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实际工程结构由于承受各种荷载和环境因素的作用而造成混凝土不同程度的损伤或开裂,这些裂缝或微裂缝相互贯通为混凝土中介质传输提供大量的附加迁移通道,进而严重影响混凝土结构耐久性。为了抑制混凝土裂缝扩展所造成的结构损伤及由混凝土开裂带来的高额维修费用,采用微生物诱导碳酸钙沉淀实现混凝土裂缝的修复成为近年来的研究热点。本文对微生物自修复混凝土的定义、分类、作用机理、影响因素以及修复效果的评价指标等方面进行了总结并评述了国内外微生物自修复技术的最新研究进展。研究发现,混凝土中的裂缝主要由微生物的代谢产物—碳酸钙填充。除用于填充、修复裂缝外,微生物代谢产生的矿物沉淀还能够改善混凝土的力学性能。此外,经微生物修复后混凝土的孔隙率、吸水性、渗透性以及氯离子运输能力的降低也被认为是微生物修复剂对混凝土结构耐久性改善的体现。因此,微生物作为混凝土修复剂具备可持续修复裂缝的能力且可改善混凝土的力学性能和耐久性,从而达到维护混凝土结构的目的。然而,微生物自修复技术涉及到复杂的物理、化学反应过程,相关工作机理研究尚处于起步阶段。此外,常规手段难以对微生物修复过程,特别是混凝土裂缝内部封堵情况进行有效实时观测。基于上述考虑,开展了微生物修复混凝土裂缝机理和耐久性改善效果的试验及数值模拟研究,论文主要研究工作及成果如下:(1)培育了一种嗜碱芽孢杆菌(假坚强芽孢杆菌,Bacillus pseudofirmus),开展了微生物矿化沉积性能试验,验证了利用假坚强芽孢杆菌修复混凝土裂缝的可行性;开展了微生物自修复混凝土力学性能试验,结果表明微生物自修复混凝土较普通混凝土力学性能有不同程度下降。(2)目前研究热点主要集中于早龄期微生物混凝土的自修复性能,无法体现服役时混凝土内部恶劣环境对微生物混凝土自修复性能的影响。本文研究了微生物混凝土在水中养护150 d后对裂缝的修复能力,通过裂缝宽度修复水平、裂缝面积修复水平和毛细吸水量等多个指标量化评估了微生物修复混凝土裂缝及对耐久性能的改善效果。研究结果表明,微生物自修复技术可在短期内修复最大的裂缝宽度为507.5μm;对宽度小于200μm的裂缝区域封堵率达90%以上;单位面积累积吸水量最多降低26.3%,平均吸水率降低约50%。(3)建立了基于微生物的尿素水解-扩散传输模型和碳酸钙沉淀模型,利用Galerkin法给出了尿素在裂缝中水解-扩散传输过程的离散形式,并基于MATLAB软件模拟了裂缝中尿素传输和裂缝闭合过程。通过微生物自修复混凝土模型预测了封堵300μm裂缝所需要的时间,并验证了模型的准确性和可靠性。通过对模型参数的敏感性进行分析发现,初始尿素分布范围、裂缝长度和裂缝宽度是决定预测模型准确度的主要因素。(4)基于混凝土细观层次格构网络模型,建立了微生物自修复混凝土毛细吸水和氯离子扩散过程的数值模拟方法。开展了修复率为0%、25%、50%、75%、100%时,混凝土毛细吸水和氯离子扩散过程的数值模拟。研究结果表明,裂缝修复水平对自修复混凝土中的水分和氯离子传输有显著影响,根据耐久性改善水平可将自修复过程分为三个阶段:第一阶段,修复率在0~50%范围内,裂缝中物质传输过程和修复水平无显著关系,微生物修复过程未能改善混凝土耐久性;第二阶段,修复率在50~75%,裂缝内物质传输速度随修复水平的提高而快速降低,说明此时微生物自修复技术显著改善混凝土耐久性;第三阶段,修复率在75%以上,可近似看作达到微生物自修复技术极限,此时裂缝修复率对物质传输无显著影响。针对微生物自修复混凝土细观模型开展了参数敏感性分析。研究结果表明,初始含水量、裂缝长度和粗骨料形状对自修复混凝土中物质传输无显著影响;骨料体积分数和骨料分布对微生物自修复混凝土内物质传输规律有一定影响。