混凝土微生物自愈合技術(shù)研究進(jìn)展

韓憲偉 戰(zhàn)美秋 韓立彬 李東陽(yáng) 侯永勝

吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)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?；炷两Y(jié)構(gòu)裂縫或微裂縫的存在一般不會(huì)直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，但氯離子、硫酸鹽等侵入會(huì)降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，耗費(fèi)巨大的維護(hù)成本。采用灌漿法、表面處理法等傳統(tǒng)方法修復(fù)混凝土內(nèi)部損傷的效果有局限性，一些化學(xué)修復(fù)劑的使用可能達(dá)不到環(huán)境友好等要求。

混凝土的微生物自愈合技術(shù)具有綠色、環(huán)保的特點(diǎn)，其主要是通過(guò)儲(chǔ)存在混凝土中的微生物的自身代謝產(chǎn)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(yáng)離子結(jié)合生成，其膠結(jié)作用能夠修復(fù)由于荷載或溫度等環(huán)境因素引起的裂縫，進(jìn)而達(dá)到維護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)的目的。20世紀(jì)90年代，Gollapudi等發(fā)現(xiàn)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(shù)修復(fù)混凝土的概念。文章綜述近年來(lái)關(guān)于混凝土微生物自愈合技術(shù)的研究進(jìn)展，論述了微生物自愈合技術(shù)存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)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(dǎo)礦物沉淀修復(fù)混凝土裂縫的理論基礎(chǔ)。根據(jù)微生物對(duì)成礦調(diào)控程度的不同，微生物礦化作用可分為微生物誘導(dǎo)礦化和微生物控制礦化兩種類型，目前的研究方向主要側(cè)重于微生物誘導(dǎo)礦化過(guò)程。通過(guò)微生物自養(yǎng)方式誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀是利用氣態(tài)或者溶解的CO2作為碳源產(chǎn)生沉淀，實(shí)際工程中開(kāi)發(fā)了多種微生物共同協(xié)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(jī)酸轉(zhuǎn)化作用和反硝化作用。由于有機(jī)酸轉(zhuǎn)化型反應(yīng)過(guò)程中釋放氨氣和氮氧化合物，對(duì)人體與環(huán)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(jī)碳源為主要研究方向。其中以乳酸鈣為有機(jī)碳源誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的反應(yīng)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(tài)及愈合產(chǎn)物與混凝土基體是否具備良好的相容性，都不同程度地對(duì)微生物自愈合效果產(chǎn)生影響。如混凝土的暴露環(huán)境濕度、溫度，微生物的耐堿性等。微生物反應(yīng)試驗(yàn)研究表明：多數(shù)微生物在合適條件下均能修復(fù)寬度在300μm以上的裂縫。

2）保護(hù)載體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、碳源、鈣源的保護(hù)效果也是影響愈合效果的重要因素。保護(hù)載體在混凝土拌和過(guò)程中分散于混凝土基體中，當(dāng)保護(hù)載體因混凝土損傷或開(kāi)裂而開(kāi)裂后，微生物愈合劑被釋放出來(lái)，釋放的微生物愈合劑因與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)自愈合目的。目前，關(guān)于保護(hù)載體的開(kāi)發(fā)使用，國(guó)內(nèi)外研究人員采用多種微生物保護(hù)載體進(jìn)行了大量研究，主要包括無(wú)機(jī)多孔型、多孔輕骨料型、微膠囊型、微生物自體保護(hù)型和納米材料型。Bang等利用多孔玻璃珠作為保護(hù)載體，發(fā)現(xiàn)經(jīng)保護(hù)載體處理的愈合劑可以在更高pH值(pH=8.1)下產(chǎn)生礦物沉淀；Wiktor等采用膨脹黏土顆粒作為微生物保護(hù)載體，通過(guò)真空浸漬法將愈合劑封裝于輕骨料中，試件混凝土凝結(jié)硬化數(shù)月后，由膨脹黏土顆粒保護(hù)的微生物仍具備活性；Zhong等將細(xì)菌、營(yíng)養(yǎng)物和砂等填充料壓實(shí)填入花崗巖裂縫，裂縫修復(fù)后抗壓強(qiáng)度大大提高；還有部分學(xué)者將部分微生物負(fù)壓真空充填到開(kāi)口膨脹珍珠巖內(nèi)部，采用表面涂覆水玻璃進(jìn)行封閉的方法儲(chǔ)存微生物。

3）混凝土基體本身的pH值及拌合過(guò)程中的機(jī)械作用力等對(duì)自愈合效果的影響也較大。經(jīng)測(cè)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(dá)到修復(fù)裂縫的目的；國(guó)內(nèi)部分學(xué)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(duì)微生物愈合劑進(jìn)行封裝，微膠囊自身的彈性可有效釋放混凝土拌合時(shí)的機(jī)械作用力，保護(hù)內(nèi)部微生物。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

混凝土自愈合技術(shù)在房屋基礎(chǔ)工程、橋梁工程、路橋工程、地下工程等方面具有較大應(yīng)用價(jià)值，具有環(huán)保、可持續(xù)性的特點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)微生物自愈合混凝土進(jìn)行了大量的研究，取得了較大的進(jìn)展，但仍有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，如微生物死亡后在混凝土內(nèi)部留下的孔隙會(huì)導(dǎo)致自愈合能力與強(qiáng)度的下降，統(tǒng)一的自愈合能力評(píng)價(jià)指標(biāo)缺乏，保護(hù)載體加工工藝等應(yīng)用技術(shù)還有待研究等。