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相对较低的抗拉强度导致混凝土在使用过程中极易产生裂缝，裂缝为腐蚀性介质侵入混凝土内部提供便利通道，从而严重影响混凝土结构耐久性。因此，裂缝的修复方法一直以来都是学术界和工程界关注的焦点。近年来，研究者们受自然界中微生物诱导碳酸钙沉积的启发，提出了一种新型的基于微生物的混凝土裂缝自修复方法。该方法由于环境友好性及广阔的应用前景而迅速获得了国内外研究者的广泛关注。 本文基于微生物矿化技术，通过微生物及底物的优化选择，确定了微生物自修复剂的最佳配方，并制备出了微生物自修复水泥基材料;从宏观与微观多尺度充分评价了裂缝自修复效果，明确了裂缝宽度、开裂时间、养护方式、微生物自修复剂掺量及添加方式对裂缝自修复性能的影响规律;探明了微生物自修复剂对水泥基材料工作性、凝结时间、水化热、强度及耐久性能的影响规律，针对可能出现的不利影响，提出了合理可行的解决方法;结合多种现代微观分析测试技术探明了自修复水泥基材料微观结构特点，并通过数值模拟方法揭示了裂缝自修复及微观结构形成机理。本论文取得的主要研究结论和创新成果包括以下五方面: (1)利用芽孢杆菌独特的营养体-芽孢-营养体的生活周期史，制备出了休眠的芽孢，筛选出了性能良好且成本适宜的底物，确定了微生物自修复剂的最佳配方，并制备出了微生物自修复水泥基材料。采用裂缝面积修复率、抗水渗透修复率及抗氯离子渗透修复率综合评价了微生物自修复水泥基材料裂缝自修复性能。深入研究了裂缝宽度、开裂时间、养护方式、微生物自修复剂掺量及添加方式对水泥基材料裂缝自修复性能的影响。结果表明，微生物自修复剂的添加显著提高了水泥基材料裂缝自修复能力，有效阻碍了水和氯离子通过裂缝向水泥基材料内部传输。随着裂缝宽度的增加和开裂时间的延长，自修复难度加大;水养护方式下自修复效果最佳;微生物自修复剂掺量对自修复效果的影响与裂缝宽度有关;微生物自修复剂固载添加时自修复长效性优于直接添加。 (2)系统研究了微生物自修复剂对水泥基材料工作性、凝结时间、水化热及强度的影响规律。结果表明，微生物自修复剂RB、JB和NB的添加可以改善水泥砂浆的流动性能。微生物自修复剂RB的添加导致初凝时间缩短，终凝时间延长，水化放热峰推迟;微生物自修复剂JB和NB的添加导致初凝时间和终凝时间都缩短，水化放热峰提前。微生物自修复剂对水泥凝结时间和水化热的影响主要由底物引起，微生物本身的影响较小。微生物自修复剂RB的添加会影响水泥砂浆的早期强度，但后期强度能够达到甚至超过基准组。微生物自修复剂NB的添加对强度发展有一定的负面影响。综合考虑工作性、凝结时间、水化热及强度的测试结果可知，微生物自修复剂RB、JB和NB的掺量应控制在胶凝材料用量的2％以内。 (3)系统研究了微生物自修复剂RB、JB和NB对水泥基材料抗碳化性能、抗氯离子渗透性能、护筋性及抗冻性能的影响。结果表明，添加微生物自修复剂RB和JB的非开裂水泥砂浆抗碳化性能都好于基准组，而微生物自修复剂NB的添加对非开裂水泥砂浆抗碳化能力有一定负面影响。水泥砂浆开裂后，抗氯离子渗透性能及护筋性显著下降，而添加微生物自修复剂RB、JB和NB的水泥基材料具有更好的裂缝自修复效果，当裂缝修复后，与基准组相比抗氯离子渗透性能和护筋性显著提升。同时，通过微降水胶比以及添加消泡剂的方法有效解决了微生物自修复剂NB对水泥砂浆抗压强度、抗碳化性能及护筋性的负面影响，从而提出了自修复水泥基材料的优化设计方法。 (4)采用X射线衍射分析(XRD)、差热-热重分析(DSC-TG)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、压汞分析(MIP)及高分辨X射线计算机断层扫描成像技术(XCT)等现代微观分析测试技术，探明了微生物自修复水泥基材料基体及裂缝区的微观结构特点。结果表明，微生物自修复剂RB、JB和NB的添加基本不影响水泥净浆水化产物的组成成分与形貌。但微生物自修复剂RB、JB和NB的添加会改变水泥基材料微观孔结构，增加了水泥净浆100～1000nm范围内孔的体积。添加微生物自修复剂试件裂缝中形成的紧密堆积的填充产物为方解石型碳酸钙，晶体颗粒较大，表面出现很多形状类似菌体的印坑。高分辨XCT能够表征出裂缝内部修复情况，裂缝中碳酸钙的含量随着深度的增加逐渐降低，主要填充在距离裂缝表面1～2mm深度范围以内。 (5)通过详细研究氧气、pH值及底物的作用，探明了微生物在溶液中诱导碳酸钙沉积的机理。在此基础上，通过研究微生物在水泥基材料中的存活、萌发、生长繁殖及酶解结晶特性，以及氧气和钙离子向裂缝区的传输过程，揭示了微生物水泥基材料裂缝自修复及微观结构形成机理。结果表明，细菌营养体转变成芽孢后耐碱能力显著增强，芽孢直接添加到水泥基材料高碱性环境中能够存活40d左右。当水泥基材料开裂后，随着裂缝区pH值的降低，芽孢能够萌发和生长并呈现出诱导碳酸钙沉积活性。同时，氧气、钙离子和底物能够传输到裂缝中，从而促进碳酸钙的沉积过程。数值模拟计算结果显示，氧气在裂缝中的扩散过程较慢，裂缝中氧气浓度随深度的增加显著降低，只有裂缝表面的氧气浓度较高，因此微生物诱导碳酸钙主要在裂缝表面沉积。