據(jù)英媒4月2日?qǐng)?bào)道，混凝土中的細(xì)小裂縫幾乎能自行修復(fù)，因?yàn)榧?xì)菌可在裂縫內(nèi)部生成礦物質(zhì)。較寬和呈斜向的裂縫則能使漏水減少多達(dá)80%。這些發(fā)現(xiàn)表明，混凝土裂縫的形狀在自我修復(fù)過程中起著關(guān)鍵作用，這一見解讓一個(gè)頗具前景的想法轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ處熆深A(yù)測(cè)和利用的系統(tǒng)。
長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院副教授周永超及其團(tuán)隊(duì)在測(cè)試塊上制造了垂直、斜向、寬和細(xì)小等不同類型的裂縫，發(fā)現(xiàn)裂縫自我修復(fù)速度最快的地方是礦物質(zhì)能附著在凹凸不平內(nèi)表面的位置。周永超將每種裂縫模式與不同的愈合結(jié)果聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)性能因裂縫類型而差異顯著，而非均勻提升。對(duì)于橋梁橋面和隧道襯砌而言，裂縫類型意味著破壞可能沿著特定薄弱路徑發(fā)展，而非圖紙上想象的單一平均裂縫。
細(xì)菌引發(fā)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀，形成堅(jiān)硬晶體，這是礦物質(zhì)形成的過程。當(dāng)水分進(jìn)入裂縫時(shí)，這一過程啟動(dòng)，新晶體沉積在裂縫壁上，每次有新鮮溶液流經(jīng)損傷處，裂縫間隙就會(huì)逐漸收緊。由于這種沉積物與混凝土礦物質(zhì)的匹配度優(yōu)于許多樹脂，因此能密封空間且不留較軟補(bǔ)丁。工程師在希望在不添加單獨(dú)涂層的情況下實(shí)現(xiàn)耐久性時(shí)，會(huì)注意到這一優(yōu)勢(shì)。
并非所有裂縫都為微生物提供了相同的附著點(diǎn)，因?yàn)閹缀涡螤顣?huì)影響新礦物質(zhì)在原位的留存時(shí)間。沿斜向路徑，更粗糙的裂縫壁減緩了水流速度，使更多晶體能在下一個(gè)濕潤(rùn)周期前沉積。研究人員將這種曲折路徑描述為迂曲度，即受損混凝土內(nèi)部路徑的曲折程度。周永超寫道：“裂縫的迂曲度和表面粗糙度越大，碳酸鈣沉積和自我修復(fù)的速度就越快”。
測(cè)量漏水情況為研究提供了比外觀更全面的測(cè)試，因?yàn)楸砻婵此泼芊獾牧芽p內(nèi)部仍可能滲水。在垂直裂縫中，表面修復(fù)程度與漏水減少程度同步上升，為工程師提供了更清晰的警示信號(hào)。對(duì)于斜向損傷，這種聯(lián)系呈曲線狀，因此外觀相似的修復(fù)并不總是能同等程度地阻擋漏水。維修人員判斷修復(fù)后的裂縫是否安全時(shí)，仍需進(jìn)行漏水測(cè)試，而不僅依賴照片。
細(xì)小裂縫最易修復(fù)，因?yàn)榧词购鼙〉木w層也能在狹窄裂縫壁之間架起橋梁。在有利條件下，最小開口在較大缺陷完全閉合前，幾乎能達(dá)到完全的面積修復(fù)。這種尺寸優(yōu)勢(shì)源于距離因素，因?yàn)榈V物質(zhì)在裂縫兩面鎖緊并阻止移動(dòng)前，所需的堆積量較少。然而，細(xì)小裂縫的成功修復(fù)并不能解決所有安全問題，因?yàn)檩^大裂縫仍控制著許多危險(xiǎn)破壞。
周永超的論文不僅展示了修復(fù)現(xiàn)象，還開始估算不同損傷模式的恢復(fù)速度。研究人員將裂縫形狀與修復(fù)速度隨時(shí)間的變化聯(lián)系起來，而非將所有裂縫一視同仁。這些估算在實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與維護(hù)規(guī)劃之間架起了實(shí)用橋梁，其中修復(fù)窗口、濕度和風(fēng)險(xiǎn)都至關(guān)重要。不過，預(yù)測(cè)依賴于受控條件，該研究縮小了驚人結(jié)果與設(shè)計(jì)規(guī)則之間的距離。
早期實(shí)驗(yàn)已表明，當(dāng)細(xì)菌被包裹在載體中而非直接混合時(shí)，在混凝土中的存活率更高。一篇論文發(fā)現(xiàn)，硅藻土在水泥漿中能更好地保護(hù)細(xì)菌，幫助它們持續(xù)沉積礦物質(zhì)。后來，另一項(xiàng)研究使用再生骨料作為載體，修復(fù)了比直接添加細(xì)菌更寬的裂縫。載體技術(shù)的進(jìn)步為周永超的論文奠定了基礎(chǔ)，該論文提出了一個(gè)更難的問題，即關(guān)注裂縫形狀而非簡(jiǎn)單證明修復(fù)現(xiàn)象。
混凝土內(nèi)部的惡劣化學(xué)環(huán)境在裂縫出現(xiàn)前就已威脅到細(xì)菌的生存。固化過程中產(chǎn)生的熱量、有限的食物供應(yīng)和干燥條件都會(huì)削弱細(xì)菌的生存能力，甚至在修復(fù)周期真正開始前就已如此。一項(xiàng)關(guān)于包裹孢子的案例研究發(fā)現(xiàn)，載體設(shè)計(jì)至關(guān)重要，尤其是在硬化過程中溫度升高時(shí)。目前，自修復(fù)混凝土大多仍處于試驗(yàn)階段，尚未廣泛應(yīng)用于日常的人行道、高樓或橋梁更換工程中。
當(dāng)裂縫在維修人員到達(dá)前自行密封時(shí)，結(jié)構(gòu)漏水減少、腐蝕減緩，可避免一些緊急修補(bǔ)。減少緊急維修可降低交通延誤、縮短封閉時(shí)間，并延長(zhǎng)現(xiàn)有混凝土的使用壽命。由于水泥生產(chǎn)碳排放成本高昂，讓現(xiàn)有材料使用更長(zhǎng)時(shí)間與新設(shè)計(jì)同樣重要。不過，這項(xiàng)技術(shù)并不能保證整個(gè)結(jié)構(gòu)自行修復(fù)，而是指向更早、更小的修復(fù)。通過揭示裂縫形狀對(duì)修復(fù)速度、漏水和閉合程度的影響，該研究使自修復(fù)混凝土更具可預(yù)測(cè)性。下一個(gè)挑戰(zhàn)是在不受控環(huán)境中測(cè)試這些“活”修復(fù)，因?yàn)樘鞖?、荷載和時(shí)間很少會(huì)配合。
（原文標(biāo)題：Scientists are testing a biological technology that allows concrete to repair cracks on its own）
