生物混凝土材料在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

許杰 王璇

常州大學(xué)/美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院 江蘇 常州 213000

引言

混凝土作為當(dāng)今建筑最普遍使用的材料，無論多么細(xì)心地養(yǎng)護(hù)，最終都會(huì)產(chǎn)生裂縫，使建筑物存在安全隱患。普通人受傷，傷口需要很久才能愈合。那么，混凝土是否能和身體構(gòu)造一樣，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修復(fù)的能力呢？來自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的微生物學(xué)家找到了新世界：自愈的“生物混凝土”，一種細(xì)菌可以產(chǎn)生石灰石細(xì)并實(shí)現(xiàn)裂縫的自我愈合修復(fù)[1]。

1 傳統(tǒng)的裂縫修復(fù)方式

1.1 表面封閉法

該方法主要應(yīng)用于長度小于0.2mm的裂紋。其方法是通過使用修補(bǔ)料，如混凝土填充物、環(huán)氧膠水泥等涂刷于裂紋表層，從而改善了裂紋的防水特性，并延緩了裂縫開裂。

1.2 壓力灌漿技術(shù)

它通過輸液泵把環(huán)氧樹脂、混凝土等物質(zhì)灌入裂紋內(nèi)，提高裂紋的完整性，適合于長度超過0.3mm的裂紋。

1.3 填堵法

此法首先把裂隙挖成溝槽，然后向溝中填入混凝土、瀝青等修補(bǔ)材料，以取得修補(bǔ)效果。此方法適合于長度超過0.5mm的裂紋。

2 生物混凝土材料修復(fù)方式

2.1 生物混凝土材料概念

早在1836年，一位法國科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)了混凝土具有自動(dòng)愈合的能力，之后他便展開了系統(tǒng)研究，最終未取得太大的研究成果。2012年10月，荷蘭德爾塔理工大學(xué)混凝土專家埃里克施蘭根提出了一個(gè)“愈合混凝土”問題，將芽孢桿菌孢子添加到混凝土中。

生物混凝土，也稱為自愈混凝土，是一種能夠通過可微生物產(chǎn)生的石灰石，達(dá)到自我修復(fù)效果的試驗(yàn)混凝土。它包含的細(xì)菌具有產(chǎn)生石灰石的能力，開始產(chǎn)生碳酸鈣。這種新型的鋼筋材料綜合應(yīng)用方法可以有效節(jié)約原材料使用成本，并且大大提高鋼筋混凝土的連續(xù)性和使用壽命。

2.1.1 生物混凝土的原理?？茖W(xué)家們利用了微生物的新陳代謝，通過化學(xué)反應(yīng)，可以產(chǎn)生修復(fù)混凝土裂縫的碳酸鈣填補(bǔ)裂縫。這種自修復(fù)的天然生物材料其實(shí)是一種含有大量乳酸鈣酶的微膠囊，把細(xì)菌包裹在塑料外殼中，并混合在混凝土中。當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)裂縫的時(shí)候，水和空氣就會(huì)慢慢進(jìn)入這些混凝土里面。同時(shí)，水開始分解包裹著這些乳酸鈣和其他細(xì)菌的可溶性固體塑料殼，并且把先前已經(jīng)埋藏的這些乳酸鈣細(xì)菌暴露出來。

乳酸鈣和新鮮空氣的結(jié)合，成功把微生物喚醒。這些微生物在食進(jìn)了乳酸鈣的同時(shí)，吐出了大量碳酸鈣晶體，從而生成石灰石。石灰石成為目前常用的建材，能夠和水泥很好地結(jié)合。

伴隨著這種微生物不斷的生長、代謝和增殖，源源不斷地產(chǎn)生碳酸鈣固體來填補(bǔ)裂縫，在防止裂縫進(jìn)一步加大的同時(shí)，也阻隔了空氣和水分。當(dāng)這些裂縫被大量填充和進(jìn)行修復(fù)后，不具備微生物所需的生存環(huán)境條件時(shí)，微生物便停止了生長繁殖，死亡或一部分重新進(jìn)入了休眠模式[2]。

