基于微生物原位矿化作用增强的水凝胶的快速且持久自修复性能的演变规律

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：The evolution law of rapid and long-lasting self-healing properties based on hydrogel enhanced by microbial mineralization in situ

　　

X.W. HONG|Q.W. ZHAN|H.T. HU|Z.L. JIN

摘要

混凝土中出现非结构性裂缝对其固有的耐久性构成了严重挑战。本文创新性地开发了一种基于水凝胶的快速且持久的自修复技术，该技术通过微生物矿化作用在原位增强水凝胶的性能。研究人员详细研究了这一技术随时间的演变机制。将孢子和营养物质固定在水凝胶中，并将其应用于混凝土的自修复层。实验结果表明，水凝胶能够从内部开始迅速且灵活地填充裂缝；同时，微生物矿化作用从外部增强了水凝胶的刚性及稳定性。在1天内，裂缝修复面积达到了81.23%，水分渗透修复率达到了83.79%。早期修复产物主要由水凝胶组成，而后期产物则以碳酸钙为主，水凝胶则作为碳酸钙沉积的多孔框架。此外，在高湿度环境下，水凝胶的吸湿性促进了孢子的萌发。在水的保护下，细菌能够在裂缝中存活较长时间，从而生成结晶度更高、浓度更高的矿物产物。在模拟海洋混凝土裂缝区域的碱性及钙离子浓度条件下，水凝胶的体积稳定性提高了20.65%；在水相关环境中，裂缝的自修复稳定性提高了47.64%。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，大量矿化产物填充了水凝胶的孔隙，有效防止了脱水后的孔隙塌陷。本研究为混凝土裂缝的自修复提供了科学依据。