一种通过生物聚合物策略增强混凝土强度、耐久性并减少收缩

为什么混凝土开裂关系到每个人

混凝土支撑着我们的房屋、桥梁和人行道，但它有一个隐蔽的弱点：特别是在干燥过快或未能通过水妥善养护时，容易产生裂缝。在世界许多地区，清洁水资源稀缺，施工人员无法始终为新浇筑的混凝土提供长期且细致的浇水养护。本研究探讨了一种从内部帮助混凝土自我维护的新方法，利用微小的蓄水颗粒和有益细菌来防止开裂并提高强度与使用寿命。

用于持久混凝土的新配方

研究人员测试了四种混凝土配比：常规配方、一种加入了被称为超吸水聚合物的特种蓄水颗粒的配方、一种加入了自愈裂缝细菌的配方，以及将两者结合的配方。所有配方都使用相同的水泥、砂和碎石作为基础，因此性能差异可归因于这些额外添加剂。思想既简单又有效：聚合物颗粒像微型海绵，在拌制时吸收多余的水分并在内部缓慢释放；而细菌在干燥条件下处于休眠状态，直到它们感知到通过细小裂缝进入的水分和空气，此时细菌会促成新的矿物沉积以密封裂缝。

控制收缩和早期裂缝

新拌混凝土随着失水和内部化学反应进行会发生收缩，这种早期收缩常常导致细小裂缝随时间扩大。为了解并限制这一问题，研究团队测量了加水后头八小时内的收缩，这是大部分尺寸变化发生的时期。仅加入超吸水聚合物的配方与普通混凝土相比，收缩约减少了四分之一，因为内部的蓄水库在开始干燥时向混合物释放湿气。仅加入细菌的配方也因早期矿物形成而减少了收缩，内部结构更为紧密。当聚合物与细菌共同使用时，收缩几乎下降了三分之一，表明两种策略结合带来了明显的好处。

通过隐形帮手获得更强的混凝土

混凝土强度通过在7天和28天时压碎小方块来测试，并通过弯曲梁状试样来测量其在荷载下抵抗开裂的能力。与普通混凝土相比，仅含聚合物的配方在抗压强度上提高约10%到17%，而仅含细菌的配方提高约6%到14%。最显著的增益来自聚合物和细菌的组合：一周时抗压强度约提高15%，四周后超过25%。弯曲强度呈现相同趋势：组合配方在28天时比标准配方大约强出四分之一，并在更长时间保持优势。这些结果与这样的观点一致：更好的内部湿度管理和裂缝填充矿物共同作用，生成更致密、更坚韧的材料。

提高混凝土抗损伤能力

为了评估混凝土抵抗长时间水和溶解盐侵蚀的能力，团队测量了电阻率——一种与有害物质在材料中移动难易相关的性质。较高的电阻率通常意味着孔隙网络更紧密、更不易渗透。标准混凝土的电阻率最低，而含聚合物与细菌的组合配方电阻率最高，约高出一半左右。这表明其内部水分和离子通道更有效地被来自内部的缓慢固化过程和细菌对孔隙与微裂缝的填充所阻断。一个明显的趋势浮现：收缩较小且内部结构更致密的配方同时表现出更高的强度和更高的电阻率。

这对未来建筑意味着什么

通过将蓄水聚合物颗粒与自愈裂缝细菌配对，这项研究提供了一种实用的配方，使混凝土收缩更少、承载力更高并且更能抵御长期损伤。对于清洁水资源有限的社区，这一方法可以减少对长期外部养护的依赖，同时延长桥梁、建筑物和其他结构的使用寿命。对非专业读者来说，信息很直接：让混凝土携带自己的小型蓄水罐和内置修复队伍，我们就能建造出更坚固、更安全且更可持续的结构。

引用: Vijay, K., Sarma, V.V.S., Kuruva, V. et al. A bio-polymeric strategy for enhancing the strength, durability of concrete and shrinkage reduction. Sci Rep 16, 11346 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38804-0

关键词: 自愈混凝土, 超吸水聚合物, 细菌混凝土, 裂缝减少, 耐久基础设施