生物混凝土材料在建筑設計中的應用

許杰 王璇

常州大學/美術與設計學院 江蘇 常州 213000

引言

混凝土作為當今建筑最普遍使用的材料，無論多么細心地養護，最終都會產生裂縫，使建筑物存在安全隱患。普通人受傷，傷口需要很久才能愈合。那么，混凝土是否能和身體構造一樣，實現自動修復的能力呢？來自荷蘭代爾夫特理工大學的微生物學家找到了新世界：自愈的“生物混凝土”，一種細菌可以產生石灰石細并實現裂縫的自我愈合修復[1]。

1 傳統的裂縫修復方式

1.1 表面封閉法

該方法主要應用于長度小于0.2mm的裂紋。其方法是通過使用修補料，如混凝土填充物、環氧膠水泥等涂刷于裂紋表層，從而改善了裂紋的防水特性，并延緩了裂縫開裂。

1.2 壓力灌漿技術

它通過輸液泵把環氧樹脂、混凝土等物質灌入裂紋內，提高裂紋的完整性，適合于長度超過0.3mm的裂紋。

1.3 填堵法

此法首先把裂隙挖成溝槽，然后向溝中填入混凝土、瀝青等修補材料，以取得修補效果。此方法適合于長度超過0.5mm的裂紋。

2 生物混凝土材料修復方式

2.1 生物混凝土材料概念

早在1836年，一位法國科學家偶然發現了混凝土具有自動愈合的能力，之后他便展開了系統研究，最終未取得太大的研究成果。2012年10月，荷蘭德爾塔理工大學混凝土專家埃里克施蘭根提出了一個“愈合混凝土”問題，將芽孢桿菌孢子添加到混凝土中。

生物混凝土，也稱為自愈混凝土，是一種能夠通過可微生物產生的石灰石，達到自我修復效果的試驗混凝土。它包含的細菌具有產生石灰石的能力，開始產生碳酸鈣。這種新型的鋼筋材料綜合應用方法可以有效節約原材料使用成本，并且大大提高鋼筋混凝土的連續性和使用壽命。

2.1.1 生物混凝土的原理。科學家們利用了微生物的新陳代謝，通過化學反應，可以產生修復混凝土裂縫的碳酸鈣填補裂縫。這種自修復的天然生物材料其實是一種含有大量乳酸鈣酶的微膠囊，把細菌包裹在塑料外殼中，并混合在混凝土中。當混凝土表面出現裂縫的時候，水和空氣就會慢慢進入這些混凝土里面。同時，水開始分解包裹著這些乳酸鈣和其他細菌的可溶性固體塑料殼，并且把先前已經埋藏的這些乳酸鈣細菌暴露出來。

乳酸鈣和新鮮空氣的結合，成功把微生物喚醒。這些微生物在食進了乳酸鈣的同時，吐出了大量碳酸鈣晶體，從而生成石灰石。石灰石成為目前常用的建材，能夠和水泥很好地結合。

伴隨著這種微生物不斷的生長、代謝和增殖，源源不斷地產生碳酸鈣固體來填補裂縫，在防止裂縫進一步加大的同時，也阻隔了空氣和水分。當這些裂縫被大量填充和進行修復后，不具備微生物所需的生存環境條件時，微生物便停止了生長繁殖，死亡或一部分重新進入了休眠模式[2]。

微生物可以固定砂石，不是由于它自身的黏性，而且借助了一種材料——碳酸鈣。方解石、霰石結晶和球霰石是指碳酸鈣的三個同質異構體，用這三個結晶作為介質，可以把建筑裂縫之間牢固的連接起來。碳酸鈣的產生過程，被稱為微生物礦化，指細菌通過形成的顆粒使其周圍的基質硬化的階段。在其中微生物誘導了碳酸鈣的沉淀（MICP）是最有研究進展的一種微生物礦化的途徑。一般地，誘導過程分為三步進行：

