微膠囊自修復(fù)劑的研究進(jìn)展*

張勝瑩，胡瑩瑩，顧玉龍

（濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院，山東 濱州 256600）

混凝土道面下陷主要是由道路基層混凝土開裂，即初期產(chǎn)生細(xì)微裂縫和后期由于環(huán)境以及人為因素不斷擴(kuò)大造成的。雖然傳統(tǒng)的修復(fù)材料在粘合性能、力學(xué)性能和穩(wěn)定性能方面發(fā)揮良好作用，但是只能針對(duì)已有的裂縫進(jìn)行修復(fù)，沒有動(dòng)態(tài)捕捉修復(fù)的能力。傳統(tǒng)修復(fù)材料的使用對(duì)象多為擴(kuò)大一定規(guī)模的裂縫，面積較大，修復(fù)難度高，成本消耗高，并且過多使用化學(xué)灌漿法對(duì)周圍生態(tài)也存在危害。而微膠囊自修復(fù)可以在裂縫形成初期自動(dòng)捕捉和修復(fù)，不僅對(duì)后期成本進(jìn)行了降低，而且也避免了道路的表面裂縫對(duì)道路使用帶來的危險(xiǎn)，且產(chǎn)物對(duì)周圍環(huán)境的影響較小，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保作用。

1 混凝土道面下陷原因及微膠囊修復(fù)機(jī)理

1.1 混凝土的特性導(dǎo)致

混凝土具有抗壓強(qiáng)度高、使用耐久性好、低成本易制作等特點(diǎn)，是世界范圍內(nèi)使用最廣泛的一種建筑材料。但脆性也使混凝土易受裂縫的影響，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。這種不穩(wěn)定性使混凝土易受有害環(huán)境的影響，在表面或者內(nèi)部形成細(xì)微裂縫，最終裂縫在外界因素作用下不斷擴(kuò)大，從而影響到道路的正常使用，甚至造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

1.2 微膠囊在混凝土中的修復(fù)機(jī)理和過程

在國內(nèi)外研究中，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀可用于增強(qiáng)混凝土的耐久性。常見的微生物反應(yīng)機(jī)理如表1（微生物自修復(fù)機(jī)理）所示?；炷僚c微生物細(xì)菌充分融合，細(xì)菌存在于微小的孔隙中，早期缺少空氣和水分，處于休眠狀態(tài)，后期出現(xiàn)開裂，空氣中的氧氣和水與細(xì)菌接觸，喚醒休眠細(xì)菌再次進(jìn)行新陳代謝產(chǎn)生碳酸鈣沉淀，從而修復(fù)裂縫。

2 微膠囊與砂漿性能間的影響

2.1 微膠囊活性驗(yàn)證

J.Y.Wang等［6］人的實(shí)驗(yàn)中通過細(xì)胞的存活率和尿素分解程度來評(píng)價(jià)細(xì)胞活性。脲酶活性被作為評(píng)價(jià)孢子活力的指標(biāo)。培養(yǎng)基中的總氨氮量反映細(xì)胞存活率，證實(shí)了裝載細(xì)菌孢子情況下分解尿素能力更高，同時(shí)孢子無法從膠囊中漏出，只由其產(chǎn)物進(jìn)行分解。另外，陳業(yè)偉［7］在其綜述中表示，巴氏芽孢桿菌等進(jìn)行尿素分解的微生物，產(chǎn)生的氨氣對(duì)環(huán)境存在影響，并認(rèn)為在無脲酶作用下，其他微生物也可進(jìn)行裂縫修復(fù)，當(dāng)其進(jìn)入砂漿時(shí)，若搶奪砂漿內(nèi)的培養(yǎng)基，同樣降低孢子的存活率和活性。

王利娜等［8］人使用巴氏芽孢八疊球菌在酵母提取物中進(jìn)行培養(yǎng)，并分別改變培養(yǎng)環(huán)境中的單一變量（溫度、pH）。結(jié)果表明，在30℃、pH為9時(shí)，細(xì)菌存活率高、活性高，適宜生存；溫度小于40℃時(shí)對(duì)酶活性影響較?。粶囟瘸^42.5℃，pH高于11時(shí)，酶活性急劇下降。

于躍等［9］人的實(shí)驗(yàn)中使用巴氏芽孢桿菌進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，每組只單一改變pH、溫度或尿素溶液濃度。結(jié)果表明，pH＝8.5時(shí)，溶液中脲酶活性最高；溫度范圍內(nèi)，脲酶活性先上升后下降，在溫度為30℃范圍時(shí)，脲酶活性最高；脲酶活性隨尿素濃度上升而上升，濃度超過1.6 mol／mL時(shí)，上升速度趨于平緩。

2.2 微膠囊對(duì)砂漿性能的影響

針對(duì)微膠囊對(duì)砂漿性能影響，若砂漿內(nèi)微生物分配不均，修復(fù)無法從混凝土各深度反應(yīng)，則不能保證修復(fù)后裂縫的穩(wěn)定性。另外，微膠囊對(duì)水泥水化、水泥凝結(jié)時(shí)間和漿體強(qiáng)度等基本性能具有很大影響。

