这项获金奖的技术让混凝土建筑有“自愈能力”
荣辉（右一）在指导学生。
■本报记者 陈彬
在人们通常的印象中，混凝土建筑是十分结实的。但事实上，至少在民用建筑领域，大多数混凝土的使用寿命都短于建筑的设计寿命。
究其原因，混凝土材料有一个难以根治的“顽疾”——裂缝。
“建筑行业有一句俗话：‘没有不开裂的混凝土’。”在接受《中国科学报》采访时，天津城建大学材料科学与工程学院教授荣辉介绍说，在荷载、温湿变化和介质侵蚀下，混凝土结构不可避免地会产生裂缝。“这些裂缝如同建筑的慢性伤口，会不断削弱建筑的耐久性、缩短服役寿命。”
人体的伤口可以自然愈合，混凝土材料的“伤口”却只会越来越大。因此，到了一定时间，人们只能花费大量时间和金钱，对建筑中的混凝土进行修复。
国内咨询公司贝哲斯在一份报告中称，2025年，我国混凝土修复市场的规模已经超过300亿元；全球混凝土修复市场规模更是超过1340亿元。
能不能让混凝土如人体一样，拥有“自愈能力”呢？
0.2毫米的“分水岭”
荣辉从事的正是让混凝土拥有“自愈能力”的研究。
不久前，在第51届瑞士日内瓦国际发明展上，荣辉与天津城建大学教授王海良团队牵头完成的“负载多元微生物的陶砂自修复混凝土设计制备应用成套技术”，从全球35个国家和地区的千余项发明中脱颖而出，获得金奖。
“简单地说，这项技术就是将特定微生物加入混凝土材料中，再以特定方式使这些微生物在材料出现裂缝时，能自动聚集到裂缝内部，通过微生物诱导碳酸钙沉淀，生成方解石，将裂缝修复好，并防止其继续开裂。”荣辉说。
荣辉告诉《中国科学报》，当混凝土结构出现裂缝时，0.2毫米是一个“分水岭”。宽度小于0.2毫米的裂缝并不会对结构的安全性造成影响，但如果超过0.2毫米，就需要进行人为的修复。因此，最经济的方式就是在裂缝宽度没有超过“安全值”时，将隐患消除于未然。
在这方面，能自动弥合微小裂缝的微生物自修复材料有着明显优势。
世界范围内，相关研究最早出现在荷兰。2005年左右，荷兰代尔夫特理工大学的科研人员首次尝试用微生物修复开裂的混凝土材料。几年后，他们又探索将微生物混入混凝土的方法，以期实现材料的“自修复”。
2011年前后，国内部分高校和科研机构注意到了这一科研新领域，并尝试进行研究。然而，在这一过程中，他们发现了一个难以解决的问题。
从“单干”到“组团”
“混凝土的修复主要依靠微生物的活动实现，但科研人员发现，混凝土中的微生物普遍存在存活率低、长期活性不足的问题，这导致其修复速率始终比较慢，难以满足实际工程的需要。”荣辉说。
研究中，荣辉逐渐意识到，单一种类的微生物由于功能并不全面，很难解决这一问题。但是，如果将几种微生物同时加入混凝土中，使其能够“组团”，则有可能大幅提升修复速率。
“比如，微生物在修复裂缝的过程中，一定是先修复裂缝表面与空气接触的部分。”荣辉说。不过，表面裂缝一旦被修复，就会阻止空气中的二氧化碳和水分进入裂缝内部，并减少碳酸根离子的产生，而这些都是微生物持续“工作”的必要条件。
这一问题在单一微生物条件下很难解决，荣辉团队的解决方式则是加入三种微生物。其中，第一种微生物主要负责提供碳酸根离子；第二种微生物则可以优化局部环境，并为后续的碳酸钙沉淀提供成核位点，还可以为深层裂缝修复提供二氧化碳；第三种微生物则可以高效催化碳酸盐的生成。三者优势互补、协同联动，从而大幅提升了裂缝修复能力。
同时，针对微生物在混凝土材料中存活率低的问题，研究团队还依据陶砂材料高孔隙率、生物亲和性好的特点，研发出陶砂固载微生物自修复材料，将微生物吸附到陶砂材料的多孔结构中，从而大幅提高了微生物的存活率。
此外，面向高海拔、高寒及大温差等极端服役环境，团队构建并评估了适用于复杂服役环境的微生物自修复材料体系，为特殊地区基础设施耐久性提升提供了技术支撑。
既要有信心，又要有耐心
这些技术结合在一起，便形成了此次团队在日内瓦捧回金奖的全套完整技术。
据测算，该技术一旦应用于混凝土建筑中，可使裂缝的14天面积修复率达100%。换句话说，混凝土裂缝在经过14天养护后，所有开裂的缝隙空间都会被微生物碳酸钙晶体完整填满，裂缝完全封堵严实。
“一旦在建筑物上大面积应用，该技术估计可以节省30%左右的后期维护费用。”荣辉说。
据悉，研究团队已经和中国建筑集团、中国中铁集团旗下的施工单位合作，并在部分地下室顶板、便道路面、大面积地坪项目中进行了技术示范应用。
“其中就包括了拉萨至日喀则机场段工程施工便道。”荣辉告诉记者，在该项目的应用效果表明，即便是高原高寒环境条件下，相关技术仍能保持较好的裂缝自修复能力及环境适应能力，对降低裂缝扩展风险、提升结构长期服役稳定性具有积极作用。
此外，该技术也在广东东莞房建小区地下室顶板施工中得到了应用，用自修复混凝土浇筑的地下室顶板无裂缝开裂，有效保障了地下室顶板的质量。
值得一提的是，6月24日，中国建筑材料联合会向全国发布了《关于征集第六批全国建材行业重大科技攻关“揭榜挂帅”项目研发榜单方向的通知》，其中第一部分便是“面向水泥、玻璃、陶瓷等基础产业绿色化、数智化、高端化发展方向，征集迭代性、变革性材料及其制造方法、技术、工艺”，混凝土的自修复技术显然就在这一范围。
“事实上，早在2023年，国家发展改革委修订发布的《产业结构调整指导目录（2024年本）》就明确指出，鼓励混凝土自修复材料的开发和应用。”在荣辉看来，这些都说明了国家对于混凝土自修复技术以及材料未来产业化应用的重视。
不过，这并不意味着这条产业化应用之路已经畅通无阻。
荣辉告诉记者，目前微生物自修复材料与技术应用的前期投入还比较大。虽然相较于后期节省的维修成本，这笔投入依然是“赚”的，但如何压低成本仍是一个需要解决的问题。
荣辉对此并不担心。“科研成果从诞生到产业化应用一定会有一个过程。”他介绍，比如曾经引发某些地区严重环境污染的粉煤灰，从被发现可以应用到混凝土中到大面积推广，经历了至少30年的时间。“对于科研成果的产业化，我们既要有信心，也要有耐心。相信随着配套技术的成熟以及产业化规模的扩大，目前我们所面对的问题最终都会得到圆满解决。”