持孔隙过渡区是主要薄弱带，但强度分布还可能受到切割位置、局部缺陷和加载偏心影响，不能据此把单点差异完全归因于一种孔隙参数。

Figure 15. Fitting results of different models for interfacial bonding strength.

图中比较本文双参数模型与多种孔隙率模型对界面黏结强度的拟合效果。综合孔隙率和平均孔径后，预测值与实测值的一致性达到R²=0.86；部分对比模型的拟合较弱，而参数更多的模型也可能面临过拟合。该图证明双参数表达在本数据集上更具解释力，不等于已完成跨材料和不同加载模式下的普适验证。

05 主要创新

1）识别并定量划分MIMC—砂岩界面附近的孔隙过渡区。

研究把破坏位置从模糊的“界面失效”细化到距接触面200～1500 μm的MIMC侧区域，并用CT孔隙分布和15次局部破坏位置提供相互对应的证据，为修复层配方和施工质量控制提供了明确靶区。

2）建立同时考虑孔隙率与平均孔径的界面黏结强度模型。

双参数模型将空隙数量和尺度共同纳入强度表达，在本文16个空间试样上取得R²=0.86。相较单一孔隙率模型，它新增了大孔引起局部应力集中的信息，但仍属于针对特定MIMC—砂岩体系标定的半经验关系。

3）构建微米CT空间配准与局部劈裂测试相结合的评价流程。

同一位置的孔隙结构、破坏面和黏结强度能够直接关联，避免仅用整体平均值解释界面失效。该流程适合研究修复材料的空间非均质性，推广时需同步处理成像分辨率、代表性体积、切割扰动和独立重复样本问题。

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