摘要

水泥基复合材料因其固有脆性而易产生裂缝，进而制约混凝土基础设施的服役寿命、结构韧性与运行安全。为突破这一脆性瓶颈，自愈合混凝土能够在裂缝产生后自主恢复力学性能与耐久性，为基础设施的可持续发展提供了新路径。本文首先概述了愈合效率的多尺度评价方法；其次，对比了现有修复策略的适应性差异；随后探讨了典型自愈合体系的构建途径；最后，提出了指导新型自愈合混凝土研发的关键性见解。研究为提升混凝土耐久性、韧性与安全性的创新研究提供理论参考。

关键词

韧性基础设施；可持续混凝土；自修复；微裂缝

研究背景

混凝土因固有脆性易产生裂缝，导致基础设施服役寿命缩短、韧性及安全性降低。传统的被动修复方法（如表面涂覆密封剂）不仅成本高昂（维护费甚至超过制造成本），且只能治标，无法从根本上解决问题。与此同时，水泥行业作为全球第三大碳排放源，面临巨大的可持续性压力。为延长结构寿命、降低全生命周期成本与环境影响，受生物自修复能力启发，自愈合混凝土应运而生。自愈合混凝土通过自主修复裂缝，恢复力学性能与耐久性，为基础设施可持续发展提供新路径，契合“双碳”目标下绿色建筑需求。

核心观点

（1）自愈合效率评价方法

文章系统综述了多尺度评价方法，包括微观（如裂缝愈合后的晶体结构分析）、宏观（如抗压强度、抗渗性恢复测试）及多物理场耦合评估，强调需结合不同尺度数据全面衡量自愈合效果。

（2）自愈合策略对比

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）：利用芽孢杆菌等微生物代谢产生碳酸钙填充裂缝，修复效率高（0.1-0.5mm裂缝愈合率可达80%以上），但存在微生物存活周期短、高碱环境适应性差等问题。

微胶囊技术：将修复剂封装于微胶囊，裂缝扩展时胶囊破裂释放修复剂，修复效率约60%-80%，但存在胶囊分散不均、修复盲区问题。

内养护与纤维增强：通过添加内养护剂或纤维，促进水泥水化或抑制裂缝扩展，提升自愈合能力，但修复深度有限。

（3）典型自愈合体系构建

研究探讨了微生物-微胶囊复合体系、纳米材料增强体系等新型自愈合混凝土的构建途径，强调通过材料复合、界面优化提升自愈合效率与稳定性。

图1. 两种自修复砂浆图示：（a）BE + BS（漂白土+细菌悬浮液），GF + BE + BS（玻璃纤维网格+漂白土+细菌悬浮液）（b）时间对砂浆中测量的自修复面积的影响（忽略裂缝宽度）（c）混凝土中愈合产物（黄色标记）空间分布的3D渲染视图

如上图，基于微生物的自愈合混凝土通过仿生自修复机制，利用细菌代谢诱导碳酸钙沉淀，主动填充裂缝，实现混凝土的“自我愈合”；同时，细菌在完好状态下休眠，裂缝出现后被外界氧气和水智能激活，实现精准、按需修复。此外，该方法还具有双重功能：活细菌消耗氧气可提高钢筋耐腐蚀性，生成的碳酸钙与水泥基体相容性好。这一环保可持续技术基于生物矿化原理，无需频繁人工维护，有效降低了全生命周期成本与环境负担。

结论与展望

混凝土结构开裂及性能退化不可避免，每年造成巨大维护成本。基于微生物的自修复是解决该问题最有前景的方法，能提高基础设施韧性、延长寿命、降低成本与环境负担，但其尺度效应是实际应用的主要瓶颈。自修复分为自养护修复（仅修复<60μm微裂缝）和自主修复（如微生物技术可修复约1mm裂缝）。然而，自修复仍面临成本高、效率低、长期可靠性差等问题。目前研究多在实验室静载条件下进行，与实际动载服役环境差异较大。未来应聚焦真实服役环境下的自修复行为。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fsce/EN/10.1007/s11709-024-1030-1