原載于 工大材料匯????2019-11-07

01 眾所周知

混凝土是世界實施城市化、現(xiàn)代化進程的基礎之一，沒有它，就不可能建成高大宏偉的摩天大樓，就沒有那一座座令新世紀的人們自豪的城市。與歐洲國家開展工業(yè)化、城市化的時間相對應，混凝土在19世紀60年代映入人們的眼簾，由法國人約瑟夫·莫尼爾發(fā)明，其性能一直在優(yōu)化，其制法也經(jīng)過持續(xù)的改善而沿用至今。

傳統(tǒng)意義上的混凝土由水泥、砂石和水按適當比例配制，是世界上使用量最大的土木建筑材料。三種原料充分混合后，還需經(jīng)過一段時間的硬化才能正式投入使用，這其中水泥發(fā)揮了非常重要的粘合作用，是整個復合材料的靈魂。然而混凝土具有抗拉強度低、性質(zhì)較脆的缺點，并且受溫度、應力、荷載等因素的影響不可避免會產(chǎn)生裂縫，導致空氣中的水分、氯離子、氧氣等會侵入腐蝕鋼筋、損壞混凝土，進而影響混凝土的耐久性和使用壽命?，F(xiàn)有的修復方法有灌漿修補法、表面修補法等，但這些方法大多會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響，或者使用后實際效果不理想，最終產(chǎn)生不必要的環(huán)境、經(jīng)濟損失。現(xiàn)在，針對傳統(tǒng)混凝土的各種弊端，一種新型的混凝土出現(xiàn)了。

02?一種新型的混凝土出現(xiàn)了

是的，這篇文章的主角要閃亮登場啦！科學家發(fā)明了一種叫做生物混凝土的材料，旨在賦予傳統(tǒng)混凝土更良好的性能和更廣泛的應用領域。之所以加了“生物”二字，是因為它可以生長，而且是在接觸了空氣后就能開始生長。在加入三種原料的基礎上，把部分或者全部的水泥換成微生物和供其生存的碳源、能源物質(zhì)，生物混凝土就這么產(chǎn)生了。有了微生物的加入，工程師們不用再為混凝土的腐蝕、損壞而煩惱，只需向生物混凝土中鼓入空氣，喚醒“混入”其中的微生物，指揮它們進行接下來的修復、加工步驟。它們經(jīng)過短時間的生長后，能夠?qū)⑸笆袒⑶冶葌鹘y(tǒng)混凝土的固化過程做得更加細致，能夠最大程度甚至完美地達到工程要求。

微生物具有固定砂石的能力，不是因為其本身的粘性，而是依靠一種常見的物質(zhì)：碳酸鈣。碳酸鈣有方解石、霰石晶體和球霰石三種同質(zhì)異構(gòu)體，這三種晶體作為媒介，將建筑裂縫兩邊緊密地連接在一起。在碳酸鈣的形成過程中，微生物起到了不可替代的作用，科學家把這個過程稱為微生物礦化，即微生物能通過產(chǎn)生礦物使其周圍的基質(zhì)變硬的“工序”。微生物礦化的途徑有很多種，其中最有研究進展的一種是微生物誘導碳酸鈣沉積（MICP）。MICP之所以能夠進行，是不同微生物群落之間通力合作，使代謝產(chǎn)物和環(huán)境中存在的有機、無機化合物互相作用的結(jié)果。一般地，誘導過程分為三步進行： ???

1.?帶負電的細胞壁結(jié)構(gòu)富集溶液的鈣離子； ???

2.?部分環(huán)境中的碳酸根離子會和鈣離子結(jié)合形成碳酸鈣沉淀，附著在細胞的表面； ???

3.?碳酸鈣沉淀不斷累積，逐漸將微生物完全包裹，阻斷營養(yǎng)物質(zhì)運輸進入微生物細胞內(nèi)，導致微生物死亡。

大家需要注意的是，就像動植物死亡后肌肉、組織會腐爛一樣，微生物死亡以后也會逐漸降解，所以在形成的巨大碳酸鈣晶體內(nèi)，會形成無數(shù)個微小的孔隙，類似于近年來發(fā)展迅猛的多孔材料。一般地，碳酸鈣生成量越多，其內(nèi)部孔隙減小越顯著，宏觀表現(xiàn)出來的力學性能就越優(yōu)異。因此，微生物作為新一代的“工匠”，正越來越受到科學家的重視。 ???古人有言：“術業(yè)有專攻?！憋@然，并不是所有的微生物都有能力勝任“工匠”之職。在營自養(yǎng)的微生物中，部分藻類和藍細菌能做到，它們能夠?qū)⒖諝庵械腃O2轉(zhuǎn)化為碳酸氫根離子；在營異養(yǎng)的微生物中，一些桿菌和球菌能夠完成礦化的工作。

