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科学家研发自愈合混凝土用休眠细菌修补裂缝

发布于：2024-05-28 10:23:28 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

来源：建筑与建材、混凝土网

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【导读】 混凝土看似坚固耐用，但在自然环境面前却出奇地脆弱。现在，德雷克塞尔大学的研究人员展示了一种内嵌"生物纤维"的自愈合混凝土，它能利用细菌修补形成的裂缝。要想成为世界上最常用的建筑材料，就必须做好几件事--混凝土易于制造、强度高，而且在理想条件下可以长期耐久。

生物纤维自愈合混凝土工作时的彩色扫描电子显微镜图像

但现实世界很少按照理想状态运行，因此混凝土会不断受到风化，从而产生裂缝。这才是真正的问题所在，因为温度波动会迫使裂缝扩大，而湿气则会引发各种侵蚀混凝土的过程。

因此，混凝土结构需要经常维护，这不仅成本高昂且不方便，还会增加制造这种材料对环境的影响（本来就很大）。如果能找到减缓劣化的方法，就能省去很多麻烦。

这就是德雷克塞尔生物纤维的用武之地。这些聚合物纤维不仅能起到物理加固作用，还具有重要的双重作用，即自我修复机制。纤维表面涂有一层水凝胶，水凝胶中含有内生孢子，内生孢子是细菌的休眠形式，可以抵御极端环境，当环境变得更舒适时，内生孢子又会重新苏醒。然后在水凝胶层上涂上一层薄薄的聚合物外壳。

生物纤维混凝土可以像其他混凝土一样使用，但它的秘密超能力只有在以后开裂时才会显现出来。当水到达生物纤维时，水凝胶就会膨胀并破壳而出，推向地表。在这个过程中，沉睡的细菌被唤醒，它们开始从周围的混凝土中吸取碳和钙。这就产生了碳酸钙，一种填充和修补裂缝的胶结材料。

该团队的首席研究员阿米尔-法纳姆（Amir Farnam）说："这是一项令人兴奋的进展，因为我们一直在努力利用大自然的灵感来改进建筑材料。我们每天都在看到，老化的混凝土结构正在遭受破坏，从而降低了其功能寿命，并需要进行昂贵的关键性维修。试想一下，它们能自我修复吗？在我们的皮肤中，我们的组织通过注入自我修复液--血液--的多层纤维结构自然实现自我修复。这些生物纤维模仿了这一概念，并利用造石细菌创造出能对损伤做出反应的活体自愈混凝土。"

研究小组表示，虽然愈合时间可能会有所不同，但生物纤维似乎能够在短短一两天内修补裂缝。以前的研究已经制造出了注入细菌的自愈合混凝土，但主要挑战之一是如何在混凝土完好无损的情况下保持微生物长期存活。使用包裹在聚合物保护壳下的水凝胶中的休眠内生孢子可能就是答案。

虽然还有很多工作要做，但研究人员表示，生物纤维混凝土最终可以帮助降低建筑物的维护要求，并减少混凝土生产过程中的二氧化碳排放量。