微生物可以固定砂石，不是由于它自身的黏性，而且借助了一種材料——碳酸鈣。方解石、霰石結(jié)晶和球霰石是指碳酸鈣的三個(gè)同質(zhì)異構(gòu)體，用這三個(gè)結(jié)晶作為介質(zhì)，可以把建筑裂縫之間牢固的連接起來。碳酸鈣的產(chǎn)生過程，被稱為微生物礦化，指細(xì)菌通過形成的顆粒使其周圍的基質(zhì)硬化的階段。在其中微生物誘導(dǎo)了碳酸鈣的沉淀（MICP）是最有研究進(jìn)展的一種微生物礦化的途徑。一般地，誘導(dǎo)過程分為三步進(jìn)行：

（1）帶負(fù)電的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)集中溶液中的游離鈣離子；

（2）部分游離的碳酸根離子與鈣離子結(jié)合形成碳酸鈣沉淀，進(jìn)而依附在細(xì)胞的表面；

（3）隨著體內(nèi)碳酸鈣膠體沉淀的不斷分化累積，逐漸將體內(nèi)微生物完全分解包裹，營養(yǎng)物質(zhì)將被阻斷運(yùn)輸進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)，從而導(dǎo)致微生物死亡。

同時(shí)，乳酸鈣也有一定的吸水性效果，這也使得細(xì)菌的生存受到了制約，降低了細(xì)菌存活率。因此，科學(xué)家們已經(jīng)開始努力尋找各種各樣可以被廣泛用作土壤保護(hù)劑的涂層、可降解劑的塑料、陶瓷甚至是用硅膠制作緩沖溶液的化學(xué)物質(zhì)，以最大限度地幫助提高土壤微生物群的存活率和降低石灰石降解沉積物的效率。

3 建筑設(shè)計(jì)中生物混凝土應(yīng)用的優(yōu)劣勢

3.1 生物混凝土的優(yōu)勢

3.1.1 環(huán)境保護(hù)。生物混凝土在生產(chǎn)使用過程中直接產(chǎn)生的溫室污染源和其他溫室污染氣體也將大大減少。生物混凝土能很好地適應(yīng)環(huán)境，也不會(huì)破壞整個(gè)自然修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)，并能應(yīng)對地震、風(fēng)暴、爆炸等。

3.1.2 靈活性。微生物能夠更好地了解材料的內(nèi)部細(xì)節(jié)，更好地解決腐蝕和磨損等問題。

3.1.3 緊密性。對比于傳統(tǒng)化學(xué)方式獲得的碳酸鈣晶體，采用由細(xì)菌直接誘導(dǎo)成形的碳酸鈣，其方解石結(jié)晶結(jié)構(gòu)更為緊密穩(wěn)固。

3.1.4 延長使用壽命。利用生物修復(fù)的特性，生物混凝土修復(fù)顯著降低了混凝土裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展的可能性，相較于普通混凝土有更好的修復(fù)能力，相對延長建筑的使用壽命。

3.1.5 耐火性。生物混凝土的塑性優(yōu)于普通混凝土。而且耐火性能十分出眾，在發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，良好的耐火性，能夠提供更多的逃生時(shí)間。

3.1.6 減少維修成本。據(jù)不完全信息統(tǒng)計(jì)，歐盟修建橋梁和高速隧道每年將至少耗資60億歐元。目前用于歐盟橋梁、隧道和高速道路基礎(chǔ)建設(shè)的各種生物混凝土每年至少可以節(jié)省數(shù)十億美元的建筑維護(hù)管理成本[3]。

3.2 生物混凝土的劣勢

3.2.1 生物混凝土的弊端。水泥基材料與微生物有交互作用關(guān)系；混凝土的高堿性環(huán)境、水泥水化過程中微生物的存活空間不斷減少等因素對微生物的生存和礦化修復(fù)是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。通過采用多孔材料載體和微膠囊包覆能夠一定程度上提高細(xì)菌在混凝土內(nèi)部的存活率。目前研究中，微生物自修補(bǔ)技術(shù)可修補(bǔ)混凝土，裂縫的最大長度通常不大于1cm，但如果縫隙過大，則單純微生物修補(bǔ)的效果將無法令人滿意。

