微生物自修復(fù)混凝土的研究進展

鄭雨豐 何亮 凌天清

摘要：混凝土在溫度和外荷載的作用下會產(chǎn)生裂縫，可通過在混凝土中摻入固載的微生物以達到修復(fù)微裂縫的目的。文章介紹了微生物自修復(fù)混凝土的工作機理，總結(jié)了在微生物的選擇和載體的選擇兩個方面近期的研究進展，評價了修復(fù)效果，并分析了影響微生物礦化的因素，提出了未來可能的研究方向。

關(guān)鍵詞：混凝土;自修復(fù);微生物礦化

中圖分類號：U416.216 文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.001

文章編號：1673-4874（2019）10-0001-03

引言

混凝土在現(xiàn)代的土木工程中被廣泛應(yīng)用，其在水化過程中無可避免地會形成初始的微觀裂縫。微觀裂縫雖然暫時不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，但是經(jīng)過長期的溫度和外荷載作用，微裂縫會逐漸地擴展成我們?nèi)庋鬯芸吹降暮暧^裂縫。宏觀裂縫不僅會給結(jié)構(gòu)帶來隱患，還會降低結(jié)構(gòu)的耐久性，而微生物自修復(fù)混凝土能有效地彌補微裂縫。

本文介紹了微生物自修復(fù)混凝土的工作原理，通過近期國內(nèi)外學(xué)者所做的研究，分析了影響微生物自修復(fù)的因素，評價了微生物自修復(fù)混凝土的修復(fù)效果，并提出了未來可能的研究方向。

1微生物自修復(fù)混凝土了作原理

微生物自修復(fù)混凝土是將細菌營養(yǎng)體、休眠芽孢、微生物體及其所需的代謝營養(yǎng)物質(zhì)用具有相容性的材料包覆起來，再均勻地摻到混凝土中。當(dāng)微裂縫形成時，載體隨之破裂，休眠芽孢被激活，微生物開始礦化沉積;當(dāng)裂縫被彌補時，芽孢會再次進入休眠狀態(tài)。

微生物的礦化方式可以分為厭氧菌的酶代謝作用和好氧菌的呼吸作用兩種。厭氧菌主要是通過尿素酶水解尿素制造氨氣NH₃和二氧化碳CO₂;好氧菌通過有氧呼吸產(chǎn)生二氧化碳，CO₂與溶液中的Ca²⁺￥生成碳酸鈣CaCO₃。礦化機理又分為微生物控制礦化和微生物誘導(dǎo)礦化兩種，目前多采用第二種。國內(nèi)錢春香課題組對礦化機理進行實驗，研究表明礦化產(chǎn)物就是CaCO₃，整個礦化過程需要氧氣參與，CaCO₃是通過細菌代謝產(chǎn)生的CO₂與底物中的Ca²⁺反應(yīng)生成的。

2微生物的選擇

基于混凝土內(nèi)的高堿性環(huán)境，應(yīng)選擇生命力強的嗜堿細菌，保證其在混凝土內(nèi)部的惡劣環(huán)境中能長期儲存。

目前，許多學(xué)者都采用嗜堿芽孢桿菌進行了大量的實驗。Jonkers等把芽孢桿菌和乳酸鈣組成的雙組分生物化學(xué)劑作為修復(fù)劑進行實驗，發(fā)現(xiàn)這種新型生物化學(xué)自愈劑在潮濕環(huán)境下對提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的影響尤其顯著。李珠等用科氏芽孢桿菌（好氧型）作為微生物修復(fù)劑，將其摻入到混凝土中，在水中養(yǎng)護28d后發(fā)現(xiàn)最大修復(fù)寬度達到0.56mm。羅國春將包覆科氏芽孢桿菌的生物微膠囊摻入混凝土中測試其修復(fù)率。Bang等用巴氏芽孢桿菌（厭氧型）為芯材，聚亞安酯泡沫為載體進行實驗。這些大量的研究表明：嗜堿芽孢桿菌作為自修復(fù)劑是不錯的選擇，其中厭氧茵產(chǎn)生的氨氣會對環(huán)境造成影響，所以好氧茵的使用可能更為廣泛。

