利用微生物修復混凝土構件裂縫的方法

(重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

利用微生物修復混凝土構件裂縫的方法

廖 立

(重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

利用微生物誘導產生的碳酸鈣修復混凝土構件的裂縫。,基于這種思路，提出一種可能途徑：在混凝土構件表面種植能誘導產生碳酸鈣的細菌或真菌，利用產生的碳酸鈣修復混凝土構件的裂縫。

混凝土；裂縫；微生物；碳酸鈣；修復

1 概述

混凝土是當前用量最大的建筑材料之一。混凝土廣泛應用在城市建設、水利、工業與民用建筑、交通及海港、農林等工程中。容易產生裂縫是混凝土構件的最大缺點。由于長期以來混凝土的開裂造成巨大的社會經濟損失，因此許多科研機構對裂縫的成因和規律，進行了大量的技術探究。并提出了大量關于解決混凝土裂縫的有效辦法和寶貴意見，也取得了可喜的科研成果。目前混凝土開裂是工程建設常見的技術難題。混凝土裂縫的展開導致結構物的承載力功能和使用功能下降。如橋梁工程中橋墩出現裂縫，水中的氯離子進入裂縫，腐蝕鋼筋，使橋墩承載力降低。因此，各類規范中都規定了混凝土裂縫的限值，以保證建筑物的安全性能和舒適感。但是，從近代科學和工程實踐對混凝土裂縫成因和發展規律的研究和大量的混凝土工程實踐表明無法完全克服混凝土中出現裂縫。混凝土在受到外力和溫度、變形的作用下，都可能出現裂縫。本文對裂縫的種類和原因進行闡述并提出了一種解決混凝土開裂后修復的可能途徑。或許能對混凝土裂縫治理起到一定作用。

2 混凝土裂縫的種類

2.1 按裂縫產生原因分類

(1)由動、靜荷載直接作用下結構內部產生應力引起的裂縫和次應力引起的裂縫。國內外調查資料均表明，工程結構由荷載引起的裂縫約占20%，由變形引起的裂縫約占80%；

(2)由變形引起的裂縫：結構在溫度、濕度、縮脹、不均勻沉降這些非荷載作用下產生裂縫。主要特性是要求結構有變形。當結構受到約束時超靜定結構內部會產生內應力。當應力超過一定數值后裂縫便產生了。裂縫出現后結構變形需求得到滿足，內應力釋放。這種裂縫主要特征是寬度大、內應力小，對承載力的影響小，但對結構耐久性有較大損害。

2.2 按裂縫所處的狀態分類

裂縫包括閉合、愈合、穩定、不穩定、運動、等狀態。其中對于運動和不穩定擴展狀態的裂縫，宜采用加固措施。而對于穩定、閉合、愈合的裂縫無需采取措施。例如部分防水結構物，在0.1MPa水壓下，當出現1mm～0.2mm裂縫時，結構可能開始有輕微滲漏，但經過一段時間，在裂縫處水泥析出Ca(OH)2，使裂縫逐漸彌合，再與大氣中CO2作用，并形成CaCO3結晶。封閉和自愈合裂縫，阻止了滲漏的產生，這種裂縫是相對穩定的，因此不會對工程結構的承載力功和耐久性產生較大影響。

3 利用微生物修復混凝土構件裂縫

利用特殊微生物誘導產生的碳酸鈣修復混凝土裂縫技術是一種交叉學科的先進技術，其原理是利用特殊細菌誘導產生碳酸鈣沉積以修復混凝土構件中的裂縫：存在一些特殊細菌可以利用分解銨鹽，產生的氨溶于水會微生物周圍OH-濃度升高，使CaCO3沉積。在誘導產生CaCO3沉積的過程中，細菌為的CaCO3沉積提供空間位置。1973年，Boquet[1]發現土壤中有些細菌能夠誘導碳酸鈣沉積，此后，利用特殊細菌分解礦物并誘導生成新的礦物的理論得到了關注和發展。Kwadha[2]等對不同因素對細菌體內礦物降解的相關霉活性影響進行了研究。最后得出結論：氯離子濃度，PH值等因素發生變化時，礦物降解酶的活性也會變化，而酶的活性直接影響銨鹽的降解，最終導致微生物周圍PH值發生變化，影響碳酸鈣水解平衡濃度。通過研究最后得到了碳酸鈣沉積的最優參數。細菌的礦物沉積能力最優溫度值是32℃。Ramakrishnan[3]等研究了利用細菌產生碳酸鈣修復的混凝土構件和修復前的同等構件強度和耐久性，最后，發現前者前度和耐久性均有明顯提高。構件在抵抗酸、堿、凍融循環及干縮變形等方面的性均能夠提高30%。Tittelboom[4]等研究發現修復利用細菌產生的礦物沉積來修復混凝土構件后，其強度和耐久性得到很大改善。程曉輝等[5]進行了利用微生物修復墻體裂縫的試驗。實驗表明微生物在低溫環境下修復墻體裂縫有明顯效果，另外在實驗室內成功地利用含流動的微生物灌漿液封堵一個漏水小孔。李沛豪等[6]成功利用微生物修復技術修復了石質文物。

利用微生物誘導沉積碳酸鈣相關技術已有了初級的理論研究，并在混凝土裂縫修復方面進行了成功的應用。利用該技術對混凝土裂縫修復是十分具有可行性的。但目前相關研究還較少。還達不到工程應用和推廣階段。關于在混凝土構件表面種植具有誘導碳酸鈣沉積的微生物以修復裂縫的技術應用前景非常廣闊，因此需要不斷探索實踐。

4 結論

在混凝土表面種植微生物比較容易實現，目前已經找到了可以誘導產生碳酸鈣的細菌，將該生物種植在混凝土表面并滿足其生長環境，一旦混凝土開裂，細菌能足夠多的進入裂縫繁殖并誘導產生碳酸鈣。產生的碳酸鈣可以有效修復混凝土構件表面的裂縫。

5 結束語

混凝土裂縫的修復一直是個難題，除了從傳統手段出發，我們應該著眼于交叉學科研究，從生物，化學等其他學科中尋求新方法，利用微生物修復混凝土裂縫具有很重要啟示。相信隨著學科研究的深入，會與其他學科產生更多交叉，也會產生更多新的修復混凝土裂縫的方法。

[1] BOQUETE, BORONAT A, RAMOS-CORMENZANA A. Production of calcite(calcium carbonate)crystals by soil bacteria is a common phenomenon[J]. Nature.1973,246:527-529.

[2] OKWADHA G D, LI Jin. Optimum conditions for microbialcarbonateprecipitation[J]. Chemosphere,2010,81(9):1143-1148.

[3] DAY J L, RAMAKRISHNAN V, BANG S S. Microbiologically induced sealant for concrete crack remediation[C]. Proceedings ofthe 16th Engineering Mechanics Conference. Seattle:[s.n.],2003:1-8.

[4]TITTELBOOM K V, BELLE N D, MUYNCK W D, eta1. usof bacteria repair cracks in concrete[J]. Cement and Concrete Research,2010,40(1):157-166.

[5] 李沛豪,屈文俊.細菌誘導碳酸鈣礦化材料及其應用前景[J].建筑材料學報,2009,12(4):482—486.

[6]王瑞興,錢春香.微生物沉積碳酸鈣修復水泥基材料表面缺陷[J].硅酸鹽學報,2008,36(4):457—464.

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