本研究聚焦微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术在混凝土裂缝自修复领域的应用，创新性地提出采用硅酸钠包覆再生骨料（RCA）作为微生物修复剂的载体。研究系统探究了混凝土环境对MICP过程的影响，发现当pH值高于11时，MICP过程会受到显著抑制。实验结果表明，当负载微生物修复剂的RCA掺量为20%时，混凝土裂缝修复效果达到最佳：7天平均修复率约为90%，28天裂缝面积填充率高达86.4%，且抗渗性能恢复显著。该成果为开发低成本、高效率的自修复混凝土提供了全新的技术路径。

关键词

自修复混凝土；微生物诱导碳酸钙沉淀；再生骨料；裂缝修复；硅酸钠包覆

研究背景

混凝土作为全球用量最大的建筑材料，其开裂问题难以避免。微裂缝的形成不仅削弱了结构的整体性，更为腐蚀介质提供了渗透通道，严重降低了结构的耐久性。传统的裂缝修复方法往往面临成本高昂、施工效率低下等挑战。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术凭借其环境友好、与基体相容性强等优势，近年来备受瞩目。然而，混凝土内部的高碱性环境极易导致细菌失活，限制了该技术的实际应用。因此，深入探明混凝土环境对MICP过程的影响机制，并研发高效、稳定的微生物保护载体，成为推动该技术工程化应用的关键。

核心观点

创新点一：揭示高碱性环境对MICP过程的抑制机制

研究深入剖析了环境pH值对MICP过程的影响。实验发现，当环境pH值超过11时，脲酶活性受到显著抑制，导致尿素分解与钙离子（Ca²⁺）消耗几乎停滞（如图1所示）。相比之下，在pH 6–10的范围内，微生物仍能保持活性，并通过NH₄⁺/NH₃缓冲体系将环境pH值稳定在9左右。此外，pH值还显著调控了碳酸钙的矿物相组成：pH < 8时，沉淀产物包含球霰石和方解石；而pH > 8时，产物仅为方解石（如图2所示）。这一发现阐明了pH值不仅影响矿化效率，还决定了矿物相的种类，为MICP技术在混凝土环境中的应用提供了重要的理论依据。

图1.初始pH对生物化学过程的影响：(a) 尿素分解；(b) Ca²⁺消耗；(c) pH变化曲线

图2.初始pH对MICP产物矿物组成与物相比例的影响：(a) MICP产物的矿物组成；(b) CaCO₃摩尔比

创新点二：提出硅酸钠包覆再生骨料作为细菌载体

针对细菌在混凝土中存活率低、易泄漏的难题，研究首次提出采用硅酸钠包覆再生骨料（RCA）作为菌体及营养物质的保护载体。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，经硅酸钠包覆处理后的RCA结构致密，能有效防止修复剂过早泄漏（如图3所示）。该策略不仅显著提升了细菌在强碱性环境中的耐受性，还构建了“触发-释放-修复”的智能响应机制，确保了修复剂在裂缝产生时能被有效释放。

图3.硅酸钠涂覆前后RCA表面的SEM图像：(a) 涂覆前（200 μm）；(b) 涂覆前（10 μm）；(c) 涂覆后（200 μm）；(d) 涂覆后（10 μm）

创新点三：验证最优掺量下的自修复性能

研究验证了不同掺量下的修复效果，结果显示B-20组（20% RCA替代率）性能最优。对于宽度在0.3–0.4 mm的裂缝，该组别在7天内的平均修复率约为90%，28天时的裂缝面积填充率达到86.4%（如图4、图5所示）。在抗渗性能方面，快速吸水阶段的抗渗恢复率达到了74.4%（如图6所示）。X射线衍射（XRD）与SEM分析进一步证实，裂缝内部生成了致密的方解石晶体，这些晶体有效填充了裂纹并阻塞了孔隙通道（如图7、图8所示）。尽管RCA的掺入会导致混凝土劈裂抗拉强度略有下降（如图9所示），但其带来的显著自修复性能提升足以弥补这一力学性能的微小损失。

图4.平均裂缝愈合率随初始裂缝宽度和时间的变化

图5.试件的裂缝面积填充率

图6.根据吸水曲线计算得出的吸水系数与抗渗恢复率：(a) 初始吸水系数；(b) 二次吸水系数；(c) 抗渗恢复率

图7.裂缝壁表面采集沉淀物的XRD分析

图8.裂缝壁表面愈合产物的SEM图像：(a) R；(b) B-20

图9.自愈合组分对混凝土劈裂抗拉强度的影响

结论与展望

本研究证实，利用硅酸钠包覆再生骨料作为微生物修复剂载体，是一种高效且低成本的解决方案。通过调控环境pH值与优化载体结构，成功实现了混凝土裂缝的智能、高效自修复。未来的研究工作可进一步优化包覆工艺与菌种筛选，以提升其在复杂环境下的长期稳定性，并探索将其与结构健康监测系统相结合，从而推动自修复混凝土在实际工程中的广泛应用。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fsce/EN/10.1007/s11709-023-0993-7