不同載體對于微生物礦化修復混凝土裂縫效果的研究進展

田 園，姚星旭

（1.吉林農業大學生命科學學院，吉林 長春 130118；2.清華大學土木水利學院，北京 100084）

混凝土因結構牢固、價格低廉等優勢成為現代建筑工程中的主要應用材料，但在隨著使用年限的增加，幾乎所有混凝土內部都會產生細小裂縫，裂縫逐漸增大的同時，一些有害物質侵入從而降低其耐久性，表面修補、裂縫灌漿等傳統裂縫修復成本昂貴且效果一般。Gollapudi等在1995年最先提出用細菌誘導碳酸鈣沉淀能夠對混凝土建筑基質滲漏進行修補，其中，細菌誘導碳酸鈣沉淀有兩個途徑：（1）厭氧微生物的新陳代謝所產生的尿素酶，將尿素分解為氨和二氧化碳，隨著產物不斷增加，溶液的pH值不斷升高，鈣離子與碳酸根離子結合，生成碳酸鈣沉淀；（2）好氧微生物呼吸產生的二氧化碳與混凝土結構中的鈣離子結合形成碳酸鈣沉淀物。該反應稱為微生物誘導碳酸鈣反應（MICP），是一種微生物巖土技術，最常見的一種反應過程——尿素水解反應。

此發現為混凝土修復開辟了一條新的道路，國內外學者對此展開研究。但是，由于混凝土內部環境呈高堿性，那么讓微生物在混凝土水化過程中保持活性較為困難。荷蘭的Jonker等將嗜堿性芽孢桿菌直接摻入混凝土，發現隨著混凝土的逐漸固化，最后存活下來的芽孢微乎其微，在水泥混凝土水化過程中，基材的孔隙直徑會越來越小，導致混合在混凝土中的芽孢桿菌被碾碎，微生物修復的效果大打折扣。而Wang等則想出用聚氨酯和硅凝膠作為微生物載體與混凝土混合發揮其礦化作用，模擬混凝土內部的高堿性環境，球形芽孢桿菌仍能保持高酶活性，有理想的礦化率，最終能完全修復的裂縫寬度在0.3 mm以下。兩項實驗結果對比表明，微生物載體能夠為微生物的生長代謝提供微環境，保護其免受混凝土的堿性環境侵害和顆粒擠壓的作用，使其在混凝土出現裂縫之前保持活性。

1 固載方式和機理

微生物固載技術是給微生物提供適宜的生長微環境，使其高度密集并保持生物活性的一種現代生物技術。目前所了解的幾種微生物固載方式有吸附法、交聯法、包埋法和自身固定化法。吸附法是指通過微生物與載體材料之間的弱作用力將微生物吸附在載體表面；交聯法是指用雙官能團或多官能團試劑與酶分子中的氨基或羧基發生反應，使酶分子相互關聯，形成固定化細胞；包埋法是指通過聚合作用、沉淀作用等將微生物截流在水不溶性的凝膠聚合物孔隙的網絡空間中，這種凝膠聚合物的網絡可以阻止細胞的泄漏，同時能讓基質滲入和產物擴散出來；自身固定化法是指微生物依靠自身絮凝作用實現細胞間的自交聯固載。

