海洋环境对应用于混凝土开裂自愈合的微生物矿化物组成与结构的影响

近年来，由于海洋资源的开发，海洋工程和沿海基础设施建设需要使用大量混凝土结构物。然而，混凝土作为脆性材料，在外界因素作用下容易开裂。一旦混凝土发生开裂，海水中的侵蚀性物质就会向混凝土内部扩散，导致混凝土劣化及钢筋锈蚀。微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）是一种非常有前途的混凝土裂缝自愈技术，能够有效解决以上问题。然而，在海水环境中形成裂纹愈合的MICP产物的组成和结构尚不清楚，将阻碍MICP在海洋结构自愈合中的应用。

为此，同济大学徐晶老师研究团队通过环境模拟手段，结合热力学模型预测，研究了海洋环境下微生物矿化产物的组成及结构，以挖掘其在海工混凝土中实现裂缝自愈合的潜力。根据实验结果和模型预测，讨论了细菌、pH、底物/海水（U/SW）比，以及Mg²⁺和细菌耦合对生物矿物组成和结构的影响，阐明了MICP在海洋环境中对裂缝自愈合行为的机理。该成果以题为“Understanding the formation and structure of bio-mineralization for self-healing of marine concrete: An experimental and thermodynamic approach”发表于Cement and Concrete Composites 期刊（IF=10.5，中科院一区Top期刊）。论文第一和通讯作者为徐晶副研究员，陈庆教授为共同通讯作者。

论文首先以热力学模拟预测，发现当固定Mg/Ca比值为2时，白云石为主要矿物相（图1）。固定U/SW比时，随着Mg/Ca比的增加，含钙相的方解石和石膏减少并最终消失，而含镁相水纤菱镁石和水菱镁石在低U/SW比为0.11条件下形成并逐渐增加（图2）。

图 1 不同U/SW比下反应产物相热力学模拟（a）固定Mg/Ca摩尔比2；（b）固定Mg/Ca摩尔比0.5

图 2 不同Mg/Ca摩尔比下的反应产物相热力学模拟 (a) 固定U/SW比0.11； (b) 固定U/SW比0.44

通过实验，发现在稀释海水或海水中，混凝土裂缝经MICP矿化7天内就已经完全愈合，表明海水环境促进了混凝土裂缝的自愈合。（图3）

图 3 在淡水或海水中混凝土裂缝随时间的变化。

在海水环境中，裂缝内愈合产物主要为水镁石和文石，还有少量的方解石（图4）。

图4复合溶液中沉积物的XRD谱图和红外光谱图

论文最后详细讨论了Mg²⁺和微生物对矿化动力学的耦合效应，并分析实验结果与热力学模拟结果的差异，认为物相形貌主要取决于Mg²⁺而非微生物。经与海水环境中混凝土裂缝内收集的愈合产物进行比较，发现水镁石的化学沉淀过程很快，然后才是MICP过程，这种愈合过程更有利于海洋环境中实现裂缝高效的自愈合。图5展示了总体机制。

图 5关键因素对淡水和海水环境下混凝土裂缝内自愈合产物形成和结构的影响

本项研究成果受到国家重点研发计划的资助和经费支持。徐晶老师研究团队多年来致力于功能性水泥基材料和混凝土耐久性的理论与方法研究，累计在CCR, CCC, CBM等期刊发表论文60余篇。本项研究成果原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958946523004432，欢迎大家点击下载浏览。