不同載體對(duì)于微生物礦化修復(fù)混凝土裂縫效果的研究進(jìn)展

田 園，姚星旭

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京 100084）

混凝土因結(jié)構(gòu)牢固、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)代建筑工程中的主要應(yīng)用材料，但在隨著使用年限的增加，幾乎所有混凝土內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生細(xì)小裂縫，裂縫逐漸增大的同時(shí)，一些有害物質(zhì)侵入從而降低其耐久性，表面修補(bǔ)、裂縫灌漿等傳統(tǒng)裂縫修復(fù)成本昂貴且效果一般。Gollapudi等在1995年最先提出用細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀能夠?qū)炷两ㄖ|(zhì)滲漏進(jìn)行修補(bǔ)，其中，細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀有兩個(gè)途徑：（1）厭氧微生物的新陳代謝所產(chǎn)生的尿素酶，將尿素分解為氨和二氧化碳，隨著產(chǎn)物不斷增加，溶液的pH值不斷升高，鈣離子與碳酸根離子結(jié)合，生成碳酸鈣沉淀；（2）好氧微生物呼吸產(chǎn)生的二氧化碳與混凝土結(jié)構(gòu)中的鈣離子結(jié)合形成碳酸鈣沉淀物。該反應(yīng)稱為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣反應(yīng)（MICP），是一種微生物巖土技術(shù)，最常見(jiàn)的一種反應(yīng)過(guò)程——尿素水解反應(yīng)。

此發(fā)現(xiàn)為混凝土修復(fù)開(kāi)辟了一條新的道路，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究。但是，由于混凝土內(nèi)部環(huán)境呈高堿性，那么讓微生物在混凝土水化過(guò)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(fā)現(xiàn)隨著混凝土的逐漸固化，最后存活下來(lái)的芽孢微乎其微，在水泥混凝土水化過(guò)程中，基材的孔隙直徑會(huì)越來(lái)越小，導(dǎo)致混合在混凝土中的芽孢桿菌被碾碎，微生物修復(fù)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(fā)揮其礦化作用，模擬混凝土內(nèi)部的高堿性環(huán)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(fù)的裂縫寬度在0.3 mm以下。兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，微生物載體能夠?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)代謝提供微環(huán)境，保護(hù)其免受混凝土的堿性環(huán)境侵害和顆粒擠壓的作用，使其在混凝土出現(xiàn)裂縫之前保持活性。

1 固載方式和機(jī)理

微生物固載技術(shù)是給微生物提供適宜的生長(zhǎng)微環(huán)境，使其高度密集并保持生物活性的一種現(xiàn)代生物技術(shù)。目前所了解的幾種微生物固載方式有吸附法、交聯(lián)法、包埋法和自身固定化法。吸附法是指通過(guò)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(lián)法是指用雙官能團(tuán)或多官能團(tuán)試劑與酶分子中的氨基或羧基發(fā)生反應(yīng)，使酶分子相互關(guān)聯(lián)，形成固定化細(xì)胞；包埋法是指通過(guò)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(wǎng)絡(luò)空間中，這種凝膠聚合物的網(wǎng)絡(luò)可以阻止細(xì)胞的泄漏，同時(shí)能讓基質(zhì)滲入和產(chǎn)物擴(kuò)散出來(lái)；自身固定化法是指微生物依靠自身絮凝作用實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間的自交聯(lián)固載。

