微生物矿化修复再生混凝土裂缝的机制创新与环境经济效益研究

针对建筑垃圾再生混凝土力学性能差、裂缝修复难的问题，研究人员系统研究了微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术的修复机制。通过细菌驯化与双重保护策略提升细菌在碱性环境中的存活率，使再生混凝土抗压强度显著提升，维护周期延长至20年以上，初始投资成本降低50%。该技术为建筑行业绿色转型提供了兼具环境可持续性与经济可行性的解决方案。

　　

论文解读

建筑垃圾堆积已成为全球环境治理的顽疾，而将其转化为再生混凝土（RCA）是缓解这一问题的有效途径。然而，再生混凝土因旧砂浆残留和微裂缝导致力学性能低下，仅能用于低强度工程。更棘手的是，传统修复方法需频繁维护（5-10年周期），且产生大量碳排放。在此背景下，微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP）技术因其"自修复"特性进入研究者视野——细菌代谢产生的CO₃^2-能与环境中的Ca²⁺结合生成CaCO₃，自动填充裂缝。但混凝土pH≈13的强碱性环境让大多数细菌"寸步难行"，如何让细菌在极端条件下存活并持续矿化，成为突破技术瓶颈的关键。

新疆维吾尔自治区自然科学基金与台州学院高层次人才科研启动费支持的研究团队，通过系统分析微生物矿化修复再生混凝土的机制，提出了双重保护策略：一方面通过细菌驯化增强菌株适应性，另一方面采用降低pH值和保护壳（如聚合物包裹）改造外部环境。实验证明，经MICP处理的再生混凝土抗压强度提升显著，界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）宽度缩小，裂缝修复效率提高。更引人注目的是，该技术将维护周期延长至20年，初始投资成本较传统方法降低50%，且细菌可被"重复激活"实现持续修复。研究还创新性地引入人工智能（AI）实时监控矿化过程，为技术商业化提供了新思路。

关键技术方法
研究采用细菌驯化技术筛选耐碱菌株（如芽孢杆菌属Bacillus），结合SEM-EDS分析矿化产物形貌与成分；通过压缩试验评估再生混凝土力学性能；利用AI算法优化修复过程预测模型；所有实验均采用建筑垃圾来源的再生骨料（RCA）作为基础材料。

研究结果

1. 矿化细菌探索
   发现Bacillus菌株在驯化后可在pH=11环境中存活，其代谢产物方解石型CaCO₃对裂缝填充效率达92%。

2. 再生混凝土对细菌存活的影响
   双重保护策略使细菌存活率提升300%，其中硅藻土包裹法可将菌株在混凝土中的活性维持28天以上。

3. 抗压强度
   MICP处理后的再生混凝土28天抗压强度达45MPa，较未处理组提高22%，ITZ区域孔隙率降低37%。

4. 微生物诱导碳酸钙的数值分析
   AI模型预测裂缝修复准确率达89%，可提前14天预警潜在开裂风险。

结论与意义
该研究首次从环境-经济双维度论证了MICP技术在再生混凝土领域的应用价值。通过生物-材料协同创新，不仅解决了建筑垃圾资源化利用的技术瓶颈，更创造了"自维护"的低碳建筑模式。Chen Yingjie团队提出的双重保护策略为极端环境下微生物技术的工程化提供了范式，而AI融合方案则开创了智能生物建材的新方向。尽管目前菌株长期存活率仍需优化，但该技术已展现出改变传统建筑行业高能耗现状的潜力，为实现"双碳"目标提供了关键技术支撑。