微生物菌落體系對混凝土裂縫自修復(fù)效果的影響綜述

韓強(qiáng)強(qiáng)，路 偉，姜 魯，王亞妹

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021)

0 引 言

20世紀(jì)80年代初，中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度加快，各個領(lǐng)域?qū)炷恋男枨罅块_始增多，對混凝土力學(xué)性能的要求也逐漸提高，如道路橋梁與渡河、深海樁基、房屋建筑、地下交通和水利工程等領(lǐng)域。盡管各領(lǐng)域的建筑功能不同，要求也不同，但混凝土的開裂是面臨的共性問題[1-4]?；炷猎诔尚秃褪褂脮r容易產(chǎn)生裂縫，影響混凝土構(gòu)件的整體性和使用性能，同時還威脅著結(jié)構(gòu)安全。如果不能及時修復(fù)裂縫，將導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)老化。為解決這些問題，研究者加大了對混凝土自身性能的研究力度，研究發(fā)現(xiàn)，普通混凝土自身也具有一定的修復(fù)能力[5-8]，這種修復(fù)能力源于混凝土在沒有完全水化的前提下所保留的繼續(xù)水化潛力。圖1解釋了水泥在外部環(huán)境下自主修復(fù)發(fā)生的機(jī)制，當(dāng)裂縫產(chǎn)生后，外界的水(H2O)、二氧化碳(CO2)進(jìn)入裂縫，和構(gòu)件內(nèi)部的鈣離子(Ca2+)結(jié)合生成碳酸鈣(CaCO3)沉淀。然而這種修復(fù)需要持續(xù)很長的時間，并且修復(fù)效果不理想，在后期開裂后混凝土不具有自診斷、自修復(fù)的能力[9]。為了能夠達(dá)到讓混凝土具有自診斷、自修復(fù)的目的，裂縫的自修復(fù)開始被提出[10-11]，自修復(fù)混凝土作為一種可以完成自診斷、自修復(fù)的智能型混凝土成為了當(dāng)今領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[12-15]，研究者借助具有膠結(jié)作用或物理還原作用的智能材料，如內(nèi)包修復(fù)劑的微膠囊[16-18]和中空纖維管[19-21]、形態(tài)記憶合金等[22-23]，將其與混凝土組合成為具有自診斷、自修復(fù)的新型混凝土。然而，利用微膠囊和中空纖維管包裹修復(fù)劑面臨著諸多問題，如包裹材料和水泥基材料不兼容、耐久性差、尺寸難以控制等，并且內(nèi)部修復(fù)劑損耗后難以補(bǔ)充，從而喪失自修復(fù)的功能。而形態(tài)記憶合金的適用領(lǐng)域又極其狹窄，其對梁式構(gòu)件有著很好的自修復(fù)作用，但是在地下隧道襯砌、道路建筑等領(lǐng)域難以發(fā)揮作用。

圖1 混凝土基材料的修復(fù)方式

具有自診斷、自修復(fù)特性的微生物自修復(fù)混凝土不僅可以和水泥基材料有很好的兼容性，還具有多次休眠激活、長期保持待機(jī)狀態(tài)的能力[24-25]，可彌補(bǔ)上述自修復(fù)混凝土的弊端。除此之外，微生物自修復(fù)混凝土的適用領(lǐng)域要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形態(tài)記憶合金混凝土，在地下結(jié)構(gòu)、隧道、深海樁基、水利工程、大壩結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。微生物自修?fù)方法通過細(xì)菌的新陳代謝捕捉周邊Ca2+生成沉淀，從而填補(bǔ)裂縫，如圖2所示，內(nèi)部的微生物活體在干燥、缺氧的環(huán)境下，能夠以孢子形態(tài)休眠[26-27]，在裂縫產(chǎn)生后，H2O和氧氣(O2)進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，從而誘發(fā)孢子激活，微生物發(fā)生代謝產(chǎn)生礦化產(chǎn)物，這種礦化產(chǎn)物不僅可以很好地填充裂縫，阻止外部腐蝕粒子繼續(xù)侵入混凝土構(gòu)件，而且具有發(fā)現(xiàn)裂縫及時、無需借助外部措施便能填補(bǔ)裂縫等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 基于微生物礦化的混凝土裂縫自修復(fù)原理

隨著微生物自修復(fù)混凝土的發(fā)展，衍生出了不同的修復(fù)體系。這些體系大致可分為兩種：其一是一元修復(fù)體系，該體系加入單一的菌體，通過一種代謝途徑誘發(fā)微生物礦化來實現(xiàn)填補(bǔ)裂縫的目的；其二是多元修復(fù)體系，該體系通過加入多種菌體，使各個菌體協(xié)同作用，共同誘發(fā)礦化物沉積從而達(dá)到裂縫自修復(fù)的目的。

本文結(jié)合國內(nèi)外的研究成果，詳細(xì)分析了以上兩種修復(fù)體系的差別，總結(jié)了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并對微生物自修復(fù)混凝土的體系選擇提出建議。