2 不同微生物載體修復(fù)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(shù)在水泥石表面涂一層高濃度的菌株濕細(xì)胞，用瓊脂作為載體將菌株、營(yíng)養(yǎng)源和Ca源配置的液體涂在菌株濕細(xì)胞上方，然后將水泥試件放置在烘箱內(nèi)烘干，測(cè)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(hù)層以降低水泥的滲水率，延長(zhǎng)使用年限。對(duì)于內(nèi)部，則采用將離心后的菌株濕細(xì)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(fù)營(yíng)養(yǎng)液的方式以保證菌株的生長(zhǎng)和酶化條件，進(jìn)而鞏固混凝土的抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥石表面出現(xiàn)了致密、連續(xù)的白色沉淀，能夠完全覆蓋水泥原表面，通過(guò)掃描電鏡（scanning electron microscope ，SEM）發(fā)現(xiàn)在載體瓊脂的作用下，所有的碳酸鈣顆粒相互膠結(jié)，大大降低了水泥的表面吸水率，能夠有效防護(hù)水泥表面的侵蝕；而若將載體混合菌株及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)填充水泥內(nèi)部裂縫，相對(duì)比而言并沒(méi)有使菌株的生長(zhǎng)和礦化得到明顯的優(yōu)化，且由于瓊脂質(zhì)軟導(dǎo)致水泥的硬度降低。后來(lái)，任立夫等在此基礎(chǔ)上利用瓊脂固載碳酸酐酶菌用上述同樣的涂刷方式對(duì)水泥表面裂縫進(jìn)行覆膜，發(fā)現(xiàn)可將初始吸水速率降低90%，但無(wú)法修復(fù)表面超過(guò)0.1 mm的裂縫，修復(fù)混凝土內(nèi)部裂縫的效果也不好。因此從現(xiàn)有研究來(lái)看，瓊脂在水泥表面能有效降低吸水率，但在內(nèi)部卻無(wú)法發(fā)揮這樣的作用，還會(huì)影響水泥本身的抗壓強(qiáng)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(zhǎng)代謝所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一起包埋在一層具有生物相容性的材料內(nèi)。微膠囊可以在高堿性環(huán)境下保護(hù)內(nèi)容物，在需要時(shí)膠囊破裂，釋放微生物發(fā)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(guī)避親水物質(zhì)在水中會(huì)溶解或溶脹的問(wèn)題，所以羅園春以環(huán)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(guò)實(shí)驗(yàn)可知利用此方法包埋的孢子存活率和礦化率都相當(dāng)可觀，且這樣的微膠囊所具有的優(yōu)異防水性能可以保證微生物復(fù)合入混凝土中能保持最初活性，結(jié)果顯示，在37℃下的30 d時(shí)間里，科氏芽孢桿菌DSM6307礦化產(chǎn)生的碳酸鈣能將0.1 mm的裂縫修復(fù)，寬度大于0.5 mm的大裂紋也有被修復(fù)的趨勢(shì)。但含有微膠囊的水泥試塊抗壓強(qiáng)度較低，吸水率也會(huì)增加。

2.2 表面吸附法

De Belie等首次采用硅藻土作為載體應(yīng)用于微生物修復(fù)混凝土領(lǐng)域。他使用硅藻土來(lái)保護(hù)脲酶菌，通過(guò)研究脲酶菌的活性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅藻土對(duì)細(xì)菌活性影響很小，對(duì)于混凝土內(nèi)部的高堿環(huán)境抵御力很強(qiáng)，能夠修復(fù)的裂縫寬度在0.15~0.17 mm，與未處理裂縫試件相比毛細(xì)吸水率降低70%。

徐晶等將微生物芽孢及供給營(yíng)養(yǎng)成分的有機(jī)物負(fù)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(yù)先配置的預(yù)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(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)固載于陶粒的孔隙之中。如此反復(fù)，直到稱重前后陶粒的質(zhì)量不再發(fā)生變化，即認(rèn)為固載完成。通過(guò)抗壓強(qiáng)度回復(fù)率和吸水率測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在裂縫深度一定的情況下，陶粒的數(shù)量越多，越能命中混凝土中的縫隙進(jìn)行修復(fù)。數(shù)據(jù)表明，陶粒的摻入量在總體積37.8%時(shí)，既可以保證混凝土的抗壓強(qiáng)度，還能使得微生物正常代謝進(jìn)行碳酸鈣沉淀修復(fù)，利用Image-Pro plus圖像軟件分析，能修復(fù)裂縫寬度約為0.51 mm。最重要的是，陶粒的摻入并不會(huì)提高混凝土的成本，是繼有學(xué)者提出用成本較高的乳酸鈣作為載體后的一次新的躍進(jìn)。

