为了制造出能够修复裂缝的混凝土结构，德雷塞尔大学工程学院的研究人员对提高混凝土耐久性的老方法进行了新的改造。
自从第一批泥瓦匠把马毛混进泥里以来，纤维加固就一直存在。然而，德雷克塞尔大学的研究小组正在将这种方法提升到一个新的水平，他们将增强纤维转化为一种活组织系统，这种系统可以将混凝土愈合细菌赶到裂缝处修复损伤。
Drexel的“生物纤维”是一种聚合物纤维，包裹在一个充满细菌的水凝胶和一个保护性的、对损伤敏感的外壳中。该团队报告说，嵌入混凝土结构中的生物纤维网格可以提高其耐久性，防止裂缝增长，并实现自我修复。
工程学院副教授Amir Farnam博士是研究小组的负责人，他说:“这是一个令人兴奋的发展，因为我们正在努力利用大自然的灵感来改善建筑材料。”
“我们每天都看到我们老化的混凝土结构正在遭受破坏，这降低了它们的功能寿命，需要进行昂贵的关键维修。想象一下他们可以自愈?在我们的皮肤中，我们的组织通过注入自我修复的血液的多层纤维结构自然地做到这一点。这些生物纤维模仿了这一概念，并使用造石细菌来制造对损伤敏感的活的自愈混凝土。”
延长混凝土的使用寿命不仅对建筑行业有利，而且已成为世界上致力于减少温室气体排放的国家的优先事项。制造混凝土原料的过程——在超过2000华氏度的温度下燃烧石灰石、粘土或页岩等矿物的混合物——占全球温室气体排放量的8%。
混凝土结构可以在短至50年的时间内降解，这取决于它们的环境。在更新换代和对新建筑不断增长的需求之间，混凝土是世界上消耗最多、需求量最大的建筑材料。
生产更耐用的混凝土将是减少其对全球变暖的贡献的一大步，更不用说减少基础设施维修的长期成本了，这就是为什么美国能源部最近开始致力于改善混凝土的原因。
在过去的十年里，德雷塞尔在研究如何提高混凝土的可持续性和耐久性方面一直处于领先地位，法纳姆的实验室是参与国防部强化其老化结构的团队的一部分。
“几年来，生物自修复胶凝复合材料的概念在先进基础设施材料实验室得到了培育，”法纳姆实验室的博士候选人、该研究的主要作者穆罕默德·豪什曼德(Mohammad Houshmand)说。
“生物纤维项目代表了一项多学科合作的努力，整合了土木工程、生物学、化学和材料科学领域的专业知识。我们的主要目标是开发一种多功能自愈生物纤维技术，在这些不同学科的交叉领域树立新的标准。”
该团队创造生物纤维的方法受到皮肤组织的自我修复能力和血管系统在帮助生物体愈合自身伤口中的作用的启发。它使用了他们开发的一种生物技术，可以在生物矿化细菌的帮助下对混凝土基础设施进行自我修复。
该小组与来自工程学院的Margaret C. Burns工程学主席Caroline Schauer博士、副教授Christopher Sales博士和助理教授Ahmad Najafi博士领导的研究小组合作，确定了一种球状溶杆菌细菌作为纤维的生物愈合剂。
这种耐久的细菌通常存在于土壤中，它有能力推动一种被称为微生物诱导碳酸钙沉淀的生物过程，从而产生一种类似石头的材料，这种材料可以稳定和硬化，成为混凝土暴露裂缝的补丁。
当诱导形成内孢子时，细菌可以在混凝土内部的恶劣条件下生存，休眠直到被召唤行动。
Schauer说:“这项研究的一个惊人之处在于，每个人都从他们不同的专业领域来解决这个问题，正因为如此，创造新型生物纤维的解决方案才更加强大。”
“选择细菌、水凝胶和聚合物涂层的正确组合是这项研究和生物纤维功能的核心。从自然中汲取灵感是一回事，但将其转化为由生物成分组成的应用程序，使其能够在功能结构中共存，这是一项相当艰巨的任务，需要一个多方面的专家团队才能成功实现。”
为了组装生物纤维，该团队从能够稳定和支撑混凝土结构的聚合物纤维芯开始。它在纤维表面覆盖了一层含有内孢子的水凝胶，并将整个组件包裹在一层对损伤敏感的聚合物外壳中，就像皮肤组织一样。整个组件的厚度只有半毫米多一点。
在浇筑混凝土的过程中，生物纤维被放置在一个网格中，作为一种增强支撑剂。但只有当裂缝穿透混凝土，足以穿透纤维的外部聚合物外壳时，它的真正作用才会显现出来。
当水进入裂缝，最终到达生物纤维时，它会使水凝胶膨胀，并从壳中挤出来，向裂缝表面移动。当这种情况发生时，细菌在混凝土中的碳和营养源存在的情况下从它们的内孢子形式被激活。细菌与混凝土中的钙发生反应，产生碳酸钙，碳酸钙作为一种粘合材料，一直填满混凝土表面的裂缝。
愈合的时间最终取决于裂缝的大小和细菌的活性——这是该团队目前正在研究的一种机制——但早期的迹象表明，细菌可以在短短一到两天内完成它的工作。
Farnam说:“虽然在研究自我修复动力学方面还有很多工作要做，但我们的研究结果表明，这是一种可行的方法，可以在没有外部干预的情况下阻止地层、稳定和修复裂缝。”“这意味着生物纤维有一天可以用来制造‘活的’混凝土基础设施，并延长其寿命，从而避免昂贵的维修或更换。”
更多信息:Mohammad Houshmand Khaneghahi等人，开发一种天然聚合物纤维(BioFiber)，用于将自愈剂先进地输送到混凝土，建筑和建筑材料中(2023)。引用本文:细菌静脉可以形成混凝土基础设施的自愈系统(2023,12月8日)检索自https://techxplore.com/news/2023-12-veins-bacteria-self-healing-concrete-infrastructure.html。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