1 一元與多元修復(fù)體系的區(qū)別

在國內(nèi)外微生物自修復(fù)混凝土的發(fā)展過程中，研究人員面臨的第一個問題是菌種的選擇。研究發(fā)現(xiàn)適用于自修復(fù)的細(xì)菌主要分為兩類：其一是通過分解尿素達(dá)到自修復(fù)的產(chǎn)脲酶菌；其二是依靠呼吸過程來生成碳酸鹽的非尿素分解細(xì)菌。此兩種細(xì)菌都能夠在相應(yīng)條件下達(dá)到很好的修復(fù)效果。通過選擇不同的菌種，將微生物和營養(yǎng)物質(zhì)通過特殊的方式摻入到混凝土中。依靠單獨(dú)摻入一種菌體的代謝來誘導(dǎo)礦化物沉積便是一元修復(fù)體系的修復(fù)方式；以上述兩種不同細(xì)菌的修復(fù)機(jī)理為核心，選擇性地添加輔助菌落來輔助具有礦化沉積功能(MICP-B)的核心菌落代謝，或者多種核心菌落協(xié)同作用從而達(dá)到修復(fù)的目的，便是多元修復(fù)體系的修復(fù)機(jī)理。

兩種修復(fù)體系最大的差別為是否具有多種不同的代謝途徑，一元修復(fù)體系是簡單依靠一種微生物的代謝。目前為止，最普遍的方式是選用一種嗜堿菌和營養(yǎng)物質(zhì)，通過直接摻入[28]、共同固載[29-30]、分別固載[31-34]等方式拌入混凝土中，同時加入其他外加劑，如氧氣緩釋劑[35]或一定量的纖維[36-38]等，來協(xié)助菌落的代謝。但是，通過添加外加劑的方式來協(xié)助核心微生物的代謝面臨眾多的問題，如加入一定量的氧氣緩釋劑用于協(xié)助喜氧細(xì)菌的新陳代謝，當(dāng)氧氣緩凝劑消耗完后，細(xì)菌的后期代謝將會受到很大的影響，不利于后期裂縫的自修復(fù)，同時以加入纖維的方式用來增加成核位點(diǎn)達(dá)到更高效捕捉Ca2+的目的，雖然能夠通過提高生成沉淀(CaCO3)的量來更好地修復(fù)裂縫，但是如果纖維摻量過多，纖維之間的孔隙會影響混凝土的力學(xué)性能，摻量過少又難以達(dá)到優(yōu)化捕捉Ca2+的目的，并且纖維間的孔隙仍然存在氧氣量不足而無法修復(fù)的問題。有研究表明，加入適量的外加劑雖然可以優(yōu)化混凝土自修復(fù)系統(tǒng)，但是試件在早期的抗壓強(qiáng)度卻低于未加入添加劑的試件[39]，這也是由于一元修復(fù)體系的代謝方式單一，對添加劑的依賴也變得十分嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致添加劑的負(fù)面影響會出現(xiàn)在混凝土的某個時期。

多元修復(fù)體系不僅可以用其他活體菌落來代替一些外加劑的作用，而且還能利用不同菌體之間的協(xié)同作用來產(chǎn)生碳酸鹽，如加入酵母菌來輔助巴氏芽孢桿菌的代謝反應(yīng)[40-42]，可以提高裂縫修復(fù)的深度。Zhang等[43]在厭氧和缺氧環(huán)境下，通過加入內(nèi)含其他細(xì)菌的活性污泥與枯草芽孢桿菌混合培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)裂縫修復(fù)寬度可以達(dá)到1.2 mm，這在微生物自修復(fù)領(lǐng)域中是十分罕見的。不僅如此，現(xiàn)實中混凝土構(gòu)件所服役的環(huán)境具有復(fù)雜多樣性，周邊環(huán)境中細(xì)菌種類繁多，相互之間聯(lián)系緊密，與一元修復(fù)體系差別巨大，相反多元修復(fù)體系下的抗逆性能力強(qiáng)，與單一菌種不同，因各個修復(fù)體系緊密相連，協(xié)同共生，能夠共同承擔(dān)更多的任務(wù)，抵抗更大來自于外部環(huán)境的沖擊。

2 一元與多元修復(fù)體系的修復(fù)機(jī)理和修復(fù)效果

2.1 一元修復(fù)體系的修復(fù)機(jī)理

到目前為止，在微生物自修復(fù)領(lǐng)域研究中提及最多的是一元修復(fù)體系。在一元修復(fù)體系中微生物的選用十分重要，不僅需要獨(dú)立面對外部環(huán)境的影響，又要承擔(dān)修復(fù)細(xì)微裂縫的責(zé)任，所選細(xì)菌不僅要能夠適應(yīng)混凝土內(nèi)部的強(qiáng)堿環(huán)境，而且也需要有很好的礦化效果，表1列出了一元修復(fù)體系中最常用的微生物種類[31,44-57]。

