使用广义多项式混沌展开对自愈混凝土裂缝愈合进行全周期预测

能自行修补裂缝的混凝土

桥梁、隧道和海堤等设施由混凝土构成，随着风暴、交通和海水的侵蚀会缓慢出现裂缝。这些微小裂纹可能发展为严重问题，让水和腐蚀性化学物质进入，缩短结构的使用寿命。本研究探讨了一种新型“自愈”混凝土，该材料结合了活性微生物与先进数学方法，能够从始至终预测其裂缝随时间自我封闭的程度。

活性混凝土如何自我修复

研究中所用的自愈混凝土中嵌入了含有特殊细菌和反应性矿物的微小颗粒。当裂缝张开并有海水渗入时，颗粒破裂，细菌被唤醒，利用周围成分促成如碳酸钙等固体矿物的生成。与此同时，无机添加剂形成分层晶体，有助于堵塞和致密化受损区域。这些产物协同作用，逐步填充并桥接裂缝，恢复混凝土的大部分强度并切断水和盐分通常会利用的通道。

从表面到内部的愈合测量

为了评估该过程的效果，团队不仅观察裂缝表面是否看起来封闭，而是跟踪了实验室制备混凝土圆柱体在人工海水反复干湿循环下的五种愈合指示量。指标包括裂缝表面可见封闭的比例、仍渗透的水量、随着内部通路重建而变化的电阻率、超声波跨裂缝传播速度的变化以及材料抵抗可触发钢材腐蚀的氯离子的能力。通过牺牲部分样品并横切裂缝，他们还直接测量了修复产物实际填充的内部横截面积比例。

从杂乱数据到可预测的数字孪生

裂缝内部的愈合并非简单、平稳的过程。早期，由于细菌觉醒、矿物开始形成且水仍能自由流动，不同样本之间的结果差异很大。随后，随着裂缝填充并接近饱和，系统趋于稳定。为理解这种随时间变化的行为，研究者构建了一个数学“替代”模型，将五个易测的指标与难以直接获得的内部愈合深度联系起来。他们采用的多项式混沌展开方法，将复杂、不确定的过程表示为若干平滑曲线的加权组合，每条曲线捕捉实验中出现的部分变异性。这样就可以在不破坏样品的情况下，估算任一试件在任一龄期裂缝横截面愈合的程度。

让模型从真实数据中学习

该建模技术的标准版本通常假设实验数据遵循整齐的钟形（高斯）分布。团队发现，当合并所有龄期数据时，这一假设失效：随着愈合推进，某些指标会变得偏斜或强烈簇集。为处理更真实的分布，他们将方法扩展到广义框架中。首先使用一种数据驱动的统计工具——核密度估计，识别输入分布的实际形状；然后构建与这些形状相适应的定制正交多项式，使模型能够贯穿整个愈合周期——从嘈杂的早期到近乎完全修复的阶段——而不会过拟合。基于该框架的敏感性分析揭示了哪些测量最重要：早期以表面封闭和防渗为主，而随着裂缝深度的填充，抗氯离子能力和内部电学通路变得关键。

将预测付诸检验

为检验模型的泛化能力，作者用其在训练中未见过的龄期（10、20、30天）以及文献中报道的另一类自愈剂的数据对模型进行了挑战。在每种情况下，预测的内部愈合与实测值高度一致，典型误差远低于横截面修复量的一个百分点。模型还捕捉到了先快后慢、逐渐致密化的总体趋势，即便不同体系的化学成分和微观结构细节各异。

这对实际结构为何重要

对工程师而言，核心问题不仅是裂缝是否能被修补，而是结构在真实环境侵蚀下能安全服役多长时间。该工作为实现这一目标提供了实用途径。通过将丰富的多角度愈合测量与灵活、考虑分布特性的建模框架结合，研究提出了一个可以在整个愈合周期内预测全深度裂缝修复的工具。通俗地说，它展示了如何将零散的实验室数据转化为对活性混凝土随时间自愈的可靠“预报”，帮助设计者选择材料和维护策略，从而延长关键基础设施的安全使用寿命。

引用: Fu, C., Xu, W., Zhan, Q. et al. Full-cycle prediction of crack healing in self-healing concrete using generalized polynomial chaos expansion. Commun Eng 5, 54 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00608-5

关键词: 自愈混凝土, 微生物矿化, 裂缝修复建模, 多项式混沌展开, 混凝土耐久性