2 不同微生物載體修復混凝土微裂縫的方式及效果

2.1 包埋法

王瑞興等利用涂刷技術在水泥石表面涂一層高濃度的菌株濕細胞，用瓊脂作為載體將菌株、營養源和Ca源配置的液體涂在菌株濕細胞上方，然后將水泥試件放置在烘箱內烘干，測試其表面吸水率是否降低。這樣可以在水泥石表面建立保護層以降低水泥的滲水率，延長使用年限。對于內部，則采用將離心后的菌株濕細胞與砂基材、尿素、瓊脂以及Ca(NO)混合注入水泥裂縫，再定期向水泥裂縫中滴加修復營養液的方式以保證菌株的生長和酶化條件，進而鞏固混凝土的抗壓強度。實驗發現水泥石表面出現了致密、連續的白色沉淀，能夠完全覆蓋水泥原表面，通過掃描電鏡（scanning electron microscope ，SEM）發現在載體瓊脂的作用下，所有的碳酸鈣顆粒相互膠結，大大降低了水泥的表面吸水率，能夠有效防護水泥表面的侵蝕；而若將載體混合菌株及其他營養物質填充水泥內部裂縫，相對比而言并沒有使菌株的生長和礦化得到明顯的優化，且由于瓊脂質軟導致水泥的硬度降低。后來，任立夫等在此基礎上利用瓊脂固載碳酸酐酶菌用上述同樣的涂刷方式對水泥表面裂縫進行覆膜，發現可將初始吸水速率降低90%，但無法修復表面超過0.1 mm的裂縫，修復混凝土內部裂縫的效果也不好。因此從現有研究來看，瓊脂在水泥表面能有效降低吸水率，但在內部卻無法發揮這樣的作用，還會影響水泥本身的抗壓強度。

微膠囊作為載體固載微生物的方法被許多研究者欣賞，這種方法主要是指將一些生物活體和其生長代謝所必需的營養物質一起包埋在一層具有生物相容性的材料內。微膠囊可以在高堿性環境下保護內容物，在需要時膠囊破裂，釋放微生物發揮作用。但由于生物微膠囊的壁材通常采用親水的天然高分子，需要規避親水物質在水中會溶解或溶脹的問題，所以羅園春以環氧E-51為壁材，采用油相懸浮分散法制備了含有科氏芽孢桿菌DSM6307孢子的生物微膠囊。通過實驗可知利用此方法包埋的孢子存活率和礦化率都相當可觀，且這樣的微膠囊所具有的優異防水性能可以保證微生物復合入混凝土中能保持最初活性，結果顯示，在37℃下的30 d時間里，科氏芽孢桿菌DSM6307礦化產生的碳酸鈣能將0.1 mm的裂縫修復，寬度大于0.5 mm的大裂紋也有被修復的趨勢。但含有微膠囊的水泥試塊抗壓強度較低，吸水率也會增加。

2.2 表面吸附法

De Belie等首次采用硅藻土作為載體應用于微生物修復混凝土領域。他使用硅藻土來保護脲酶菌，通過研究脲酶菌的活性實驗發現，硅藻土對細菌活性影響很小，對于混凝土內部的高堿環境抵御力很強，能夠修復的裂縫寬度在0.15~0.17 mm，與未處理裂縫試件相比毛細吸水率降低70%。

徐晶等將微生物芽孢及供給營養成分的有機物負載于陶粒之中混入混凝土，離心完成后，將得到的濃縮菌體芽孢加入預先配置的預處理溶液，加入陶粒，浸泡2 h后取出烘干，使得芽孢和它生長所需的營養物質固載于陶粒的孔隙之中。如此反復，直到稱重前后陶粒的質量不再發生變化，即認為固載完成。通過抗壓強度回復率和吸水率測試發現，在裂縫深度一定的情況下，陶粒的數量越多，越能命中混凝土中的縫隙進行修復。數據表明，陶粒的摻入量在總體積37.8%時，既可以保證混凝土的抗壓強度，還能使得微生物正常代謝進行碳酸鈣沉淀修復，利用Image-Pro plus圖像軟件分析，能修復裂縫寬度約為0.51 mm。最重要的是，陶粒的摻入并不會提高混凝土的成本，是繼有學者提出用成本較高的乳酸鈣作為載體后的一次新的躍進。

與陶粒結構相似的載體還有膨脹珍珠巖，膨脹珍珠巖具有表面多孔、穩定性強、吸附力強的特點。但是，由于它表面多孔，在混凝土裂縫產生之前，包裹在珍珠巖內部的孢子遇水會被提前激活成營養細胞，消耗營養物質，修復效果不理想。且無包裹的膨脹珍珠巖滲透率很大，作為載體容易上浮，從而導致混凝土離析。為了解決這些問題，鈕政等采用偏高嶺土地聚合物和水泥漿包裹在固載菌種的膨脹珍珠巖外層，與無包裹相比較，發現包裹了偏高嶺土地聚合物和水泥漿后的膨脹珍珠巖相較無包裹組的24 h吸水率分別降低了66.9%和62.7%，可以很好地抑制微生物的提前復蘇，抗壓強度分別為無包裹組的2.97倍和2.70倍，可以提高混凝土強度。無包裹，偏高嶺土地聚合物和水泥漿組56 d的平均修復寬度分別為0.3、0.26 mm，數據對比顯示摻入載體為無包裹的試件修復效果最佳。其可能的原因是，包裹材料無法在產生裂縫及時開裂或者是不能完全開裂，導致部分微生物不能發揮碳酸鈣沉積作用。可見，此方法只適合修復一些細小的裂縫，但在保證孢子活性這一方面是很大的突破。