由于不同種類微生物的代謝和生存能力各有差異，因此學(xué)者們的研究不止局限于芽孢桿菌的運用。錢春香課題組采用瓊脂為載體，芯材為碳酸酐酶微生物和所需營養(yǎng)物質(zhì)進行實驗，該種微生物可以生產(chǎn)碳酸酐酶，碳酸酐酶能提高CO₂可逆水合反應(yīng)，加快HCO₃生成，從而加快礦化沉積的速度。Jing Luo等選用六種真菌作為修復(fù)劑分別進行實驗，研究結(jié)果表明T.reesei（ATCC13631）在可持續(xù)性基礎(chǔ)設(shè)施的生物基礎(chǔ)自愈混凝土中具有巨大的潛力，該真菌取自于植物病原體，對人類無害，且生命力比細菌強，產(chǎn)生的沉淀晶體經(jīng)驗證為由方解石（CaCO₃）組成。

隨著微生物自修復(fù)技術(shù)的研究不斷深入，活性更高、壽命更長的微生物漸漸進入研究者們的視野，尋找更好的微生物修復(fù)劑也正是當(dāng)下學(xué)者們的研究方向之一。

3載體的選擇

目前，研究者們一般選用微膠囊作為載體，也有其他學(xué)者以多孔材料為載體。載體主要的作用是保護微生物修復(fù)劑，避免芽孢與外界接觸而過早萌發(fā)，保證微生物修復(fù)劑的活性。載體應(yīng)該具有較好的相容性、機械性、化學(xué)穩(wěn)定性。

微膠囊作為載體最為普遍，其中多數(shù)學(xué)者以環(huán)氧樹脂作為壁材。程文鳳將H4芽孢桿菌分別用乙基纖維素微膠囊（EC）和環(huán)氧樹脂防水型微膠囊（EP）包裹，通過實驗證實環(huán)氧樹脂的防水性能更加完美，而EC為囊壁材料會讓水提前滲入膠囊內(nèi)，這將導(dǎo)致芽孢提前萌發(fā)。羅園春以環(huán)氧E-51為壁材，科氏芽孢桿菌為芯材，用油相懸浮分散法制備防水型微膠囊。

學(xué)者們對其他類載體也有研究。徐晶等以多孔陶粒為載體，微生物及其所需的營養(yǎng)物質(zhì)為芯材摻入到混凝土中，實驗表明陶粒體積分數(shù)為37.8%時可作為最佳摻量。Jonkers等分別對硅膠和聚氨酯為細菌載體進行對比研究，結(jié)果表明，聚氨酯作為載體具有更大的潛力。王瑞興等通過瓊脂固載菌株，使用“被動愈合”的方式在水泥混凝土表面涂刷3d后，發(fā)現(xiàn)表面出現(xiàn)一層0.1mm厚度的方解石層。徐晶等用硫鋁酸鈣水泥和20%含量的硅灰研制了一種細菌保護載體，結(jié)果表明，硫鋁酸鈣水泥所制備的載體材料與混凝土具有良好的相容性，硅灰的添加降低了硫鋁酸鈣水泥材料的pH值，該載體優(yōu)化了與混凝土基體的相容性，同時仍然能保證細菌在混凝土內(nèi)長期存活。

從上述的研究可以看出，研究者們基于載體所應(yīng)滿足的性質(zhì)，對載體進行改良甚至創(chuàng)新，比如尋找更好的載體材料來改善載體的相容性，或是探索機械性更好的材料以減少混凝土在振搗過程中所導(dǎo)致的微生物載體損傷。

4 影響微生物礦化的因素9A6913FA-FC8B-4A2A-B846-84731FD4E6E4

4.1營養(yǎng)物質(zhì)

研究者們在營養(yǎng)物質(zhì)的選擇上除了選擇酵母粉、蛋白胨、谷氨酸鹽、乳酸鈣等作為微生物礦化所需的基本營養(yǎng)成分外，還會選尿素作為反應(yīng)底物，并添加氯化鈣來沉積碳酸鈣。

馮濤等研究了乳酸鈣摻量對科氏芽孢桿菌修復(fù)能力的影響，實驗表明，養(yǎng)護28d后，發(fā)現(xiàn)乳酸鈣摻量對修復(fù)效果影響較大，隨著乳酸鈣摻量的增大導(dǎo)致修復(fù)能力先增加后慢慢趨于平緩。袁曉露采用茵液浸泡法進行實驗，實驗結(jié)果表明，當(dāng)尿素濃度在一定范圍內(nèi)時，隨著尿素濃度的增加，礦化效率會越高。當(dāng)菌種選定后，就要為微生物配上合適的營養(yǎng)物質(zhì)，通過實驗研究確定各營養(yǎng)物質(zhì)的含量。