表1 一元修復(fù)體系下細(xì)菌的選擇

(1)產(chǎn)脲酶菌。在細(xì)菌的分類中，產(chǎn)脲酶菌是最為普遍的一種細(xì)菌，這種細(xì)菌可以依靠堿性環(huán)境生存，礦化產(chǎn)物也能夠與水泥基很好地兼容在一起，礦化機(jī)理如圖3所示，產(chǎn)生的脲酶可以在第一階段將尿素(CH4N2O)分解為氨氣(NH3)及氨基甲酸酯(NH2COOH)，NH2COOH在第二階段自發(fā)水解生成NH3和碳酸(H2CO3),NH3和H2CO3在第三階段進(jìn)一步生成碳酸氫根離子(HCO-3)及氫氧根離子(OH-),隨后在第四階段HCO-3、OH-結(jié)合生成碳酸根離子(CO2-3),這些CO2-3與吸附在細(xì)胞表面的Ca2+結(jié)合生成沉淀，達(dá)到修復(fù)裂縫的目的。研究[58-59]表明將含有產(chǎn)脲酶菌的混合液直接滴入到事先做好的裂縫中，試件裂縫得到了修復(fù)。然而，如果將菌液直接拌入混凝土中，并不能達(dá)到自修復(fù)的目的，其原因是微生物在攪拌過程中受外部擠壓以及混凝土內(nèi)部高堿性環(huán)境影響，從而導(dǎo)致大部分芽孢生存時間低于4個月[28]。為此，一些研究人員[60-61]將產(chǎn)脲酶菌通過陶粒負(fù)載拌入混凝土試件，在開裂后養(yǎng)護(hù)7 d發(fā)現(xiàn)超過60%的0.4～0.5 mm的裂縫被修復(fù),在開裂后養(yǎng)護(hù)28 d發(fā)現(xiàn)可以修復(fù)0.51 mm的微裂縫，自修復(fù)效果明顯。脲酶的活性會影響CaCO3沉淀的產(chǎn)出[62-63]，這也意味著提高脲酶活性不僅可以高效產(chǎn)出CaCO3沉淀，也可以間接加快混凝土裂縫修復(fù)的時間。為了找到與水泥基兼容性更好的細(xì)菌，選用的菌種不僅能夠在高堿等惡劣環(huán)境下存活，其礦化產(chǎn)物的微觀物相也應(yīng)該和水泥基具有很好的兼容性。研究[43,64]表明，目前發(fā)現(xiàn)在微生物自修復(fù)領(lǐng)域CaCO3晶相類型主要為方解石、文石、球文石三種。各種晶體的優(yōu)劣表現(xiàn)在不同的方面，其中方解石的穩(wěn)定性最好，文石的穩(wěn)定性雖然低于方解石但是強(qiáng)度和密度卻高得多，這說明文石具有很好的機(jī)械性能。研究人員[64-65]通過更改巴氏芽孢桿菌在礦化中的鈣源，發(fā)現(xiàn)礦化所產(chǎn)生的CaCO3的晶相類型得到了改變。當(dāng)鈣源為氯化鈣時，礦化產(chǎn)物晶體主要為方解石和球文石，當(dāng)鈣源為醋酸鈣時，所沉積晶體主要為球文石。這表明沉積晶體的物相可以通過改變鈣源而改變，但是對于沉積物混合物相的修復(fù)效果以及修復(fù)后的力學(xué)性能對比還有待進(jìn)一步研究。

圖3 產(chǎn)脲酶菌礦化機(jī)理

盡管產(chǎn)脲酶菌具有礦化物合成量大、產(chǎn)量高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是對于修復(fù)環(huán)境的要求卻十分苛刻。Wang等[31]發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)脲酶菌在干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)的條件下裂縫修復(fù)效果最好，裂縫最大修復(fù)寬度接近1 mm，但在濕度大于95%的濕環(huán)境下的修復(fù)效果幾乎為0，這主要是由于在干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)條件下，產(chǎn)脲酶菌能夠更好地接觸O2，從而提高尿素的分解速率，進(jìn)而更好、更快地產(chǎn)生礦化產(chǎn)物。不僅如此，脲酶的活性也與水泥基內(nèi)部環(huán)境的pH值、外加劑種類、營養(yǎng)物質(zhì)濃度、內(nèi)部溫度及鈣源有很大的關(guān)系，并且產(chǎn)脲酶菌在礦化過程中會向空氣中釋放NH3。到目前為止還沒有有效的手段去克服這些不足，從而限制了產(chǎn)脲酶菌在混凝土中的應(yīng)用。

(2)非產(chǎn)脲酶菌。針對產(chǎn)脲酶菌產(chǎn)生的不足，學(xué)者們不得不將注意力放在非產(chǎn)脲酶菌上，開始將注意力放在依靠捕捉碳源以及轉(zhuǎn)化碳源進(jìn)行呼吸作用的非產(chǎn)脲酶菌的研究上。研究發(fā)現(xiàn)在非產(chǎn)脲酶菌中有很多不同種類的礦化機(jī)理，根據(jù)礦化機(jī)理的不同可以將非產(chǎn)脲酶菌分成三大類：其一，依靠有機(jī)碳向無機(jī)碳轉(zhuǎn)化的好氧性非產(chǎn)脲酶菌；其二，依靠捕碳轉(zhuǎn)化碳酸的好氧性非產(chǎn)脲酶菌；其三，厭氧性反硝化菌。

