近日，在第51届瑞士日内瓦国际发明展上，天津城建大学荣辉教授、王海良教授团队牵头完成的“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，一举摘得金奖。这项为冰冷混凝土注入“生命”的原创成果，正从实验室走向工程一线，让建筑拥有“自愈”能力。

裂缝，一直是水泥基材料难以根治的“顽疾”。在荷载、温湿变化和侵蚀介质的作用下，混凝土结构不可避免地会产生微裂缝，如同建筑的“慢性伤口”，不断削弱结构耐久性、缩短服役寿命。

传统修复方式往往在裂缝扩大后进行人工修补——表面封闭、压力注浆、膨胀重建，不仅成本高、效率低，更难以从源头阻止损伤扩展。

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术提供了一条全新的解决路径：让混凝土拥有自主感知裂缝并主动修复的能力。

微生物自修复混凝土的核心原理，是利用特定微生物在生理代谢过程中分解尿素，生成氨气和碳酸根离子，进而与环境中的钙离子反应，沉淀出碳酸钙晶体（方解石、文石或球霰石），形成具备结构胶结能力的致密填充物。

具体而言：混凝土开裂后，水分和氧气渗入裂缝，激活原本处于休眠状态的微生物孢子。微生物开始代谢活动，产生CO₂，同时细胞表面带负电荷，能够吸附Ca²⁺并作为成核位点，在碱性环境下CO₂与Ca²⁺反应形成CaCO₃晶体。这一生物矿化过程将裂缝逐步填充密实，实现结构的自主修复。

研究表明，巴氏芽孢杆菌等脲酶型微生物在代谢过程中pH值从7.0逐渐升高至8.3，碱性环境对碳酸钙矿化沉淀起关键促进作用，矿化产物主要为方解石型CaCO₃晶体。

天津城建大学荣辉、王海良教授团队围绕微生物自修复水泥基材料多年攻关，逐一突破了微生物分布不均、修复速率慢、复杂环境适应性不足等行业共性技术难题。

（一）精准修复：磁性微生物定向迁移

针对微生物难以精准富集在裂缝区域的难题，团队创新开发出磁性微生物自修复材料。以巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）为菌株，通过原位磁化构建，使Fe₃O₄纳米片附着于细菌表面，形成磁性微生物。在磁场作用下，磁性微生物能够主动“奔赴”裂缝区域并高效矿化沉积。

实验数据表明：磁性微生物组的修复速率显著优于纯微生物组——将面积修复率达90%以上所需的修复时间从28天缩短至14天，修复速率提升一倍。在7天、14天和28天的面积修复效率分别比纯微生物组提高了50.3%、11.2%和4.6%。对于0.2～0.4 mm宽的裂缝（3天龄期开裂），磁性组3天内即可达到97.8%的面积修复率，是纯微生物组的10倍；对于0.4～0.8 mm的较宽裂缝，修复速度提升5～14倍。

（二）长效保护：陶砂固载技术

微生物在水泥基材料中面临两大生存威胁：一是混凝土拌合时的机械挤压摩擦会直接损伤微生物细胞；二是混凝土内部强碱性环境（pH≈13）会大幅降低微生物的存活率与长期活性。

团队利用陶砂固载微生物的适用性与优越性，研发出陶砂固载微生物自修复材料。陶砂的多孔结构为微生物提供了物理庇护所，有效隔绝碱性环境的侵蚀。通过真空负压吸附工艺将菌液导入陶砂孔隙内部，再以水泥浆或偏高岭土浆液进行包覆封装。研究表明，偏高岭土浆液包覆的微生物14天存活率可达86.63%，有效保证了固载微生物的长期活性。

在此基础上，裂缝28天面积修复率达100%。

（三）协同增效：多元微生物共生体系

单一菌种的代谢通路和修复能力存在天然局限。团队突破单一菌种的技术瓶颈，构建了多元微生物协同矿化体系：

菌株A：主要负责提供碳酸根离子（CO₃²⁻）；

菌株B：优化局部微环境并提供成核位点，为深层裂缝修复持续供给CO₂；

菌株C：高效催化碳酸盐生成，加速矿化沉积。

三者优势互补、协同联动。研究证实，多元微生物体系在裂缝出现时被水、O₂和CO₂激活，菌株间的协同作用可加速矿化产物生成。采用混合菌群的自修复混凝土能够在14天内自主封堵宽度达0.50 mm的裂缝，团队开发的多元体系使裂缝14天面积修复率达100%。

（四）极端环境适应性

面向高海拔、高寒及大温差等极端服役环境，团队对耐碱的脲酶型芽孢杆菌进行了系统的低温驯化和低气压驯化。在高海拔模拟舱中完成材料制备与性能验证，成功解决了高原高寒环境中微生物失活导致自修复失效的难题。

在严寒地区的研究表明，以膨胀珍珠岩为载体的自修复混凝土在冻融循环条件下仍能保持较好的裂缝愈合能力。经过300次冻融循环后，采用0.6～1.2 mm粒径载体的试件质量损失仅1.18%，相对动弹性模量仍达91.7%。

2025年，全国标准信息公共服务平台已公示混凝土自修复材料相关国家标准制定计划，由中国建筑科学研究院等权威机构主导。团体标准T/CCTAS 243-2025《水泥混凝土裂缝微生物修复技术指南》 已发布实施，涵盖微生物菌株固载、修复浆液制备、施工工艺和修复质量控制等全流程技术要求。新版国标首次定义了混凝土结构“自修复能力”的技术要求和试验方法。国家发展改革委公布的《产业结构调整指导目录（2024年本）》中已明确鼓励混凝土自修复材料的开发和应用。

目前，该技术已在广东东莞示范工程中得到应用，并入选天津市国资委高校重点待转化项目清单。据市场分析报告预测，2030年全球自修复混凝土市场规模预计将达到2300万美元（约合人民币1.6亿元）。

微生物自修复混凝土技术的核心价值体现在三个层面：

裂缝自主修复有效阻断侵蚀介质（水、氯离子、CO₂等）的渗透路径，延缓钢筋锈蚀与结构劣化。修复后的混凝土抗水渗透性、抗氯离子渗透性和护筋性均得到大幅提升。

减少传统修复材料消耗和频繁维护带来的人力、物力与能源投入，为基础设施低碳运维提供技术支撑。

微生物矿化过程本身环境友好，无需化学合成类修补材料。该技术能够延长结构服役周期、减少维修与更换需求，从源头降低资源消耗。当前我国正深入推进城市更新和交通强国建设，大量基础设施进入养护维修期，市场对长寿命、绿色化智能修复技术的需求日益增长。