微生物礦化沉積自修復混凝土的應用研究

秦勝旺1 劉奎周2 陳果3 于家輝4 楊張夢然5 丁佳雨6

（湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068）

自修復混凝土是智能混凝土[1]的一種，其修復方式可分為主動修復型和被動修復型。被動修復混凝土是在裂縫處通過涂抹修復劑進行修復。主動修復型混凝土是一種智能混凝土，即利用微膠囊或其他多孔材料在澆筑混凝土時同水、水泥和骨料一同攪拌養護。當混凝土開裂時，粘合劑從微膠囊中流出并固化以修復裂縫[2]。本文主要論述主動修復型混凝土在裝配式結構中的應用。隨著裝配式結構的推廣，摻有微生物的混凝土構件在工廠流水生產，既能保證構件質量和降低成本，還能使混凝土具有自修復微裂縫特性。但是，在摻有微生物的混凝土投入生產和使用之前存在如下幾個問題：自修復技術填補裂縫效果尚未得到充分驗證，其次，修復效果和力學性能往往不能兼顧，因此需要確定合適的微生物和載體摻量，保證混凝土的性能，以確保結構的安全。

一、自修復混凝土的研究現狀

理想的自修復混凝土自修復機理或自愈組件應滿足以下特點[3]：1.可實時監測混凝土，對新產生的裂縫準確定位并進行及時修復；2.必須與混凝土基質材料相容，不能給混凝土的性能產生不利影響；3.它是混凝土中水泥基材料的組分部分之一，可以積極修復；4.能長期維持其修復裂縫的功能；5.它起著催化劑的作用，在裂縫修復過程中不會被消耗；6.具有合理的經濟性。生物礦化是生物通過調節生物大分子進而產生無機礦物的過程。膠結砂、水泥基材料缺陷修復和表面保護都在使用某些特定菌株在其生長繁殖過程中產生脲酶。連續分解環境中的尿素形成CO32-，而帶負電荷的水溶性有機物在細胞膜界面不斷螯合環境中 Ca2-。整個反應如下[4]：

但是，這種修復機制仍然需要外部能量的持續供應，并且不能自動適當地進行響應。此外還會產生刺激性氣體NH3，這會污染環境。目前對于微生物修復混凝土的研究主要采用巴氏芽孢桿菌加入砂漿中，利用細菌產生的碳酸鈣來修補裂縫，其相應的礦化機理發生了改變，經研究整個反應如下[5]：

細菌在產生碳酸鈣過程中，需要不斷從外界獲取鈣源。有研究使用氯化鈣和乳酸鈣作為鈣源。然而，氯化鈣中含有氯離子，會減少結構的使用壽命。鑒于此，乳酸鈣就作為了混凝土中微生物礦化所必需的營養物質。研究發現，隨著乳酸鈣量的增加，混凝土的裂縫自修復能力顯現出先升后穩的趨勢，當乳酸鈣量為膠凝材料質量分數的1.75%時，混凝土裂縫的最大修復寬度達到最大[6]。

在混凝土的自修復裂縫過程中，微生物載體所起的作用如下：首先是攜帶固定的微生物和營養物質以避免損失達不到修復效果；二是為微生物生長代謝提供微觀環境，同時減少堿性環境的影響，縮小空間，保持細菌活性。因此，微生物載體的合理選擇是成功實施混凝土裂縫修復的關鍵[7]。理想微生物載體應具有以下特點：（1）良好的生物相容性：對細菌活性影響小、無毒害。（2）高容納性：保證能足量的微生物或底物。（3）優良物理化學穩定性。（4）良好的生物惰性：耐微生物分解。（5）良好的抗沖耐磨性：它在攪拌水泥漿混凝土期間抵抗攪拌力。（6）良好的力學特性：載體的添加不會導致混凝土基體的強度和其他性能損失。（7）良好的傳質性能。同時地，微生物固載技術孕育而生。微生物固載技術是指在載體上固定微生物，使其產生一個適宜細菌的微環境。固載技術是一種現代生物技術，在正確的條件下添加以滿足應用需求。載體上的細菌固定使用的方法主要有吸附、交聯、包埋和自固定。

二、自修復混凝土載體的研究現狀

微生物載體材料發展到現在可分為天然載體和合成載體。天然載體有硅藻土、海藻酸鈉、瓊脂等；合成載體有陶粒、膨脹黏土、微珠、微膠囊等。人造無機載體材料通常具有較高強度、高孔隙率、對微生物無毒性、抗微生物分解和長壽命。但是，合成凝膠具有較差的抗沖擊性和耐磨性以及傳質性能。從目前這一領域的應用來看，還存在一些進一步研究的問題，有待研究出與環境相容性好、傳質阻力小和對混凝土的力學性能影響小且價格低廉的一種微生物載體。

微生物裂縫自修復混凝土具有優良的裂縫自修復效果，但同時力學性能無法兼顧。研究發現混凝土中摻入載體材料是導致混凝土力學性能下降的主要原因。當選用膨脹珍珠巖作為載體材料時，混凝土的抗壓強度隨著膨脹珍珠巖數量增多而逐漸減小[8-9]。為了彌補強度的損失，經研究發現，可在混凝土內摻入7%的硅灰；在固定28d后，膨脹珍珠巖作為修補載體的混凝土最大修復寬度達到了0.56mm，是普通混凝土最大修復寬度的2.2倍[10]；隨著微膠囊質量分數的增加，復合材料的累積孔容減少，水泥基復合材料的耐久性在一定程度上得到改善[11]。

三、微生物裂縫自修復混凝土在裝配式結構中需解決的問題

1.因微生物及相應載體的加入，需對混凝土原材料的選擇和配合比設計應重新考量。

2.確定一種微生物和載體材料對力學性能和耐久性影響最小及裂縫修復效果最佳，需要通過正交試驗來設計。

3.對微生物裂縫自修復混凝土的力學性能和耐久性進行綜合分析，選出綜合的最佳微生物和載體的摻量。