（1）帶負電的細胞壁結構集中溶液中的游離鈣離子；

（2）部分游離的碳酸根離子與鈣離子結合形成碳酸鈣沉淀，進而依附在細胞的表面；

（3）隨著體內碳酸鈣膠體沉淀的不斷分化累積，逐漸將體內微生物完全分解包裹，營養物質將被阻斷運輸進入微生物細胞內，從而導致微生物死亡。

同時，乳酸鈣也有一定的吸水性效果，這也使得細菌的生存受到了制約，降低了細菌存活率。因此，科學家們已經開始努力尋找各種各樣可以被廣泛用作土壤保護劑的涂層、可降解劑的塑料、陶瓷甚至是用硅膠制作緩沖溶液的化學物質，以最大限度地幫助提高土壤微生物群的存活率和降低石灰石降解沉積物的效率。

3 建筑設計中生物混凝土應用的優劣勢

3.1 生物混凝土的優勢

3.1.1 環境保護。生物混凝土在生產使用過程中直接產生的溫室污染源和其他溫室污染氣體也將大大減少。生物混凝土能很好地適應環境，也不會破壞整個自然修復混凝土結構，并能應對地震、風暴、爆炸等。

3.1.2 靈活性。微生物能夠更好地了解材料的內部細節，更好地解決腐蝕和磨損等問題。

3.1.3 緊密性。對比于傳統化學方式獲得的碳酸鈣晶體，采用由細菌直接誘導成形的碳酸鈣，其方解石結晶結構更為緊密穩固。

3.1.4 延長使用壽命。利用生物修復的特性，生物混凝土修復顯著降低了混凝土裂縫進一步擴展的可能性，相較于普通混凝土有更好的修復能力，相對延長建筑的使用壽命。

3.1.5 耐火性。生物混凝土的塑性優于普通混凝土。而且耐火性能十分出眾，在發生火災的時候，良好的耐火性，能夠提供更多的逃生時間。

3.1.6 減少維修成本。據不完全信息統計，歐盟修建橋梁和高速隧道每年將至少耗資60億歐元。目前用于歐盟橋梁、隧道和高速道路基礎建設的各種生物混凝土每年至少可以節省數十億美元的建筑維護管理成本[3]。

3.2 生物混凝土的劣勢

3.2.1 生物混凝土的弊端。水泥基材料與微生物有交互作用關系；混凝土的高堿性環境、水泥水化過程中微生物的存活空間不斷減少等因素對微生物的生存和礦化修復是嚴峻的考驗。通過采用多孔材料載體和微膠囊包覆能夠一定程度上提高細菌在混凝土內部的存活率。目前研究中，微生物自修補技術可修補混凝土，裂縫的最大長度通常不大于1cm，但如果縫隙過大，則單純微生物修補的效果將無法令人滿意。

3.2.2 生物混凝土弊端的改善。伍斯特理工學院的科研人員找到了一種解決辦法，即混凝土在1d內自動修復。紅細胞內有一種蛋白酶，這個蛋白酶在24h內含有CO2反應和碳酸鈣晶體，用于修復混凝土。試驗證明，這種酶在水泥粉攪拌和澆注之前加入水泥粉中，作為催化劑，使大氣中的CO2形成碳酸鈣結晶。經過一段時間以后，3mm的縫隙和1.5mm的裂紋又復原如初。另外，通過顯微鏡所觀測到的晶體結構也很穩定，幾乎完全一致。此外，防水性能高于預期，雨水不會滲透。

4 生物混凝土在建筑設計中的應用

將這項技術產品化，衍生出三種產品：自愈原劑、修補砂漿和液態修復系統。自愈原劑，是新拌混凝土使用的，可以使新建筑物擁有自愈能力。修補砂漿，是在建筑物出現裂縫或損壞時，用來增添自愈能力。

4.1 自愈原劑

第一種是自愈原劑。在制作組件的拌合料中加入自愈原劑，制作完成后運到工地，然后組裝成廢水處理槽。目前已經在使用中。這是和荷蘭的水利局合作的。因為目前一半預算都都用在維修上。

