基于微生物自修复材料的钢筋混凝土腐蚀防护及其多尺度模型

Corrosion of reinforcing steel is a primary cause to the deterioration of steel reinforced concrete structures. An effective way to protect the structure from corrosion is maintaining the concrete cover, which is the only defensive line of the structure. As a state-of-the-art technique, microbial induced precipitation has been used in surface protection and crack repair of concrete materials; however, its application in steel reinforced concrete structures has not been reported yet. In this project, self-repair of steel reinforced concrete structure by using ureolytic microbial precipitation is proposed, and porous ceramsite would be employed to protect bacteria in-situ. While the matrix is intact, all bacteria are in the state of dormancy. Once cracking occurs to the concrete cover, bacterial spores will revive due to the ingress of air and water through the crevice. A process of urea hydrolysis will be triggered by microbial metabolic effect, followed by a mineralized precipitation process which continuously and repeatedly repairs the crack. Meanwhile, the increase of pH resulting from urea hydrolysis is beneficial for the passivation of steel, and a dual protection for reinforcing steel can be achieved at last. This project will provide an economic and long-acting intelligent repair technique for a wide range of steel reinforced concrete structures in our country. The achievement of the project has prominent economic benefit and application prospect.

钢筋腐蚀是造成钢筋混凝土结构劣化的首要原因，而维持混凝土这道唯一防线则是对整体结构进行腐蚀防护的有效手段。微生物诱导沉积作为一种新型修复技术，目前已用于混凝土材料的表面防护和开裂修复，但在钢筋混凝土结构中的应用还未见报道。本项目提出利用脲解型微生物沉积法对钢筋混凝土结构进行自主化智能修复，并采用多孔陶粒对菌体实施原位保护。当基体完好时，微生物处于休眠的芽孢状态。一旦混凝土层开裂，微生物在接触裂缝处的空气及水后复苏，恢复新陈代谢过程而产生脲解作用，进行矿化沉积并持续且反复地修复裂缝。同时，脲解引起的pH值升高亦能维持钢筋钝化，最终实现对钢筋的双重保护。该项目可为国内量大面广的钢筋混凝土结构提供经济长效的智能修复技术，其成果具备显著的经济效益和应用前景。

钢筋混凝土是迄今用量最大的建筑材料。随着现代建筑业的发展，各种大跨、高耸及其它复杂结构不断涌现，且服役环境也更加极端、恶劣，这对钢筋混凝土的耐久性提出了越来越高的要求。混凝土开裂是引发耐久性问题的一个重要诱因，而混凝土层作为最后防线，其开裂所形成的渗透通道将造成内部钢筋的锈蚀而加剧整体破坏。然而，传统的混凝土开裂修复方式不仅被动，而且耗费大量人力和资金，且大多数修复材料存在潜在污染以及与混凝土相容性差等问题。近年来，随着微生物自修复技术的问世，为该难题提供了一种智能化且环境友好的方案。不过，目前仍需要寻找高成矿活性的菌来提高微生物修复效率，另外菌体还需要保护以免遭混凝土内部恶劣环境的影响。该项目提出利用脲解型微生物对钢筋混凝土开裂进行自主修复，并采用多孔陶粒为菌体提供原位保护。通过该类型微生物的高效矿化沉积，能够及时有效地修复裂缝，同时保护钢筋免受腐蚀侵害。通过制备出高性能微生物修复剂，并利用多孔陶粒进行真空压注负载。在优化各修复组分与钢筋混凝土相容性的基础上，开发出了完善的微生物自修复体系。从多尺度的层次对修复后的效果进行了评价，并探明了修复机制。研究获得以下重要结果：1. 通过掺入硫酸锰的方式培养14天，可以获得最大的产孢率和总菌量；2. 在菌正常生长的温度和pH范围内，尿素浓度的改变对菌活性和沉积动力学有显著影响；3. 采用芽孢与营养物质共负载的方式，能够有效提高修复效率；4. 经过28天微生物修复后，混凝土强度回复能力和抗渗性相比未修复组分别提高了25%和30%，最大可修复裂缝宽度达到300μm，修复比达到85%以上；5. 钢筋腐蚀电流值相比基准降低70%以上。以上结果表明，已研发出的多孔陶粒负载微生物自修复体系不仅能够实现混凝土的开裂自修复，且对钢筋有主动防护作用。研究技术成果具备较强的理论指导意义、显著的经济效益和广阔的应用前景。