有的小伙伴可能會有擔憂，覺得用微生物來參與混凝土制造和修復可能會產(chǎn)生安全問題，或者因為生物的加入而造成一些不可控的不利因素。的確，就目前的發(fā)展進程來看，生物混凝土還遠未達到大規(guī)模應用的階段，還有不少的難題需要科學家們來完成。但是，其展現(xiàn)出來的遠大前景無疑是令人動容的。它展現(xiàn)出來的優(yōu)點主要有以下幾個：

1.環(huán)境友好。

既然我們使用的是大自然的天然資源，那么在制造生物混凝土的過程中產(chǎn)生的污染源和溫室氣體也會減少，尤其在制造水泥的過程中會產(chǎn)生大量的CO2，微生物的加入會讓CO2的排放顯著減少，對減弱溫室效應產(chǎn)生積極影響。

2.靈活性強。

微生物仿佛無數(shù)個在混凝土內(nèi)部工作的工人，相比于在宏觀上控制的人類而言，它們能夠了解材料內(nèi)部的微小細節(jié)，從而能夠更加細致地解決腐蝕、磨損等問題。

3.增強耐用性。

實驗證明，微生物修復能夠顯著降低混凝土裂縫擴大的可能性，使建筑物的使用壽命增加。無論將微生物應用于民用還是軍事領域，都將收到良好的效果。在未來，不沉的船、不倒的樓極有可能成為現(xiàn)實。

03 當今

在科學技術飛速發(fā)展的現(xiàn)在，我們已經(jīng)見證了或者正在見證著許多發(fā)明創(chuàng)新的降臨，生物混凝土無疑是令人無比振奮的其中之一。無論我們在前進的路上遇到了多少困難，我們要堅信人類社會一直在變得越來越好。我們逐漸學會了如何與大自然和諧相處，學會將自己的愛傳播給世界。社會就像混凝土，而我們就像里面的微生物，在逐漸學習進化，修復、完善這個曾被我們破壞得滿目瘡痍的世界。

本期問題：

1.目前生物混凝土還存在什么缺點？

答案：微生物所需營養(yǎng)物質(zhì)過于昂貴；水泥混凝土中環(huán)境惡劣，微生物難以存活。向生物混凝土中加鈣時，其來源往往是氯化鈣，但氯元素會對混凝土中的其他成分有腐蝕作用

2.你還知道哪些環(huán)境友好的建筑材料？

精選留言1：

自潔式透水磚：自潔式透水磚將光觸媒技術應用在混凝土透水地磚中，光觸媒在光的照射下，會產(chǎn)生類似光合作用的光催化反應，產(chǎn)生出氧化能力極強的自由氫氧基和活性氧，具有很強的光氧化還原功能，可氧化分解各種有機化合物和部分無機物，把有機污染物分解成無污染的水和二氧化碳，因而具有極強的防污自潔、凈化空氣與水的功能，有效的解決了透水地磚的孔隙容易堵塞和對城市土壤污染的問題。如口香糖粘在地磚上一般很難清除，而自潔式透水地磚在兩周后口香糖自然脫落。

自潔式透水磚可以改善城市水環(huán)境，能有效地緩解城市排水系統(tǒng)的泄洪壓力。由于城市中的不透水路面不能及時地將雨水滲入地下，因此，城市中常常出現(xiàn)雨水蓄積和漫流現(xiàn)象。而自潔式透水磚憑借自身良好的透水性能，可以保護地面通透雨水的功能，避免了因排水不暢引起的大面積積水、交通堵塞等問題。與普通鋪裝相比，自潔式透水磚兼有良好的滲水保濕及透氣功能。

自潔式透水磚高度重視對各類地面的非硬化鋪設方式，比如：馬路、步行道、廣場、停車場和其它類型的地面。它采用臺模共振成型技術，并在原材料中加入生物添加劑，抗壓強度較高，比國內(nèi)目前的透水磚抗壓強度高出一倍以上。

自潔式透水磚既兼顧了人類活動對硬化地面的使用要求，又能在充分滿足其功能的條件下，通過自身性能接近天然草坪和土壤地面的生態(tài)優(yōu)勢，減輕城市非透水性路面對地表生態(tài)的破壞程度，可以很好地發(fā)揮對城市地下水的保持作用，也可以使磚鋪面系統(tǒng)以下的動植物及微生物的生存空間得到有效的保護。

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精彩留言2：

鈦合金，鎂合金，可降解泡沫等性能優(yōu)異的材料?

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參考資料：

中國知網(wǎng)《基于微生物礦化沉積的再生骨料強化試驗研究》

中國知網(wǎng)《載體包裹材料對微生物礦化修復混凝土裂縫效果的影響》??

科學大院公眾號李輝《我家的房子……是用細菌蓋的……》

圖片源于網(wǎng)絡

本文作者：陳曾允

時任審閱：于世龍? 劉孟茜

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