3.2.2 生物混凝土弊端的改善。伍斯特理工學(xué)院的科研人員找到了一種解決辦法，即混凝土在1d內(nèi)自動(dòng)修復(fù)。紅細(xì)胞內(nèi)有一種蛋白酶，這個(gè)蛋白酶在24h內(nèi)含有CO2反應(yīng)和碳酸鈣晶體，用于修復(fù)混凝土。試驗(yàn)證明，這種酶在水泥粉攪拌和澆注之前加入水泥粉中，作為催化劑，使大氣中的CO2形成碳酸鈣結(jié)晶。經(jīng)過一段時(shí)間以后，3mm的縫隙和1.5mm的裂紋又復(fù)原如初。另外，通過顯微鏡所觀測到的晶體結(jié)構(gòu)也很穩(wěn)定，幾乎完全一致。此外，防水性能高于預(yù)期，雨水不會(huì)滲透。

4 生物混凝土在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

將這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)品化，衍生出三種產(chǎn)品：自愈原劑、修補(bǔ)砂漿和液態(tài)修復(fù)系統(tǒng)。自愈原劑，是新拌混凝土使用的，可以使新建筑物擁有自愈能力。修補(bǔ)砂漿，是在建筑物出現(xiàn)裂縫或損壞時(shí)，用來增添自愈能力。

4.1 自愈原劑

第一種是自愈原劑。在制作組件的拌合料中加入自愈原劑，制作完成后運(yùn)到工地，然后組裝成廢水處理槽。目前已經(jīng)在使用中。這是和荷蘭的水利局合作的。因?yàn)槟壳耙话腩A(yù)算都都用在維修上。

另一個(gè)是大的儲(chǔ)水槽，工法是場鑄混凝土。有水泥攪拌車和結(jié)構(gòu)用的模板，它們將自愈原劑加入混合。將模板固定好后，將混凝土澆筑進(jìn)去，就構(gòu)成了儲(chǔ)水槽。

4.2 修復(fù)砂漿

第二種就是自我修復(fù)砂漿，可以修復(fù)既有建筑物上較大的損壞。這種砂漿不僅強(qiáng)度高，還能承受一定的彎曲變形，有良好的延展性。一般砂漿形成的混凝土無法彎曲，超過負(fù)荷就會(huì)脆裂成兩半。此砂漿形成的混凝土，在彎折的過程中只產(chǎn)生細(xì)微裂縫。這種混凝土擁有特殊的優(yōu)勢，那是因?yàn)槌俗杂瓌?，還加入了大量的聚乙烯醇纖維。當(dāng)彎曲變形，原本應(yīng)該出現(xiàn)一個(gè)大裂縫，現(xiàn)在則變成數(shù)百個(gè)細(xì)小裂縫。這種修復(fù)砂漿有伸展性，能彎曲，可使裂縫快速修復(fù)完成，并在混凝土表面會(huì)形成很好的保護(hù)層。例如來自地震或混凝土內(nèi)部的龜裂，表面的防護(hù)層隨著被拉扯，只會(huì)產(chǎn)生很細(xì)微的裂縫，利用修復(fù)砂漿修復(fù)，并能很好地保護(hù)底下的混凝土層。還有一些結(jié)構(gòu)修復(fù)的施工，如柱子損壞時(shí)，出現(xiàn)剝落和侵蝕的情形，可以將表層混凝土去除，檢視并清潔鋼筋，若損壞嚴(yán)重，則可能需要更換，然后以修補(bǔ)砂漿填補(bǔ)[4]。

荷蘭阿佩爾多恩的赫特盧宮，曾是荷蘭皇家所在地，后來變成了國家博物館。為了最大限度地保留其原貌，建筑的修繕工作至關(guān)重要。二人曾在翻修時(shí)使用自愈混凝土，依靠活細(xì)菌來修復(fù)裂縫。地下室漏水墻面的修補(bǔ)，首先將裂縫敲開，讓砂漿有足夠的施工面積，然后修補(bǔ)和收尾。這樣就能解決漏水問題。砂漿可以用來填縫，保證受損的混凝土，也可以采用噴漿施工處理漏水的墻面，方便又快捷。

4.3 液態(tài)修復(fù)系統(tǒng)

