混凝土結構裂縫修復技術研究進展

田曼麗 王杰 史翠平

摘要：利用微生物誘導碳酸鈣沉積技術可修復石材和水泥基材料裂縫或在其表面形成一層碳酸鈣保護膜，從而改善其強度和耐久性。其反應產物即修復材料最終為碳酸鈣晶體，改善了其力學性能和耐久性能，并與材料基體有著較好的相容性，操作簡便，成本低廉，因此該技術為混凝土結構材料裂縫修復開辟了新途徑。

關鍵詞：微生物，裂縫修復，混凝土

前言

在石油開采、運輸、存儲等過程中會產生大量的微生物，地下環境中的微生物會對油氣滲流及巖體產生一定的影響。微生物在生長、代謝、繁殖的過程中會引起設備管線腐蝕、管道堵塞等問題;另外，微生物會螯合礦物離子導致礦物沉積，從而堵塞周圍巖土的孔隙，引起裂隙巖土滲透性發生改變。

目前對于微生物引起的巖土裂隙填充現象，國內外已有不少研究，但大部分主要集中在微生物對巖土性能改良、歷史文物加固保護等方面。對于混凝土而言，自其面世以來，以其抗壓強度高、防火性好。在混凝土制作、養護和使用的過程中難免會產生一些裂縫，這不僅影響其外觀，而且還可能引起構件抗滲性降低、鋼筋銹蝕，加速碳化等，從而影響其使用壽命。學者受微生物成巖現象的啟發，提出了利用微生物誘導礦物沉積修復混凝土裂縫的方法，目前也已取得了較為可觀的成果。

1.微生物的裂縫修復功能

近年來，受生物成巖現象的啟發，油層周圍的巖土的裂縫能夠被微生物修復的現象得到了確認，從而增強了石油開采過程中油層結構的完整性。微生物的這種黏結作用即使在微生物死亡后很長的時間里仍能在大自然中發揮作用。

石油工程、地質工程和土木工程領域的科研人員注意到了微生物的這種選擇性的黏結作用并著手研究這些成巖微生物是否能夠應用于天然或人造結構的裂縫修復。Navarro 等[1]對已發生劣化的石灰石裝飾表面的裂縫采用微生物修復并取得了良好的效果，Bang 等[2][3]研究了微生物對水泥基材料表面裂縫修復的功效，Gollapudi 等[4]研究了微生物對隧道表面裂縫的修復功效。近年來，許多學者對微生物誘導的碳酸鈣沉積技術在諸多領域的應用進行了探索，例如應用于重大文物古建筑挽救修復、地基土的加固、改善土建基礎設施安全與耐久性等諸多領域。

2. 微生物對混凝土裂縫的修復

微生物對混凝土裂縫的修復的想法，最早是由 Gollapudi 等[3]于 1995 年提出，該想法基于微生物礦化機理，認為微生物具有潛在的裂縫自修復能力。他們利用微生物對裂縫進行了表面封堵，通過摻加硅灰等礦物質，以緩解水泥基材料中的高堿度，為微生物生命活動環境營造了酸堿保障，最終取得了良好的效果。由此為混凝土裂縫的修復開辟了一條新的途徑，受到國內外學者的廣泛關注。Bang 等[3]利用厭氧的巴氏芽孢桿菌進行了系統的研究，認為處于尿素-氯化鈣培養液中帶負電荷的菌體細胞壁能夠螯合鈣離子，尿素通過酶的一系列新陳代 謝反應最終水解成氨和二氧化碳，伴隨著碳酸鹽平衡的轉變（CO2 到 HCO3-和 CO32-），致使局部碳酸根離子濃度增大，從而又進一步吸引更多的鈣離子，直到晶體前驅體濃度增大到利于核化沉積。混凝土介質中的鈣離子與碳酸根離子發生反應，從而在細胞表面形成不溶性的碳酸鈣沉積物，使裂縫愈合而達到修復的目的。微生物的作用不僅僅是生成脲酶，而且為碳酸鈣的沉積提供了成核位點，并通過SEM和XRD等微觀測試得到進一步的證實。另外，一些好氧菌或兼性菌所進行的新陳代謝呼吸作用也可以誘導產生碳酸鈣沉積。Jonkers 等利用好氧型的假堅強芽孢桿菌（B. pseudofrmus）和科氏芽孢桿菌（B. cohnii）對水泥凈漿進行了對比研究，發現在凈漿碎塊表面沉積了大量的礦物晶體，經環境掃描電鏡分析發現，絕大部分為方解石晶體，從而證明了微生物的代謝作用可有效的將有機化合物轉化為碳酸鈣。此外，他還對巴氏芽孢桿菌、綠膿桿菌和耐鹽芽孢桿菌進行了研究。國內也有許多研究。錢春香課題組[5][6]在利用微生物誘導礦物沉淀來修復混凝土方面做了很多工作，他們利用菌株 A 和碳酸鹽礦化菌生長繁殖過程中產生的酶化作用生成 CO32-適時引入 Ca2+形成碳酸鈣，改善了水泥石的滲透性;另外，他們還利用微生物誘導碳酸鈣沉積技術修復了具有缺陷的水泥基材料表面，并對表面生成物進行了分析研究。他們首先利用分離技術得到了高濃度細菌，并將得到的高濃度細菌涂刷在了具有表面缺陷的水泥基材料水平表面層，最后測得在水平頂層生成了大約 100μm 厚的沉積物膜層，并在表面沉積物的作用下構件的吸水率降低了 85%左右，但是采用相同方法來修復水泥基材料側表面時，結果發現沉積物的膜層厚度只有 40μm 左右，在提高抗滲性方面明顯低于作用在頂層的效果;同時他們對微生物修復后的裂縫進行強度檢測，將分離得到的高濃度細菌和營養鹽（尿素、硝酸鈣）、瓊脂載體、砂子混合攪拌成漿體，之后將拌合好的漿體灌入到寬 3mm、深 20mm 的裂縫中，并定期向裂縫中灌注營養鹽。試驗結果顯示：填充在裂縫中的砂子被微生物作用產生的沉積物粘結成了整體，并牢固鑲嵌在裂縫中，裂縫修復后的 28d 抗壓強度相比未修復裂縫增強了 76%，修復后裂縫的抗拉強度提高至母體強度的 84%。李沛豪等[7]利用芽孢八疊球菌研究其對混凝土裂縫的沉積修復。結果表明該細菌可以誘導碳酸鈣晶體在混凝土表層及裂縫中沉積并與基層形成有效黏結，有效地減小了混凝土碳化速度系數，并得知鈣源會影響碳酸鈣沉積晶相類型，培養基中的 Ca2+ 濃度也會對晶體沉積的生長尺寸、生長形貌等產生影響，但對混凝土的防護效果無影響。