具有多孔結構的再生骨料也可作為菌種載體，優勢在于具有接近天然骨料混凝土的力學性。劉超等將再生骨料載體與之前的膨脹珍珠巖載體，硅藻泥載體，無載體情況進行對比試驗。將載體和菌種在0.6 MPa負壓下真空浸漬吸附后放置烘箱烘干，使菌種脫水并牢牢吸附于載體上，結果顯示，不同載體試件均可產生修復產物為方解石，且生成產物的質量及數量均優于無載體試件，再生骨料表現出相較于其他載體更好的早期修復響應行為和修復性能。當再生骨料粒徑為0~5 mm，菌液濃度為40%，載體體積占比為30%時，對裂縫寬度0.2 mm的修復效果最為顯著，當裂縫寬度達到1 mm以上時，修復效果并不理想。

表1 不同載體的應用及效果Tab.1 Application and effect of different carriers

3 存在問題

微生物載體技術一定程度上解決了微生物在混凝土內部難以正常生存代謝的問題，增加了微生物技術修復混凝土裂縫走向工業化的可行性，但就從近年的幾個實驗和數據看，也存在著一些問題。

（1）載體材料與混凝土的不相容性：一方面有機材料有使用年限，在微生物自修復的過程中，它始終要穩定地存活于在載體之中，雖然Jonkers指出礦化菌的礦化性能可以在礦化菌固載于陶粒之上的條件下保持6個月以上，但這遠遠不能滿足實際應用的需求，使得修復無法持續進行；其次，由于無法保證一些微生物載體材質的吸水性能，就有可能會遇到載體在吸收混凝土中的水分后上浮從而導致混凝土離析的問題。雖然有研究者通過在外層包裹水泥漿等材料，但從根本上并沒能解決這個問題。

（2）力學性質的變化：在相同的加固程度下，顆粒粒徑會影響微生物礦化沉積的效果。一般加入微生物后，為了能保證細菌能夠在混凝土孔隙間遷移，砂土的特征粒徑須大于細菌尺寸的5倍，但是，將微生物固載于載體后，我們無法判斷孔隙大小與其的配位是否一致，也就是說，土體的孔隙大小如果小于載體，細菌便會被阻止在土壤基質內的流動，從而碳酸鈣沉淀不均勻，導致例如粗砂、礫石等由于具有較大孔隙和較少顆粒，無法被碳酸鈣完全膠結，致使整體固化效率降低，削弱了混凝土原本的牢固堅硬的優勢。

（3）釋放菌種的滯后性：一些凝膠狀載體，雖能在結構上為微生物提供生長的微環境，但也造成了在混凝土內部出現裂縫時，無法及時開裂釋放全部菌種，就不能使芽孢快速萌發為營養體實現對混凝土的自修復。雖然有研究者考慮到使用多孔材料負載微生物，但這種做法若不使用其他材料包裹，會導致在混凝土裂縫產生之前，部分孢子遇水提前被激活，同樣影響自修復的效果。因此到現在，還未能發現能夠使全部菌種準時完全釋放的優良載體。

4 結語

水泥基材料作為現代建筑工程的首選材料，其高效、成本低廉、效果顯著以及環境友好等因素使得微生物自修復技術需得實現改善及突破，否則將會限制建筑行業的可持續性發展。而微生物載體材料作為其中重要的一環，決定了微生物礦化修復是否能有效發揮作用，具有很高的研究價值。雖然現在的大部分發現還是停留在實驗室基礎上，但相信隨著研究工作的深入，這項技術會有十分廣闊的應用前景。