第三種我們稱之為液態(tài)修復(fù)系統(tǒng)ER7，采用噴灑的方式施行。適用于受損情形較輕的混凝土建筑物表面。此情形可以使用這種粉末狀的產(chǎn)品，只要加水溶解，就可以噴灑在受損的表層。這個(gè)產(chǎn)品有兩種成分——A劑和B劑，依序噴灑這兩種配方后，會(huì)產(chǎn)生一種膠質(zhì)物，膠質(zhì)物會(huì)在幾天或幾周內(nèi)轉(zhuǎn)化成石灰石。這項(xiàng)產(chǎn)品的優(yōu)勢是施工區(qū)域很快就能開放使用。例如地下室的墻面或停車場，所需的施工時(shí)間很短。例如一個(gè)建筑案例，此建筑選用薄殼的混凝土，只有6cm厚，在建造過程中就裂得很嚴(yán)重，并且輕微漏水。對于此建筑的修復(fù)，采用液體修復(fù)系統(tǒng)的方式，以人工方式施作，簡單快捷，表面的裂縫最后都封閉了。

另一個(gè)案例是6000m2的停車場區(qū)域，大約4h完成施工。施工后會(huì)增加混凝土的密度，并降低腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的入侵。使用這項(xiàng)產(chǎn)品噴一次，能修復(fù)0.2mm以內(nèi)的裂縫，如果裂縫較大，則需要施工二至三次。因其施工面積很大，以人工施工會(huì)很費(fèi)時(shí)。所以最后采用地板清潔機(jī)的施工方式，它通常能裝1000kg水，只需要把水換成A劑和B劑。第一臺(tái)將溶劑刷入裂縫中，第二臺(tái)噴灑后將液體轉(zhuǎn)化為膠狀物質(zhì)，最后只要等清潔完，停車場就可以開放使用。凍融實(shí)驗(yàn)可以用來檢測混凝土構(gòu)筑物壽命，實(shí)驗(yàn)采樣于停車場內(nèi)未施工以及施工后的區(qū)域，分別提取數(shù)個(gè)主體樣本，進(jìn)行凍融測試。施工一次，脫落就減少了一半，因此大幅增加了耐用度。

5 生物混凝土應(yīng)用的發(fā)展

目前在世界范圍內(nèi)也有一些企業(yè)已經(jīng)開始探討怎樣把環(huán)境生態(tài)學(xué)與建筑業(yè)進(jìn)行融合，并以此追逐環(huán)境建設(shè)的新浪潮。目前環(huán)保建筑的發(fā)展大致有兩個(gè)方向。①細(xì)菌技術(shù)：可生產(chǎn)混凝土修補(bǔ)劑、生物混凝土等。②真菌技術(shù)：可生產(chǎn)室內(nèi)瓷磚、裝飾板、泡沫等。

另外，傳統(tǒng)建材與綠色建筑相比有個(gè)差異——吸碳性能。僅僅是用木結(jié)構(gòu)來說，對比一眾的建材結(jié)構(gòu)，其能充分降解、再生，也在環(huán)境領(lǐng)域體現(xiàn)出很多優(yōu)越性。相對使用微生物、真菌研制成的建筑材料，其吸碳性能會(huì)變得比較脆弱。

出于這些理由，更多建筑企業(yè)也開始考慮、使用生態(tài)建材。這個(gè)領(lǐng)域剛起步，但發(fā)展迅速。

6 結(jié)束語

相較于其他的裂縫修復(fù)技術(shù)，這種基于微生物化學(xué)的能夠真正實(shí)現(xiàn)混凝土的自診斷和自修復(fù)的生物自修復(fù)材料，從根本上節(jié)約大量的物力和人力。

在未來，如果這種微生物自自動(dòng)修復(fù)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)能夠廣泛應(yīng)用于公路橋梁、隧道和高速道路中，那么每年就可以節(jié)省建筑維護(hù)費(fèi)用高達(dá)數(shù)十億美元。對用于混凝土主體結(jié)構(gòu)的自動(dòng)修復(fù)應(yīng)用技術(shù)，這種自自動(dòng)修復(fù)的微生物復(fù)合材料技術(shù)具有重大的應(yīng)用意義。