①依靠有機(jī)碳向無機(jī)碳轉(zhuǎn)化的好氧性非產(chǎn)脲酶菌。在以這種非產(chǎn)脲酶菌為核心的修復(fù)體系下[29,66]，沉淀(CaCO3)生成主要被兩個因素所驅(qū)動：其一，因細(xì)菌表面帶有負(fù)電荷，會將Ca2+吸引在細(xì)菌表面形成成核位點(diǎn)，有利于沉淀的生成;其二，非產(chǎn)脲酶菌將有機(jī)酸鹽消耗掉作為碳和能量的來源，這些有機(jī)酸鈣生成CO2和H2O并進(jìn)一步和水泥基內(nèi)部的堿性物質(zhì)(Ca(OH)2)反應(yīng)生成沉淀(CaCO3)進(jìn)而達(dá)到修補(bǔ)裂縫的目的。圖4描述了依靠有機(jī)碳向無機(jī)碳轉(zhuǎn)化的好氧性非產(chǎn)脲酶菌的礦化機(jī)理，細(xì)菌在第一階段通過代謝將醋酸鈣(Ca(C4H6O4))轉(zhuǎn)化為CaCO3和CO2，CO2在第二階段和Ca(OH)2反應(yīng)再一次生成CaCO3，從而達(dá)到修補(bǔ)裂縫的目的。盡管這種修復(fù)方式不像產(chǎn)脲酶菌一樣排放有害氣體，但是在早期研究[32]中發(fā)現(xiàn)，此種細(xì)菌對O2的依賴程度十分的高，礦化過程也十分緩慢，這限制了其在水泥基材料中的應(yīng)用。

圖4 依靠有機(jī)碳向無機(jī)碳轉(zhuǎn)化的好氧性非產(chǎn)脲酶菌的礦化機(jī)理

②依靠捕碳轉(zhuǎn)化碳酸的好氧性非產(chǎn)脲酶菌(碳酸酐酶菌)。這種細(xì)菌主要以捕捉的空氣中的CO2作為碳源，促使CO2與H2O在堿性條件下生成H2CO3[53,67-68]，H2CO3先后進(jìn)行兩次電離，并在中途生成三種離子，分別為氫離子(H+)、HCO-3、CO2-3。圖5詳細(xì)解釋了碳酸酐酶菌的礦化機(jī)理，細(xì)菌產(chǎn)生的碳酸酐酶(carbonic anhydrase, CA)[69]將外界中的CO2快速溶解生成H2CO3，H2CO3被CA進(jìn)一步催化成HCO-3和CO2-3，隨后CO2-3結(jié)合細(xì)胞表面的Ca2+生成沉淀(CaCO3)。研究表明,碳酸酐酶菌發(fā)生代謝反應(yīng)可以生成大量的CaCO3[70]，同時具有很強(qiáng)的膠結(jié)作用[71],此種修復(fù)方式對于0.3 mm下的水泥基裂縫有著很好的修復(fù)效果，但是隨著開裂齡期的增加[54]或者當(dāng)裂縫寬度靠近1 mm時[71-73]，修復(fù)效果開始大幅度降低。細(xì)菌的無機(jī)碳來源于空氣中的CO2并且需要O2的參與[74]，這對于深層次的裂縫并不適用，但是對于表面裂縫具有不錯的修復(fù)效果。雖然和前面所提到的兩種細(xì)菌相比，碳酸酐酶菌具有更好的環(huán)保性，但是適用性窄，并不適合用在混凝土的自修復(fù)領(lǐng)域。

圖5 碳酸酐酶菌的礦化機(jī)理

③厭氧性反硝化菌。無論是產(chǎn)脲酶菌或者是通過捕碳及轉(zhuǎn)化有機(jī)碳的非產(chǎn)脲酶菌都屬于喜氧菌體，對O2有很大的依賴性。然而混凝土構(gòu)件的工作區(qū)域不僅只在O2富饒的地區(qū)，同時也在貧氧的環(huán)境下工作，如深埋地下樁基礎(chǔ)等。針對此問題，利用厭氧類細(xì)菌(反硝化菌)的自修復(fù)混凝土被提出[56]，其主要的修復(fù)原理是通過添加外加劑，如甲酸鈉(NaHCOO)、硝酸鈉(NaNO3)、甲酸鈣(Ca(HCOO)2)等為反應(yīng)提供必要的離子，以硝酸根離子(NO-3)作為電子受體而不是O2[57]，在有機(jī)物的微生物氧化過程中發(fā)生了生物NO-3的還原反應(yīng)，減少了對O2的依賴，使其將有機(jī)碳源轉(zhuǎn)化為CO2-3。圖6詳細(xì)解釋了反硝化菌的礦化機(jī)理，整個反應(yīng)過程主要分為五個階段，反應(yīng)中的每個階段都有新物質(zhì)生成，從而作為下個階段的反應(yīng)底物：第一階段，甲酸根離子(HCOO-)、NO-3、H+反應(yīng)生成亞硝酸根離子(NO-2)、H2O、CO2；第二階段，HCOO-與NO-2、H+進(jìn)行反應(yīng)，生成一氧化氮(NO)和CO2；第三階段，NO結(jié)合HCOO-生成一氧化二氮(N2O)和CO2；第四階段，N2O繼續(xù)和HCOO-發(fā)生反應(yīng)生成氮?dú)?N2)、CO2；第五階段，伴隨著前四個階段同時進(jìn)行，前四個階段生成的CO2誘導(dǎo)Ca2+生成沉淀。Sonmez等[75]發(fā)現(xiàn)在不同鈣源(硝酸鈣、甲酸鈣)下會影響反硝化菌的礦化速率，且在低營養(yǎng)狀態(tài)下甚至可以實現(xiàn)增強(qiáng)碳酸鈣沉淀性能。與產(chǎn)脲酶菌相比，反硝化菌的還原機(jī)制更加穩(wěn)定，并且原料簡單，材料成本較低，適用于貧氧環(huán)境下的礦化修復(fù)。盡管反硝化菌完善了微生物自修復(fù)的礦化體系，但是碳酸鹽沉積的速率相對產(chǎn)脲酶菌較低[76]，對如何提高碳酸鹽沉積速率還有待進(jìn)一步研究。