與陶粒結(jié)構(gòu)相似的載體還有膨脹珍珠巖，膨脹珍珠巖具有表面多孔、穩(wěn)定性強(qiáng)、吸附力強(qiáng)的特點(diǎn)。但是，由于它表面多孔，在混凝土裂縫產(chǎn)生之前，包裹在珍珠巖內(nèi)部的孢子遇水會(huì)被提前激活成營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞，消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，修復(fù)效果不理想。且無(wú)包裹的膨脹珍珠巖滲透率很大，作為載體容易上浮，從而導(dǎo)致混凝土離析。為了解決這些問(wèn)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(wú)包裹相比較，發(fā)現(xiàn)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(wú)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(fù)蘇，抗壓強(qiáng)度分別為無(wú)包裹組的2.97倍和2.70倍，可以提高混凝土強(qiáng)度。無(wú)包裹，偏高嶺土地聚合物和水泥漿組56 d的平均修復(fù)寬度分別為0.3、0.26 mm，數(shù)據(jù)對(duì)比顯示摻入載體為無(wú)包裹的試件修復(fù)效果最佳。其可能的原因是，包裹材料無(wú)法在產(chǎn)生裂縫及時(shí)開(kāi)裂或者是不能完全開(kāi)裂，導(dǎo)致部分微生物不能發(fā)揮碳酸鈣沉積作用?？梢?jiàn)，此方法只適合修復(fù)一些細(xì)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(jié)構(gòu)的再生骨料也可作為菌種載體，優(yōu)勢(shì)在于具有接近天然骨料混凝土的力學(xué)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(wú)載體情況進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。將載體和菌種在0.6 MPa負(fù)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(jié)果顯示，不同載體試件均可產(chǎn)生修復(fù)產(chǎn)物為方解石，且生成產(chǎn)物的質(zhì)量及數(shù)量均優(yōu)于無(wú)載體試件，再生骨料表現(xiàn)出相較于其他載體更好的早期修復(fù)響應(yīng)行為和修復(fù)性能。當(dāng)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(shí)，對(duì)裂縫寬度0.2 mm的修復(fù)效果最為顯著，當(dāng)裂縫寬度達(dá)到1 mm以上時(shí)，修復(fù)效果并不理想。

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

3 存在問(wèn)題

微生物載體技術(shù)一定程度上解決了微生物在混凝土內(nèi)部難以正常生存代謝的問(wèn)題，增加了微生物技術(shù)修復(fù)混凝土裂縫走向工業(yè)化的可行性，但就從近年的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)看，也存在著一些問(wèn)題。

（1）載體材料與混凝土的不相容性：一方面有機(jī)材料有使用年限，在微生物自修復(fù)的過(guò)程中，它始終要穩(wěn)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(gè)月以上，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，使得修復(fù)無(wú)法持續(xù)進(jìn)行；其次，由于無(wú)法保證一些微生物載體材質(zhì)的吸水性能，就有可能會(huì)遇到載體在吸收混凝土中的水分后上浮從而導(dǎo)致混凝土離析的問(wèn)題。雖然有研究者通過(guò)在外層包裹水泥漿等材料，但從根本上并沒(méi)能解決這個(gè)問(wèn)題。

（2）力學(xué)性質(zhì)的變化：在相同的加固程度下，顆粒粒徑會(huì)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(xì)菌能夠在混凝土孔隙間遷移，砂土的特征粒徑須大于細(xì)菌尺寸的5倍，但是，將微生物固載于載體后，我們無(wú)法判斷孔隙大小與其的配位是否一致，也就是說(shuō)，土體的孔隙大小如果小于載體，細(xì)菌便會(huì)被阻止在土壤基質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)，從而碳酸鈣沉淀不均勻，導(dǎo)致例如粗砂、礫石等由于具有較大孔隙和較少顆粒，無(wú)法被碳酸鈣完全膠結(jié)，致使整體固化效率降低，削弱了混凝土原本的牢固堅(jiān)硬的優(yōu)勢(shì)。

（3）釋放菌種的滯后性：一些凝膠狀載體，雖能在結(jié)構(gòu)上為微生物提供生長(zhǎng)的微環(huán)境，但也造成了在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫時(shí)，無(wú)法及時(shí)開(kāi)裂釋放全部菌種，就不能使芽孢快速萌發(fā)為營(yíng)養(yǎng)體實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的自修復(fù)。雖然有研究者考慮到使用多孔材料負(fù)載微生物，但這種做法若不使用其他材料包裹，會(huì)導(dǎo)致在混凝土裂縫產(chǎn)生之前，部分孢子遇水提前被激活，同樣影響自修復(fù)的效果。因此到現(xiàn)在，還未能發(fā)現(xiàn)能夠使全部菌種準(zhǔn)時(shí)完全釋放的優(yōu)良載體。

4 結(jié)語(yǔ)

水泥基材料作為現(xiàn)代建筑工程的首選材料，其高效、成本低廉、效果顯著以及環(huán)境友好等因素使得微生物自修復(fù)技術(shù)需得實(shí)現(xiàn)改善及突破，否則將會(huì)限制建筑行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。而微生物載體材料作為其中重要的一環(huán)，決定了微生物礦化修復(fù)是否能有效發(fā)揮作用，具有很高的研究?jī)r(jià)值。雖然現(xiàn)在的大部分發(fā)現(xiàn)還是停留在實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上，但相信隨著研究工作的深入，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)有十分廣闊的應(yīng)用前景。