3D打印混凝土微缺陷自修复新策略：微生物群落诱导碳酸钙沉淀（MICP）的协同矿化机制

针对3D打印混凝土因层间间隙和收缩裂缝导致的耐久性下降问题，河北工业大学团队开发了基于微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术的复合微生物自修复剂。研究发现，该微生物群落在微氧条件下的矿化效率是传统B. pasteurii的3.63倍，能实现1毫米裂缝7天内100%修复，最大修复深度达38毫米，为3D打印混凝土微缺陷修复提供了高效环保的解决方案。

　　

3D打印混凝土技术因自动化程度高、材料利用率高等优势成为建筑领域的新宠，但其无模板施工特性导致层间间隙和收缩裂缝频发，严重影响结构的力学性能和耐久性。传统化学修复材料难以兼顾开放裂缝和封闭层间间隙的修复需求，而单一微生物修复剂如B. pasteurii在缺氧环境下活性受限。针对这一瓶颈，河北工业大学的研究团队创新性地从土壤中筛选出功能微生物群落，通过协同代谢机制实现多氧环境适应性修复，相关成果发表于《Biogeotechnics》。

研究采用16S rRNA测序分析微生物群落结构，结合X射线CT扫描和汞侵入孔隙仪（MIP）量化孔隙特征，通过扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征矿化产物。实验设计包含对照组、低/高浓度微生物群落组（L-MC/H-MC）和B. pasteurii组，系统评估了修复剂对混凝土流变性、打印性能和修复效果的影响。

3.1 功能微生物群落的特性
通过梯度提高pH和尿素浓度富集的微生物群落，在pH=13时OD₆₀₀
值较B. pasteurii提高11.56%，尿素降解速率达0.581 g/(L·h)。微氧条件下，其钙碳酸盐沉淀速率达79.2%，是B. pasteurii的3.63倍。群落结构分析显示，Pseudogracilibacillus（需氧）和unclassified_Bacillaceae_2（兼性厌氧）分别在富氧和缺氧环境下主导矿化过程。

3.2 自修复混凝土的打印性能
添加H-MC使混凝土流动性提升至210 mm，初凝时间延长至60分钟。3D打印测试中，H-MC组挤出量达1885.8 g，层间粘结良好，干燥后无裂缝产生，而对照组出现≥1 mm的裂缝。

3.3 层间间隙与孔隙结构
H-MC组养护1天的总孔隙率仅0.72%，为对照组的三分之一。40天后，其宏孔和介孔数量分别减少72%和14%，CT显示矿化产物有效填充层间间隙。

3.4 自修复性能
H-MC组对1毫米裂缝的7天修复率达94.4%-100%，28天平均修复深度达30毫米。XRD证实裂缝内沉淀物为稳定方解石，其衍射峰面积较对照组提升120%。

3.5 修复机制
研究提出三阶段修复模型：1）需氧菌在富氧间隙快速启动矿化；2）兼性厌氧菌在裂缝深处延续代谢；3）完全缺氧环境下葡萄糖代谢维持CO₃
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供应。这种级联反应解决了传统MICP技术在深度修复中的氧限制难题。

该研究首次将微生物群落修复技术成功应用于3D打印混凝土，通过功能菌群的时空协同作用，同步攻克了收缩裂缝和层间间隙两大缺陷。H-MC组38毫米的修复深度创下微生物修复混凝土的新纪录，其兼容现有打印工艺的特性为工程应用铺平道路。未来通过优化菌群载体和营养供给，有望进一步拓展该技术在复杂建筑结构中的适用性。