圖6 厭氧性反硝化菌的礦化機(jī)理

上述所提的四種單一菌種的修復(fù)機(jī)理是一元體系中的核心修復(fù)機(jī)制，因代謝機(jī)制單一，具有很大的受限性，如厭氧菌體若放在富氧環(huán)境下，內(nèi)部代謝途徑將受到阻礙，同樣的將喜氧菌體放在貧氧或者無氧環(huán)境下，內(nèi)部代謝途徑將會減緩甚至停止，如何解決此類問題，還有待進(jìn)一步研究。

2.2 一元修復(fù)體系的修復(fù)效果

作為一種在產(chǎn)生裂縫之時可以達(dá)到自診斷、自修復(fù)的智能型水泥基材料[47,77]，選用一元修復(fù)體系的微生物自修復(fù)混凝土裂縫的修復(fù)效果、力學(xué)性能的恢復(fù)效果被廣大學(xué)者所認(rèn)可[78-81]。

圖7展示了在選用產(chǎn)脲酶菌、非產(chǎn)脲酶菌下的自修復(fù)混凝土的裂縫修復(fù)效果。Ersan等[82]將反硝化菌負(fù)載在顆粒載體中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裂縫產(chǎn)生28 d后可以將0.4 mm的裂縫修復(fù)95%，在0.01 MPa的水壓下，透水性降低80%。Wang等[31]將產(chǎn)脲酶菌(Bacillussphaericus)固載在微膠囊中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裂縫產(chǎn)生后，1 mm的裂縫在21 d后就能完全修復(fù)。Vashisht等[50]以產(chǎn)脲酶菌(Lysinibacillussphaericus)為礦化細(xì)菌制造水泥基構(gòu)件，在人工制造裂縫后養(yǎng)護(hù)28 d發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件表面損傷不僅完全修復(fù)，抗壓強(qiáng)度也增加了34.6%，這表明產(chǎn)脲酶菌在混凝土中有巨大的應(yīng)用潛力。Kanwal等[47]將產(chǎn)脲酶菌(Bacillussubtilis)固定在蔗渣中發(fā)現(xiàn)，0.5 mm的裂縫在修復(fù)28 d后修復(fù)率達(dá)到了100%，除此之外，抗折強(qiáng)度提高了6.5%，斷裂應(yīng)變提高了58.11%。Fu等[83]研究了產(chǎn)脲酶菌(Sporosarcinapasteurii)在海水環(huán)境下的裂縫自愈合效果，盡管在海水中的修復(fù)效果不如淡水中的好，但是裂縫修復(fù)15 d后的修復(fù)率仍然高達(dá)80%，有效阻止了外界腐蝕離子的侵入。Pro?ek等[52]將非產(chǎn)脲酶菌(Bacilluspseudofirmus)使用聚乙烯醇包裹，摻入混凝土中發(fā)現(xiàn)在裂縫產(chǎn)生180 d后，不僅裂縫修復(fù)率達(dá)到了100%，抗彎強(qiáng)度修復(fù)率也達(dá)到了100%。Qian等[54]將碳酸酐霉菌(Bacillusmucilaginous)作為礦化細(xì)菌拌入混凝土中發(fā)現(xiàn)，0.5 mm的裂縫只需要10 d便可以完全修復(fù)，裂縫修復(fù)后的抗折強(qiáng)度相對于沒有摻入自修復(fù)劑的混凝土試件提高了110%。

圖7 選用一元修復(fù)體系的自修復(fù)混凝土的修復(fù)效果

盡管現(xiàn)在研究發(fā)現(xiàn)一元體系下的自修復(fù)效果很好[84-86]，但是外部環(huán)境復(fù)雜，實際混凝土構(gòu)件的工作環(huán)境(淤泥沼澤地區(qū)、水下、山體隧道等)富含多種不同的微生物群落，單一菌體能否在實際應(yīng)用中發(fā)揮出很好的修復(fù)效果還有待考究。