4.2PH值

厭氧茵的酶代謝作用就是尿素酶水解尿素產(chǎn)生氨氣和二氧化碳，氨氣的產(chǎn)生增加了周圍溶液的pH值，這導(dǎo)致不溶性碳酸鈣的沉淀。王瑞興等研究表明，因pH值的大小不同，所沉淀形成的晶體形貌也有所不同，但是尺寸大小改變不大。

pH值還會影響到細菌芽孢的萌發(fā)，芽孢的萌發(fā)將會間接影響到微生物的礦化。程文鳳在不同的pH值下測試H4芽孢的萌發(fā)率，結(jié)果表明，當(dāng)pH值為10時，萌發(fā)率達到最大值。圖1表明了不同pH值下芽孢萌發(fā)率的大小。

4.3 其他影響因素

微生物的礦化機制是比較復(fù)雜的，除了營養(yǎng)物質(zhì)和pH值會對礦化造成影響外，菌種的選擇、溫度、氧氣的濃度、微生物濃度、液態(tài)水等都會對礦化有所影響。

5微生物自修復(fù)效果

微生物自修復(fù)混凝土的提出主要是為了彌補微裂縫，以達到提高結(jié)構(gòu)耐久性的目的。強度指標(biāo)主要有強度恢復(fù)率、抗壓強度等;耐久性指標(biāo)主要有氣密性和抗?jié)B性等;還可以用修復(fù)的裂縫寬度來評價修復(fù)效果。

微生物自修復(fù)混凝土的修復(fù)寬度能表征其修復(fù)能力。錢春香等利用微生物礦化沉積的碳酸鈣來彌補裂縫，結(jié)果表明，修復(fù)40d后，混凝土裂縫深度在10mm以上時，未發(fā)現(xiàn)碳酸鈣沉淀，而碳酸鈣主要出現(xiàn)在裂縫表面下1.5turn內(nèi)，超過1.5mm時由于距表層較遠，導(dǎo)致氧氣不足，形成的碳酸鈣就越少。寬度為0.5mm以下的裂縫容易被修復(fù)，0.5-0.8mm寬度的裂縫較難完全修復(fù)，能修復(fù)的最大裂縫寬度≤1mm。由于微生物礦化速率慢的緣故，導(dǎo)致裂縫寬度>1mm的裂縫很難被修復(fù)。

強度恢復(fù)率是評價自修復(fù)的重要指標(biāo)。徐晶等通過陶粒固載微生物，開裂破壞的試件通過28d的自修復(fù)養(yǎng)護，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)其抗壓強度恢復(fù)率達63%。強度恢復(fù)率不太高的原因可能是生成的碳酸鈣無法深入裂縫深處，而是基本出現(xiàn)在深度<1.5mm的位置，且碳酸鈣沉淀與周圍的基體粘結(jié)強度低。

抗壓強度表征了混凝土的抗壓性能。羅園春將內(nèi)含微生物修復(fù)劑的微膠囊摻入混凝土進行抗壓強度測試，發(fā)現(xiàn)抗壓強度受到影響，相比普通混凝土，其抗壓強度減小，混凝土試件越大影響會相對減小。徐晶等用硫鋁酸鈣水泥和20%的硅灰制作的新型封裝材料用來包覆微生物修復(fù)劑，將其摻入到混凝土中進行抗壓強度檢測，發(fā)現(xiàn)抗壓強度較普通混凝土無明顯變化。因此抗壓強度降低的原因可能是載體與混凝土基體的相容性所導(dǎo)致的。

6 結(jié)語

微生物自修復(fù)混凝土目前仍處于實驗研究階段，微生物修復(fù)技術(shù)還有不成熟的地方。

在菌種的選擇方面，有些學(xué)者更提倡使用好氧菌，因為厭氧菌酶代謝產(chǎn)生的氨氣會對環(huán)境有影響，好氧菌會更加環(huán)保。除了細菌可以作為生物修復(fù)劑外，有學(xué)者采用真菌作為生物修復(fù)劑，真菌的優(yōu)勢在于生命力更頑強。因此，探索尋找更好的微生物以及尋找低經(jīng)濟的營養(yǎng)底物是菌種選擇方面可能的研究方向。

在載體的選擇方面，載體應(yīng)滿足相容性、機械性、化學(xué)穩(wěn)定性、防水性的要求。由于載體的摻入，導(dǎo)致混凝土某些性能有所下降，比如強度等。因此，尋找各方面性能都良好的載體是未來可能的研究方向。9A6913FA-FC8B-4A2A-B846-84731FD4E6E4