混凝土微生物自愈合技術研究進展

韓憲偉 戰美秋 韓立彬 李東陽 侯永勝

吉林建筑大學土木工程學院（130118）

0 引言

混凝土是目前用量最大、用途最廣的建筑工程材料。混凝土結構裂縫或微裂縫的存在一般不會直接影響混凝土結構的承載力，但氯離子、硫酸鹽等侵入會降低混凝土結構的耐久性，耗費巨大的維護成本。采用灌漿法、表面處理法等傳統方法修復混凝土內部損傷的效果有局限性，一些化學修復劑的使用可能達不到環境友好等要求。

混凝土的微生物自愈合技術具有綠色、環保的特點，其主要是通過儲存在混凝土中的微生物的自身代謝產生礦物化合物，礦物化合物主要是由微生物分解生成的碳酸根離子與金屬陽離子結合生成，其膠結作用能夠修復由于荷載或溫度等環境因素引起的裂縫，進而達到維護混凝土結構的目的。20世紀90年代，Gollapudi等發現巴氏芽孢桿菌與砂混合后能夠有效填充砂子的空隙；2007年，Jonkers正式提出利用微生物技術修復混凝土的概念。文章綜述近年來關于混凝土微生物自愈合技術的研究進展，論述了微生物自愈合技術存在的問題，并對未來的研究方向進行了討論和展望。

1 混凝土微生物自愈合原理

微生物礦化是微生物誘導礦物沉淀修復混凝土裂縫的理論基礎。根據微生物對成礦調控程度的不同，微生物礦化作用可分為微生物誘導礦化和微生物控制礦化兩種類型，目前的研究方向主要側重于微生物誘導礦化過程。通過微生物自養方式誘導碳酸鈣沉淀是利用氣態或者溶解的CO2作為碳源產生沉淀，實際工程中開發了多種微生物共同協作的愈合手段，目前研究的主要方向包括微生物的脲酶催化作用、有機酸轉化作用和反硝化作用。由于有機酸轉化型反應過程中釋放氨氣和氮氧化合物，對人體與環境造成不同程度的影響，因而乳酸鈣、葡萄糖酸鈉等非脲解型的多種有機碳源為主要研究方向。其中以乳酸鈣為有機碳源誘導碳酸鈣沉淀的反應式為：

2 影響微生物自愈合效果的因素

1）微生物的濃度、種類、狀態及愈合產物與混凝土基體是否具備良好的相容性，都不同程度地對微生物自愈合效果產生影響。如混凝土的暴露環境濕度、溫度，微生物的耐堿性等。微生物反應試驗研究表明：多數微生物在合適條件下均能修復寬度在300μm以上的裂縫。

2）保護載體對營養物質、碳源、鈣源的保護效果也是影響愈合效果的重要因素。保護載體在混凝土拌和過程中分散于混凝土基體中，當保護載體因混凝土損傷或開裂而開裂后，微生物愈合劑被釋放出來，釋放的微生物愈合劑因與周圍環境發生反應而實現自愈合目的。目前，關于保護載體的開發使用，國內外研究人員采用多種微生物保護載體進行了大量研究，主要包括無機多孔型、多孔輕骨料型、微膠囊型、微生物自體保護型和納米材料型。Bang等利用多孔玻璃珠作為保護載體，發現經保護載體處理的愈合劑可以在更高pH值(pH=8.1)下產生礦物沉淀；Wiktor等采用膨脹黏土顆粒作為微生物保護載體，通過真空浸漬法將愈合劑封裝于輕骨料中，試件混凝土凝結硬化數月后，由膨脹黏土顆粒保護的微生物仍具備活性；Zhong等將細菌、營養物和砂等填充料壓實填入花崗巖裂縫，裂縫修復后抗壓強度大大提高；還有部分學者將部分微生物負壓真空充填到開口膨脹珍珠巖內部，采用表面涂覆水玻璃進行封閉的方法儲存微生物。

3）混凝土基體本身的pH值及拌合過程中的機械作用力等對自愈合效果的影響也較大。經測試，基于耐堿微生物的特性，嗜堿性芽孢桿菌可以直接投入到混凝土中作為自愈合劑，達到修復裂縫的目的；國內部分學者采用大摻量粉煤灰混凝土作為膠凝基體以降低混凝土基體的堿性；Wang等利用三聚氰胺基對微生物愈合劑進行封裝，微膠囊自身的彈性可有效釋放混凝土拌合時的機械作用力，保護內部微生物。

3 結語與展望

混凝土自愈合技術在房屋基礎工程、橋梁工程、路橋工程、地下工程等方面具有較大應用價值，具有環保、可持續性的特點。近年來，國內外對微生物自愈合混凝土進行了大量的研究，取得了較大的進展，但仍有一些問題需要進一步研究，如微生物死亡后在混凝土內部留下的孔隙會導致自愈合能力與強度的下降，統一的自愈合能力評價指標缺乏，保護載體加工工藝等應用技術還有待研究等。