高明亮［10］使用酚醛-環(huán)氧樹脂微膠囊和膨脹珍珠巖吸附科氏芽孢桿菌進(jìn)行研究，分析混凝土抗壓能力和礦化活性等基本力學(xué)性能，結(jié)果表示，珍珠巖表面形成保護(hù)層，降低了高吸水造成的細(xì)胞死亡。另外，研究證實(shí)微膠囊短期內(nèi)增加裂縫的基體強(qiáng)度，加強(qiáng)孔結(jié)構(gòu)，一定程度上避免了二次開裂和修復(fù)效果欠佳的問題，提高了修復(fù)后的穩(wěn)定性。

Jing Wu等［11］人針對(duì)高吸水性樹脂預(yù)吸水的水在釋水后存在較大體積變化這一問題，提出使用環(huán)氧樹脂為芯，海藻酸鈣水凝膠為囊殼制備微膠囊，后測(cè)定水泥砂漿水化熱量和相對(duì)濕度等。證實(shí)該微膠囊在緩解水泥水化、提高早期縮減效果和降低砂漿內(nèi)孔隙等方面優(yōu)于高吸水性樹脂，對(duì)砂漿的抗壓強(qiáng)度的影響降低，提高了混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能。

羅勉［12］在其研究中利用芽孢桿菌的生活周期，制備休眠芽孢，研究微生物自修復(fù)劑RB、JB和NB對(duì)砂漿的凝結(jié)時(shí)間、砂漿強(qiáng)度等性能進(jìn)行研究驗(yàn)證，摻量為1%到3%的RB和NB、摻量為1%到2%的JB凝結(jié)時(shí)間可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，RB影響水泥砂漿早期強(qiáng)度，但后期抗壓強(qiáng)度將有所上升；JB、NB對(duì)早期強(qiáng)度有影響，后期強(qiáng)度高于對(duì)照組，隨摻量增加到一定濃度后抑制強(qiáng)度增強(qiáng)。

3 微膠囊固載方式及固載材料

砂漿內(nèi)的溫度、pH和營養(yǎng)條件等因素均對(duì)微生物產(chǎn)生影響，常通過固載方式提高微生物修復(fù)效率。常見的固載方式為：包埋法、吸附法、自身固定化法和交聯(lián)法。包埋法是微膠囊的一種主要形式。膨脹黏土顆粒、膨脹珍珠巖、微膠囊等為常見的固載材料。微膠囊固載，在高濕度的環(huán)境下膠囊外部具有高彈性，低濕度環(huán)境下為脆性，加入環(huán)氧樹脂和聚氨酯等物質(zhì)可更好保證存活和修復(fù)［13］。

韓磊等［14］人在實(shí)驗(yàn)中囊壁使用吸水性樹脂，對(duì)環(huán)氧樹脂等修復(fù)劑進(jìn)行包裹，研究?jī)煞N相對(duì)濕度（40%、70%）條件、無風(fēng)條件、微膠囊吸水預(yù)處理對(duì)砂漿抗裂性的影響。結(jié)果表明，微膠囊的釋水行為影響砂漿早期開裂，證明了吸水性膠囊對(duì)于干燥或水分蒸發(fā)較快的環(huán)境，可解決砂漿早期抗裂能力不足的問題，微膠囊預(yù)吸水和低含芯材量能促進(jìn)抗裂性。

Li Xiuhao等［15］人在實(shí)驗(yàn)中對(duì)海底混凝土裂縫進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)，采用原位聚合法、聚合脲醛／環(huán)氧樹脂微膠囊，結(jié)果表明，隨著微膠囊濃度上升，自愈合能力先上升后下降，最高濃度為1%。雖然微膠囊對(duì)水泥裂縫有修復(fù)能力，但修復(fù)后的各項(xiàng)力學(xué)性能均有所下降。

Ren Jun等［16］人在研究中表示，微膠囊囊殼在通常情況下具有脆性，攪拌過程中容易破碎，在砂漿水化放熱的基礎(chǔ)上，制備了一系列的溫度自適應(yīng)微膠囊。驗(yàn)證表明，這類溫度自適應(yīng)性膠囊在較高溫度的攪拌下，破損率下降75%，回收率上升5%，為微膠囊修復(fù)提供新思路。

4 裂縫愈合評(píng)估及應(yīng)用評(píng)價(jià)

4.1 裂縫愈合評(píng)估

微生物膠囊在混凝土裂縫中，所受的影響因素較多，在實(shí)際的裂縫修復(fù)之前還應(yīng)當(dāng)對(duì)水泥砂漿所受微生物膠囊用量、齡期和養(yǎng)護(hù)溫度的影響進(jìn)行測(cè)試。

Guohao Fang等［17］人發(fā)現(xiàn)，裂縫在第28 d后的愈合速度下降，且微膠囊修復(fù)能力從混凝土表面到深層逐漸降低，推斷是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)接觸的空氣中的氧氣和水分含量的減少。在其實(shí)驗(yàn)中使用的是一種A基微膠囊，對(duì)裂縫修復(fù)有可行性，但更適用于水下條件，對(duì)大氣條件的適應(yīng)能力低。

