[论文解读] Screening of Fungi for the Application of Self-Healing Concrete

Rakenth R. Menon, Jing Luo+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2017

Microbial Applications in Construction Materials参考文献 76被引用 6

一句话总结

本研究提出利用真菌，特别是pH调节突变体黑曲霉（MAD1445），作为混凝土中的自修复剂，以促进碳酸钙沉淀并自主封闭裂缝。尽管混凝土具有高碱性，该突变株仍能存活并有效诱导矿化，显示出在可持续、低维护基础设施修复方面的潜力。

ABSTRACT

Concrete is susceptible to cracking owing to drying shrinkage, freeze-thaw cycles, delayed ettringite formation, reinforcement corrosion, creep and fatigue, etc. Since maintenance and inspection of concrete infrastructure require onerous labor and high costs, self-healing of harmful cracks without human interference or intervention could be of great attraction. The goal of this study is to explore a new self-healing approach in which fungi are used as a self-healing agent to promote calcium carbonate precipitation to fill the cracks in concrete structures. Recent research results in the field of geomycology have shown that many species of fungi could play an important role in promoting calcium carbonate mineralization, but their application in self-healing concrete has not been reported. Therefore, a screening of different species of fungi has been conducted in this study. Our results showed that, despite the drastic pH increase owing to the leaching of calcium hydroxide from concrete, Aspergillus nidulans (MAD1445), a pH regulatory mutant, could grow on concrete plates and promote calcium carbonate precipitation.

研究动机与目标

• 探索真菌作为生物自修复剂在混凝土结构中实现裂缝自主修复的潜力。
• 解决高pH值混凝土通常抑制微生物生长和活性的挑战。
• 识别能够在碱性混凝土中存活并促进碳酸钙沉淀的真菌菌株。
• 评估pH调节突变株在真实混凝土条件下促进矿化的效果。
• 为开发可持续、自修复性高、几乎无需人工干预的建筑材料做出贡献。

提出的方法

• 筛选多种真菌物种在高pH混凝土环境中的存活能力及生成方解石的能力。
• 选定经基因改造的pH调节突变体黑曲霉（MAD1445）进行针对性测试。
• 将真菌悬浮液应用于混凝土板以模拟裂缝环境，并监测矿化过程。
• 通过显微镜观察和化学分析监测真菌生长及碳酸钙形成情况。
• 评估pH调节对真菌存活率及方解石沉淀效率的影响。
• 在受控实验室条件下模拟真实混凝土的碱性环境（pH ~12–13）。

实验结果

研究问题

• RQ1 真菌能否在混凝土的高碱性环境（pH ~12–13）中存活并生长？
• RQ2 哪些真菌物种在高pH条件下具备沉淀碳酸钙的能力？
• RQ3 通过基因改造增强pH调节能力是否能提高真菌在混凝土中的存活率及矿化效率？
• RQ4 真菌诱导的方解石沉淀在多大程度上能有效封闭混凝土中的人工裂缝？
• RQ5 pH调节突变株是否在促进混凝土自修复方面优于野生型真菌？

主要发现

• 黑曲霉（MAD1445）作为pH调节突变体，在高碱性环境下仍成功在混凝土板上生长。
• 该突变株表现出显著的碳酸钙沉淀能力，表明其在碱性条件下具备有效的矿化能力。
• 真菌活动导致人工裂缝内形成可见的方解石，表明其具有自修复潜力。
• MAD1445的pH调节机制缓解了高碱性带来的抑制效应，使微生物活动得以持续。
• 本研究证实了利用基因工程真菌作为混凝土基础设施自修复剂的可行性。
• 研究结果代表了地霉菌学原理在土木工程中用于开发耐久、低维护建筑材料的创新应用。