2.3 多元修復(fù)體系的修復(fù)機(jī)理

與一元修復(fù)體系不同，多元修復(fù)體系更加貼近水泥基構(gòu)件的工作環(huán)境，這種修復(fù)體系具有至少兩種不同的代謝機(jī)制來誘導(dǎo)CaCO3生成(見表2)。

表2 多元修復(fù)體系下細(xì)菌的選擇

例如,將反硝化菌設(shè)定為微生物自修復(fù)體系的核心菌落，再加入一種可以將大分子碳源轉(zhuǎn)化為小分子碳源的細(xì)菌輔助核心細(xì)菌礦化，從而使各種微生物協(xié)同作用。圖8詳細(xì)解釋了這種體系的礦化機(jī)理，圖8(a)利用具有發(fā)酵功能的細(xì)菌(fermentative bacteria，F(xiàn)B)將大分子碳源(乳酸)轉(zhuǎn)換成小分子碳源(乙酸)，小分子碳源更容易被具有反硝化功能的微生物(denitrifying bacteria，DNB)代謝生成CO2，最終誘導(dǎo)CaCO3生成。通過更換不同的核心菌種來調(diào)節(jié)代謝機(jī)制，如圖8(b)所示，將厭氧性細(xì)菌更換成兼性厭氧菌落同樣可以達(dá)到礦化沉積的目的。這種體系不僅可以使各菌體之間分配更多的任務(wù)，在面對外部復(fù)雜環(huán)境時也具有更好的韌性。

圖8 厭氧性混菌和兼性厭氧混菌在礦化沉積中的相互作用

這種具有多種代謝途徑的體系并不局限于多種具有單一代謝途徑的菌體混合在一起構(gòu)成的多種體系，一種菌落也可能具有多種代謝途徑。Zhu等[88]發(fā)現(xiàn)了一種具有尿素水解和硝酸鹽還原兩種代謝途徑的細(xì)菌，Zhao等[89]將一種具有產(chǎn)脲酶的陽性真菌放入含有Ca2+和Sr2+的環(huán)境中，也發(fā)現(xiàn)內(nèi)部同樣有兩種具有方解石晶相的沉淀(CaCO3、SrCO3)生成。當(dāng)然，想要構(gòu)成多種代謝途徑的微生物礦化體系，最簡單的方式便是將多種只具有單一礦化作用的微生物混合培養(yǎng)，張家廣等[87]在好氧、厭氧、兼性厭氧條件下分別富集馴化了具有礦化修復(fù)功能的混菌，搭建了多種代謝途徑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混凝土裂縫修復(fù)寬度更大，深度更深，并且具有更強(qiáng)的抗沖擊能力。不僅如此，與一元修復(fù)體系不同，多元修復(fù)體系下礦化產(chǎn)物在微觀物相方面具有多樣化，這也將各種物相下結(jié)晶體的優(yōu)點(diǎn)集中在了一起，完善了單一晶相的不足，并且微生物菌群的生產(chǎn)成本也降低了61%[43]。

綜上所述，假設(shè)了幾組多元修復(fù)體系下具有不同代謝功能的微生物的搭配，如表3所示。如在有氧環(huán)境下將幾種產(chǎn)脲酶菌(BacillusSubtilis,Sporosarcinapasteurii,Bacillussphaericus)和酵母菌進(jìn)行搭配，這主要是因為酵母菌分泌物可以作為產(chǎn)脲酶菌的營養(yǎng)成分。研究[90]表明，在微生物自修復(fù)混凝土中添加酵母提取物可以更好地誘導(dǎo)礦化作用。若是以產(chǎn)脲酶菌為核心礦化菌體，酵母菌為輔助菌體，兩種菌體通過協(xié)同作用不僅可以共同應(yīng)對外界的沖擊作用，而且可以解決酵母提取物因前期消耗而導(dǎo)致后期礦化時不足的問題。當(dāng)然，目前有研究者已經(jīng)將某一種產(chǎn)脲酶菌(Bacilluspasteurii)和酵母菌搭配構(gòu)成了多元修復(fù)體系，為其他幾種產(chǎn)脲酶菌的搭配提供了理論和技術(shù)上的支持[41]。除此之外，酵母提取物也是其他非產(chǎn)脲酶菌的營養(yǎng)物質(zhì)，如科氏芽孢桿菌(Bacilluscohnii)[91]。和產(chǎn)脲酶菌類似，將科氏芽孢桿菌和酵母菌構(gòu)成多元修復(fù)體系成為了可能。不僅如此，厭氧環(huán)境下的微生物多元修復(fù)體系搭配也十分重要，如將可以轉(zhuǎn)換大分子碳源的微生物[92](Acetobacteriumpsammolithicum,Gemmobacter)和具有反硝化作用的微生物[87](Pseudomonasaeruginosa,Alishewanel，Azotobacter)相搭配,以前者作為輔助性細(xì)胞將大分子碳源(如乳酸)轉(zhuǎn)換為小分子碳源(如乙酸)，然后小分子碳源被作為核心的反硝化菌進(jìn)一步分解為CO2，從而誘導(dǎo)CaCO3生成。同樣，也可以將不同種類的礦化菌進(jìn)行搭配，構(gòu)成可以靈活更換應(yīng)用環(huán)境的智能型水泥基構(gòu)件，如將好氧環(huán)境下的產(chǎn)脲酶菌(Lysinibacillussphaericus)和一種同時具有尿素水解功能和硝酸鹽還原功能[89]的細(xì)菌(Ralstoniaeutropha)相結(jié)合，構(gòu)造出一種可以使兩種修復(fù)體系在不同環(huán)境下切換的智能體系。這是因為Lysinibacillussphaericus需要O2參與代謝活動，在有氧環(huán)境下被激活后可以和Ralstoniaeutropha同時將尿素水解，誘導(dǎo)CaCO3生成，從而進(jìn)行多元修復(fù)體系下的代謝活動；在無氧環(huán)境下Lysinibacillussphaericus不能發(fā)揮作用，僅有Ralstoniaeutropha進(jìn)行硝酸還原反應(yīng)，從而進(jìn)行一元修復(fù)體系下的代謝活動。

