中空玻璃纤维管固载微生物沉积材料用于混凝土裂缝自修复的研究

当前解决混凝土材料开裂的办法多为人工定时维修和事后修补，无法满足现代化智能建筑对材料提出的要求。基于仿生学的智能化自修复技术的问世为此问题带来了突破。然而，既有的自修复技术所采用的修复剂均为有机聚合物材料，不仅污染环境，且与基体相容性差。本课题从自然界中存在的微生物天然矿化作用得到启示，提出利用微生物沉积法对混凝土裂缝进行自主化智能修复。采用中空玻璃纤维管固载微生物及沉积材料并埋入混凝土中。当结构完好时，纤维管起到增强相作用，同时内部微生物由于缺氧而进入休眠的孢子状态。一旦基体开裂，纤维管随之破裂并释放出生物修复材料，微生物在接触裂缝处的氧气及水后复苏，恢复新陈代谢能力，沉积并修复裂缝。该系统能实现智能化、自主性修复，具有环境友好、相容性佳、经济长效的特点，能够有效地延长土木工程结构的寿命、增强其耐久性和安全性。

当前解决混凝土材料开裂的办法多为定时维修和事后修补，无法满足现代化智能建筑对材料提出的要求。基于仿生学的智能化自修复技术的问世为此问题带来了突破。然而，既有的自修复技术一般采用有机聚合物材料，不仅污染环境，且与基体相容性差。本课题从自然界中存在的微生物矿化现象得到启示，提出利用微生物沉积法对混凝土裂缝进行智能自修复。通过将耐碱性的科氏芽孢杆菌及含有不同钙源的营养介质在拌合时加入混凝土中，在基体硬化随后产生开裂的过程中，微生物诱导碳酸钙沉积的过程被触发，逐步自发修复裂缝。研究结果发现微生物诱导矿物沉积能够在一定程度上对混凝土裂缝进行修复，但若无载体介质的保护，修复效果将受限于菌体活性的丧失及营养物质的补给不足。钙源种类对修复效果有较大影响，其中以谷氨酸钙作为钙源有较好修复效果，表现为弯折强度恢复率较高，其原因在于沉积物和基体之间的界面结合区较强。另外，探索研究了微生物沉积对混凝土的表面防护效应，发现经表面处理后混凝土的抗碳化性及抗水渗透性均提高了一倍左右。该项目成果表明，微生物矿化自修复技术有望能延长土木工程结构的寿命，增强其耐久性和安全性。