另一個是大的儲水槽，工法是場鑄混凝土。有水泥攪拌車和結構用的模板，它們將自愈原劑加入混合。將模板固定好后，將混凝土澆筑進去，就構成了儲水槽。

4.2 修復砂漿

第二種就是自我修復砂漿，可以修復既有建筑物上較大的損壞。這種砂漿不僅強度高，還能承受一定的彎曲變形，有良好的延展性。一般砂漿形成的混凝土無法彎曲，超過負荷就會脆裂成兩半。此砂漿形成的混凝土，在彎折的過程中只產生細微裂縫。這種混凝土擁有特殊的優勢，那是因為除了自愈原劑，還加入了大量的聚乙烯醇纖維。當彎曲變形，原本應該出現一個大裂縫，現在則變成數百個細小裂縫。這種修復砂漿有伸展性，能彎曲，可使裂縫快速修復完成，并在混凝土表面會形成很好的保護層。例如來自地震或混凝土內部的龜裂，表面的防護層隨著被拉扯，只會產生很細微的裂縫，利用修復砂漿修復，并能很好地保護底下的混凝土層。還有一些結構修復的施工，如柱子損壞時，出現剝落和侵蝕的情形，可以將表層混凝土去除，檢視并清潔鋼筋，若損壞嚴重，則可能需要更換，然后以修補砂漿填補[4]。

荷蘭阿佩爾多恩的赫特盧宮，曾是荷蘭皇家所在地，后來變成了國家博物館。為了最大限度地保留其原貌，建筑的修繕工作至關重要。二人曾在翻修時使用自愈混凝土，依靠活細菌來修復裂縫。地下室漏水墻面的修補，首先將裂縫敲開，讓砂漿有足夠的施工面積，然后修補和收尾。這樣就能解決漏水問題。砂漿可以用來填縫，保證受損的混凝土，也可以采用噴漿施工處理漏水的墻面，方便又快捷。

4.3 液態修復系統

第三種我們稱之為液態修復系統ER7，采用噴灑的方式施行。適用于受損情形較輕的混凝土建筑物表面。此情形可以使用這種粉末狀的產品，只要加水溶解，就可以噴灑在受損的表層。這個產品有兩種成分——A劑和B劑，依序噴灑這兩種配方后，會產生一種膠質物，膠質物會在幾天或幾周內轉化成石灰石。這項產品的優勢是施工區域很快就能開放使用。例如地下室的墻面或停車場，所需的施工時間很短。例如一個建筑案例，此建筑選用薄殼的混凝土，只有6cm厚，在建造過程中就裂得很嚴重，并且輕微漏水。對于此建筑的修復，采用液體修復系統的方式，以人工方式施作，簡單快捷，表面的裂縫最后都封閉了。

另一個案例是6000m2的停車場區域，大約4h完成施工。施工后會增加混凝土的密度，并降低腐蝕性化學物質的入侵。使用這項產品噴一次，能修復0.2mm以內的裂縫，如果裂縫較大，則需要施工二至三次。因其施工面積很大，以人工施工會很費時。所以最后采用地板清潔機的施工方式，它通常能裝1000kg水，只需要把水換成A劑和B劑。第一臺將溶劑刷入裂縫中，第二臺噴灑后將液體轉化為膠狀物質，最后只要等清潔完，停車場就可以開放使用。凍融實驗可以用來檢測混凝土構筑物壽命，實驗采樣于停車場內未施工以及施工后的區域，分別提取數個主體樣本，進行凍融測試。施工一次，脫落就減少了一半，因此大幅增加了耐用度。

5 生物混凝土應用的發展

目前在世界范圍內也有一些企業已經開始探討怎樣把環境生態學與建筑業進行融合，并以此追逐環境建設的新浪潮。目前環保建筑的發展大致有兩個方向。①細菌技術：可生產混凝土修補劑、生物混凝土等。②真菌技術：可生產室內瓷磚、裝飾板、泡沫等。

另外，傳統建材與綠色建筑相比有個差異——吸碳性能。僅僅是用木結構來說，對比一眾的建材結構，其能充分降解、再生，也在環境領域體現出很多優越性。相對使用微生物、真菌研制成的建筑材料，其吸碳性能會變得比較脆弱。

出于這些理由，更多建筑企業也開始考慮、使用生態建材。這個領域剛起步，但發展迅速。

6 結束語

相較于其他的裂縫修復技術，這種基于微生物化學的能夠真正實現混凝土的自診斷和自修復的生物自修復材料，從根本上節約大量的物力和人力。

在未來，如果這種微生物自自動修復應用技術已經能夠廣泛應用于公路橋梁、隧道和高速道路中，那么每年就可以節省建筑維護費用高達數十億美元。對用于混凝土主體結構的自動修復應用技術，這種自自動修復的微生物復合材料技術具有重大的應用意義。