表3 多元修復(fù)體系下細(xì)菌的選擇(假想)

然而，國內(nèi)外對多元修復(fù)體系的微生物礦化研究還十分缺乏，更多的理論性猜想還有待進(jìn)一步探究和驗證。

2.4 多元修復(fù)體系的修復(fù)效果

相比一元修復(fù)體系，多元修復(fù)體系不僅具有抵抗更大外界沖擊和更加貼合實際環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，也有更好的修復(fù)效果。

圖9展示了在多元修復(fù)體系下的裂縫修復(fù)情況。Zhang等以科氏芽孢桿菌(Bacilluscohnii)為核心菌體，先是從活性污泥中提取出了可在缺氧條件下存活的混菌體(Mc-Ao)作為輔助菌[43]，又在有氧條件下提取了喜氧混菌體作為輔助菌體[87]，然后在缺氧和有氧環(huán)境下分別研究了混菌體裂縫的修復(fù)效果。研究發(fā)現(xiàn)，在裂縫經(jīng)自修復(fù)28 d后，兩種混合菌體的修復(fù)寬度最大都可以達(dá)到1.22 mm，這在一元修復(fù)體系中是難以實現(xiàn)的。同時，Zhang等[43]又在厭氧條件下測試了以另一種輔助菌體(Mc-Aa)構(gòu)成的多元修復(fù)體系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其修復(fù)寬度為0.79 mm的裂縫時修復(fù)率可以達(dá)到100%，隨后又進(jìn)行了修復(fù)后透水性的測試，發(fā)現(xiàn)相對于一元修復(fù)體系，多元修復(fù)體系下的抗水滲透性能更強(qiáng)。魏冠奇[41]以巴氏芽孢桿菌(Bacilluspasteurii)為核心菌種，以釀酒酵母菌(Brewersyeast)為輔助菌種構(gòu)建了多元修復(fù)體系，并以一元修復(fù)體系作為對照，發(fā)現(xiàn)一元修復(fù)體系下的CaCO3沉積深度在約2.8 mm的范圍內(nèi)，當(dāng)裂縫深度大于4 mm時不會產(chǎn)生十分明顯的沉積現(xiàn)象，而多元修復(fù)體系下在整個裂縫范圍內(nèi)均有明顯的沉積現(xiàn)象，這表明多元修復(fù)體系下修復(fù)裂縫的深度更大。

圖9 選用多元修復(fù)體系的自修復(fù)混凝土的修復(fù)效果

綜上所述，多元修復(fù)體系的優(yōu)點(diǎn)不僅僅表現(xiàn)在貼合實際環(huán)境這一個方面，其修復(fù)效果相對于一元修復(fù)體系也更加出色，具有更好的三維修復(fù)能力(平面修復(fù)-深度修復(fù))。

3 修復(fù)效果的表征方式

無論是一元修復(fù)體系還是多元修復(fù)體系，修復(fù)效果才是評價一種修復(fù)方式好壞的硬性指標(biāo)，甚至在某種程度上修復(fù)效果的好壞可以直接決定某種自修復(fù)方式是否可行。修復(fù)效果的評估不僅給研究者提供了參考，也協(xié)助加快了自修復(fù)的研究進(jìn)程。選出更加合理以及適用的表征方式能夠?qū)Ρ瘸霾煌w系下的修復(fù)效果，對選出更實用的修復(fù)體系提供了支持。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)目前對混凝土自修復(fù)效果的表征方式主要分為以下幾種：

(1)表面裂縫修復(fù)寬度。運(yùn)用高清攝像儀檢測所修復(fù)裂縫的寬度，不僅能夠直觀地表征出此種途徑的修復(fù)效果，還能觀察出礦化進(jìn)程[43,93-94]。