3.微生物修復裂縫對構件耐久性的影響

中科院新疆生態地理研究所 Achal 等[8]人的試驗證明，摻入球形芽孢桿菌的混凝土 28d 強度最多可以提高 36%，而且其吸水率可以變為普通混凝土的 1/6，推測試件強度提升的原因是內部的孔隙被生成的碳酸鈣結晶填充。微生物礦化沉積產物不僅填充了裂縫，還能在一定程度上堵塞裂縫周邊的孔隙，使得孔隙率下降，由此可預見材料的耐久性將得到不同程度的提高，幾乎所有的研究結果都證實了這一點。Ramakrishnan 等人[9]利用巴氏芽孢八疊球菌在混凝土表面覆蓋碳酸鈣層，并對比分析修復前后材料的耐久性，結果證實：由于微生物誘導作用的沉積物覆蓋于構件表面，使構件的抗滲能力大幅度提高，而且經微生物修復其抗堿、抗酸能力得到顯著提高、凍融和干縮變形的抵抗性能也得到顯著改善，并且菌液的濃度越高，效果越明顯。當采用磷酸鹽緩沖液作為養護液時，取得了更好的效果。他們通過 SEM 和 XRD 分析得知，生成物的主要成分是方解石。

De + 等[10]對利用微生物沉積技術對構件進行表面處理后進行了耐久性分析。他們采用三種水灰比不同的構件，放在同一特定濃度微生物的培養基中浸泡相同的時間（24h），然后分別放在氯化鈣、醋酸鈣以及不含鈣離子的三種溶液中進行浸泡，結果表明，經微生物表面處理后的構件耐久性（毛細吸水率、抗氣滲性、抗碳化及氯離子滲透性、抗凍性）明顯提高，并且總結出氯化鈣和醋酸鈣為微生物誘導碳酸鈣沉積提供鈣離子來源方面的效果基本等同。朱飛龍等[11]利用碾碎的水泥砂漿粉作為覆膜載體，結合 MICP 技術處理水泥砂漿試件，誘導生成的方解石 填充了水泥砂漿內部的孔洞和裂縫，改善了孔結構，吸水系數降低 58%，并且覆膜 7 天后總孔隙率降低 40%，大孔（d>1μm）含量降低 90%。在提出微生物修復混凝土裂縫之前，微生物修復方法已被應用于地質工程和土木工程領域，如巖土性能改良、歷史文物建筑加固保護等。1990 年有人首次提出將 MICP 技術應用于裝飾石材保護領域。楊鉆[12]從優化菌株的角度出發，對巴氏芽孢八疊球菌野生株進行誘變篩選，得到耐高尿素和鈣離子濃度、高脲酶活性的菌株，并通過沙柱粘結試驗優化營養鹽濃度、灌漿次數和孔隙介質粒徑等可控參數，對得到的微生物砂漿的抗拉性能、循環荷載抗壓、疲勞抗壓等力學性能以及孔徑分布、膠凝產物晶體結構等性能進行了系統性的研究，成功得到單軸抗壓強度在2MPa 到 55MPa 之間不同強度的微生物砂漿樣品，最后進行了現場試驗研究和灌漿數值模型的探索，為 MICP 技術應用于磚石砌體文物加固奠定了堅實的基礎。綜上所述，利用微生物誘導碳酸鈣沉積技術可修復石材和水泥基材料裂縫或在其表面形成一層碳酸鈣保護膜，從而改善其強度和耐久性。相對于傳統的裂縫修復技術該技術具有一定的優勢，其反應產物即修復材料最終為碳酸鈣晶體，改善了其力學性能和耐久性能，并與材料基體有著較好的相容性，避免了傳統技術 中有機材料的應用，而且操作簡便，成本低廉，因此該技術為材料裂縫修復開辟了新途徑。

4.結論

利用微生物誘導碳酸鈣沉積技術可修復石材和水泥基材料裂縫或在其表面形成一層碳酸鈣保護膜，從而改善其強度和耐久性。其反應產物即修復材料最終為碳酸鈣晶體，改善了其力學性能和耐久性能，并與材料基體有著較好的相容性，操作簡便，成本低廉，因此該技術為混凝土結構材料裂縫修復開辟了新途徑。

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[12]楊鉆. 高強微生物砂漿低壓灌漿制備與工作性能研究[D].清華大學，2013.

作者簡介：田曼麗（1989-），女，江蘇徐州人，漢族，碩士，講師，主要研究BIM技術應用和材料學。

基金項目：微生物對裂隙巖樣滲透系數的影響（項目編號：CJKJ202005）

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