呂茂樺 陸春光

摘要：微生物修復(fù)混凝土裂縫是一項(xiàng)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(jī)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(jī)理及研究現(xiàn)狀，并對(duì)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(hào)：TU528

1 引言

針對(duì)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(fèi)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(gè)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(shí)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(dá)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(huì)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(huì)有侵蝕性物質(zhì)的危險(xiǎn)，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(xì)菌細(xì)胞外，利用細(xì)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(jiǎn)稱MICP。1995年，Gollapidi等最早提出，基于微生物的礦化機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用微生物進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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?yàn)榧?xì)菌在氧的存在下生長(zhǎng)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(shí)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(shí)具有良好的抗?jié)B性。

為了增強(qiáng)細(xì)菌在裂縫修補(bǔ)中的自愈合作用，學(xué)者們研究了不同載體對(duì)細(xì)菌細(xì)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(yíng)養(yǎng)細(xì)胞作為自愈劑來封閉裂縫。Tittelboom等對(duì)硅膠固化細(xì)菌進(jìn)行了研究。澆筑時(shí)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(biāo)準(zhǔn)裂縫。通過劈裂試驗(yàn)，在直徑80mm、高度75mm的混凝土圓柱體中創(chuàng)建了實(shí)際寬度為0.05 ～ 0.87mm的裂縫，并用于透水性試驗(yàn)。用硅膠固化細(xì)菌處理的樣品在裂縫擴(kuò)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(rùn)發(fā)等探究了高堿性環(huán)境下氧化鋁（Al2O3）對(duì)微生物鈣化的促進(jìn)作用， 通過對(duì)不同裂縫寬度混凝土試件的修復(fù)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)Al2O3能夠改善堿性環(huán)境對(duì)細(xì)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(shí)，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(shí)間。

Tziviloglou等人將載有細(xì)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(cè)試評(píng)估開裂和暴露于兩種不同愈合機(jī)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(shí)，試樣的水密性的恢復(fù)沒有實(shí)質(zhì)上的改變。然而，在經(jīng)受干濕循環(huán)時(shí)，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(xì)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(xì)菌和鈣源營(yíng)養(yǎng)物在混凝土基質(zhì)中作為雙組分的愈合劑，會(huì)在裂縫形成時(shí)導(dǎo)致CaCO3沉淀。馮濤等開展了關(guān)于乳酸鈣摻量對(duì)微生物自修復(fù)混凝土裂縫修復(fù)寬度、抗壓強(qiáng)度等影響進(jìn)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(yíng)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(shí)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(jìn)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(shí)效等問題都有待進(jìn)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(kuò)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(diǎn)問題。

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

作者簡(jiǎn)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