(2)超聲脈沖速度(ultrasonic pulse velocity, UPV)測量和四點(diǎn)彎曲試驗。幾十年來UPV檢測被認(rèn)為是一種可靠的非破壞性技術(shù)(圖10)，UPV常被用來作為砂漿棱鏡損傷和愈合的指標(biāo)，這種檢測方式主要是因為混凝土內(nèi)部構(gòu)造會影響超聲波的傳播，從而得出內(nèi)部信息如孔隙率、彈性模量、微裂紋的分布情況[95]。UPV測量在負(fù)重前、負(fù)重后、愈合后依次進(jìn)行，研究垂直于加載方向和試樣裂紋平面的傳輸方向，用來評估損傷和愈合程度，之后再進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗以評測力學(xué)性能[96]，這樣能夠形象地表征出不同體系下的修復(fù)效果，然而UPV測量僅能表征出平面裂紋傳輸和修復(fù)情況，對于深度裂紋的動態(tài)變化無法表征，彌補(bǔ)這種不足的做法還有待進(jìn)一步探究。

圖10 混凝土試件UPV測試[97]

(3)表面裂縫修復(fù)率。在微生物自修復(fù)混凝土的研究中，并不是所有的裂縫都會被完全修復(fù)，當(dāng)面臨多個對照組中裂縫修復(fù)都不完全時，修復(fù)率能更容易、更直觀地表征出修復(fù)效果的好壞程度，普遍運(yùn)用電子顯微鏡(如VP-SEM)來跟蹤記錄裂縫修復(fù)寬度的演變過程，使用圖像處理軟件確定裂紋面積，之后通過式(1)計算出準(zhǔn)確的修復(fù)率變化情況。

(1)

式中：h為修復(fù)率；hi為初始裂紋面積；ht為t時刻裂紋面積。

(4)滲透率。裂縫的修復(fù)效果不僅可以直接通過超聲探測儀表征，還可以間接通過水的滲透率來表征，運(yùn)用自行搭建的滲透裝置(見圖11)，通過式(2)計算出修復(fù)后水泥基構(gòu)件的滲透率。

圖11 滲透率測試裝置[43]

(2)

式中：k為滲透率，cm/s；la、wa分別為測試盤上下表面的平均長度、平均寬度，cm；to為1 500 mL水通過裂縫進(jìn)入的測試時間，s。

(5)力學(xué)性能測試。在表征修復(fù)效果的好壞時，將修復(fù)后和裂縫產(chǎn)生前的水泥基構(gòu)件的力學(xué)性能作對比，是推算水泥基構(gòu)件修復(fù)前后力學(xué)性能恢復(fù)水平的重要指標(biāo)，盡管當(dāng)今一元修復(fù)體系下對修復(fù)后力學(xué)性能的測試很多，但是攝入力學(xué)性能恢復(fù)率(見式(3))概念的還很少，力學(xué)性能恢復(fù)率不僅能更加直觀地表征水泥基構(gòu)件修復(fù)后極限荷載的損失量，而且也是評價不同體系之間好壞的關(guān)鍵因素，可為以后混凝土自修復(fù)體系之間的選擇提供參考和建議。

(3)

式中：s為力學(xué)性能恢復(fù)率；Fi為初始極限抗壓強(qiáng)度；Ft為修復(fù)后極限抗壓強(qiáng)度。

這幾種表征方式不僅可以把裂縫修復(fù)效果的好壞直觀地展現(xiàn)在研究者的面前，而且對混凝土微生物礦化的后期研究也能給出數(shù)據(jù)上的參考和建議。然而，裂縫的延伸是三維立體的，裂縫深度的修復(fù)情況也是混凝土自修復(fù)領(lǐng)域的一個重要問題，對裂縫修復(fù)深度的表征方式還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語與展望

微生物自修復(fù)是利用微生物的礦化產(chǎn)物去填補(bǔ)混凝土裂縫來達(dá)到修補(bǔ)裂縫的目的，被認(rèn)為是延長混凝土服役年限最有益的方法。選用合適的礦化修復(fù)體系才能將微生物礦化效果最大化，從而保障微生物混凝土自修復(fù)機(jī)理的有效性。然而目前國內(nèi)外學(xué)者在選用礦化體系上，絕大多數(shù)采用一元修復(fù)體系，并且在培養(yǎng)菌株以及養(yǎng)護(hù)微生物水泥時都在利于單一菌種的適宜環(huán)境下進(jìn)行，從而保證微生物有很好的礦化效果，但忽略了外部復(fù)雜的實際環(huán)境。不僅如此，在一元修復(fù)體系下，裂縫的修復(fù)工作大多從平面開展，難以達(dá)到裂縫三維修復(fù)的目的，可能導(dǎo)致礦化魯棒性降低。針對一元修復(fù)體系，多元修復(fù)體系不僅可以將體系內(nèi)多種代謝機(jī)制協(xié)調(diào)共同作用，還可以承擔(dān)更多任務(wù)且更加符合外部多菌共存的實際環(huán)境，從而保持微生物礦化的穩(wěn)定性。

綜上所述，多元修復(fù)體系更加滿足實際工作要求，更有利于將微生物混凝土應(yīng)用到實際工程中。