錢春香［18］使用耐堿型微生物固碳菌與水泥砂漿混合，通過SEM、EDS和XCT等方法對(duì)水泥基的力學(xué)性能、修復(fù)效果和微觀孔結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析與測(cè)定，得出：微生物砂漿中含量較高的CSH凝膠促進(jìn)水泥基力學(xué)性能，修復(fù)面積擴(kuò)大，兩周后的修復(fù)率近似高達(dá)100%，生成的填充物為穩(wěn)定的層狀方解石和文石結(jié)構(gòu)。

李宗源［19］使用巴氏芽孢八疊球菌，通過測(cè)定球菌活性、礦化程度、環(huán)境因素得出，細(xì)菌修復(fù)裂縫溫度不超過40℃，pH值在6～9范圍內(nèi)等適宜條件下修復(fù)效果好。結(jié)果顯示，在0.01～0.7 mm的裂縫修復(fù)中，除0.7 mm的試件外，其他試件降低幅度都在92%以上，驗(yàn)證了低濃度菌液生成的碳酸鈣沉淀無法完全修復(fù)過寬的裂縫。在高濃度菌液表面覆膜試驗(yàn)中，碳化深度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)較基準(zhǔn)混凝土都有所下降，抗氯離子的入侵能力提高。

另外，部分學(xué)者研究結(jié)果如表2所示。

表2 修復(fù)效果評(píng)估

4.2 微膠囊自愈合混凝土裂縫的應(yīng)用評(píng)價(jià)

修復(fù)混凝土裂縫，可有效解決由裂縫問題而導(dǎo)致的部分結(jié)構(gòu)坍塌的問題，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和耐久性。表面處理法、灌漿法、填充法和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法等［24］較為常見。耿飛的研究總結(jié)中將混凝土道面修復(fù)的材料根據(jù)化學(xué)原理分為三類，分別為：無機(jī)、有機(jī)，以及無機(jī)有機(jī)復(fù)合。三種類別的修復(fù)材料性能各不相同。根據(jù)混凝土道面裂縫深度，裂縫修復(fù)有表面修復(fù)和深入裂縫修復(fù)兩種技術(shù)［25］。但傳統(tǒng)工藝部分修復(fù)過程中產(chǎn)生的產(chǎn)物影響環(huán)境，破壞生態(tài)穩(wěn)定，還需要大量勞動(dòng)力，成本高，無法自發(fā)捕捉修復(fù)。水泥基材料的被動(dòng)修復(fù)和混凝土的智能自修復(fù)是混凝土微生物礦化研究的兩個(gè)主要層面［26］。微生物修復(fù)技術(shù)綠色環(huán)保，自動(dòng)捕捉裂縫無需人工干擾等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。

羅順等［27］學(xué)者在實(shí)驗(yàn)中研究了影響微生物砂漿強(qiáng)度的重要因素，為后期學(xué)者制備高強(qiáng)度的微生物砂漿提供了實(shí)驗(yàn)參考。錢春香等［28］學(xué)者早期通過微生物誘導(dǎo)礦化技術(shù)，分析得出自動(dòng)修復(fù)和被動(dòng)修復(fù)的優(yōu)缺點(diǎn)及解決方案，并結(jié)合實(shí)際給出研究方向。王海良等［29］人針對(duì)當(dāng)前研究表示，目前微膠囊自修復(fù)仍面臨一些問題，如研究時(shí)長(zhǎng)過短（觀察裂縫修復(fù)時(shí)間多為28天），對(duì)長(zhǎng)期（幾年以上）修復(fù)效果研究的實(shí)驗(yàn)少，研究環(huán)境單一，無外力荷載，多為適宜的室內(nèi)環(huán)境。而在惡劣環(huán)境（潮濕、干旱、鹽堿等）和不同外力荷載作用下的研究較少，裂縫深度修復(fù)差，營養(yǎng)條件苛刻，對(duì)細(xì)胞存活率和活性存在影響，需盡快解決。

5 結(jié)語

微生物修復(fù)效果呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，學(xué)者應(yīng)當(dāng)嘗試提高微膠囊對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)能力，降低營養(yǎng)物質(zhì)、溫度、pH對(duì)微生物活性帶來的影響，以此拓寬微生物修復(fù)最大極限的范圍，提高微生物的高適應(yīng)能力，增加實(shí)際環(huán)境下的修復(fù)研究。本文通過了解混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及混凝土道面修復(fù)的機(jī)理，分別從修復(fù)材料的性能研究、裂縫修復(fù)后密封性能評(píng)估和應(yīng)用評(píng)價(jià)三個(gè)主要方面進(jìn)行了闡述。雖然微生物自修復(fù)技術(shù)研究暫處于初期階段，但國內(nèi)外的學(xué)者已加大研究，以保證微生物的高存活率以及強(qiáng)烈的碳酸鈣沉淀反應(yīng)能夠更快更高效率的修復(fù)裂縫，提高微膠囊修復(fù)可行性，降低后期成本和危險(xiǎn)系數(shù)，保證生命財(cái)產(chǎn)安全。