微生物修復(fù)混凝土裂縫的研究現(xiàn)狀

呂茂樺 陸春光

摘要：微生物修復(fù)混凝土裂縫是一項智能化、環(huán)?；募夹g(shù)。本文首先介紹了混凝土裂縫的愈合機理，探討了微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）修復(fù)混凝土裂縫的機理及研究現(xiàn)狀，并對MICP技術(shù)的應(yīng)用前景提出了建議。

關(guān)鍵詞：混凝土;生物礦化;自修復(fù)

中圖分類號：TU528

1 引言

針對大型民用基礎(chǔ)設(shè)施因裂縫引起的損壞，為降低修復(fù)費用，學(xué)者們研究了不同的修復(fù)策略。近年來，將生物技術(shù)引用到混凝土領(lǐng)域中，形成了一個新的研究領(lǐng)域，稱為微生物混凝土或生物混凝土。微生物混凝土自修復(fù)技術(shù)其實質(zhì)是在混凝土結(jié)構(gòu)中使用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Microbial induced calcium carbonate precipitation， MICP），從而達到混凝土自愈合的目的。

2 基于MICP的混凝土裂縫修復(fù)研究現(xiàn)狀

裂縫的形成是混凝土結(jié)構(gòu)中常見的現(xiàn)象。雖然微裂縫的形成幾乎不會影響結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性，但由于微裂縫網(wǎng)絡(luò)的滲透性增加，特別是在潮濕環(huán)境下，會有侵蝕性物質(zhì)的危險，從而大大降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。在混凝土基體中加入特殊的愈合劑，以提高混凝土的自裂愈合潛力。除了在水泥基質(zhì)表面應(yīng)用活的細菌細胞外，利用細菌作為自愈劑也是一種新的方法。

生物體代謝產(chǎn)物與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)而形成礦物的現(xiàn)象稱為生物礦化。幾乎所有的微生物在環(huán)境適宜下都具有成礦性。1992年，F(xiàn)erris最早提出了微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)，簡稱MICP。1995年，Gollapidi等最早提出，基于微生物的礦化機理，具有潛在的混凝土裂縫修復(fù)能力。1999年，Edvardsen總結(jié)性指出，碳酸鈣沉淀是混凝土裂縫能夠愈合的主要原因。2013年，錢春香等研究了混凝土裂縫的微生物修復(fù)效果，實驗結(jié)果表明，利用微生物進行修復(fù) 40 d 后，混凝土裂縫修復(fù)效果明顯，可以觀察到裂縫被微生物礦化形成的碳酸鈣所填充，其填充的最大裂縫寬度超過 1 mm。其實驗結(jié)果進一步發(fā)現(xiàn)在裂縫開口處鈣化效果最好，但隨著裂縫加深鈣化效果減弱，碳酸鈣含量少。這是因為細菌在氧的存在下生長的更活躍，所以礦化過程在淺裂縫中比在深裂縫中更有效。王文花等利用好氧嗜堿微生物 Bacteria.H1 的礦化沉積作用，并以此為自修復(fù)劑，利用膨脹珍珠巖作為微生物載體，開發(fā)并研制出一種新型自愈混凝土，可以實現(xiàn)混凝土裂縫自修復(fù)。其最大裂縫自修復(fù)寬度為 0.72 mm，是普通混凝土最大自修復(fù)寬度的 1.8 倍，同時具有良好的抗?jié)B性。

為了增強細菌在裂縫修補中的自愈合作用，學(xué)者們研究了不同載體對細菌細胞的固定化作用。Jonkers等在混凝土基質(zhì)中使用假芽孢桿菌的孢子而非營養(yǎng)細胞作為自愈劑來封閉裂縫。Tittelboom等對硅膠固化細菌進行了研究。澆筑時在水泥漿中加入薄銅板，在混凝土試樣中制備了寬度為0.3 mm、深度為10 mm和20 mm的標準裂縫。通過劈裂試驗，在直徑80mm、高度75mm的混凝土圓柱體中創(chuàng)建了實際寬度為0.05 ～ 0.87mm的裂縫，并用于透水性試驗。用硅膠固化細菌處理的樣品在裂縫擴展和低透水性方面表現(xiàn)出了與環(huán)氧樹脂處理樣品相似的良好效果。陳潤發(fā)等探究了高堿性環(huán)境下氧化鋁（Al2O3）對微生物鈣化的促進作用， 通過對不同裂縫寬度混凝土試件的修復(fù)對比研究，發(fā)現(xiàn)Al2O3能夠改善堿性環(huán)境對細菌活性的抑制，提升其脲酶活性及CaCO3轉(zhuǎn)化效率。添加Al2O3后，試件浸出液的pH值由12降為9， 當(dāng)pH值為9時，其環(huán)境更適合菌種的繁殖，尿素利用率提升至81%， 顯著提高了CaCO3的產(chǎn)出率， 并明顯縮短了修復(fù)的時間。

Tziviloglou等人將載有細菌的愈合劑加入到輕質(zhì)骨料中，與砂漿混合，并通過透水性測試評估開裂和暴露于兩種不同愈合機制（水浸泡和干濕循環(huán)）后水密性的恢復(fù)情況。結(jié)果表明，當(dāng)連續(xù)浸泡在水中時，試樣的水密性的恢復(fù)沒有實質(zhì)上的改變。然而，在經(jīng)受干濕循環(huán)時，含有愈合劑的試樣的水密性恢復(fù)明顯增加。Sharma等人論證了嗜堿性假芽孢桿菌在混凝土裂縫修復(fù)中的潛在應(yīng)用，通過快速產(chǎn)生孢子和萌發(fā)，在體外和原位形成碳酸鈣。李珠等以科式芽孢桿菌為自修復(fù)劑，利用其嗜堿特性，以膨脹珍珠巖為載體， 開發(fā)出一種新型自愈混凝土。Wiktor和Jonkers將細菌孢子（堿性芽孢桿菌）和乳酸鈣的混合物嵌入膨脹的粘土顆粒中，作為混凝土中的自愈劑。其研究表明，細菌和鈣源營養(yǎng)物在混凝土基質(zhì)中作為雙組分的愈合劑，會在裂縫形成時導(dǎo)致CaCO3沉淀。馮濤等開展了關(guān)于乳酸鈣摻量對微生物自修復(fù)混凝土裂縫修復(fù)寬度、抗壓強度等影響進行了研究，選用科氏芽孢桿菌作為自修復(fù)劑、以膨脹珍珠巖為載體，以乳酸鈣為營養(yǎng)物質(zhì)， 研制出了一種新型自愈混凝土。

3 結(jié)論與展望

目前，研究人員們已經(jīng)研究并證實了生物礦化在裂紋修復(fù)中的潛力，并在混凝土裂紋的修復(fù)中取得了良好的效果。然而，基于微生物的混凝土裂縫愈合技術(shù)，在今后工程推廣應(yīng)用中還有很多問題需要進一步研究。如：裂縫修復(fù)后混凝土的耐久性、微生物裂縫修復(fù)技術(shù)所能修復(fù)的最大裂縫寬度，以及微生物修復(fù)的時效等問題都有待進一步的研究。此外，微生物修復(fù)技術(shù)目前尚不適用于水工建筑的裂縫修復(fù)，因此，如何將該技術(shù)擴大應(yīng)用到有水流沖刷的部位，以及一些突發(fā)事故中的裂縫緊急修復(fù)等領(lǐng)域，這些都是亟待研究的熱點問題。

參考文獻：

[1]賈強，張鑫，侯宏濤，楊金彪. 微生物沉積碳酸鈣修復(fù)混凝土裂縫的現(xiàn)場試驗[J]. 建筑科學(xué)學(xué)報，2013，16（04）：667-672.

[2]錢春香，李瑞陽，潘慶峰，羅勉，榮輝. 混凝土裂縫的微生物自修復(fù)效果[J]. 東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，43（02）：360-364.

[3]陳潤發(fā)，繆林昌，孫瀟昊，吳林玉，王呈呈. 微生物修復(fù)混凝土細小裂縫不同修復(fù)方法對比研究[J]. 硅酸鹽通報，2019，38（10）：3054-3059.

[4]Tziviloglou E， Wiktor V， Jonkers HM， Schlangen E. Bacteria-based self-healing concrete to increase liquid tightness of cracks[J]. Constr Build Mater 2016，122：118–125

基金項目： 遼寧省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（一種可及時修復(fù)裂縫自愈合混凝土構(gòu)件）;項目編號：S202110148058

作者簡介：呂茂樺（2000-），男，漢，本科生，河南省新鄉(xiāng)人，單位：遼寧石油化工大學(xué)，研究方向：微生物混凝土

陸春光（1999-），男，漢，本科生，吉林省永吉人，單位：遼寧石油化工大學(xué)，研究方向：微生物混凝土